㈠ 生物標志化合物的主要類型
圖4-4 地球化學化石的實例
（一）正構烷烴
正構烷烴又稱飽和直鏈烷烴，它屬於甲烷系的碳氫化合物，通式為Cn H2n+2。在自然界中，正構烷烴廣泛分布於活的生物體、沉積物、沉積岩中，是石油的主要成分之一，在煤中也有分布。生物體中以偶數碳原子為主的脂肪酸、蠟和以奇數碳為主的正烷烴是沉積有機質的主要來源。正烷烴可分為如下幾種類型：
（1）高分子量（nC25～nC33）奇數碳的正構烷烴。此類烴經常出現在富含陸源碎屑沉積物、低成熟度的石油和泥炭中。在近代沉積物和未成熟的沉積岩中，奇數碳原子高於偶數碳原子，具明顯的奇數碳優勢，以C27、C29、C31為主。通常認為這些烴來自高等植物的蠟。在古老的沉積岩中，隨著埋藏深度的增加，成熟度較高，一般不具有奇數碳優勢，或只有微弱的優勢。目前，普遍採用碳優勢指數（CPI）和奇偶優勢（OEP）表示奇數碳分子與偶數碳分子含量的相對多少。CPI（Bray和Evan，1961）和OEP（Scalan和Smith，1970）的計算公式分別為：
地球化學原理（第三版）
一般i選在C24～C34間，取此間的五個峰為宜。Ci表示碳數為i的正構烷烴的重量百分數。在實際應用中可用色譜的面積或峰高來代表。
（2）中等分子量（nC15～nC21）奇數碳的正構烷烴。具中等分子量（nC15～nC21）的正構烷烴主要分布在海相沉積物和深湖相沉積物中，海相的浮游生物和藻類是這類正構烷烴的主要來源。研究表明，在低成熟度的生油岩中，正構烷烴的分布特徵可明顯反映出其母質的構成。湖相或海相有機質的正構烷烴的氣相色譜圖呈中等碳數的單峰型，主峰一般在nC15、nC17上；陸生有機質的正構烷烴呈高碳數的單峰型，主峰一般在nC25、nC27和nC29上；而來自混合型的有機母質的正構烷烴呈雙峰型。
（3）具有奇偶優勢的正構烷烴。主要見於碳酸鹽和蒸發岩的有機質中，其碳數分布在C25～C30間，且顯示C26、C28大於C27、C29的特徵。在原油中偶爾也見到偶數碳占優勢的正構烷烴。大量研究表明，在具有偶數碳優勢正構烷烴的碳酸鹽和蒸發岩中，常常也伴隨著較高的植烷與姥鮫烷比。Welte和Waples（1975）認為，在高度還原的環境中，蠟水解形成的正脂肪酸、醇以及植烷酸和植醇的還原作用往往強於這些有機物質的脫羧基作用，造成了偶數碳正構烷烴占優勢以及植烷與姥鮫烷比高。但在還原條件較差的環境中，則形成了奇數碳正構烷烴占優勢以及植烷與姥鮫烷比低的特點。
（4）無奇偶優勢的長鏈正構烷烴。這類烴主要分布在古生代到第三紀的沉積物中，它們來自細菌和其它微生物的蠟，也可來自被細菌改造過的高等植物的蠟。這類正構烷烴是許多高蠟原油的重要成分。其碳數在C40～C50間，但奇偶優勢不明顯。另外，在成熟度較高的原油中，不論其原始物質來源如何，由於經受了充分的熱裂解作用，正構烷烴也顯示不出奇偶優勢。
（二）無環的類異戊二烯烷烴
類異戊二烯烷烴是一類具有規則甲基支鏈的飽和烴，屬無環的萜類。在它們的分子中，每隔三個碳鏈（-CH2-）具有一個甲基支鏈，形成一系列化合物。常見的類異戊二烯烷烴見圖4-5所示，這類類異戊二烯烷烴來自陸生高等植物的葉綠素和古細菌。類異戊二烯烷烴的形成途徑為（圖4-6）：在成岩過程中，植物的葉綠素經微生物的降解作用形成植醇。在強還原環境下，植醇脫水、加氫形成植烷（Ph）；而在弱還原條件下，植醇氧化、脫羧生成姥鮫烷（Pr）。因此，可用姥植比（Pr/Ph）來指示環境。Pr/Ph＜1時，屬還原環境；Pr/Ph＞1時，屬氧化環境。Powell提出海相原油的Pr/Ph＜3，陸相原油的Pr/Ph＞4，而近海相原油的Pr/Ph則介於二者之間。類異戊二烯烷烴（碳數≤20）的熱穩定性和抵抗微生物侵蝕的能力要大於正構烷烴，但在熱解的情況下高碳數類異戊二烯烷烴能裂解成低碳數的類異戊二烯烷烴。
圖4-5 沉積岩和石油中常見的類異戊二烯烷烴
圖4-6 植醇演化形成植烷、姥鮫烷的途徑
（三）萜類化合物
萜類化合物是指環狀的類異戊二烯型化合物，可以看作是由含五個碳原子的異戊二烯（通式為C5H8）以首尾相連而成。每十個碳鏈即兩個異戊二烯單元構成一萜，可分成單萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、三萜（C30）和四萜（C40）。五萜以上屬異戊二烯的高分子聚合物（如橡膠），不列入萜類。萜類的分布廣泛，動植物色素、植物的揮發油都屬於萜類。萜類的熱穩定性和抵抗微生物降解的能力大於正構烷烴，所以能穩定地存在於地質體中，成為重要的生物標志化合物。地質體中的萜類主要是三環雙萜類和五環三萜類。三環雙萜類廣泛分布於沉積物和原油中，其主要來源為高等植物；五環三萜類在生物體中以酸、烯、醇的形式存在，在陸生高等植物、海相和河湖相沉積物、煤和原油中都能鑒定出五環三萜類。五環三萜類中應用較廣的是藿烷系列化合物。藿烷的分子式為C30H52，其結構特點是在4、8、10、14、18碳位上均有甲基取代基，在21碳位上有異丙基取代基（圖4-7）。藿烷系列化合物的結構復雜，以30個碳原子的藿烷為基礎，當某碳位上失去一個CH2時，則稱為降藿烷；當某碳位上增加一個CH2時，則稱為升藿烷。
圖4-7 藿烷的結構及碳位序號
（四）甾類化合物
甾類化合物是具有四個環（三個六元環和一個五元環）的化合物（圖4-8），可以看作由部分氫化或完全氫化的菲與一個環戊烷稠合而成。甾類化合物（除甾烷以外）廣泛存在於活的生物體中，以酸、醇、酮的形式出現。
圖4-8 甾烷的結構和碳位序號
在海相和湖相沉積物、低成熟沉積岩和原油中都見有甾烷，它們可能由甾醇、甾烯等演化而來。甾類化合物的碳數范圍在C27～C30。在沉積物中，C27、C28的甾類化合物來自水生浮游動植物，C29的甾類化合物來自陸生植物或褐藻和浮游植物，而低碳數（C21～C24）的甾類來源於動物體中性激素、皮質等。因此，可用C27/C29或C27/（C28+C29）來判別有機質的類型。生物體和低成熟沉積物中的甾類屬穩定性低的構型，隨著埋藏深度增加和成熟度增高，通過異構化、芳構化和側鏈斷裂等方式向熱穩定性更高的構型轉化。如正長甾烷向重排甾烷轉化、甾醇向芳環甾烷的轉化都表明了有機質的成熟度在不斷增加。
（五）卟啉化合物
卟啉是化學性質穩定且分布廣泛的一類生物標志化合物，在原油、煤、瀝青以及沉積岩中均可出現，但其含量較低。卟啉的基本結構是由甲川橋連接的四個吡咯環組成的，最基本的化合物是卟吩（游離卟啉），其結構如圖4-9所示。沉積物中的卟啉化合物主要來自葉綠素。由葉綠素向卟啉演化過程的中間產物是綠素（二氫卟啉），綠素是一類帶有四個吡咯環的有機色素（圖4-10），其穩定性較差。卟啉的性質和結構與沉積環境和有機質的演化有關，因此可用卟啉來確定生油岩、研究沉積環境、劃分沉積有機質的成熟度、進行油源對比等。
圖4-9 卟吩的結構圖
圖4-10 綠素的結構圖
（六）芳烴化合物
芳烴是天然有機質的重要組成部分，是烴類化合物中僅次於甲烷系化合物的第二大類別，廣泛分布於水、土壤、原油、煤和沉積岩中。地質體中的烴類來源於生物體（如細菌、淡水藻、樹膠、高等植物等）和非生物體（有機化合物在地質條件下的裂解、異構化和氫化的產物）。在芳烴化合物中，苝是一種分布較為普遍的具五個苯環的多環芳烴化合物。在海相沉積物中都有苝存在。苝不是直接來源於現代生物，而是在成岩過程中、在還原環境下由色素轉化而來的。由於色素比苝易氧化，因此由色素轉化成苝的環境應是快速堆積的還原環境。所以苝是一種有機質來源和沉積環境的地球化學指標。