生物標(biāo)志物：揭開石油的身世之謎

生物標(biāo)志物是指存在于石油、天然氣及烴源巖中的與生物來源相關(guān)的化合物。這些生物標(biāo)志物可以是有機化合物，如藻類生物標(biāo)志物、植物生物標(biāo)志物和動物生物標(biāo)志物等，也可以是化石或化石殘留物，如有機質(zhì)、腐殖質(zhì)和蠟等。原油中的生物標(biāo)志物對于石油勘探、油藏評價、原油來源、成熟度、沉積環(huán)境等方面具有重要的意義。首先，生物標(biāo)志物可以用于確定原油的來源。不同類型的生物體中存在的生物標(biāo)志物種類和含量不同。

例如，藻類生物標(biāo)志物通常存在于海洋生物中，而植物生物標(biāo)志物則通常存在于陸地植物中。通過分析原油中生物標(biāo)志物的種類和含量，可以確定原油的來源。其次，生物標(biāo)志物可以用于確定原油的成熟度。隨著原油的成熟度增加，生物標(biāo)志物的含量和種類也會發(fā)生變化。因此，可以通過分析原油中生物標(biāo)志物的含量和類型來確定原油的成熟度。這對于評估油田儲量和開采方式等方面具有重要意義。

圖1.原油中常見的生物標(biāo)志物C27-C30甾烷，，其碳數(shù)從27到29，對應(yīng)于C27到C29的甾醇。陸生植物主要含C29，其次是C29甾醇，動物則主要含C27膽甾醇。水生浮游動植物（主要是藻類）以C27為主，其次是C29甾醇。所以，在有機地球化學(xué)研究中，常用C27/C29和C27/C28+C29來表征有機質(zhì)的類型。一般來說，該比值高，說明水生的、浮游動植物的貢獻大；比值小則表明陸源高等植物的有機質(zhì)較多。

除此之外，生物標(biāo)志物還可以用于石油地質(zhì)學(xué)研究。生物標(biāo)志物可以用于確定原油沉積環(huán)境和沉積期間的氣候條件等地質(zhì)信息。例如，植物生物標(biāo)志物可以用于確定原油成熟的地質(zhì)時期和環(huán)境，如溫度、濕度、降水等。這對于研究地質(zhì)歷史和生態(tài)環(huán)境等方面具有重要意義。最后，生物標(biāo)志物還可以用于指示潛在石油和天然氣的存在。在探測新油田時，可以通過尋找含有特定類型生物標(biāo)志物的沉積巖層來尋找油藏。這可以有效地提高石油勘探的效率和準(zhǔn)確性。
總的來說，生物標(biāo)志物是研究石油和天然氣的重要指標(biāo)之一。通過對原油中的生物標(biāo)志物進行分析，可以得到有關(guān)原油來源、成熟度、沉積環(huán)境等方面的信息，對于石油勘探和開發(fā)具有重要意義。

圖1. 生物標(biāo)志物參數(shù)圖顯示了四個油組之間的地球化學(xué)差異

(a)原油的成熟度相關(guān)參數(shù)(Ts/Tm vs. diaC 30 H/C 30 H)的散點圖，(b)原油的來源相關(guān)參數(shù)(C 23 -C 21 TT vs. C 21 -C 20 TT)顯示C 20 , C 21 , C 23 -三環(huán)萜類的分布，(c)原油的參數(shù)(Pr/Ph vs. Ph/nC 18 ) 的散點圖。（Wang et al. 2020）

原油中常見的生物標(biāo)志物

主要包括烷基化合物、環(huán)烷化合物、萜烯化合物和芳香族化合物等。它們是地球化學(xué)家用來追溯原油形成時所用的生物原料的指示物。原油中的生物標(biāo)志物是研究油氣地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)的重要工具，可以提供關(guān)于油藏成熟度、生物來源和古環(huán)境等方面的信息。

1.烷基化合物：烷烴是原油中最主要的組成部分之一。生物標(biāo)志物中，烷烴化合物主要包括類脂、角鯊?fù)楹拖炌榈?。這些烷基化合物的碳同位素組成可以被用來確定生物源，因為生物源烷烴通常具有輕一些的碳同位素組成。烷基化合物在油氣勘探和地質(zhì)研究中非常重要，可以提供關(guān)于生物原料來源、古氣候和古環(huán)境的信息。

2.環(huán)烷化合物：環(huán)烷化合物也是一種重要的生物標(biāo)志物。它們通常來自于海洋生物，如海藻和海綿。環(huán)烷化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不太容易受到熱和壓力的影響，因此它們在地質(zhì)歷史上的存在可以追溯到古代。環(huán)烷化合物在研究古生態(tài)系統(tǒng)、生物進化和海洋環(huán)境演變等方面具有重要意義。

3.萜烯化合物：萜烯化合物主要來自于植物和微生物，如樹脂和葉綠素等。它們的存在可以提供有關(guān)生物來源和古氣候的信息。萜烯化合物在石油地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)中也具有廣泛的應(yīng)用，例如它們可以用來確定油藏成熟度和類型。

**4. 芳香族化合物：**芳香族化合物是原油中的另一個主要成分。它們通常來自于高等植物和微生物的生物原料，如木質(zhì)素、角質(zhì)素和嗜酸菌等。芳香族化合物的存在可以提供關(guān)于原油成熟度和生物來源的信息，因為隨著油藏的成熟度增加，芳香族化合物的含量會增加。

原油生物標(biāo)志物分析方法：
原油生物標(biāo)志物的分析是確定原油來源、成熟度和沉積環(huán)境等方面的重要手段。這些生物標(biāo)志物可以是有機化合物，也可以是化石或化石殘留物。以下是幾種常見的分析方法：

1.氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）

GC-MS是分析原油生物標(biāo)志物的主要方法之一。這種技術(shù)可以將原油樣品中的有機物分離出來，并通過質(zhì)譜儀鑒定這些有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。通過比對標(biāo)準(zhǔn)庫，可以確定樣品中的生物標(biāo)志物種類和含量。

2.熱解-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Pyrolysis-GC-MS）

Pyrolysis-GC-MS是將樣品在高溫下進行熱解，將有機物分解成較小的化合物，然后用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進行分析。這種方法可以將生物標(biāo)志物與其他有機物分離開來，從而更準(zhǔn)確地測定生物標(biāo)志物的含量和種類。

圖3. 熱解-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（圖片來源：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心網(wǎng)站）

熱解-氣相色譜質(zhì)譜工作原理： 熱裂解氣相色譜-有機質(zhì)譜（Pyrolysis Gas Chromatography-Mass Spectrometry，簡稱Py-GC/MS）是一種常用的分析技術(shù)，主要用于研究有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成。其工作原理可以簡單描述如下：樣品熱裂解：將樣品加熱至高溫，使其發(fā)生熱裂解，產(chǎn)生大量的氣態(tài)分子。氣相色譜分離：將熱裂解產(chǎn)生的氣態(tài)分子送入氣相色譜柱中，進行分離。這里使用的氣相色譜柱通常是具有高分辨率和選擇性的毛細管柱，能夠有效地將不同種類的分子分離開來。質(zhì)譜檢測：分離后的分子進一步被送入質(zhì)譜檢測器中，通過質(zhì)譜檢測器對分子進行定性和定量分析。在質(zhì)譜檢測器中，分子會被電離，并轉(zhuǎn)化為離子，離子會根據(jù)它們的質(zhì)荷比例（m/z）被分離和檢測。這里使用的質(zhì)譜檢測器通常是飛行時間質(zhì)譜儀（Time-of-Flight Mass Spectrometer，TOF-MS）或四極桿質(zhì)譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer，Q-MS），它們能夠快速地獲取高分辨率的質(zhì)譜圖譜。通過上述步驟，可以得到熱裂解產(chǎn)物的氣相色譜-質(zhì)譜圖譜，其中包含了有機物的分子信息，例如它們的分子量、結(jié)構(gòu)、碳氫化合物比例等信息。通過對這些信息進行分析，可以了解樣品的成分和化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而更好地理解樣品的性質(zhì)和用途。
3. 元素分析

生物標(biāo)志物中含有特定的元素，如硫、氧、氮等。通過測定原油中這些元素的含量和比例，可以對生物標(biāo)志物進行初步鑒定。例如，硫含量較高的生物標(biāo)志物通常與海洋有機質(zhì)有關(guān)，而氮含量較高的生物標(biāo)志物則通常與陸地植物有關(guān)?？傊蜕飿?biāo)志物的分析需要使用多種方法進行綜合分析。這些方法可以確定生物標(biāo)志物的含量和種類，從而提供關(guān)于原油來源、成熟度和沉積環(huán)境等方面的重要信息。

原油中生物標(biāo)志物的地球化學(xué)未來發(fā)展
研究方法的改進：隨著科技的不斷進步，研究方法將變得更加精確和高效。例如，新的同位素分析技術(shù)和質(zhì)譜儀器將有助于更準(zhǔn)確地確定生物標(biāo)志物的來源和性質(zhì)。多種生物標(biāo)志物的綜合應(yīng)用：現(xiàn)有的生物標(biāo)志物研究主要關(guān)注烷烴、環(huán)烷和芳香族化合物等少數(shù)化合物。未來，研究人員將探索更多種類的生物標(biāo)志物，以便更全面地了解原油的成因和歷史。應(yīng)用領(lǐng)域的拓展：生物標(biāo)志物已被廣泛應(yīng)用于油氣勘探和石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域。未來，這些技術(shù)可能會被應(yīng)用于環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)研究中，例如用于識別海洋石油泄漏的來源和溯源。組合技術(shù)的發(fā)展：未來，生物標(biāo)志物的研究可能會與其他技術(shù)相結(jié)合，例如生物地球化學(xué)、有機地球化學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)等，以便更好地理解地球的生命起源和演化。總之，原油中的生物標(biāo)志物地球化學(xué)研究將會持續(xù)發(fā)展，并且在未來的油氣勘探、環(huán)境保護和生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

（作者簡介：李中平，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心研究員，感興趣的領(lǐng)域為油氣地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、分析地球化學(xué)等；聯(lián)系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn）

參考資料：
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4.Murray, Andrew P., Roger E. Summons, Christopher J. Boreham, and Lesley M. Dowling. "Biomarker and n-alkane isotope profiles for Tertiary oils: relationship to source rock depositional setting." Organic Geochemistry 22, no. 3-5 (1994): 521-IN6.