松遼盆地湖相烴源巖中生物標(biāo)志物的單體烴碳同位素組成特征及其意義

王 麗, 曹新星, 李 艷, 尹 琴, 宋之光

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 中國石油化工股份有限公司 河南油田分公司 勘探開發(fā)研究院, 河南 鄭州 450018)

0 引 言

松遼盆地為世界上最大的白堊紀(jì)非海相含油盆地之一, 發(fā)育了高質(zhì)量的烴源巖, 儲(chǔ)存有豐富的油氣資源, 保存著完好的古代生物群落沉積序列, 是研究白堊紀(jì)油氣資源形成時(shí)期古氣候、古環(huán)境狀態(tài)的理想場所。前人對松遼盆地?zé)N源巖的形成時(shí)期的沉積環(huán)境以及有機(jī)質(zhì)來源已進(jìn)行了廣泛研究[1–2]。例如: 晚白堊世時(shí)期的海侵[3–4]、缺氧事件[5–7]、水體鹽度分層[8–9]以及孢粉、藻類等生物化石所反映的古氣候意義和有機(jī)質(zhì)來源等[10–11], 而對于沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)生源之間的關(guān)系卻了解較少, 如不同沉積環(huán)境下(水體分層、氧化還原狀態(tài))對水體生物的演化及其生物地球化學(xué)行為的影響等。

基于以上考慮, 我們選取了松科一井南孔水體環(huán)境不同的嫩一段、嫩二段巖芯樣品[9,12], 利用生標(biāo)參數(shù)、有機(jī)質(zhì)碳同位素和分子碳同位素等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合討論, 重點(diǎn)研究不同沉積環(huán)境下有機(jī)質(zhì)輸入的異同,目的在于解開有機(jī)碳同位素、氧化還原界面(化躍層)與微生物之間的相關(guān)關(guān)系[13], 繼而重建嫩江組沉積時(shí)期的生物地球化學(xué)過程, 這有助于我們更細(xì)致地描述古水體環(huán)境和古湖泊生態(tài)分布的空間異構(gòu)型[14], 為完善松遼盆地大規(guī)模烴源巖沉積模型提供依據(jù)。

1 樣品地質(zhì)背景和實(shí)驗(yàn)分析

松遼盆地位于中國的東北部, 是以晚古生代末至早中生代初所固結(jié)的大陸地殼為基底的陸相坳陷盆地。松遼古湖泊在發(fā)育過程中, 有過多次擴(kuò)張和收縮, 比較大的湖侵至少有 5次, 在每次湖侵期都形成大面積分布的暗色泥巖或者油頁巖。在經(jīng)歷姚家組時(shí)期短暫的間歇性上升之后, 松遼古湖泊又一次發(fā)生更大規(guī)模的快速湖侵, 湖水覆蓋面積超出 20萬km2, 形成了在盆地內(nèi)廣泛發(fā)育的嫩江組一、二段的濱淺湖、半深湖-深湖相沉積體系[15]。本文樣品采自松遼盆地“松科1井”白堊紀(jì)嫩江組巖心樣品(圖1),埋深950～1300 m, 對其中41個(gè)烴源巖樣品進(jìn)行抽提分析, 并選取其中一些樣品進(jìn)行了有機(jī)碳同位素分析和分子碳同位素測定, 所涉及到的實(shí)驗(yàn)方法見下文。

圖1 松科1井采樣位置圖Fig.1 Location map of the SK-1 drilling well in the Songliao Basin

樣品碎成粉末后, 使用二氯甲烷/甲醇(體積比為 9∶1)混合溶劑進(jìn)行索氏抽提, 脫瀝青后用色譜層析柱分離得到飽和烴、芳烴和非烴組分。飽和烴經(jīng)過尿素絡(luò)合后, 得到正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴, 然后使用同位素質(zhì)譜儀對正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴進(jìn)行單體碳、氫同位素測定。

(1) 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析使用 HP 6890 PLatformⅡ質(zhì)譜儀, 色譜柱為JW-DB-5型30 m ×0.25 mm × 0.25 μm硅熔毛細(xì)柱。升溫程序: 色譜柱箱初始溫度為80 ℃, 恒溫2 min后以4 ℃/min的速率升至290 ℃, 并恒溫20 min。樣品采用無分流進(jìn)樣法, 進(jìn)樣室溫度為 280 ℃, 氦氣為載氣, 流速為1.0 mL/min, 掃描范圍為 50～600 amu, 檢測方式為全掃, 離子源為電子轟擊源(70 eV)。

(2) 熱裂解分析儀為Leco公司生產(chǎn)的Rock-Eval 6 Standard型。熱解爐升溫程序: 初始溫度 300 ℃,恒溫1 min后以25 ℃/min的速率升溫到650 ℃, 并恒溫3 min; 氧化爐升溫程序: 初始溫度300 ℃, 恒溫1 min后以20 ℃/min的速率升溫到850 ℃, 并恒溫5 min。

(3) 有機(jī)碳碳同位素分析。將去除碳酸鹽巖的粉末樣品用錫箔舟包好。使用與Finnigan DELTAplus XL質(zhì)譜儀接口的CE EA1112元素分析儀進(jìn)行全巖碳同位素分析。所有樣品均測量 2次, 并穿插標(biāo)樣的測定, 一般7個(gè)樣品以后進(jìn)行一次標(biāo)樣測定。

(4) 單體碳同位素分析。GC-ir-MS使用英國GV公司的 Isoprime色譜-同位素質(zhì)譜儀, 色譜柱與 GC分析一致, 仍為JW-DB-5型30 m × 0.25 mm × 0.25 μm硅熔毛細(xì)柱。無分流進(jìn)樣, 進(jìn)樣室溫度為280 ℃, 氦氣為載氣。升溫程序: 色譜柱箱初始溫度為 80 ℃,恒溫2 min后以20 ℃/min的速率升溫至130 ℃, 然后以3 ℃/min的速率升溫至290 ℃, 并恒溫10 min。所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為Indiana STD, 每天至少做1次標(biāo)樣。每個(gè)樣品分析2～3次, 其同位素測定誤差為±0.5‰。

2 結(jié)果和討論

2.1 基礎(chǔ)地球化學(xué)參數(shù)

嫩一段和嫩二段樣品tmax值多數(shù)在436 ℃左右,Ts/Tm比值在0.2左右, C31藿烷22S/(22S+22R)比值小于 0.5, 這些參數(shù)表明樣品的成熟度較低, 處于未成熟至低成熟階段, 它們在剖面上較小的變化幅度,說明各樣品之間的成熟度相近。換句話說, 嫩江組源巖的生標(biāo)參數(shù)和碳同位素組成在剖面上的變化基本不受成熟度的影響。

基礎(chǔ)地球化學(xué)參數(shù)在剖面上的變化存在明顯分段性(表 1和圖 2), 根據(jù)有機(jī)碳含量(TOC)、氫指數(shù)(HI)和姥植比值(Pr/Ph)在剖面上的變化將嫩江組分為以下四個(gè)部分[8]。

Ⅰ段為嫩一段底部1116～1125 m, 是TOC和HI的高值段, Pr/Ph比值變化較大。正構(gòu)烷烴碳同位素值在–34.57‰～ –30.7‰之間變化(圖 3), 姥鮫烷和植烷碳同位素組成接近, 在–31.5‰左右, 甾烷類單體碳同位素組成變化較大, 在–32.53‰～ –27.92‰之間變化, 藿烷類單體碳同位素組成在–40.56‰～–25.87‰之間變化。

圖2 TOC、HI、Pr/Ph、MTTCI、Ga/HopC31R以及SCA、MCA、LCA相對豐度在剖面上的變化Fig.2 The profile variation of TOC, HI, Pr/Ph, MTTCI, gammacerane index and relative abundance of SCA, MCA and LCA

表1 TOC、熱解參數(shù)以及生標(biāo)參數(shù)Table1 The data of TOC, Rock-Eval analysis and biomarker parameters

Ⅱ段是嫩一段底部 1099～1116 m, TOC含量相對較低, Pr/Ph比值相對較高。正構(gòu)烷烴碳同位素處于–33.98‰～ –29.18‰之間, 單個(gè)樣品不同碳數(shù)正構(gòu)烷烴之間的變化達(dá)到 4‰。但由于該段生物標(biāo)志物含量較低, 未能檢測其單體碳同位素值。

Ⅲ段則從1016～1099 m, 該段是TOC、HI的高值段, Pr/Ph比值較低且變化幅度小。正構(gòu)烷烴碳同位素在–34.84‰～ –29.34‰之間變化, 姥鮫烷和植烷碳同位素組成接近, 姥鮫烷的平均值為–32.36‰,植烷的平均值為–32.06‰。5α-C27甾烷和 5α-C29甾烷碳同位素組成相似, 5α-C28甾烷碳同位素略低1‰左右, 平均值為–32.29‰; 圖4顯示甲基甾烷碳同位素組成隨碳數(shù)增加呈現(xiàn)變重趨勢, 4α-C28甲基甾烷和4α-C29甲基甾烷的碳同位素組成多數(shù)在–35‰～–30‰之間, 4α-C30甲基甾烷的碳同位素組成多在–30‰～ –20‰之間, 明顯高于前兩者。藿烷類化合物除伽馬蠟烷具有較重的同位素外, 其他藿烷類化合物碳同位素組成變化范圍較大, 多在–70‰～ –30‰之間。

圖3 嫩一段和嫩二段不同碳數(shù)正構(gòu)烷烴的碳同位素組成分布圖Fig.3 Carbon isotopic composition of individual n-alkanes in K2n1and K2n2

Ⅳ段為嫩二段950～1016 m, 該段為TOC和HI的低值段, 從下到上逐漸降低; Pr/Ph比值在該段則呈現(xiàn)明顯的高值段。正構(gòu)烷烴碳同位素在–35.32‰～–28.67‰之間變化, 該段單個(gè)樣品內(nèi)和樣品之間的碳同位素組成變化均較大, 達(dá)到了7‰。5α-C27–29甾烷和 C28–29甲基甾烷的碳同位素組成較為接近, 多在–32‰左右, 而 C30甲基甾烷的碳同位素則明顯偏高, 在–29‰～ –25‰之間。藿烷類碳同位素組成多在–45‰～ –32‰之間變化。從圖4可以看出, Ⅳ段生標(biāo)單烴同位素的變化幅度明顯低于Ⅰ段和Ⅲ段, 尤其是藿烷類碳同位素組成的變化范圍明顯較小, 且其碳同位素組成在Ⅳ段也明顯偏重。

由于Ⅱ段樣品生標(biāo)濃度過低未能做單體碳同位素分析, 而 I段也僅有兩個(gè)樣品有單體碳同位素?cái)?shù)據(jù), 因此下文中涉及生標(biāo)單體碳同位素的討論部分使用嫩一段來替代Ⅰ段和Ⅲ段, 而嫩二段代表Ⅳ段。

圖4 各生標(biāo)的碳同位素組成分布圖Fig.4 Carbon isotopic composition of individual biomarkers

2.2 母質(zhì)來源

2.2.1 正構(gòu)烷烴

湖相沉積物中正構(gòu)烷烴的來源較為廣泛, 包括陸相高等植物、水生植物(挺水植物、浮游植物和沉水植物等)和低等菌藻類。通常認(rèn)為短鏈正構(gòu)烷烴(SCA)來源于低等菌藻類; 水生植物來源的正構(gòu)烷烴主要集中以nC23和nC25為主峰的中鏈部分(MCA)[16–17]; 而長鏈部分(LCA)則以陸生高等植物來源為主。圖2顯示在Ⅰ、Ⅲ段以 MCA占主要優(yōu)勢, 表明了該段有機(jī)質(zhì)主要以水生生物為主; 而在Ⅱ、Ⅳ段SCA呈絕對優(yōu)勢, Ⅳ段LCA相對豐度增加,奇偶優(yōu)勢明顯, 認(rèn)為Ⅳ段有高等植物的貢獻(xiàn)或Botryococcaceae的輸入, 但總體上還是以光合藍(lán)細(xì)菌等低等菌藻類為主, 這與前人的研究結(jié)果一致[12]。另外, Fickenet al.通過對大量現(xiàn)代湖泊表層沉積物和現(xiàn)代植物的研究發(fā)現(xiàn):Paq= (C23+ C25)/(C23+ C25+C29+ C31)可以指示湖相沉積中沉水/浮游水生植物與挺水植物/陸生植物的相對輸入[16], 當(dāng)Paq＜ 0.1時(shí)代表陸生植物輸入為主;Paq在 0.1～0.4之間時(shí)以挺水植物為主;Paq在0.4～1時(shí)指示了沉水/浮游水生植物輸入為主。嫩江組整個(gè)剖面的Paq指數(shù)在0.46～0.89之間變化, 其中嫩二段的平均值為 0.61, 嫩一段的平均值為 0.76, 表明嫩一段的有機(jī)質(zhì)來源均以沉水/浮游水生生物輸入為主, 但嫩二段的值明顯低于嫩一段, 說明在嫩二段顯示有少量陸源/挺水植物的貢獻(xiàn)[8, 12]。

嫩江組有機(jī)質(zhì)正構(gòu)烷烴的碳同位素組成在–35.7‰～ –28.7‰之間變化(圖 3), 變化幅度較大, 顯示了各鏈長正構(gòu)烷烴具有不同的母質(zhì)生源。SCA的平均碳同位素值與姥鮫烷的碳同位素值相近, 均在–32‰左右, 這符合兩者來自于相同生物體的碳同位素分布特征[18–19], 表明SCA來自于代表水體表層初級生產(chǎn)力的低等菌藻類, 如光合藍(lán)細(xì)菌等。圖 3顯示嫩一段和嫩二段的13CMCA比相鄰碳數(shù)的碳同位素組成明顯偏輕, 其總體偏輕3‰左右, 最大差值可達(dá)5‰～6‰。在現(xiàn)代水體環(huán)境下, 如果初級生產(chǎn)者利用有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的 CO2作為部分碳源, 由于水體和沉積物中的有機(jī)質(zhì)本身富集12C, 會(huì)導(dǎo)致初級生產(chǎn)者合成的有機(jī)質(zhì)異常富集12C[20–21]。因此,δ13CMCA比δ13CSCA相對富集12C, 可能是由于其母源生活在水體透光帶下部, 相較于水體表層的初級生產(chǎn)者,它可以同時(shí)利用大氣溶解的CO2和底層水體中有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的 CO2進(jìn)行光合作用, 從而導(dǎo)致了其有機(jī)質(zhì)偏輕[22]。且水體下部接近化躍層的這一生態(tài)位有利于有機(jī)質(zhì)的保存, 因而在其死亡后能迅速埋藏,減少氧化或細(xì)菌對其氧化降解, 這也許是飽和烴分布圖上 MCA具有明顯優(yōu)勢的原因之一。而在nC27之后 LCA碳同位素呈鋸齒型分布[8], 有的以奇碳數(shù)偏重, 有的則以偶碳數(shù)偏重, 推測其受環(huán)境、母質(zhì)來源和微生物降解等多重因素的影響, 具體的原因還需進(jìn)一步的研究證實(shí)。

值得注意的是, 中鏈正構(gòu)烷烴的碳同位素組成在嫩二段下部氧化環(huán)境下比嫩一段還原環(huán)境下更為偏輕, 推測其可能是由于嫩二段時(shí)期的水體分層剛被破壞, 有氧層下移, 使得需氧生物的生存空間擴(kuò)大, 更多地利用了下部水體有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的同位素值較輕的碳源，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)碳同位素偏輕。

2.2.2 無環(huán)類異戊二烯

姥鮫烷和植烷均來自于光合藻類和藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生的葉綠素植基側(cè)鏈, 是水體中以光合作用為主的初級生產(chǎn)者的代表。此外, 姥鮫烷也可以來自維生素E[23–24], 植烷也可由產(chǎn)甲烷菌和嗜鹽菌生成。因此,植烷的碳同位素組成可以驗(yàn)證有機(jī)質(zhì)中是否存在產(chǎn)甲烷菌和嗜鹽菌。嫩一段和嫩二段源巖中的姥鮫烷、植烷碳同位素組成均在–32‰左右, 表明其生物來源存在一致性。另外, 姥鮫烷相對于總有機(jī)質(zhì)碳同位素(平均為–28.4‰)偏輕約 4‰～6‰, 符合類脂物與生物體總有機(jī)質(zhì)之間的碳同位素分布關(guān)系[18–19]。因此, 本次研究的樣品中姥鮫烷和植烷主要來自光合作用初級生產(chǎn)者或以初級生產(chǎn)者為生的異養(yǎng)生物[25]。

2.2.3 甾烷類

前人的研究結(jié)果表明: 在古老沉積物、烴源巖和原油中, 當(dāng)甾類化合物與姥鮫烷和植烷均來自于初級生產(chǎn)者(例如藻類, 光合細(xì)菌等)的情況下, 甾類化合物的碳同位素值總是非常接近姥鮫烷和植烷的碳同位素值, 兩者之間的差距很小, 并往往表現(xiàn)為姥鮫烷和植烷更加富集12C[26–27]。姥鮫烷和植烷相對于甾烷碳同位素值的偏輕可能與它們生物來源更加多樣化有關(guān), 例如藍(lán)細(xì)菌等可能產(chǎn)生碳同位素值偏輕的姥鮫烷和植烷[26,28]。

在飽和烴組分中C27和C29甾烷具有相似的同位素值(圖 4), 表明二者具有相似的藻類母源; 而在C28甾烷比 C27甾烷和 C29甾烷明顯偏負(fù), 尤其是在嫩二段偏負(fù)達(dá)到 2‰左右。由于藻類需要生活在氧含量較高的水體中, 所以產(chǎn) C28甾烷的藻類必定生活在透光的含氧水體中, 而其較輕的δ13C值則顯示其生活在細(xì)菌活動(dòng)劇烈的水體中[29], 如化學(xué)自養(yǎng)菌的更上層水體, 這與前人認(rèn)為產(chǎn) C28甾烷可能生活于水體透光區(qū)域底層的結(jié)論是一致的[29]。而產(chǎn) C27甾烷和 C29甾烷的藻類其碳同位素值明顯偏重, 表明它們生活在水體透光區(qū)域的上層, 主要利用大氣CO2作為碳源, 但是有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的 CO2作為上述藻類的部分碳源的可能性依然存在。而中鏈正構(gòu)烷烴與 C28甾烷具有相似的碳同位素值, 甚至更貧13C, 暗示了該母源藻類的生存環(huán)境與 C28甾烷相近或處于更低的水體透光的水域。

在分析樣品中還檢測出了一系列的 C28～C304-甲基甾烷, 高豐度的 4–甲基甾烷通常被認(rèn)為來自活體甲藻體內(nèi)的4α–甲基甾醇, 前人研究認(rèn)為在淡水、微咸水和高鹽湖相沉積環(huán)境中甲藻種類的不同導(dǎo)致了 4-甲基甾烷組成的差異, 且甲藻主要繁盛于淡水沉積環(huán)境中[23]。本樣品中以C304-甲基甾烷含量最為豐富, C284-甲基甾烷含量次之。其同位素組成顯示三者均來自于初級生產(chǎn)者的藻類, 其中 C284–甲基甾烷和 C294-甲基甾烷的碳同位素值在–31‰左右, 表明它們來自于上部透光帶的藻類, 而其在1063～1051 m明顯的負(fù)偏可能與水體上部短時(shí)間內(nèi)大量淡水注入有關(guān)(未發(fā)表的數(shù)據(jù))。相對于 C284-甲基甾烷和C294-甲基甾烷, C304-甲基甾烷明顯偏重的碳同位素值則可能反映了水體鹽度對其的影響, 尤其是在Ⅲ段, 其碳同位素值偏重 5‰左右。它與Ga/HopC31R之間良好的正相關(guān)性證實(shí)了這一猜測,在水體鹽度越高時(shí), C304-甲基甾烷就越富集13C (圖5)。2.2.4 藿烷類

藿類化合物主要來自于原核細(xì)菌的細(xì)胞膜, 其作用類似于真核生物中的甾醇, 起固定和支撐作用[23]。可以產(chǎn)生藿類化合物的細(xì)菌包括藍(lán)細(xì)菌、異養(yǎng)細(xì)菌、甲烷營養(yǎng)菌和化學(xué)自養(yǎng)菌等[30]。因此, 藿/甾比可以反映有機(jī)質(zhì)來源中細(xì)菌和藻類的相對貢獻(xiàn)。嫩二段源巖藿/甾比值較高, 且變化較大(在 0.8～4.0之間),指示了該段細(xì)菌對沉積有機(jī)質(zhì)的強(qiáng)烈改造和甾類化合物的較低保存能力[31], 說明該段對有機(jī)質(zhì)的保存相對較差, 環(huán)境相對氧化; 嫩一段源巖甾烷化合物的相對豐度有所增加(藿/甾比值平均為1.2), 但是藿烷類的豐度依然高于甾烷化合物。因此, 嫩一、二段高豐度的藿烷化合物表明源巖沉積時(shí)湖泊水體和沉積物中的細(xì)菌類生物相當(dāng)繁盛, 體現(xiàn)了明顯有別于海相沉積的陸相湖泊沉積特征[23]。

在嫩一段檢出的藿烷均具有最為偏輕的碳同位素組成, 其碳同位素值處于–32‰～ –68.65‰范圍(圖 4)。藿烷類化合物碳同位素組成處于–34‰～ –45‰之間常被認(rèn)為來自于湖水分層處微需氧的化學(xué)自養(yǎng)菌[26–27],由于利用了貧13C的 CO2作為碳源, 因此該類細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)相對于初級生產(chǎn)者其碳同位素值大為偏輕[32], 而碳同位素值更加偏輕的藿烷類化合物則被認(rèn)為來自于甲烷營養(yǎng)菌[26–27]; 該類細(xì)菌在許多湖相源巖[26–27]和現(xiàn)代湖泊生態(tài)系統(tǒng)中均有報(bào)道[33]。在嫩一段下部的多個(gè)樣品的δ13C31hopane明顯偏輕, 偏輕至–68.65‰, 表明有甲烷營養(yǎng)菌的貢獻(xiàn), 而在嫩一段上部的多個(gè)樣品中δ13C31hopane組成多大于–45‰,表明水體中以化學(xué)自養(yǎng)菌為主。嫩二段源巖的藿烷類化合物碳同位素值相對富13C, 表明嫩二段的藿烷化合物更多來自于化學(xué)自養(yǎng)菌, 而不是甲烷營養(yǎng)菌。

總的來說, 單體碳同位素組成顯示在嫩一段時(shí)期, 有機(jī)質(zhì)以水生生物來源為主、且水體中甲烷營養(yǎng)菌和化學(xué)自養(yǎng)菌發(fā)育; 而在嫩二段時(shí)期高等植物來源貢獻(xiàn)有所增加, 但低等菌藻類輸入占絕對優(yōu)勢,水生生物來源的豐度大為降低, 且水體中細(xì)菌相比嫩一段更為繁盛, 以化學(xué)自養(yǎng)菌為主。

圖 5 Ga/HopC31R 和 δ13CGa、δ13CC304-甲基甾烷的相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 Correlation plots of Ga/HopC31R vs. δ13CGa and Ga/HopC31R vs. δ13C4α,C30Methylsterane

2.3 沉積環(huán)境與生物作用

藿烷單體碳同位素顯示嫩一段時(shí)期水體中甲烷營養(yǎng)菌和化學(xué)自養(yǎng)菌發(fā)育, 而嫩二段時(shí)期的藿烷化合物更多來自化學(xué)自養(yǎng)菌, 而不是甲烷營養(yǎng)菌, 這或許與嫩一、二段不同的水體環(huán)境有關(guān)。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)在氧化環(huán)境中容易降解生成 CO2, 而在厭氧環(huán)境中則更多地厭氧降解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生CH4[34]。圖2顯示嫩一段時(shí)期湖泊有穩(wěn)定的水體分層, 尤其是在嫩一段下部的 C31hopane碳同位素極度偏輕段, 該時(shí)期湖泊水體分層最強(qiáng)烈, 存在間歇性的透光帶缺氧, 即缺氧層上移、化躍層較淺的水體環(huán)境[8,12]。化躍層把有氧的水體與無氧水體分隔開, 上層主要由藻類和藍(lán)細(xì)菌通過光合作用進(jìn)行初級生產(chǎn), 為有氧淡水環(huán)境; 下層無氧滯水層上部(包括化躍層)由厭氧細(xì)菌進(jìn)行厭氧光合作用, 為缺氧半咸水環(huán)境; 而嫩二段時(shí)期湖泊水體分層被破壞, 化躍層界面較深, 湖泊呈微咸水氧化環(huán)境[9]。當(dāng)嫩一段水體化躍層較淺時(shí)期, 有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解時(shí)消耗大量氧氣形成 CO2,穩(wěn)定的水體分層導(dǎo)致上層水體中的氧很難進(jìn)入下部,使得下部水體呈缺氧狀態(tài), 從而導(dǎo)致分解產(chǎn)物在無氧狀態(tài)下進(jìn)一步分解為 CH4、H2、H2S等還原性氣體, 這些氣體在上升到表層的過程中部分溶解于水,分別被嗜甲烷細(xì)菌和其他厭氧細(xì)菌(如綠硫細(xì)菌等)所利用[35]。當(dāng)嫩二段水體化躍層較深時(shí), 湖泊水體呈氧化狀態(tài), 有機(jī)質(zhì)降解生成 CO2, 水體分層的破壞使得上部水體中的氧進(jìn)入水體下部, 從而導(dǎo)致更多的有機(jī)質(zhì)被分解形成 CO2, 因而造成水體中的微生物以化學(xué)自養(yǎng)菌為主(圖 6), 這與藿/甾比值所反映的一致。

伽馬蠟烷指數(shù)(gammacerane/HopC31R)[23]在嫩一段時(shí)期處于0.21～3.96之間; 而在嫩二段的多數(shù)樣品中缺失, 僅有的兩個(gè)樣品其伽馬蠟烷指數(shù)只有0.36和0.78。說明了嫩二段源巖沉積時(shí)水體的分層狀況很差或不存在, 而嫩一段源巖沉積時(shí)存在著穩(wěn)定的水體分層。伽馬蠟烷的生物前身物被認(rèn)為是四膜蟲醇的還原產(chǎn)物[23], 而四膜蟲醇的主要來源似乎是分布于化躍層界面上噬菌的纖毛蟲。嫩一段伽馬蠟烷的碳同位素值變化較大, 在–37.86‰～ –23.93‰之間變化, 反映了水體分層界面細(xì)菌種類的多樣性。δ13CGa與Ga/ HopC31R之間良好的正相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.98, 說明水體鹽度對δ13CGa有重要影響, 水體鹽度越高時(shí),δ13CGa越富集13C(圖5)。通過公式計(jì)算, 偏離趨勢線的 4個(gè)樣品δ13CGa比同等鹽度環(huán)境下的碳同位素偏重 6‰～10‰, 說明δ13CGa除了受水體鹽度控制外, 還受其先體母質(zhì)食物來源的影響。當(dāng)纖毛蟲捕食了碳同位素偏重的綠硫細(xì)菌(約–16‰)時(shí), 相對應(yīng)的其碳同位素值也會(huì)偏重[36]。已有的研究表明, 嫩一段時(shí)期豐富的芳基類異戊二烯化合物和 isorenieratane的檢出指示了該時(shí)期存在間歇性的透光帶缺氧, 顯示該時(shí)期透光帶存在綠硫細(xì)菌,化躍層較淺, 與嫩一段δ13CGa較重的時(shí)期相對應(yīng)[8]。

圖6 松遼盆地不同化躍層深度的湖泊水體環(huán)境示意圖Fig.6 A sketch illustrating the water environment of Songliao Basin at the two periods of different chemocline depths (without scale)

綜上所述, 在嫩一段δ13CGa較重、δ13Chopane顯著偏輕的層段與水體分層、間歇性透光帶缺氧相對應(yīng),反映了該時(shí)期的化躍層界面較淺, 缺氧層上升到了透光帶, 這種極端的水體環(huán)境有利于沉積有機(jī)質(zhì)的保存, 這與該層段較高的TOC的HI值相對應(yīng); 而在嫩二段伽馬蠟烷缺失、δ13Chopane較重時(shí), 則反映了水體的化躍層界面較深, 環(huán)境相對較為氧化, 有機(jī)質(zhì)保存條件變差, 導(dǎo)致了該段TOC和HI相對較低。由此可見, 水體化躍層界面的深淺不僅控制了湖泊沉積有機(jī)質(zhì)的豐度, 還影響了水體中微生物的發(fā)育,在化躍層較淺的層段, 嗜甲烷菌、化學(xué)自養(yǎng)菌發(fā)育, 而在化躍層較深的層段, 水體中以化學(xué)自養(yǎng)菌為主。

3 總結(jié)和結(jié)論

嫩江組正構(gòu)烷烴、藿烷類和甾烷類的單體碳同位素組成在剖面上的變化主要受母源輸入和沉積環(huán)境的影響。通過對各生標(biāo)化合物的組成分布以及單體碳同位素組成的分析, 我們初步恢復(fù)了古松遼湖泊水體生物的空間異構(gòu)性(圖6), 在上層氧化水體中主要以光合細(xì)菌和藻類為主, 在透光帶下部的水體則以水生沉水生物為主, 底部微生物群落則以化能自養(yǎng)菌占優(yōu)勢; 而在嫩一段化躍層較淺時(shí)期, 水體微生物種類更為豐富, 在化躍層內(nèi)存在異養(yǎng)細(xì)菌(如纖毛蟲等)、綠硫細(xì)菌等厭氧微生物, 底部水體中則發(fā)育化能自養(yǎng)菌、甲烷營養(yǎng)菌等多種自養(yǎng)/異養(yǎng)細(xì)菌。

另外, C304-甲基甾烷和伽馬蠟烷的碳同位素組成變化與水體鹽度呈明顯正相關(guān)關(guān)系, 水體鹽度升高, 其碳同位素越重。除此之外,δ13CGa和δ13Chopane的組成還可反映化躍層界面的變化。當(dāng)δ13Chopane偏輕且δ13CGa較重時(shí), 說明化躍層界面較淺, 缺氧水體侵入到透光帶, 水體中綠硫細(xì)菌、化能自養(yǎng)菌、甲烷營養(yǎng)菌等厭氧細(xì)菌發(fā)育; 而在δ13Chopane較重而伽馬蠟烷缺失時(shí), 反映了化躍層界面較深, 水體中發(fā)育化能自養(yǎng)菌。顯然, 這些生標(biāo)碳同位素組成在剖面上的變化可以用來表征沉積時(shí)期水體鹽度變化、化躍層深淺以及水體微生物種類, 這對以后進(jìn)一步細(xì)化水體環(huán)境特征和研究湖泊生物地球化學(xué)過程具有重要意義。

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