17.2.1　原理

分子地層學(xué)主要是利用地質(zhì)體中的各類分子化石來(lái)劃分、對(duì)比地層。不論是哪類分子化石，其地層學(xué)應(yīng)用的基本原理是依據(jù)分子化石的生物源信息和其離開(kāi)生物體后發(fā)生的一系列轉(zhuǎn)化過(guò)程中記錄的環(huán)境信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在各類年代學(xué)框架的約束下，分子化石記錄的生物源信息和環(huán)境信息則成了區(qū)域性乃至全球性地層對(duì)比的主要依據(jù)。

17．2．1．1　生物源信息

地層中的分子化石來(lái)源于生物體本身，而不同的生物往往有不同的生物化學(xué)組成。因此，分子化石可以反映出地層形成時(shí)的生物面貌。前文介紹重要的分子化石類別時(shí)，也簡(jiǎn)要介紹了一些特征性分子化石對(duì)應(yīng)的生物源，更多的特征性類脂物總結(jié)如圖17－2所示。

分子化石生物源信息，除了為分子地層工作提供生物群面貌信息外，還可以提供氣候環(huán)境信息。這有兩個(gè)方面的依據(jù):一方面，不同的沉積環(huán)境有著不同的生物類型、組合或生物群落，這些差異會(huì)體現(xiàn)在沉積物中的分子化石組成上。例如，陸相沉積中具有較高比例的高等植物，因而分子化石組成往往以來(lái)自高等植物分子的脂類為主，而海相環(huán)境以菌藻為主，此類沉積中的分子化石也以菌藻來(lái)源為主。另一方面，一些生物尤其是微生物在不改變屬種的前提下，通過(guò)改變自身的脂類組成來(lái)適用氣候環(huán)境的變化，從而使分子化石能夠指示這種氣候環(huán)境變化。例如，海洋中的顆石藻可以通過(guò)改變烯酮化合物的不飽和度來(lái)適應(yīng)表層海水溫度的變化，成為一種很好的古溫度計(jì)(Bassell et al．，1986;Prahl＆Wakeham，1987)。

圖17－2　各類生物體的特征性類脂物分子
(修改自謝樹(shù)成等，2007)
ALK．正構(gòu)烷烴;UK37．長(zhǎng)鏈烯酮;C25 HBI．C25長(zhǎng)支鏈類異戊二烯烴;Pr．姥鮫烷;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．四環(huán)萜類; isorenieratane．異胡蘿卜烷

17．2．1．2　轉(zhuǎn)化途徑

所有的生物有機(jī)分子離開(kāi)生物體后會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，這些轉(zhuǎn)化與沉積環(huán)境及時(shí)間因素有關(guān)。不同的沉積環(huán)境條件(如氧化還原電位、微生物活動(dòng)強(qiáng)度、濕度、溫度、pH等)會(huì)影響分子化石的轉(zhuǎn)化、降解和保存，從而使不同沉積環(huán)境表現(xiàn)出不同的分子化石組合。因此，分子化石可以為分子地層工作提供氣候環(huán)境方面的信息。環(huán)境條件能控制分子化石的降解程度，也可以影響降解得到的系列化合物之間的分布模式。例如，在沉積物中，由于微生物降解，長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的奇偶優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸降低，也即奇碳化合物的相對(duì)豐度降低。在沉積物中，一些分子化石的立體構(gòu)型也會(huì)受環(huán)境條件以及時(shí)間影響。例如，藿烷從生物構(gòu)型17β(H)21β (H)向17α(H)21β(H)與17β(H)21α(H)構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。

17.2.2　方法

根據(jù)以上兩個(gè)方面的原理(生物類型和沉積期或期后的改造作用)，在分子地層學(xué)領(lǐng)域中，所采用的地層學(xué)分析方法主要有以下幾種。

17．2．2．1　含量

指某種特定分子化石在某樣品中的含量(×10－6樣品，×10－6有機(jī)碳)，這是最基本的方法。類脂物分子一般可以直接采用氣(液)相色譜儀、氣(液)相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行內(nèi)標(biāo)法或外標(biāo)法定量。需要注意的是，沉積巖中分子化石的含量除受生物源和沉積環(huán)境影響外，還受沉積速率的影響。

17．2．2．2　相對(duì)豐度

指在同一樣品中某種特定分子化石相對(duì)于某些常見(jiàn)分子化石的含量，或者是某同系物之間的相對(duì)含量(比值)。這是很常用、很簡(jiǎn)便的方法，而且還可以消除因沉積速率變化所引起的誤差，有些比值甚至還可以消除成巖作用的影響。相對(duì)豐度的計(jì)算遠(yuǎn)比其絕對(duì)含量計(jì)算簡(jiǎn)單得多，可以直接采用氣(液)相色譜圖、質(zhì)量色譜圖中的峰面積進(jìn)行計(jì)算。一些比值反映了生物種群中某些特定生物的變化，例如2－甲基藿烷與藿烷比值反映了細(xì)菌種群中藍(lán)細(xì)菌的相對(duì)豐度(Summons et al．，1999);某些比值與沉積環(huán)境有關(guān)，如姥鮫烷與植烷比值反映了沉積環(huán)境的氧化還原狀況和鹽度(Ten Haven etal．，1987);有些比值與成熟度有關(guān)，反映地層的埋藏和受熱情況，如常規(guī)甾烷的異構(gòu)體比值;有些比值可以直接反映地質(zhì)事件，如高環(huán)數(shù)與低環(huán)數(shù)多環(huán)芳烴比值可以反映全球火災(zāi)事件(Venkatesan＆Dahl，1989);有些比值則因與地質(zhì)時(shí)間有關(guān)而用來(lái)定年，如氨基酸外消旋作用所形成的L和D構(gòu)型的比值(Oches＆McCoy，2001)，等等。

17．2．2．3　碳數(shù)分布

指某個(gè)同系物之間不同碳數(shù)化合物的相對(duì)含量分布情況，包括其主峰碳(含量最高的那個(gè)化合物的碳數(shù))。例如，高等植物體內(nèi)正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布主要是從C23到C33的奇數(shù)分布，主峰碳數(shù)一般是C27(木本)、C29(落葉樹(shù))或C31(草本)等。在碳數(shù)分布中有一個(gè)指標(biāo)是碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(CPI)，指的是奇數(shù)碳與偶數(shù)碳的比值，反映了成巖作用或微生物作用的強(qiáng)度。第四系沉積物中CPI因與微生物作用有關(guān)而可以反映氣候環(huán)境的變化。還有一個(gè)指標(biāo)是平均碳鏈長(zhǎng)度(ACL)，是指同系物中每個(gè)化合物的相對(duì)含量與其碳原子數(shù)乘積的總和除以化合物相對(duì)含量的總和，一般主要用于脂肪族化合物。例如，正構(gòu)烷烴ACL可以反映植被的變化。當(dāng)?shù)貙右阅颈局参餅橹鲿r(shí)，正構(gòu)烷烴的ACL通常較小;以草本植物為主時(shí)，ACL通常較大。

17．2．2．4　單體同位素

指單個(gè)分子化石的同位素特征。與傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析相比，單體同位素有比較確切的來(lái)源，因而對(duì)物源或氣候環(huán)境變化更加靈敏。1978年首先由著名質(zhì)譜學(xué)家John Hayes把氣相色譜－同位素比質(zhì)譜儀(GC－IRMS)引進(jìn)到了分子有機(jī)地球化學(xué)領(lǐng)域(Matthews＆Hayes，1978)，使復(fù)雜混合物中單個(gè)有機(jī)分子(單體)穩(wěn)定同位素的研究成為可能。1988年、1994年分別出現(xiàn)了復(fù)雜混合物中單體穩(wěn)定碳同位素和氮同位素的商業(yè)應(yīng)用(GC－C－IRMS:gas chromatography－combustion－isotope ratio mass spectrometry)。1999年，出現(xiàn)了研究復(fù)雜混合物中單體穩(wěn)定氫、氧同位素的氣相色譜－裂解－同位素比值質(zhì)譜儀(GC－TC－IRMS)。后者也使復(fù)雜有機(jī)混合物中單體穩(wěn)定氧同位素乃至硫同位素的研究成為可能，這樣就使復(fù)雜有機(jī)混合物最難分析而又最有意義的單體氫、氧、硫同位素的分析變成現(xiàn)實(shí)。單體同位素研究是分子有機(jī)地球化學(xué)、分子化石領(lǐng)域最有前途的發(fā)展方向之一。實(shí)際上，開(kāi)展分子化石的單體同位素研究已開(kāi)始從分子水平深入到原子水平，分子地層學(xué)也可以說(shuō)是拓展到原子地層學(xué)了，盡管目前國(guó)際上還沒(méi)有這樣的用法。

配合分子化石組成，單體碳同位素可以幫助我們推斷有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。如長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體碳同位素可以用來(lái)反演C4植物的起源及擴(kuò)張歷史(Huang et al．，2007)。特別偏負(fù)(＜－50‰)的單體碳同位素組成可以指示甲烷氧化過(guò)程。高等植物生理利用的水大多來(lái)自大氣降水，因而其分子化石的單體氫同位素可以用來(lái)指示古水文變化(Sachse et al．，2012)。對(duì)于海洋微生物，其分子化石的單體氫同位素組成與海水的鹽度有較好的關(guān)系(Sachs＆Schwarb，2010)。