魯西寒武系凝塊石萜類生物標志物特征

韓作振,劉凱旋,任 祥，宋志剛

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590; 2.海洋礦產(chǎn)資源實驗室，青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266071)

凝塊石作為微生物巖的一種重要類型，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。最初，Aitken[1]將凝塊石定義為具有宏觀凝塊組構(gòu)，并區(qū)別于其他具有顯微凝塊組構(gòu)的微生物碳酸鹽巖，但凝塊狀結(jié)構(gòu)與疊層結(jié)構(gòu)的混淆以及隱藻結(jié)構(gòu)的不全面性問題并沒有解決。Ruding等[2]定義了微生物碳酸鹽巖，將凝塊石與疊層石區(qū)分開來，與樹形石、均一石一起劃為微生物巖的四大類。自前寒武紀以來，大量微生物碳酸鹽巖均由鈣化微生物形成，但藍綠藻等微生物大都不具有鈣化骨骼，因此未留下實體化石，對于成巖微生物類型的研究造成一定困難。華北地臺寒武系微生物碳酸鹽巖中管狀藍細菌多為葛萬菌(Girvanella)，而凝塊石中僅在鏡下觀察到藍細菌活動痕跡或只能通過整體的沉積構(gòu)造(如鈣化絲狀體、管狀構(gòu)造以及捕獲得的沉積物)來識別，尚未有充足證據(jù)顯示其他類型微生物參與成巖作用[3]。在現(xiàn)代實驗室研究中，微生物等碳氫化合物在沉積成巖過程中會被其他微生物改造降解[4]。在微生物與沉積環(huán)境相互關(guān)系的研究中，有充足的微生物證據(jù)，才能對微生物巖做出科學的解釋[5]。

藍細菌因具鈣化能力很難被其他微生物降解，實驗證明難降解的有機基質(zhì)中細菌易被捕獲而留存[6]。隨著現(xiàn)代分子生物學及有機化學檢測技術(shù)的進步，生物標志化合物所具有的獨特穩(wěn)定性有助于發(fā)現(xiàn)無實體化石的微生物證據(jù)。本研究通過分析魯西寒武系張夏組和炒米店組凝塊石中生物標志物的類型、含量及其分布，探討凝塊石的沉積環(huán)境和參與成巖的微生物類型。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山東省臨沂市沂水縣馬站鎮(zhèn)(如圖1)，其所在的華北地臺于早寒武世筇竹寺—龍王廟期開始接受沉積，寒武紀期間，基本沒有大的構(gòu)造沉降，屬典型的陸表海潛水沉積盆地[7]。研究區(qū)所屬的魯西地塊為華北板塊東南部地質(zhì)分區(qū)，位于郯廬斷裂帶以西，是一個獨立斷塊，西側(cè)邊界為聊城—蘭考斷裂，北側(cè)以齊河—廣饒斷裂為界，東南側(cè)以安丘—營縣斷裂為界。該區(qū)寒武紀地層普遍發(fā)育較好、出露連續(xù)。凝塊石產(chǎn)出于張夏組和炒米店組，尤以張夏組凝塊石最為典型。

圖1 臨沂市沂水縣馬站鎮(zhèn)剖面位置圖

2 凝塊石特征

實驗所需凝塊石采自沂水馬站鎮(zhèn)楊莊寒武系張夏組，呈無明顯構(gòu)造特征的塊狀構(gòu)造、生物層構(gòu)造和生物丘構(gòu)造。具層狀構(gòu)造的凝塊石，單層厚度一般為幾厘米到十幾厘米不等，由底到頂變化不大，分布較為穩(wěn)定(如圖2(a))。而生物丘構(gòu)造則形態(tài)大小不一，整體呈同心弧向外發(fā)散，其高度和寬度大小相當，由幾十厘米到幾米不等塊狀構(gòu)造(如圖2(b))。具生物丘構(gòu)造的凝塊石生物丘之間呈相切、相交包裹等接觸關(guān)系。研究區(qū)亦有巨厚層凝塊灰?guī)r出露，其厚度達3 m以上。

(a) 生物層構(gòu)造凝塊石； (b) 生物丘構(gòu)造凝塊石

通過樣品觀察，凝塊石呈典型的凝塊結(jié)構(gòu)，由顏色較深的微生物團塊與灰泥沉積物混雜構(gòu)成(圖3)。魯西寒武系凝塊石可劃分為斑狀凝塊石、網(wǎng)狀凝塊石和樹枝狀凝塊石[8]。本次實驗選取的是張夏組與炒米店組最為典型的斑狀凝塊石(圖4)。

(a) 拋光面圖； (b) 野外露頭觀察圖

結(jié)合野外剖面觀察以及室內(nèi)鏡下分析，凝塊石的深色團塊是由藍細菌及周圍泥晶方解石凝結(jié)而成的(圖5(a)、5(b))。團塊之間為泥晶方解石或少量亮晶方解石和自形一半自形的白云石膠結(jié)(圖5(c)、5(d))。另外，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)少量黃鐵礦(FeS2)，其特征為邊緣不規(guī)則，在透色光下為黑色，反射光下呈淺黃銅色，邊部被紅褐色氧化鐵或褐鐵礦(FeO·OH·nH2O)包圍(圖6)。

3 樣品處理方式及儀器測定

碳酸鹽巖中有機質(zhì)含量較低，甚至達不到抽提標準(總有機碳(total organic carbon，TOC)≥1%)。但若取得足夠的巖石樣品，生標參數(shù)對于生源、古環(huán)境等分析仍是可靠的依據(jù)[9]。為避免滲入巖石表面孔隙的現(xiàn)代微生物干擾，在室內(nèi)將樣品表面進行拋光處理，將表面風化的物質(zhì)剝離，只保留其內(nèi)部新鮮部分。同時將樣品放入超聲波清洗儀中進行初次清洗。為收集到足量的氯仿瀝青“A”(據(jù)行業(yè)標準，色質(zhì)實驗樣品15 mg)，對巖樣進行多次索氏抽提。

注：+號位置為采樣地點標記

為獲得準確的生標信息，碎樣前用氯仿淋洗去因空氣接觸造成的微生物污染。樣品在室溫下自然晾干，粉碎至顆粒直徑為0.09 mm以下，取50 g放入氯仿抽提用濾紙袋中，使用二氯甲烷和甲醇(體積比為2∶1)混合溶劑進行索氏抽提72 h。然后將抽提物蒸干，并采用不同極性的溶劑將其中的飽和烴、芳香烴和非烴餾分分別淋洗出，驅(qū)趕溶劑，稱量并求得試樣中各組分的含量。得到飽和烴、芳香烴、非烴及瀝青質(zhì)四種族組分物質(zhì)。隨后將飽和烴物質(zhì)族分進行氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)分析。

(a)，(b)含附枝菌等藍細菌的凝塊石；(c)，(d)裂隙充填白云石的凝塊石

(a) 反射光； (b) 透射光

表1 樣品氯仿瀝青“A”中飽和烴含量

實驗使用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(安捷倫5977BMSD)，檢測標準為GB/T18606—2017氣相色譜-質(zhì)譜法測定沉積物中生物標志物。色譜柱規(guī)格為DB—5MS石英毛細管色譜柱(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為高純He，恒流，流速為1.0 mL/min。質(zhì)譜條件：電子轟擊源(EI+)，離子源溫度為230 ℃。預(yù)先使用SCAN全掃描目標物的質(zhì)譜信息，選擇特征定性定量離子后用SIM模式檢測。得出總離子流圖(TIC)，根據(jù)譜圖的特征、相保留時間，結(jié)合系統(tǒng)自帶NIST譜庫進行化合物鑒定，根據(jù)色譜峰積分面積進行定量計算。

4 實驗結(jié)果與分析

本研究選取魯西寒武系張夏組較為典型的凝塊石進行分析，分別抽提了4組樣品，在氯仿瀝青“A”族組分分離中用于色質(zhì)分析的飽和烴提取量如表1所示。

在進行GC-MS分析之后，4組樣品在m/z=191的總離子流圖如圖7所示。

圖7 凝塊石GC-MS總離子流圖(TIC)

經(jīng)NIST譜庫匹配計算后，m/z=191總離子流圖中碳數(shù)主要分布在nC21～nC35之間，含有一定量的三環(huán)萜烷、降霍烷、霍烷及升霍烷等化合物。

4.1 三環(huán)萜類化合物分析

4.1.1 三環(huán)萜類化合物測定結(jié)果

本次樣品中萜烷皆為C19～C29三環(huán)萜烷和部分C24四環(huán)萜烷(圖8)，其化合物種類如表2所示。三環(huán)萜烷的前驅(qū)物為三環(huán)六異戊二烯醇，其分子特征表明其來源于原核生物的細胞膜[10]。另有研究稱，因三環(huán)萜烷與類異戊二烯烷烴基側(cè)鏈的關(guān)系，三環(huán)萜烷(

圖8 三環(huán)萜烷C19～C29(m/z=191)質(zhì)量色譜圖

峰號 m/zZX-10ZX-18CM-5CM-6保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%生物標志化合物119140.08 0.1440.080.1940.080.0540.080.1013β(H),14α(H)-C19三環(huán)萜烷219142.670.4942.66 0.5142.66 0.2842.66 0.4613β(H),14α(H)-C20三環(huán)萜烷319145.291.0545.28 1.0145.29 0.7445.291.0813β(H),14α(H)-C21三環(huán)萜烷419147.68 0.3147.68 0.3047.69 0.2747.68 0.3113β(H),14α(H)-C22三環(huán)萜烷519150.511.8350.50 1.8250.521.8550.511.8713β(H),14α(H)-C23三環(huán)萜烷619151.98 1.1951.981.2152.001.3251.991.2813β(H),14α(H)-C24三環(huán)萜烷719155.061.1655.05 1.2155.071.3155.06 1.2113β(H),14α(H)-C25三環(huán)萜烷819157.23 0.9557.22 1.0257.251.0157.241.02C24四環(huán)萜烷919157.47 0.6857.46 0.7557.490.7957.50 0.6613β(H),14α(H)-C26三環(huán)萜烷1019157.640.7157.630.7557.65 0.8257.670.8013β(H),14α(H)-C26三環(huán)萜烷1119163.30 0.6763.290.7163.32 0.7463.31 0.7013β(H),14α(H)-C28三環(huán)萜烷1219163.66 0.7863.65 0.7863.68 0.8563.680.8213β(H),14α(H)-C28三環(huán)萜烷1319165.02 1.0165.01 1.0965.05 1.1565.041.0313β(H),14α(H)-C29三環(huán)萜烷1419165.510.8165.490.8565.53 0.8765.51 0.8213β(H),14α(H)-C29三環(huán)萜烷

表3 三環(huán)萜烷/17α(H)-霍烷比值

4.1.2 三環(huán)萜類化合物特征

三環(huán)萜烷/霍烷比值作為母源參數(shù)，用來比較細菌或藻類類脂體(三環(huán)萜烷)與不同原核生物(藻類中尚未檢測出藿類化合物)的生物標志化合物(霍烷)輸入。即比值越高，其沉積物有機質(zhì)中非藻類原核生物含量越少(≥1)[9]，反之越多。由表3可知，研究區(qū)內(nèi)凝塊石生源輸入多為細菌等原核生物。

4.2 藿類化合物分析

藿類化合物的前驅(qū)物一般為細菌細胞壁中的藿烯或者細菌霍烷四醇，藿烯的主要來源物為細菌或不同的原核類生物[9]，而且藿類化合物被認為是由前驅(qū)物角鯊烯環(huán)化而成[13]。然而在實驗室的藻類中并未發(fā)現(xiàn)此類化合物，說明此類化合物多來源于細菌[9]。

4.2.1 藿類化合物測定結(jié)果

實驗發(fā)現(xiàn)樣品中霍類化合物類型較為豐富，由譜圖匹配分離出17α(H)、21β(H)-30-降霍烷、7β(H)、21β(H)-30-降霍烷、17α(H)、21β(H)霍烷、升霍烷(C31～C35)、17α(H)-重排霍烷(C30*)和18α(H)-降新霍烷(C29Ts)等化合物(圖9)。

17α(H)、21β(H)-30-降霍烷在所有生標內(nèi)相對含量較高，達10%左右，而17β(H)、21β(H)-30-降霍烷僅為1%，C31～C35升霍烷總量約為20%(如表4)。

圖9 霍烷C27～C35(m/z=191)質(zhì)量色譜圖

峰號 m/zZX-10ZX-18CM-5CM-6保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%保留時間/min峰面積百分比/%生物標志化合物119166.562.8966.55 2.9166.59 3.0366.582.7518α(H)-22,29,30-三降藿烷(Ts)219167.803.3867.793.5267.833.3367.81 3.6417α(H)-22,29,30-三降藿烷(Tm)319171.7010.8371.6910.2071.73 10.7071.7110.7417α(H),21β(H)-30-降藿烷419171.812.9171.802.8071.852.8271.822.7618α(H)-30-降新藿烷(C29Ts)519172.321.5772.311.3672.34 1.5472.33 1.37重排藿烷-C30619173.212.5373.192.2273.232.0573.21 2.1517β(H),21α(H)-30-降莫烷719174.1417.1974.12 17.1674.1716.9774.15 16.7217α(H),21β(H)-藿烷819174.660.9574.650.7774.690.9374.670.69C30-五環(huán)三萜烷919174.971.1774.951.0974.991.1774.98 0.9517β(H),21β(H)-30-降藿烷1019175.333.8875.32 3.4575.363.3375.343.3217β(H),21α(H)-莫烷1119177.034.8077.014.7877.04 4.8177.034.9217α(H),21β(H)-30-升藿烷(22S)1219177.373.5677.364.0077.393.9577.384.0017α(H),21β(H)-30-升藿烷(22R)1319177.862.5277.85 2.5277.88 2.5777.872.54伽馬蠟烷1419178.431.4178.41 1.2178.44 1.4278.43 1.2917β(H),21α(H)-30-升莫烷(22S+22R)1519179.372.7579.35 2.7679.382.7179.372.8817α(H),21β(H)-30,31-二升藿烷(22S)1619179.832.1179.81 2.0879.852.0379.83 2.1717α(H),21β(H)-30,31-二升藿烷(22R)1719182.121.6582.111.6382.131.6282.12 1.6917α(H),21β(H)-30,31,32-三升藿烷(22S)1819182.761.3782.751.3082.77 1.3082.76 1.3417α(H),21β(H)-30,31,32-三升藿烷(22R)1919185.041.0385.02 1.0085.04 0.9985.03 1.0217α(H),21β(H)-30,3132,33-四升藿烷(22S)2019185.830.6185.810.6085.83 0.5985.82 0.6517α(H),21β(H)30,31,32,33-四升藿烷(22R)2119187.920.6187.910.5987.930.5887.920.6817α(H),21β(H)-30,31,32,33,34-五升藿烷(22S)2219188.870.3988.860.3688.880.3688.870.4217α(H),21β(H)-30,31,32,33,34-五升藿烷(22R)

4.2.2 藿類化合物特征

受早期成巖過程中厭氧細菌氧化作用影響，17α(H),21β(H)-藿烷會轉(zhuǎn)化為17α(H),21β(H)-30-降藿烷。在正常低溫狀態(tài)下，αβ構(gòu)型降藿烷很難轉(zhuǎn)化為ββ構(gòu)型降藿烷，但在產(chǎn)甲烷菌存在的條件下，少量αβ構(gòu)型降藿烷會轉(zhuǎn)化為ββ構(gòu)型降藿烷。由此，本次實驗結(jié)果顯示：降霍烷αβ/ββ高達10，可反映產(chǎn)甲烷古菌的厭氧氧化作用[14]。

升霍烷(C31～C35)來自于細菌霍烷四醇，或是存在于原核微生物內(nèi)的C35霍烷類化合物[15]。在海相巖石中，升霍烷(C31～C35)17α(H)、21β(H)、22S和22R的異構(gòu)體相對分布可指示沉積時氧化還原電位(Eh)指標[14]。17α(H)、21β(H)-五升霍烷主要指示還原到缺氧的沉積環(huán)境，較高的C35升霍烷則可能與沉積環(huán)境中強烈的細菌活動有關(guān)，較高豐度的C31、C34或C35升霍烷指示無有效游離氧的強還原(低Eh)海相沉積環(huán)境[9]。樣品檢測顯示：從17α(H)、21β(H)-30-升霍烷到17α(H)、21β(H)-30-五升霍烷皆有分布。從所有構(gòu)型的17α(H)、21β(H)升霍烷總量所占百分比豐度相對含量變化趨勢來看(圖10)，總體特征為C31>C32>C33>C34>C35。隨成熟度的增加，升霍烷指數(shù)(C35/C31～C35升霍烷)減小，而C31相對含量逐漸增大[16]。升霍烷22R的異構(gòu)體比22S在生物降解中更易遺失，顯然樣品C31～C3522S異構(gòu)體豐度大于22R(見表5)，在源巖中有機質(zhì)熱演化至成熟，22S/(22S+22R)可升至0.5～0.6[17]。由此推測：C35升霍烷受生物降解熱演化的影響而導(dǎo)致含量減少。C31～C35升霍烷的變化還與陸地或者河流有機質(zhì)輸送有關(guān)，而此種輸送可能刺激微生物活動[18]。

圖10 17α(H)，21β(H)-(22S+22R)C31～C35升霍烷所占總量百分比變化趨勢折線圖

化合物名稱 ZX-10ZX-18CM-5CM-617α(H),21β(H)-30-升藿烷(22S)4.80%4.78%4.81%4.92%17α(H),21β(H)-30-升藿烷(22R)3.56%4.00%3.95%4.00%C31(22S+22R)8.36%8.78%8.76%8.92%22S/(22S+22R)0.570.540.540.5517α(H),21β(H)-30,31-二升藿烷(22S)2.75%2.76%2.71%2.88%17α(H),21β(H)-30,31-二升藿烷(22R)2.11%2.08%2.03%2.17%C32(22S+22R)4.86%4.84%4.73%5.05%22S/(22S+22R)0.570.570.570.5717α(H),21β(H)-30,31,32-三升藿烷(22S)1.65%1.63%1.62%1.69%17α(H),21β(H)-30,31,32-三升藿烷(22R)1.37%1.30%1.30%1.34%C33(22S+22R)3.02%2.94%2.92%3.04%22S/(22S+22R)0.550.550.550.5617α(H),21β(H)-30,31,32,33-四升藿烷(22S)1.03%1.00%0.99%1.02%17α(H),21β(H)30,31,32,33-四升藿烷(22R)0.61%0.60%0.59%0.65%C34(22S+22R)1.64%1.59%1.57%1.67%22S/(22S+22R)0.630.620.630.6117α(H),21β(H)-30,31,32,33,34-五升藿烷(22S)0.61%0.59%0.58%0.68%17α(H),21β(H)-30,31,32,33,34-五升藿烷(22R)0.39%0.36%0.36%0.42%C35(22S+22R)1.00%0.95%0.93%1.10%22S/(22S+22R)0.610.620.620.62

表6 C30*/C29Ts

18α(H)-降新霍烷(C29Ts)主要來源于藍藻細菌[16]。17α(H)-重排霍烷(C30*)多發(fā)現(xiàn)于陸相沉積物中，來源于沉積在氧化至亞氧化環(huán)境中的細菌有機質(zhì)，并富含粘土，因此陸相源巖中C3017α(H)-重排霍烷含量較高[19]。某些實驗室便將17α(H)-重排霍烷和18α(H)-降新霍烷的相對含量作為沉積環(huán)境分析的一種參數(shù)。若值相對較高(≥1)，則有機質(zhì)沉積于氧化至亞氧化的沉積環(huán)境之中[9]。由計算數(shù)值(見表6)，C30*/C29Ts比值較低，因此可判斷當時沉積環(huán)境為相對缺氧的還原環(huán)境。

5 結(jié)論與討論

5.1 凝塊石沉積環(huán)境分析及微生物群類型

綜上分析，魯西寒武系張夏組凝塊灰?guī)r沉積環(huán)境為還原、缺氧或無有效游離氧(水體平靜的相對閉塞環(huán)境)且呈堿性的水體。

由前文數(shù)據(jù)計算可知，飽和烴主要呈現(xiàn)為細菌生源的輸入[20]，藿類化合物占總飽和烴提取量的比值達70%以上，結(jié)合當時的沉積環(huán)境，說明在沉積物后期成巖過程中，參與有機質(zhì)改造的微生物中需氧至兼性菌到缺氧菌皆有。在生物界關(guān)于藻類與菌類的界定中，菌為無光合作用異養(yǎng)原核生物，藻多為光合作用自養(yǎng)的真核生物，其中也不乏藍藻等原核生物。而前人研究對微生物巖中參與礦化的藻和菌的界定并不十分清晰。對于研究區(qū)無微生物實體化石的凝塊石來說，無論是鏡下觀察到的深色團塊物質(zhì)，還是從有機質(zhì)中檢測到的17α(H)-重排霍烷(C30*)和18α(H)-降新霍烷(C29Ts)，都表明藍細菌的存在，證明凝塊石在形成過程中微生物貢獻多為原核生物。

5.2 產(chǎn)甲烷古菌與厭氧氧化作用

C19～C36烷烴是有機質(zhì)地質(zhì)聚合物生成乙酸或發(fā)生甲烷生物降解的重要中間產(chǎn)物[21]，角鯊?fù)樽鳛槎喹h(huán)三萜烷的前驅(qū)物，會隨源巖有機質(zhì)輸入或沉積環(huán)境及其早期成巖作用影響而生成不同物質(zhì)，在缺氧環(huán)境下，藿類化合物是由其前驅(qū)物角鯊烯經(jīng)環(huán)化合成[13]，結(jié)合凝塊石中發(fā)現(xiàn)的黃鐵礦分析當時環(huán)境為嚴格的缺氧還原環(huán)境?；纛惢衔镏饕獊碓从趨捬醐h(huán)境，亦有研究將角鯊?fù)樘嶙h為產(chǎn)甲烷古菌標記物[22]，而產(chǎn)甲烷古菌是嚴格的厭氧菌。三環(huán)萜以及發(fā)現(xiàn)的痕量類異戊二烯烴，也從側(cè)面反映了產(chǎn)甲烷古菌的存在。降霍烷αβ/ββ比率的高數(shù)值則反映產(chǎn)甲烷古菌厭氧氧化作用的存在。因此，研究區(qū)凝塊石在成巖過程中，產(chǎn)甲烷古菌參與并發(fā)生了厭氧氧化作用。