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分子地层学的原理与方法

时间:2022-02-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:不论是哪类分子化石,其地层学应用的基本原理是依据分子化石的生物源信息和其离开生物体后发生的一系列转化过程中记录的环境信息来实现的。因此,分子化石可以反映出地层形成时的生物面貌。在沉积物中,一些分子化石的立体构型也会受环境条件以及时间影响。
分子地层学的原理与方法_地层学基础与前沿

17.2.1 原理

分子地层学主要是利用地质体中的各类分子化石来划分、对比地层。不论是哪类分子化石,其地层学应用的基本原理是依据分子化石的生物源信息和其离开生物体后发生的一系列转化过程中记录的环境信息来实现的。在各类年代学框架的约束下,分子化石记录的生物源信息和环境信息则成了区域性乃至全球性地层对比的主要依据。

17.2.1.1 生物源信息

地层中的分子化石来源于生物体本身,而不同的生物往往有不同的生物化学组成。因此,分子化石可以反映出地层形成时的生物面貌。前文介绍重要的分子化石类别时,也简要介绍了一些特征性分子化石对应的生物源,更多的特征性类脂物总结如图17-2所示。

分子化石生物源信息,除了为分子地层工作提供生物群面貌信息外,还可以提供气候环境信息。这有两个方面的依据:一方面,不同的沉积环境有着不同的生物类型、组合或生物群落,这些差异会体现在沉积物中的分子化石组成上。例如,陆相沉积中具有较高比例的高等植物,因而分子化石组成往往以来自高等植物分子的脂类为主,而海相环境以菌藻为主,此类沉积中的分子化石也以菌藻来源为主。另一方面,一些生物尤其是微生物在不改变属种的前提下,通过改变自身的脂类组成来适用气候环境的变化,从而使分子化石能够指示这种气候环境变化。例如,海洋中的颗石藻可以通过改变烯酮化合物的不饱和度来适应表层海水温度的变化,成为一种很好的古温度计(Bassell et al.,1986;Prahl&Wakeham,1987)。

图17-2 各类生物体的特征性类脂物分子
(修改自谢树成等,2007)
ALK.正构烷烃;UK37.长链烯酮;C25 HBI.C25长支链类异戊二烯烃;Pr.姥鲛烷;Ph.植烷;PLFA.磷脂脂肪酸;Coretane.2,6,11,15-四甲基十六烷;PMI.2,6,10,15,19-五甲基二十烷;TPP.四环萜类; isorenieratane.异胡萝卜烷

17.2.1.2 转化途径

所有的生物有机分子离开生物体后会发生转化,这些转化与沉积环境及时间因素有关。不同的沉积环境条件(如氧化还原电位、微生物活动强度、湿度、温度、pH等)会影响分子化石的转化、降解和保存,从而使不同沉积环境表现出不同的分子化石组合。因此,分子化石可以为分子地层工作提供气候环境方面的信息。环境条件能控制分子化石的降解程度,也可以影响降解得到的系列化合物之间的分布模式。例如,在沉积物中,由于微生物降解,长链正构烷烃的奇偶优势会逐渐降低,也即奇碳化合物的相对丰度降低。在沉积物中,一些分子化石的立体构型也会受环境条件以及时间影响。例如,藿烷从生物构型17β(H)21β (H)向17α(H)21β(H)与17β(H)21α(H)构型的转变。

17.2.2 方法

根据以上两个方面的原理(生物类型和沉积期或期后的改造作用),在分子地层学领域中,所采用的地层学分析方法主要有以下几种。

17.2.2.1 含量

指某种特定分子化石在某样品中的含量(×10-6样品,×10-6有机碳),这是最基本的方法。类脂物分子一般可以直接采用气(液)相色谱仪、气(液)相色谱-质谱联用仪进行内标法或外标法定量。需要注意的是,沉积岩中分子化石的含量除受生物源和沉积环境影响外,还受沉积速率的影响。

17.2.2.2 相对丰度

指在同一样品中某种特定分子化石相对于某些常见分子化石的含量,或者是某同系物之间的相对含量(比值)。这是很常用、很简便的方法,而且还可以消除因沉积速率变化所引起的误差,有些比值甚至还可以消除成岩作用的影响。相对丰度的计算远比其绝对含量计算简单得多,可以直接采用气(液)相色谱图、质量色谱图中的峰面积进行计算。一些比值反映了生物种群中某些特定生物的变化,例如2-甲基藿烷与藿烷比值反映了细菌种群中蓝细菌的相对丰度(Summons et al.,1999);某些比值与沉积环境有关,如姥鲛烷与植烷比值反映了沉积环境的氧化还原状况和盐度(Ten Haven etal.,1987);有些比值与成熟度有关,反映地层的埋藏和受热情况,如常规甾烷的异构体比值;有些比值可以直接反映地质事件,如高环数与低环数多环芳烃比值可以反映全球火灾事件(Venkatesan&Dahl,1989);有些比值则因与地质时间有关而用来定年,如氨基酸外消旋作用所形成的L和D构型的比值(Oches&McCoy,2001),等等。

17.2.2.3 碳数分布

指某个同系物之间不同碳数化合物的相对含量分布情况,包括其主峰碳(含量最高的那个化合物的碳数)。例如,高等植物体内正构烷烃的碳数分布主要是从C23到C33的奇数分布,主峰碳数一般是C27(木本)、C29(落叶树)或C31(草本)等。在碳数分布中有一个指标是碳优势指数(CPI),指的是奇数碳与偶数碳的比值,反映了成岩作用或微生物作用的强度。第四系沉积物中CPI因与微生物作用有关而可以反映气候环境的变化。还有一个指标是平均碳链长度(ACL),是指同系物中每个化合物的相对含量与其碳原子数乘积的总和除以化合物相对含量的总和,一般主要用于脂肪族化合物。例如,正构烷烃ACL可以反映植被的变化。当地层以木本植物为主时,正构烷烃的ACL通常较小;以草本植物为主时,ACL通常较大。

17.2.2.4 单体同位素

指单个分子化石的同位素特征。与传统稳定同位素分析相比,单体同位素有比较确切的来源,因而对物源或气候环境变化更加灵敏。1978年首先由著名质谱学家John Hayes把气相色谱-同位素比质谱仪(GC-IRMS)引进到了分子有机地球化学领域(Matthews&Hayes,1978),使复杂混合物中单个有机分子(单体)稳定同位素的研究成为可能。1988年、1994年分别出现了复杂混合物中单体稳定碳同位素和氮同位素的商业应用(GC-C-IRMS:gas chromatography-combustion-isotope ratio mass spectrometry)。1999年,出现了研究复杂混合物中单体稳定氢、氧同位素的气相色谱-裂解-同位素比值质谱仪(GC-TC-IRMS)。后者也使复杂有机混合物中单体稳定氧同位素乃至硫同位素的研究成为可能,这样就使复杂有机混合物最难分析而又最有意义的单体氢、氧、硫同位素的分析变成现实。单体同位素研究是分子有机地球化学、分子化石领域最有前途的发展方向之一。实际上,开展分子化石的单体同位素研究已开始从分子水平深入到原子水平,分子地层学也可以说是拓展到原子地层学了,尽管目前国际上还没有这样的用法。

配合分子化石组成,单体碳同位素可以帮助我们推断有机质的来源。如长链正构烷烃单体碳同位素可以用来反演C4植物的起源及扩张历史(Huang et al.,2007)。特别偏负(<-50‰)的单体碳同位素组成可以指示甲烷氧化过程。高等植物生理利用的水大多来自大气降水,因而其分子化石的单体氢同位素可以用来指示古水文变化(Sachse et al.,2012)。对于海洋微生物,其分子化石的单体氢同位素组成与海水的盐度有较好的关系(Sachs&Schwarb,2010)。

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