魯中燈，劉 巖，陳祖林，樊云鵬，文志剛，徐耀輝，牛 金，田永晶，柳 波，謝小敏，謝 巍

1.油氣與環(huán)境地球化學湖北省重點實驗室(長江大學 資源與環(huán)境學院)，武漢 430100；2.山東省地質礦產勘查開發(fā)局 第五地質大隊，山東 泰安 250013；3.東北石油大學 非常規(guī)油氣研究院，黑龍江 大慶 163000；4.中國石油 塔里木油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 庫爾勒 841000

1 研究現狀

藿烷類化合物是地質體中普遍存在的五環(huán)三萜類化合物，可以指示細菌貢獻的生物來源，是最常用的一類生物標志化合物。通常藿烷類化合物被用來進行油—油對比[1-2]、油—源對比[3]，源—源對比[4]、有機質成熟度指示[5-6]等方面的研究。此外，藿烷類化合物還在環(huán)境地球化學[7-13]、生物地球化學[14]、海洋地球化學[15-16]等領域獲得大量成功的應用，是一類極具應用價值的生物標志物。

常用藿烷地球化學參數主要有：Ts/(Ts+Tm)、C29Ts/(C29αβ+C29Ts)、C29αβ/C30αβ、C3122R/C30αβ和C35/(C31—C35)等。其中Ts/(Ts+Tm)和C29Ts/(C29αβ+C29Ts)是重要的成熟度參數；C29αβ/C30αβ比值常用于指示缺氧的沉積環(huán)境以及進行海陸相簡單的劃分，并且在一定條件下可作為成熟度指標使用；C3122R/C30αβ是區(qū)分海相和陸相烴源巖的重要指標，其值大于0.25對烴源巖的海相原始沉積環(huán)境具有較強的指示意義[17]；C35/(C31—C35)比值常用作海相烴源巖沉積過程中的氧化還原電位指標。這些參數在油源對比等研究中發(fā)揮了巨大作用。然而，大多數生物標志物在未成熟到生油早期階段具有較強的專屬性，但隨著成熟度的進一步增大，很多生物標志物達到演化平衡而不再變化，這又極大地限制了生物標志物的進一步應用[18-23]。

生物標志化合物穩(wěn)定碳同位素中蘊藏著豐富的生物、地質、地球化學信息，通過研究有機化合物碳同位素組成、碳同位素分餾機理，可以揭示復雜的地球化學過程[24]。前人應用色譜—同位素比值質譜技術(GC-IRMS)已對藿烷單體烴碳同位素進行過一些探討，如史繼揚等[3]采用Silicate法分離了廣東泥炭樣品中的藿烷類化合物，并進行藿烷的單體碳同位素分析，認為其沉積環(huán)境中可能生長具有不同碳同位素組成的藿類先質的多種微生物；杜麗等[25]采用尿素絡合法去除了吐哈煤巖飽和烴組分中的正構烷烴，同樣獲取了藿烷分子碳同位素特征，認為在相同沉積環(huán)境、相似母質來源的沉積有機質中，萜烷與鏈烷烴的碳同位素之間存在著明顯的同位素差異，即藿烷(五環(huán)三萜烷)比鏈烷烴(包括正構烷烴及類異戊二烯烷烴)更富集輕的碳同位素；WANG等[26]也采用尿素絡合法獲取了松遼盆地湖相烴源巖中異構烷烴亞組分，并分析了藿烷單體烴碳同位素分布特征，認為甲烷氧化菌導致藿烷單體碳同位素值存在顯著偏負的現象；王匯彤等[27]研究了多種類型國產分子篩對甾烷和藿烷的吸附性，發(fā)現NaY型分子篩對不同構型的甾烷、藿烷、伽馬蠟烷、β-胡蘿卜烷吸附行為具有明顯差異，是分離富集甾烷、藿烷等生物標志化合物的最佳選擇。總的來看，藿烷單體碳同位素數據在解釋不同沉積相帶中有機質生源、微生物種類和豐度及活躍程度等方面發(fā)揮了有效的作用。然而，從前人公開報道的結果來看，藿烷類化合物的分離、富集方法是獲取其分子碳同位素的關鍵過程，但存在實現難度大、實驗周期長等不足，且對低藿烷豐度地質樣品中的藿烷分離富集較為困難。本文采用5?分子篩/氧化鋁柱層析的新方法，對1個四川海相頁巖樣品和2個新疆準噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相頁巖樣品抽提物進行了分離，結果表明該方法操作簡單、有效，獲得的亞組分可直接用于測定藿烷類化合物單體碳穩(wěn)定同位素比值，有望促進藿烷類化合物在油氣地球化學研究中的應用。

2 樣品和實驗方法

2.1 實驗樣品

本文所用樣品為采自四川盆地西北部礦山梁地區(qū)大隆組的1件海相頁巖樣品，以及新疆準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組的2件湖相頁巖樣品?？紤]到成巖與后生作用過程中藿烷異構化對藿烷化合物單體碳同位素可能產生較大的影響[28]，所選樣品均為生油高峰之前的樣品(Ro<1%)，且藿烷類生物標志化合物含量較為豐富。樣品信息詳見表1。

2.2 實驗方法

本文采用5?分子篩/氧化鋁柱層析法對藿烷類化合物進行分離和富集。主要步驟如下：①取約100 g烴源巖樣品粉碎至80～100 目，用二氯甲烷和甲醇混合溶液[9∶1(體積比)]對其進行72 h索氏抽提，獲得可溶有機質；②取25 mg可溶有機質，加入少量二氯甲烷，再加入約20 mL正己烷，以沉淀瀝青質；③過濾瀝青質后，濾液用N2吹掃濃縮；④柱子在不潤濕的情況下，將濾液轉入上層填裝有5?分子篩、下層填裝有中性氧化鋁的層析柱中，使其充分吸附[5?分子篩∶中性氧化鋁=1∶9(體積比)，5?分子篩在400 ℃下活化2 h，100～200 目中性氧化鋁在400 ℃下活化4 h]；⑤用2 mL正己烷淋洗出鏈烷烴餾分，用1.5 mL正己烷∶乙醚=1∶1(體積比)洗脫液淋洗得到富含藿烷化合物的亞組分；⑥重復上述④、⑤步驟進行藿烷化合物提純；⑦將富集的藿烷化合物用N2吹掃濃縮到約100 μL，用于后續(xù)檢測。

將分離、富集的藿烷化合物進行GC-MS和GC-IRMS檢測。GC-MS分析采用的儀器為美國Aglient公司的7890A5977B型氣相色譜—質譜聯(lián)用儀，分離色譜柱為HP-5MS石英毛細管柱(30 m長，0.25 mm內徑，0.25 μm膜厚)，進樣口溫度設置為315 ℃，柱箱初始溫度為50 ℃，載氣為99.999%的氦氣。GC-IRMS測定使用的是Isoprime GV型色譜—同位素比值質譜，分離色譜柱為HP-5MS色譜柱(60 m長，0.32 mm內徑，0.25 μm膜厚)；色譜升溫程序為起始溫度50 ℃，保持1 min，以3 ℃/min升至310 ℃，恒溫20 min，載氣為99.999%的氦氣，恒流模式。

3 結果與討論

3.1 烴源巖地球化學特征

川西北KSL海相頁巖中Pr/Ph為0.79，藿烷系列分布較為完整，Ts/Tm為0.24，C29Ts/C29αβ為0.15，C29αβ/C30αβ為0.77，C31R/C30H為0.4，顯示出典型的低熟海相沉積有機質特征；g/C30H為0.06，g/C31H為0.12，C27αααR、C28αααR、C29αααR規(guī)則甾烷呈現近“V”型分布，C27αααR/C29αααR為1.04；甾烷/藿烷比值為0.34，表明細菌貢獻較大。準噶爾盆地二疊系蘆草溝組2件湖相頁巖中Pr/Ph為0.71～0.87，藿烷分布具有C30αβ明顯偏高的特征，Ts/Tm為0.22～0.24，C29Ts/C29αβ為0.12～0.14，C29αβ/C30αβ為0.62～0.65，C31R/C30H為0.20～0.24；g/C30為0.26～0.18，g/C31為0.63～1.09；C27αααR、C28αααR、C29αααR規(guī)則甾烷呈現近反“L”型分布，C27αααR/C29αααR為0.23～0.38，陸源貢獻遠強于KSL樣品；甾烷/藿烷為0.28～0.47，同樣指示了細菌生源的重要貢獻。

從2組樣品有機地化參數對比來看(圖1)，KSL為典型海相沉積有機質，而J36蘆草溝組是半咸水湖相沉積有機質，均代表各自的沉積環(huán)境特征。但2組樣品中甾烷/藿烷比值相當，表明細菌生源貢獻基本相當；藿烷面貌差別不大，通過常規(guī)藿烷生物標志物難以進行有效的區(qū)分。

圖1 四川盆地海相頁巖(KSL)和準噶爾盆地湖相頁巖(J36)地球化學特征

3.2 藿烷單體化合物的分離及單體碳同位素測試結果可靠性

為反映海相和湖相頁巖細菌生源的差異，本文采用5?分子篩/氧化鋁柱層析法對KSL二疊系海相頁巖和新疆準噶爾盆地二疊系蘆草溝組J36湖相頁巖進行藿烷化合物的分離、富集，研究兩類不同沉積環(huán)境中藿烷化合物碳同位素特征。為了驗證分離富集藿烷的可靠性，將分離后得到的藿烷化合物進行GC-MS檢測。結果表明，通過對各化合物進行結構鑒定，確定分離出的化合物為目標藿烷系列化合物；分離后得到的藿烷能夠完整地保留原始油樣藿烷m/z191的譜圖特征，且能夠有效降低甾烷共溢峰的干擾(圖2)。

圖2 柱色譜法分離準噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相烴源巖藿烷化合物效果圖

將富集的藿烷化合物進行GC-IRMS測定。圖3是飽和烴餾分中藿烷化合物的GC-IRMS的44M[V]圖，對于藿烷系列化合物隨時間變化的峰信號，分別積分每個峰質量44、45和46的離子流，測定每個化合物碳同位素比值。從圖3中可以看出，藿烷系列化合物均能在色譜柱中達到基線分離，其相關化合物的特征峰也較為明顯，可以達到單體碳同位素分析的要求。結合GC-MS分析中各化合物出峰的順序，可以獲得藿烷系列化合物的單體碳同位素比值。

圖3 準噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相烴源巖藿烷化合物GC-IRMS測定譜圖

3.3 藿烷單體碳同位素特征

從藿烷化合物碳同位素比值(圖4)來看，KSL大隆組海相頁巖的藿烷化合物δ13C值總體較重，分布在-20.5‰～-45.4‰，總體表現為隨藿烷碳數增加先變輕再變重的變化趨勢，其中C30αβ和C29βα的碳同位素最輕(-39.3‰和-45.4‰)，而Ts和Tm的碳同位素值最重(-20.5‰)。從各化合物同位素的對比來看，海相頁巖中藿烷類化合物單體碳同位素波動很大，最大相差可達到±24.9‰。其中Ts、Tm表現出較重的碳同位素比值，推測在成巖及后生作用的過程中[28]，Ts和Tm在向熱穩(wěn)定性更高的構型轉化，從而使得殘留的Ts和Tm同位素值向碳同位素值更重的方向轉化。另外，藿烷尤其是碳數大于C31的藿烷類化合物來源于組成細菌細胞膜的C35細菌藿四醇，而小于C31的可能有不同的成因來源存在[29]。從藿烷系列的同位素值在大范圍內波動情況來看，藿烷可能有不同的成因來源，尤其是升藿烷與降藿烷系列具有明顯不同的生物來源。

圖4 四川盆地海相和準噶爾盆地湖相烴源巖藿烷單體烴碳同位素值對比

蘆草溝組湖相頁巖藿烷系列單體δ13C總體較輕，分布在-40.7‰～-62.7‰，呈現出隨著碳數的增加同位素比值變輕的特點。藿烷類化合物單體碳同位素波動也較大，差值也可達到±20‰以上。其中C30αβ藿烷的碳同位素值與文獻報道[30-31]本地區(qū)蘆草溝組藿烷的碳同位素值一致，也佐證了本文結果的可靠性。推測蘆草溝組湖相頁巖δ13C較輕的升藿烷系列化合物與甲烷氧化菌的活動有關，δ13C較重的降藿烷化合物(如Ts和Tm)可能來源于不同的細菌，也可能是在成巖與后生作用過程中發(fā)生了熱分餾作用[28]。

針對藿烷的碳同位素值分布情況，法國第三系湖相梅塞頁巖中藿烷化合物δ13C為-35.2‰～-65.3‰[32]，美國第三系的湖相綠河頁巖藿烷化合物δ13C為-29‰～-59‰[27]。前人認為，碳同位素比值較輕的藿烷(C30αβ)來源于甲烷氧化細菌[32]，尤其是好氧甲烷氧化細菌[16]，好氧甲烷生物局限于缺氧和含氧帶之間的微嗜氧界面[33]，是沉積物中發(fā)現的類藿烷的假定來源，在地質體中常把3-甲基藿烷作為甲烷氧化菌的標志物[34]。ZHOU等指出珠江口盆地珠二坳陷神狐地區(qū)水合物甲烷δ13C值為-71.2‰～-56.7‰[35]，嚴重虧損13C，是甲烷氧化細菌同化了生物甲烷，從而使來源于這類細菌的生物標志化合物特別富集輕碳同位素[36]。根據前人對古菌落的研究，某些類型的微生物使用具有非常特定的13C信號的碳源，或具有導致特定同位素比值的代謝，因此，它們的同位素特征可以用來識別它們的古代生產者(包括初級生產者和二級生產者)[30]。

通過兩地區(qū)烴源巖中藿烷單體碳同位素特征綜合對比分析，認為在不同沉積環(huán)境下發(fā)育不同程度的藿烷先質，造成藿烷碳同位素的巨大差異；同時，完全相同的藿烷先質及在成巖與后生作用中，也會朝向不同的方向演化[37-40]。即便是在相對簡單的海相環(huán)境中，藿烷系列單體同位素的巨大差異表明，藿烷系列化合物的成因來源可能比前人認識更加多元。

總的來看，各藿烷化合物在地質體中的賦存狀態(tài)、干酪根結構中差異化釋放藿烷機理、各藿烷化合物的熱力學穩(wěn)定性、成巖作用階段微生物輸入及對有機質的改造等均可造成同位素的變化。不同沉積環(huán)境下造成的藿烷先質的不同，及在成巖與后生作用中，藿烷類化合物的演化機理如何，這些都是有待解決的重要研究內容。

4 結論

(1) 采用5?分子篩/氧化鋁柱層析的新方法，可快速獲取以藿烷類化合物為主的亞組分，其操作簡單、易實現，是獲取藿烷類單體化合物碳同位素的有效技術。

(2) 四川盆地大隆組海相頁巖的藿烷化合物δ13C值總體較重，且表現為隨藿烷碳數增加先變輕再變重的趨勢，藿烷類化合物單體碳同位素波動很大。而準噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相頁巖藿烷系列單體δ13C總體較輕，且呈現出隨著碳數的增加同位素比值變輕的特點，藿烷類化合物單體碳同位素波動也較大。藿烷系列單體碳同位素值的巨大差異表明，藿烷成因來源可能比前人認識的更加多元。

(3) 藿烷單體碳同位素值可以反映不同成因藿烷的差異，可以有效區(qū)分不同環(huán)境中藿烷的特征，在油源對比方面具有較大的應用前景。藿烷單體碳同位素值的獲取，將有助于對藿烷類化合物的形成與演化機理的認識。

致謝：本文得到了中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所張志榮研究員及匿名審稿專家的指導與無私幫助，在此一并表示衷心的感謝！