分子地層劃分與對比實例_地層學(xué)基礎(chǔ)與前沿

地層中的分子化石在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相反，在地層劃分和對比上，其潛力還有待挖掘。在利用分子化石進(jìn)行地層的劃分與對比時，首先要查明分子化石的分布特征及其與生物、環(huán)境、氣候變化之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分辨出重要的可能具有全球意義的各類生物事件和環(huán)境事件，并結(jié)合生物地層學(xué)資料，以各類事件為標(biāo)志，進(jìn)行比較可靠的高精度的地層劃分和對比。

然而，如前所述，目前分子地層學(xué)還沒有明確的地層單位，難以進(jìn)行實質(zhì)性的地層劃分與對比。雖然油氣地球化學(xué)領(lǐng)域的源－源、油－源和油－油對比實質(zhì)上是利用分子化石分布的相似性或某些分子化石的特性進(jìn)行的，但也沒有明確的地層單位概念。在沉積有機(jī)地球化學(xué)領(lǐng)域，提出了有機(jī)相或沉積有機(jī)相的概念，它與層序地層相結(jié)合，可以進(jìn)行高分辨率的地層劃分和對比。雖然分子地層學(xué)也可以沿用這一概念，但不能體現(xiàn)出分子地層學(xué)的特性，因為有機(jī)相的劃分不僅僅是考慮分子有機(jī)地球化學(xué)特征，還考慮其他有機(jī)地球化學(xué)乃至沉積學(xué)特征。

我們建議，分子地層學(xué)可以沿用生物地層學(xué)中“生物帶”的概念，以“分子化石帶”作為分子地層的單位。生物帶中包括了延限帶、頂峰帶、組合帶等，分子化石帶也可以這樣用。分子化石的延限帶表示某類分子化石在地層中的分布范圍，頂峰帶表示某類分子化石的最高豐度帶，組合帶則表示某些特征分子化石的組合。值得注意的是，分子化石不能像傳統(tǒng)生物化石那樣可以與生物的種屬直接聯(lián)系起來，在大多數(shù)情況下，其時代意義不明顯。因此，分子化石帶的應(yīng)用(也即分子地層的劃分和對比)必須在詳細(xì)生物地層或者其他年代學(xué)方法的框架下進(jìn)行。分子化石帶的對比可以直接利用分子特征進(jìn)行對比，也可以利用分子特征反映的生物學(xué)(例如藍(lán)細(xì)菌)、環(huán)境(如氧化還原、鹽度等)和氣候(如利用長鏈烯酮不飽和度計算的古溫度)等信息進(jìn)行對比。下面分別以具有詳細(xì)生物地層框架的浙江長興煤山二疊紀(jì)－三疊紀(jì)界線地層，以及具有很好的年代學(xué)框架的第四紀(jì)泥炭為例，探討高分辨率分子地層工作。

17.4.1　浙江長興煤山二疊紀(jì)－三疊紀(jì)界線附近的分子地層

17．4．1．1　樣品處理和儀器分析

樣品采自浙江長興煤山二疊紀(jì)－三疊紀(jì)T/P界線B剖面第23層至第34層底部，緊鄰全球T/P界線層型與點(即“金釘子”)剖面。所研究地層的巖性包括灰?guī)r(第23和第24層)、灰白色火山黏土巖(第25、28、31、33層)、紋層狀富含有機(jī)質(zhì)的鈣質(zhì)黏土巖(第26層)、泥灰?guī)r(第27層)、灰色富含有機(jī)質(zhì)的頁巖和泥灰?guī)r(第29、30、32、34層)。

巖石樣品除去表面污染物，干燥，粉碎至100目以下，用三氯甲烷作為溶劑在索氏抽提器中抽提72h，減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1ml，可溶組分經(jīng)硅膠柱層析，用正己烷和苯作洗脫劑依次分離出飽和烴組分和芳烴組分，分別進(jìn)行氣相色譜、氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。飽和烴經(jīng)尿素絡(luò)合物除掉支鏈和環(huán)狀化合物后進(jìn)行單體碳同位素分析。各類儀器的分析條件請參閱Xie et al．(2005，2007)、Huang et al．(2006)、黃咸雨等(2007)。

17．4．1．2　分子化石分布特征

有關(guān)浙江長興煤山T/P界線附近的各類分子化石已作了詳細(xì)報道，這里不再詳述。主要的烷烴分子化石包括C14－C35正構(gòu)烷烴，C15－C21規(guī)則類異戊二烯烷烴(包括植烷、姥鮫烷)，C19－C29三環(huán)萜，C24四環(huán)萜，C27－C35藿烷，C28－C32 2－甲基藿烷、3－甲基藿烷，C29－C33莫烷、伽馬蠟烷，C27－C29規(guī)則甾烷。長興組正構(gòu)烷烴單體碳同位素變化于－26．3‰到－31．6‰范圍，殷坑組正構(gòu)烷烴單體碳同位素變化于－25．1‰到－36．2‰范圍。它們的分布特征和生物學(xué)、環(huán)境意義請參閱Xie et al．(2005，2007)、黃咸雨等(2007)。

芳烴組分繁多，主要包括C12－C23 2－烷基－1，3，4－三甲基苯系列、C40 isorenieratane (異胡蘿卜烷)、萘系列(萘，C1－萘，C2－萘，C3－萘)、菲系列(菲，C1－菲，C2－菲，C3－菲)、芴系列(芴，甲基芴)、二苯并呋喃(氧芴)、二苯并噻吩(硫芴)、苯并萘并噻吩、熒蒽、芘等。它們的分布特征和生物學(xué)、環(huán)境意義請參閱Huang et al．(2006)、黃咸雨等(2007)。

一些主要分子化石參數(shù)在地層中的分布規(guī)律綜合如圖17－3所示。

17．4．1．3　分子地層的劃分與對比

因分子化石種類眾多，分子化石帶的劃分必須要有明確的生物學(xué)或環(huán)境意義，而且不同層位分子化石帶有明顯的區(qū)分，盡可能具有全球性或區(qū)域性特征。這樣，根據(jù)分子化石的分布特征和其所具有的生物學(xué)、環(huán)境意義，可以明顯地把第24層和第27層劃分出來(圖17－4)，這兩層與其他層位明顯不同，以具有高含量的來源于綠硫細(xì)菌的分子化石為特征，可稱之為“2－烷基－1，3，4－三甲基苯或isorenieratane帶”。同樣，第26層和第29層上部以具有高含量的來源于藍(lán)細(xì)菌的分子化石為特征，可劃分出“2－甲基藿烷帶”。第25層以高含量的伽馬蠟烷為特征，可稱為“伽馬蠟烷帶”。這些分子化石帶相當(dāng)于生物地層學(xué)生物帶中的頂峰帶。

第23層以高含量的姥鮫烷(較高的Pr/Ph值)和二苯并噻吩(較高的DBT/P值)為特征，可稱為“姥鮫烷－二苯并噻吩帶”。相反，第28 29層以及第31層以上，以高含量的植烷(較低的Pr/Ph值)和菲(較低的DBT/P值)為特征，可稱為“植烷－菲帶”。這兩個分子化石帶相當(dāng)于生物帶中的組合帶。

分子地層反映出煤山T/P界線地層存在兩類重要的可能具有全球性的地質(zhì)事件，以此可以進(jìn)行區(qū)域性乃至全球范圍內(nèi)的地層對比:根據(jù)第26層分子化石2－甲基藿烷帶所反映的藍(lán)細(xì)菌繁盛情況，F(xiàn)arabegoli et al．(2006)把意大利Bulla剖面T/P界線附近的鈣質(zhì)微生物巖與之進(jìn)行對比。Grice et al．(2005)根據(jù)綠硫細(xì)菌的分子化石2－烷基－1，3，4－三甲基苯和isorenieratane(異胡蘿卜烷)，把煤山剖面的第24層與澳大利亞Perth盆地的T/P界線具有同樣綠硫細(xì)菌分子化石的地層相對比。

17.4.2　第四紀(jì)泥炭沉積的分子地層

17．4．2．1　樣品處理和儀器分析

從英格蘭北部Bolton Fell泥炭中部取出一根40cm長的泥炭巖芯，分析前儲存在－20℃的冰箱中。為了避免污染，去除巖芯外層。按1cm間隔分割巖芯并連續(xù)采集樣品。該泥炭巖芯頂部30cm采用210 Pb定年。本泥炭巖芯頂部30cm的沉積速率為1．8mm/a，2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(2σ)，為1．3～2．8mm/a。底部10cm的沉積速率也看作不變。這樣該泥炭頂部40cm經(jīng)歷的時間約為距今220年。

圖17－4　浙江長興煤山T/P界線地層的分子化石帶劃分圖

把泥炭樣品凍干后，磨成0．5mm以下的顆粒。0．5g粉末樣品用二氯甲烷/丙酮(9∶1，V/V)放在索氏抽提器中抽提24h，并加入一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品?？偝樘嵛镉霉滔噍腿》ǚ蛛x成中性和酸性組分。中性組分進(jìn)一步用色層柱法(60目硅膠)分離成飽和烴、芳烴、酮/酯、脂肪醇/甾醇和極性組分。淋洗液分別是正己烷、正己烷/二氯甲烷(9∶1，V/V)、二氯甲烷、二氯甲烷/甲醇(1∶1，V/V)、甲醇。脂肪醇/甾醇組分進(jìn)一步用飽和的尿素甲醇溶液把正構(gòu)醇類與環(huán)狀醇類分離開。各類儀器分析(氣相色譜儀、高溫氣相色譜儀、氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、高溫氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜－燃燒－同位素比質(zhì)譜儀、氣相色譜－裂解－同位素比質(zhì)譜儀)請參閱Xie et al．(2000，2004)、謝樹成等(2001)。

17．4．2．2　分子化石分布特征及其氣候環(huán)境意義

生物大化石分析顯示，該泥炭巖芯主要以Sphagnum(泥炭蘚)為主，特別是在深度8～9cm到30～31cm。在其他深度則以單子葉被子植物為主(圖17－5)。

檢測出的分子化石包括C21－C35正構(gòu)烷烴(主峰C23和/或C31)、C25－C35正構(gòu)脂肪酮(主峰C29或C31)、C38－C52蠟酯(主峰C40和C42)、C20－C34正構(gòu)脂肪醇(主峰C22)、甾醇(24－乙基膽甾－5－烯－3β－醇，24－乙基－5α－膽甾－3β－醇，24－乙基膽甾－5，22－二烯－3β－醇，24－乙基－5α－膽甾－22－烯－3β－醇，24－甲基膽甾－5－烯－3β－醇和24－甲基－5α－膽甾－3β－醇)、C16 C34正構(gòu)脂肪酸(主峰C24或C26)、C20－C28為α，ω－二元羧酸(主峰C22)和C20－C28ω－羥基酸(主峰C22或C26)，等等。有關(guān)這些分子化石的植被和氣候意義，請參閱Xie et al．(2000，2004)。

17．4．2．3　分子地層的劃分與對比

在該泥炭中，正構(gòu)烷烴與植物、氣候之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此，可以根據(jù)正構(gòu)烷烴把本段泥炭巖芯劃分成如下3個分子化石帶(圖17－5)。

圖17－5　英國英格蘭某泥炭分子化石變化規(guī)律(Xie et al．，2000，2004)與分子化石帶的劃分
分子化石參數(shù):C24∶0/C24∶1．正構(gòu)烷烴C24/正構(gòu)烯烴C24;KET/EST．正構(gòu)脂肪酮/C16脂肪酸酯;ALK．正構(gòu)烷烴;CPI．碳優(yōu)勢指數(shù);fa．正構(gòu)脂肪酸;δD－C23．正構(gòu)烷烴C23氫同位素值

0～9cm:C31正構(gòu)烷烴帶(頂峰帶)。分子化石的分布特征表現(xiàn)出正構(gòu)烷烴以C31出主峰，正構(gòu)烷烴/正構(gòu)烯烴、酮/酯等比值較高，正構(gòu)烷烴和正構(gòu)脂肪醇的CPI值較低;正構(gòu)烷烴C23的氫同位素值升高。植被以單子葉被子植物為主，苔蘚植物Sphagnum很少。

9～31cm:C23正構(gòu)烷烴帶(頂峰帶)。分子化石的分布特征表現(xiàn)出正構(gòu)烷烴以C23出主峰，正構(gòu)烷烴/正構(gòu)烯烴、酮/酯等比值較低，正構(gòu)烷烴和正構(gòu)脂肪醇的CPI值較高;正構(gòu)烷烴C23的氫同位素值降低。植被以苔蘚植物Sphagnum為主，單子葉被子植物很低。

31～40cm:C31正構(gòu)烷烴帶(頂峰帶)。分子化石的分布特征表現(xiàn)出正構(gòu)烷烴以C31出主峰，正構(gòu)烷烴/正構(gòu)烯烴、酮/酯等比值較高，正構(gòu)烷烴和正構(gòu)脂肪醇的CPI值較低;正構(gòu)烷烴C23的氫同位素值升高。植被以單子葉被子植物為主，苔蘚植物Sphagnum很少。

由于本泥炭巖芯分子化石分布及其同位素組成在地層中的變化規(guī)律是對植被和氣候的綜合反映，因此，可以利用這些分子化石特征進(jìn)行本泥炭的地層學(xué)對比。特別是，C23正構(gòu)烷烴帶相當(dāng)于第二個小冰期這一具有全球性意義的氣候事件，因此，可以把本泥炭的分子地層結(jié)果與其他研究載體在全球范圍內(nèi)進(jìn)行氣候地層學(xué)的對比。

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關(guān)鍵詞與主要知識點－17

關(guān)鍵詞:

分子化石molecular fossil

化學(xué)化石chemical fossil

生物標(biāo)志化合物biomarker

類脂物lipid

木質(zhì)素lignin

碳水化合物carbohydrate

古DNA ancient DNA

古蛋白ancient protein

成巖作用diagenesis

生物降解biodegradation

成熟度maturity

氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀gas chromatograph－mass spectrometer

相對豐度relative abundance

碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)carbon preference index

平均碳鏈長度(ACL)average chain length

碳數(shù)分布carbon number distribution

單體同位素compound specific isotope

分子地層學(xué)molecular stratigraphy

分子化石帶molecular fossil zone

分子化石延限帶molecular fossil range－zone

分子化石組合帶molecular fossil assemblege－zone

主要知識點:

分子化石的定義

主要的分子化石種類

影響分子化石保存的主要因素

分子化石的常見分析方法

同其他生物化石相比，分子化石的優(yōu)缺點

分子地層學(xué)的基本原理及應(yīng)用方法

分子地層學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域