烴源巖抽提物中藿烷分子碳同位素分析新方法及指示意義

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(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院)，武漢 430100；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第五地質(zhì)大隊(duì)，山東 泰安 250013；3.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣研究院，黑龍江 大慶 163000；4.中國(guó)石油 塔里木油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 庫爾勒 841000

1 研究現(xiàn)狀

藿烷類化合物是地質(zhì)體中普遍存在的五環(huán)三萜類化合物，可以指示細(xì)菌貢獻(xiàn)的生物來源，是最常用的一類生物標(biāo)志化合物。通常藿烷類化合物被用來進(jìn)行油—油對(duì)比[1-2]、油—源對(duì)比[3]，源—源對(duì)比[4]、有機(jī)質(zhì)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(xué)[7-13]、生物地球化學(xué)[14]、海洋地球化學(xué)[15-16]等領(lǐng)域獲得大量成功的應(yīng)用，是一類極具應(yīng)用價(jià)值的生物標(biāo)志物。

常用藿烷地球化學(xué)參數(shù)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(shù)；C29αβ/C30αβ比值常用于指示缺氧的沉積環(huán)境以及進(jìn)行海陸相簡(jiǎn)單的劃分，并且在一定條件下可作為成熟度指標(biāo)使用；C3122R/C30αβ是區(qū)分海相和陸相烴源巖的重要指標(biāo)，其值大于0.25對(duì)烴源巖的海相原始沉積環(huán)境具有較強(qiáng)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(biāo)。這些參數(shù)在油源對(duì)比等研究中發(fā)揮了巨大作用。然而，大多數(shù)生物標(biāo)志物在未成熟到生油早期階段具有較強(qiáng)的專屬性，但隨著成熟度的進(jìn)一步增大，很多生物標(biāo)志物達(dá)到演化平衡而不再變化，這又極大地限制了生物標(biāo)志物的進(jìn)一步應(yīng)用[18-23]。

生物標(biāo)志化合物穩(wěn)定碳同位素中蘊(yùn)藏著豐富的生物、地質(zhì)、地球化學(xué)信息，通過研究有機(jī)化合物碳同位素組成、碳同位素分餾機(jī)理，可以揭示復(fù)雜的地球化學(xué)過程[24]。前人應(yīng)用色譜—同位素比值質(zhì)譜技術(shù)(GC-IRMS)已對(duì)藿烷單體烴碳同位素進(jìn)行過一些探討，如史繼揚(yáng)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(jìn)行藿烷的單體碳同位素分析，認(rèn)為其沉積環(huán)境中可能生長(zhǎng)具有不同碳同位素組成的藿類先質(zhì)的多種微生物；杜麗等[25]采用尿素絡(luò)合法去除了吐哈煤巖飽和烴組分中的正構(gòu)烷烴，同樣獲取了藿烷分子碳同位素特征，認(rèn)為在相同沉積環(huán)境、相似母質(zhì)來源的沉積有機(jī)質(zhì)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(gòu)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(luò)合法獲取了松遼盆地湖相烴源巖中異構(gòu)烷烴亞組分，并分析了藿烷單體烴碳同位素分布特征，認(rèn)為甲烷氧化菌導(dǎo)致藿烷單體碳同位素值存在顯著偏負(fù)的現(xiàn)象；王匯彤等[27]研究了多種類型國(guó)產(chǎn)分子篩對(duì)甾烷和藿烷的吸附性，發(fā)現(xiàn)NaY型分子篩對(duì)不同構(gòu)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(biāo)志化合物的最佳選擇?？偟膩砜?，藿烷單體碳同位素?cái)?shù)據(jù)在解釋不同沉積相帶中有機(jī)質(zhì)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(bào)道的結(jié)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(guān)鍵過程，但存在實(shí)現(xiàn)難度大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等不足，且對(duì)低藿烷豐度地質(zhì)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(duì)1個(gè)四川海相頁巖樣品和2個(gè)新疆準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相頁巖樣品抽提物進(jìn)行了分離，結(jié)果表明該方法操作簡(jiǎn)單、有效，獲得的亞組分可直接用于測(cè)定藿烷類化合物單體碳穩(wěn)定同位素比值，有望促進(jìn)藿烷類化合物在油氣地球化學(xué)研究中的應(yīng)用。

2 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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。考慮到成巖與后生作用過程中藿烷異構(gòu)化對(duì)藿烷化合物單體碳同位素可能產(chǎn)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(biāo)志化合物含量較為豐富。樣品信息詳見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用5?分子篩/氧化鋁柱層析法對(duì)藿烷類化合物進(jìn)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(duì)其進(jìn)行72 h索氏抽提，獲得可溶有機(jī)質(zhì)；②取25 mg可溶有機(jī)質(zhì)，加入少量二氯甲烷，再加入約20 mL正己烷，以沉淀瀝青質(zhì)；③過濾瀝青質(zhì)后，濾液用N2吹掃濃縮；④柱子在不潤(rùn)濕的情況下，將濾液轉(zhuǎn)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(fù)上述④、⑤步驟進(jìn)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(cè)。

將分離、富集的藿烷化合物進(jìn)行GC-MS和GC-IRMS檢測(cè)。GC-MS分析采用的儀器為美國(guó)Aglient公司的7890A5977B型氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀，分離色譜柱為HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m長(zhǎng)，0.25 mm內(nèi)徑，0.25 μm膜厚)，進(jìn)樣口溫度設(shè)置為315 ℃，柱箱初始溫度為50 ℃，載氣為99.999%的氦氣。GC-IRMS測(cè)定使用的是Isoprime GV型色譜—同位素比值質(zhì)譜，分離色譜柱為HP-5MS色譜柱(60 m長(zhǎng)，0.32 mm內(nèi)徑，0.25 μm膜厚)；色譜升溫程序?yàn)槠鹗紲囟?0 ℃，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(jié)果與討論

3.1 烴源巖地球化學(xué)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(jī)質(zhì)特征；g/C30H為0.06，g/C31H為0.12，C27αααR、C28αααR、C29αααR規(guī)則甾烷呈現(xiàn)近“V”型分布，C27αααR/C29αααR為1.04；甾烷/藿烷比值為0.34，表明細(xì)菌貢獻(xiàn)較大。準(zhǔn)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(xiàn)近反“L”型分布，C27αααR/C29αααR為0.23～0.38，陸源貢獻(xiàn)遠(yuǎn)強(qiáng)于KSL樣品；甾烷/藿烷為0.28～0.47，同樣指示了細(xì)菌生源的重要貢獻(xiàn)。

從2組樣品有機(jī)地化參數(shù)對(duì)比來看(圖1)，KSL為典型海相沉積有機(jī)質(zhì)，而J36蘆草溝組是半咸水湖相沉積有機(jī)質(zhì)，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(dāng)，表明細(xì)菌生源貢獻(xiàn)基本相當(dāng)；藿烷面貌差別不大，通過常規(guī)藿烷生物標(biāo)志物難以進(jìn)行有效的區(qū)分。

圖1 四川盆地海相頁巖(KSL)和準(zhǔn)噶爾盆地湖相頁巖(J36)地球化學(xué)特征

3.2 藿烷單體化合物的分離及單體碳同位素測(cè)試結(jié)果可靠性

為反映海相和湖相頁巖細(xì)菌生源的差異，本文采用5?分子篩/氧化鋁柱層析法對(duì)KSL二疊系海相頁巖和新疆準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組J36湖相頁巖進(jìn)行藿烷化合物的分離、富集，研究?jī)深惒煌练e環(huán)境中藿烷化合物碳同位素特征。為了驗(yàn)證分離富集藿烷的可靠性，將分離后得到的藿烷化合物進(jìn)行GC-MS檢測(cè)。結(jié)果表明，通過對(duì)各化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，確定分離出的化合物為目標(biāo)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(zhǔn)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(jìn)行GC-IRMS測(cè)定。圖3是飽和烴餾分中藿烷化合物的GC-IRMS的44M[V]圖，對(duì)于藿烷系列化合物隨時(shí)間變化的峰信號(hào)，分別積分每個(gè)峰質(zhì)量44、45和46的離子流，測(cè)定每個(gè)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(dá)到基線分離，其相關(guān)化合物的特征峰也較為明顯，可以達(dá)到單體碳同位素分析的要求。結(jié)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(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組湖相烴源巖藿烷化合物GC-IRMS測(cè)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(xiàn)為隨藿烷碳數(shù)增加先變輕再變重的變化趨勢(shì)，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(duì)比來看，海相頁巖中藿烷類化合物單體碳同位素波動(dòng)很大，最大相差可達(dá)到±24.9‰。其中Ts、Tm表現(xiàn)出較重的碳同位素比值，推測(cè)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(gòu)型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化。另外，藿烷尤其是碳數(shù)大于C31的藿烷類化合物來源于組成細(xì)菌細(xì)胞膜的C35細(xì)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(nèi)波動(dòng)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(zhǔn)噶爾盆地湖相烴源巖藿烷單體烴碳同位素值對(duì)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(xiàn)出隨著碳數(shù)的增加同位素比值變輕的特點(diǎn)。藿烷類化合物單體碳同位素波動(dòng)也較大，差值也可達(dá)到±20‰以上。其中C30αβ藿烷的碳同位素值與文獻(xiàn)報(bào)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(jié)果的可靠性。推測(cè)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(dòng)有關(guān)，δ13C較重的降藿烷化合物(如Ts和Tm)可能來源于不同的細(xì)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(duì)藿烷的碳同位素值分布情況，法國(guó)第三系湖相梅塞頁巖中藿烷化合物δ13C為-35.2‰～-65.3‰[32]，美國(guó)第三系的湖相綠河頁巖藿烷化合物δ13C為-29‰～-59‰[27]。前人認(rèn)為，碳同位素比值較輕的藿烷(C30αβ)來源于甲烷氧化細(xì)菌[32]，尤其是好氧甲烷氧化細(xì)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(xiàn)的類藿烷的假定來源，在地質(zhì)體中常把3-甲基藿烷作為甲烷氧化菌的標(biāo)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(yán)重虧損13C，是甲烷氧化細(xì)菌同化了生物甲烷，從而使來源于這類細(xì)菌的生物標(biāo)志化合物特別富集輕碳同位素[36]。根據(jù)前人對(duì)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(hào)的碳源，或具有導(dǎo)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(shí)別它們的古代生產(chǎn)者(包括初級(jí)生產(chǎn)者和二級(jí)生產(chǎn)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(duì)比分析，認(rèn)為在不同沉積環(huán)境下發(fā)育不同程度的藿烷先質(zhì)，造成藿烷碳同位素的巨大差異；同時(shí)，完全相同的藿烷先質(zhì)及在成巖與后生作用中，也會(huì)朝向不同的方向演化[37-40]。即便是在相對(duì)簡(jiǎn)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(rèn)識(shí)更加多元。

總的來看，各藿烷化合物在地質(zhì)體中的賦存狀態(tài)、干酪根結(jié)構(gòu)中差異化釋放藿烷機(jī)理、各藿烷化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性、成巖作用階段微生物輸入及對(duì)有機(jī)質(zhì)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(zhì)的不同，及在成巖與后生作用中，藿烷類化合物的演化機(jī)理如何，這些都是有待解決的重要研究?jī)?nèi)容。

4 結(jié)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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，是獲取藿烷類單體化合物碳同位素的有效技術(shù)。

(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(xiàn)為隨藿烷碳數(shù)增加先變輕再變重的趨勢(shì)，藿烷類化合物單體碳同位素波動(dòng)很大。而準(zhǔn)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(xiàn)出隨著碳數(shù)的增加同位素比值變輕的特點(diǎn)，藿烷類化合物單體碳同位素波動(dòng)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(rèn)識(shí)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(duì)比方面具有較大的應(yīng)用前景。藿烷單體碳同位素值的獲取，將有助于對(duì)藿烷類化合物的形成與演化機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

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