楊帆　(油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué))；中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

馮一璟　(中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

張琪琛　(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

生物標(biāo)志化合物在湖泊環(huán)境的應(yīng)用研究

楊帆(油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué))；中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

馮一璟(中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

張琪琛(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

[摘要]陸相烴源巖發(fā)育在湖盆內(nèi),古時湖泊的水體性質(zhì)及沉積環(huán)境是影響烴源巖發(fā)育質(zhì)量的重要因素,分子化石(生物標(biāo)志物)作為歷史遺存下的產(chǎn)物,更能準(zhǔn)確科學(xué)地表現(xiàn)古湖泊環(huán)境的變化。通過介紹姥鮫烷與植烷、C35升藿烷、重排甾烷/甾烷和伽馬蠟烷4個具有環(huán)境指示意義的生物標(biāo)志物參數(shù),確定其都與湖泊沉積環(huán)境相關(guān),可以反映古湖泊水體的化學(xué)性質(zhì),對它們的生物來源,成巖過程、與古環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了研究述評。

[關(guān)鍵詞]生物標(biāo)志物;姥鮫烷與植烷;C35升藿烷比值;重排甾烷/甾烷;伽馬蠟烷;古湖泊沉積環(huán)境

生物標(biāo)志物又稱分子化石，是古代生物在地層中除了實體化石、鑄?；瓦z跡化石外另一種重要的賦存形式[1]。生物標(biāo)志化合物是曾經(jīng)有過生命的生物體中的生物化學(xué)物質(zhì)演變成巖而成的[2]。因原油和烴源巖的抽提物中都能檢測到這些物質(zhì)，所以通常用于鑒別油-源關(guān)系?？蓱?yīng)用生物標(biāo)志化合物的分布特征、結(jié)構(gòu)演化模式及其參數(shù)變化判識地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的沉積古環(huán)境，進(jìn)而來說明湖泊的古環(huán)境變化[3]。對于烴源巖發(fā)育模式的研究具有基礎(chǔ)指導(dǎo)意義。

目前，大部分具有環(huán)境指示意義的生物標(biāo)志物與環(huán)境的關(guān)系已經(jīng)有了清楚的解釋，但前驅(qū)物確定和生物體向地質(zhì)體演化過程中環(huán)境的具體影響作用機(jī)理仍有待深入研究。下面，筆者針對其中4種研究已經(jīng)非常深入的生物標(biāo)志物參數(shù)來評述其與沉積環(huán)境的關(guān)系并提出應(yīng)用時需要考慮的一些問題。

1姥鮫烷與植烷

圖1　植醇向姥鮫烷和植烷轉(zhuǎn)化過程圖

姥鮫烷、植烷及其比值Pr/Ph常作為判斷湖泊氧化-還原性的指標(biāo)。姥鮫烷和植烷都是無環(huán)類規(guī)則異戊二烯，它們最主要的來源是光合生物中葉綠素a以及紫硫細(xì)菌中細(xì)菌葉綠素a和b的植基側(cè)鏈[4]。沉積物經(jīng)微生物作用，植基側(cè)鏈易于發(fā)生斷裂生成植醇，植醇在還原環(huán)境進(jìn)一步加氫、脫水還原形成植烷。而在氧化條件下則促使植醇先被氧化，形成植酸，植酸脫羧基形成姥鮫烯，最后加氫成姥鮫烷[2]。根據(jù)姥鮫烷和植烷形成的過程(見圖1)可以看出，還原環(huán)境會形成更多的植烷，弱氧化-氧化環(huán)境則更易形成姥鮫烷。在高鹽度強還原環(huán)境下，通常出現(xiàn)強烈的植烷優(yōu)勢，是嗜鹽菌或者產(chǎn)甲烷菌成為沉積有機(jī)質(zhì)后經(jīng)過降解釋放大量植烷造成的。高的Pr/Ph指示氧化環(huán)境，低的Pr/Ph指示有機(jī)質(zhì)形成于還原環(huán)境[5]。一般認(rèn)為，Pr/Ph<3為還原環(huán)境，Pr/Ph>3為弱氧化-氧化環(huán)境。

然而，對于姥鮫烷和植烷及其比值的應(yīng)用還存在一些值得注意的問題，這些問題也將影響姥鮫烷和植烷的分布特征：

1)姥鮫烷和植烷的生物來源多樣，除了葉綠素，很多生物體內(nèi)分子也能經(jīng)成巖演化形成姥鮫烷或植烷，如浮游動物中的不飽和類異戊二烯[6]、古細(xì)菌醚類脂物[7]。姥鮫烷、植烷的前身二氫植醇也是干酪根的組分之一。多源性意味著其存在地質(zhì)體中的數(shù)量不只是受到沉積環(huán)境的控制。

2)劉寶泉等[8]對饒陽凹陷的烴源巖研究發(fā)現(xiàn)，在熱演化早期(鏡質(zhì)體反射率Ro在0.34%～0.5%)，Pr/Ph、Pr/nC17和Ph/nC18比值增大，之后(Ro在0.5%～1.0%)比值減小并趨于穩(wěn)定。陳海樹[9]對四川盆地古生界至中生界的烴源巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在過熟到生干氣階段(Pr/Ph)比值減小，Pr/nC17和Ph/nC18比值增加。這些現(xiàn)象都反映Pr、Ph的含量受到成熟度影響。在低熱成熟階段，因為干酪根的裂解產(chǎn)生大量類異戊二烯烴，Pr/nC17和Ph/nC18比值增大，隨著成熟度增大，到了過成熟階段，長鏈的正構(gòu)烷烴(nC17、nC18等)裂解成短鏈，Pr/nC17和Ph/nC18比值增加。Pr/Ph的大小與有機(jī)質(zhì)成熟度也存在一定聯(lián)系，隨成熟度的增加，Pr/Ph會先上升，在生油門限附近到達(dá)最高值，之后下降并趨于穩(wěn)定。在四川盆地的研究中發(fā)現(xiàn)過成熟階段Pr/Ph會略微增大。Burnham等[10，11]認(rèn)為這種Pr/Ph比值變化是由干酪根中姥鮫烷前驅(qū)物和植烷前驅(qū)物釋放順序的先后造成的。

由此可以看出，姥鮫烷和植烷存在于地質(zhì)體中的數(shù)量不僅受到沉積環(huán)境的控制，還受到其他先驅(qū)物輸入和成熟度的影響。因此，利用Pr/Ph大小來判識沉積環(huán)境時，需要考慮到上述因素對于比值的影響。

2C35升藿烷比值

C31-C35升藿烷主要來自細(xì)菌藿四醇和其他常見于微生物體中的多官能團(tuán)藿烷類化合物[12]。強還原環(huán)境下C35升藿烷會較高，可能在該環(huán)境下更利于C35以上長鏈藿烷的富集和保存。綜合來說，C35升藿烷在強還原或者高鹽度環(huán)境下數(shù)量更多，對于湖泊沉積環(huán)境也有一定指示意義，能夠利用C35升藿烷比值(C35/∑(C31-C35)或C35/C34)來反映古湖泊環(huán)境的氧化還原性。

升藿烷與環(huán)境的相關(guān)性，具體演化過程還未研究清楚。因此，應(yīng)用時需要考慮多種因素。當(dāng)環(huán)境中存在氧時，會將生物前驅(qū)物細(xì)菌霍四醇氧化形成一種帶羧基的C32化合物或者繼續(xù)氧化脫羧形成C31升藿烷，C33、C34、C35含量微少。因此，當(dāng)存在高碳數(shù)升藿烷同系物時，水體內(nèi)應(yīng)該存在不含氧或者少量氧的環(huán)境。這種高碳數(shù)升藿數(shù)優(yōu)勢也可能受前驅(qū)物輸入數(shù)量差別的影響。另外，升藿烷比值受成熟度變化的影響，隨成熟度增大，升藿烷比值會降低。K?ster等[13]認(rèn)為C31-C35藿烷類同系化合物以C—S鍵與芳香結(jié)構(gòu)連接的數(shù)量隨碳數(shù)增加而增加， C35藿烷以C—S鍵與芳香結(jié)構(gòu)相連的數(shù)量在升藿烷同系物中最多。藿烷低熟時C—S的優(yōu)先斷裂使C35升藿烷數(shù)量相對多。而低碳數(shù)升藿烷多是通過C—C鍵與芳香結(jié)構(gòu)相連并且后生作用下C—C鍵斷裂形成低碳數(shù)升藿烷優(yōu)勢。所以可能形成C35升藿烷比值隨成熟度增大而降低的現(xiàn)象。

陳中紅、金強等[14]在對東營凹陷升藿烷演變規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，在高鹽強還原環(huán)境下，C31-C35升藿烷數(shù)量都出現(xiàn)不同程度的“逆轉(zhuǎn)”下降。他們認(rèn)為高鹽環(huán)境中鹽類礦物的抑制作用和遲緩效應(yīng)可能造成了這種“逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。還有類似的鹽類礦物富集造成源巖有機(jī)質(zhì)熱演化和石油形成的滯后現(xiàn)象在一些文章中提到[15，16~18]。該“逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象并沒有影響在高鹽環(huán)境下C35/∑(C31-C35)比值的升高。此外，通常認(rèn)為22S異構(gòu)體是由22R異構(gòu)體在后生作用中演變形成的，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，所以大多使用22S的異構(gòu)體來計算升藿烷比值，但實驗發(fā)現(xiàn)升藿烷比值C35/∑(C31-C35)在高鹽環(huán)境的變化趨勢更接近C35R/∑(C31R-C35R)，并且C35R/∑(C31R-C35R)對環(huán)境反應(yīng)比C35S/∑(C31S-C35S)更明顯。據(jù)陳中紅研究，異構(gòu)體之間的關(guān)系不僅在構(gòu)型轉(zhuǎn)化，不同異構(gòu)體的豐度隨環(huán)境變化減少和增加的速率也存在差異。

3重排甾烷/甾烷

黏土礦物中的酸性礦物如蒙脫石或伊利石在成巖作用階段可以催化甾醇碳骨架重排形成重排甾烯[19,20]。Bebbett和Olsen(2007)[21]將C27重排甾烷/C27規(guī)則甾烷(以下簡寫為C27Dia/C27ST)作為判別烴源巖巖性的指標(biāo)，碳酸鹽巖這種貧黏土烴源巖C27Dia/C27ST顯示低值。重排甾烷的相對高值被認(rèn)為是烴源巖富黏土的證據(jù)。Moldowan，Brincat等[22，23]認(rèn)為酸性和氧化條件下會加強成巖過程中重排甾烯的生成，最終還原成重排甾烷。因此C27Dia/C27ST值可以反映沉積環(huán)境氧化還原性，其值越高，代表沉積水體是氧化的；其值較低，則代表還原的。

一般認(rèn)為，黏土中的酸性礦物在成巖階段會促進(jìn)重排甾烷的形成。但弗羅里達(dá)州貧黏土灰?guī)r[24]和BlackCreek盆地蒸發(fā)巖[25]發(fā)現(xiàn)較高含量的重排甾烷都與黏土論相悖。朱揚明等[26]研究陸東凹陷上侏羅統(tǒng)烴源巖樣品發(fā)現(xiàn)重排甾烷的分布與黏土礦物的組成關(guān)系不密切。van Kaam-Peters H M E等[27]認(rèn)為這種與黏土的不相關(guān)現(xiàn)象是因為酸性催化過程不受巖石中黏土的絕對含量控制，而主要受到黏土占巖石中總有機(jī)碳的比例控制。也就是說重排甾烷的含量與黏土/總有機(jī)碳(clay/TOC)具有相關(guān)性。黏土礦物的酸性催化作用是重排甾烷形成的一方面影響因素，另一方面沉積環(huán)境的氧化還原性對這種酸性催化過程存在控制作用，在缺氧強還原環(huán)境下對催化過程有抑制作用，在有氧弱氧化-氧化環(huán)境中加強催化作用。重排甾烷抗氧化能力更強，氧化環(huán)境下重排甾烷保留的量更大，使得C27Dia/C27ST會更大。另外在高熱演化階段，地層中的水為重排過程提供氫原子，使得碳骨架上的重排成為可能[27]，成熟度同樣影響重排甾烷的數(shù)量。

4伽馬蠟烷

伽馬蠟烷是C30的非藿烷五環(huán)三萜類，其經(jīng)常出現(xiàn)在高鹽度的沉積物中[28]。因此非海相的湖泊沉積物中發(fā)現(xiàn)高含量的伽馬蠟烷一般認(rèn)為是具有高鹽度水體，并且其含量可以反映沉積盆地水體古鹽度的變化[29]。另有研究指出伽馬蠟烷與水體分層相關(guān)，高鹽環(huán)境通常存在穩(wěn)定的密度分層，所以高鹽環(huán)境會伴隨高的伽馬蠟烷含量。伽馬蠟烷前身物四膜蟲醇經(jīng)過脫水和加氫作用形成伽馬蠟烷[30]。四膜蟲醇分布的非常廣泛，在高山條蕨[31]、原生動物[32]、光合硫細(xì)菌[33]、淡水纖毛蟲[34]中都有發(fā)現(xiàn)，因此伽馬蠟烷在淡水和咸水都有保存，但如今發(fā)現(xiàn)多在高鹽度的水體中。伽馬蠟烷的前身物四膜蟲醇還來源于一些厭氧的食菌纖毛蟲，這些纖毛蟲主要以綠硫細(xì)菌、紫硫細(xì)菌為食，黑海的化躍面及其底部分層水體中的食菌纖毛蟲主要以硫氧化細(xì)菌為食。在Priest pot缺氧的分層湖中，厭氧纖毛蟲以光合紫硫細(xì)菌為食[35]。當(dāng)食物源缺少甾醇，主要以細(xì)菌為主時，纖毛蟲便會生物合成四膜蟲醇來取代生物體細(xì)胞膜中的某些甾醇[36]。而這種以細(xì)菌為主，不含甾醇的沉積物的環(huán)境只出現(xiàn)在化躍面及底部的缺氧環(huán)境，底部缺氧環(huán)境又指示了水體分層的現(xiàn)象。Sinninghe Damste等[37]研究蒸發(fā)環(huán)境下的沉積的泥灰?guī)r發(fā)現(xiàn)其中伽馬蠟烷和異海綿烷的碳同位素比來自藻類和細(xì)菌的甾烷、藿烷的碳同位素值更重，主要原因是綠硫細(xì)菌等通過逆-TCA旋回固定CO2，使其生物體常富集13C，導(dǎo)致綠硫細(xì)菌色素的成巖產(chǎn)物異海綿烷的碳同位素較重，以綠硫細(xì)菌為食的食菌纖毛蟲的類脂化合物四膜蟲醇也會富集重碳同位素，這也證實了伽馬蠟烷更多來自食菌纖毛蟲的觀點。

松遼盆地是淡水-微咸水湖盆，但其原油樣品伽馬蠟烷也較高，伽馬蠟烷指數(shù)(伽馬蠟烷/C30藿烷)在0.15～0.30，該數(shù)值甚至比一些海相頁巖來源的油和蒸發(fā)環(huán)境沉積的源巖來源的原油更高，這就與高含量伽馬蠟烷是高鹽度環(huán)境的特征的觀點相悖。松遼盆地沉積湖盆青山口組沉積時氣候潮濕，陸地水流供應(yīng)充足，但東面的伊藍(lán)伊通地塹與海相連通，鹽度較高的海水流入湖盆，使得湖盆出現(xiàn)穩(wěn)定的密度分層，但因為陸地水流充足，使得湖盆水體鹽度并不高。來源于松遼盆地微咸水沉積環(huán)境下的烴源巖的原油卻有較高的伽馬蠟烷指數(shù)，這也說明伽馬蠟烷與高鹽度沉積環(huán)境沒有必然聯(lián)系，主要保存在出現(xiàn)過水體分層的沉積環(huán)境中[28]。

綜上所述，伽馬蠟烷的出現(xiàn)與高鹽度沒有絕對關(guān)系，通過微生物學(xué)和碳同位素的現(xiàn)象說明主要是來源水體分層產(chǎn)生的前驅(qū)物(即食菌纖毛蟲的四膜蟲醇)。因此，伽馬蠟烷的出現(xiàn)更應(yīng)該被認(rèn)作一種水體分層現(xiàn)象的標(biāo)志。

5認(rèn)識及展望

1)姥鮫烷與植烷、C35升藿烷、重排甾烷/甾烷和伽馬蠟烷4個生物標(biāo)志物參數(shù)都與湖泊沉積環(huán)境相關(guān)，可以反映古湖泊水體的化學(xué)性質(zhì)，包括氧化還原性、古水體鹽度和水體分層情況等，但生物標(biāo)志物的演化形成又同時受到其他因素(如其他生物前驅(qū)物來源和熱演化過程)的綜合影響。應(yīng)用時需要結(jié)合多參數(shù)進(jìn)行綜合分析判定。

2)一個生物標(biāo)志物常存在多種異構(gòu)體，可能是不同成巖演變過程中同時產(chǎn)生，也可能是原有的生物構(gòu)型經(jīng)地質(zhì)演化形成新的地質(zhì)構(gòu)型異構(gòu)體。目前對于不同化合物異構(gòu)體之間的差異研究還不深入，應(yīng)用時就很難篩選出對環(huán)境更敏感的異構(gòu)體來計算參數(shù)并表征環(huán)境。

3)除上述4個主要生物標(biāo)志物參數(shù)外，長鏈三環(huán)萜皖比值(ETR)、孕(升孕)甾烷、脫羥基維生素E(MTTC)和芴系列等其他生物標(biāo)志物參數(shù)同樣對古湖泊環(huán)境具有一定的指示意義，但存在不確定因素，不能有效或者普遍適用于古湖泊環(huán)境研究中。針對這些未深入了解的參數(shù)，可以重點研究其演化過程與環(huán)境的關(guān)系，期待應(yīng)用更豐富的參數(shù)配合來綜合解釋古湖泊環(huán)境。

4)深入研究不同生物標(biāo)志物的生物來源、演化過程，影響因素的定量化有助研究人員挖掘生物標(biāo)志物蘊含的地質(zhì)意義，可以豐富生物標(biāo)志物解釋古環(huán)境的角度、方法，細(xì)化古環(huán)境解釋的結(jié)論。

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[編輯]辛長靜

[引著格式]楊帆,馮一璟，張琪琛.生物標(biāo)志化合物在湖泊環(huán)境的應(yīng)用研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,12(28)：56～60.

[中圖分類號]TE122.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)28-0056-05

[作者簡介]楊帆(1993-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣成藏理論方面的研究工作；E-mail：chinaofjz@163.com。

[收稿日期]2015-06-13