廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在甾類化合物的熱演化機(jī)制研究中取得新進(jìn)展
甾類化合物廣泛存在于生命體、沉積物和石油當(dāng)中,由于其具有反映生物來源的復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)以及隨著有機(jī)質(zhì)的埋藏而呈現(xiàn)出規(guī)律演化的特征,它們被廣泛應(yīng)用于油源對(duì)比、成熟度判識(shí)及古環(huán)境評(píng)價(jià)等研究中。研究表明生命體中的甾醇是地質(zhì)體中甾類化合物的主要來源,死亡的生命體進(jìn)入沉積物后,經(jīng)一系列生物地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為甾烯、甾烷和芳香甾類化合物等,進(jìn)而出現(xiàn)在沉積巖和原油當(dāng)中。甾類化合物在地質(zhì)體中的演化路徑已通過自然演化序列樣品分析摸清并被大量模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí),但是已有的模擬實(shí)驗(yàn)多數(shù)關(guān)注單芳甾烷生成之前的早期演化階段,很少有研究關(guān)注芳構(gòu)化及熱裂解作用等高演化階段甾類化合物的演化路徑。此外,單質(zhì)硫及含硫化合物對(duì)有機(jī)質(zhì)的熱演化過程存在著重要的影響,然而我們對(duì)于其如何影響甾類化合物熱演化過程的認(rèn)識(shí)仍然不足。
針對(duì)上述科學(xué)問題,中國科學(xué)院廣州地化所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心方新焰博士后在吳亮亮副研究員的指導(dǎo)下通過膽甾醇的黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合EasyRo模型研究了膽甾醇的熱演化過程,并通過對(duì)比膽甾醇系列與膽甾醇+硫系列的熱演化產(chǎn)物,明確了硫?qū)︾揞惢衔镅莼^程的影響。

圖1 膽甾醇在地質(zhì)體及熱模擬實(shí)驗(yàn)條件下的演化過程
研究表明:1).純膽甾醇熱演化過程中,甾烯、甾烷、單芳甾烷和三芳甾烷首次出現(xiàn)的成熟度為EasyRo ~0.42%、0.73%、0.73%和1.36%。當(dāng)EasyRo > 1.69%時(shí),反應(yīng)物基本都轉(zhuǎn)變成了小分子芳香基團(tuán)(如菲、芘等);2).元素硫的存在可以顯著提高甾類化合物的熱演化進(jìn)程,使得三芳甾烷在EasyRo = 0.42%之前就已經(jīng)存在,且小分子基團(tuán)(如甲基菲和二甲基菲等)在EasyRo = 0.86%時(shí)就已生成;3).本研究還指出元素硫可促進(jìn)甾醇向三芳甾烷的轉(zhuǎn)化,使得甾烷到芳香甾類完整的化合物系列可共存于低熟的地質(zhì)樣品中;4).純膽甾醇的芳構(gòu)化通常沿著A→AB→ABC的路徑發(fā)展,但當(dāng)硫存在時(shí)甾類化合物的芳構(gòu)化路徑還存在C→CB→CBA的模式,即元素硫可以誘導(dǎo)地質(zhì)體中C環(huán)單芳甾烷的形成,同時(shí)改變地質(zhì)體中各種類型甾類化合物的分布特征。此外,研究結(jié)果還表明硫的存在可以顯著促進(jìn)甾類化合物的異構(gòu)化和芳構(gòu)化反應(yīng),使得含硫系列的甾烷異構(gòu)化平衡值較純膽甾醇系列高出0.1-0.2,最終導(dǎo)致甾烷異構(gòu)化參數(shù)以及通過芳香甾類化合物建立起來的成熟度評(píng)價(jià)參數(shù)在有無硫存在的條件下具有顯著的差異。因此,在使用這些參數(shù)評(píng)價(jià)地質(zhì)樣品成熟度時(shí),需考慮巖相(是否存在含硫化合物)及結(jié)合多種指標(biāo)綜合分析。
本研究成果完善了已有關(guān)于地質(zhì)體中甾類化合物熱演化規(guī)律的認(rèn)識(shí),有助于更加準(zhǔn)確地評(píng)估從甾類化合物中獲取的如母源、成熟度等信息,從而有效地指導(dǎo)油氣勘探和環(huán)境評(píng)價(jià)等工作。
圖2 甾烷異構(gòu)化參數(shù)及各甾烷異構(gòu)體絕對(duì)量在模擬實(shí)驗(yàn)中的演化特征
該研究成果近期發(fā)表于國際期刊《Organic Geochemistry》上,得到了國家自然科學(xué)基金(41673044)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)(XDA14010103)和有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLOG2020-1)等項(xiàng)目的資助。
論文信息:Xinyan Fang, Liangliang Wu*, Daisha Lin, Yanyan Zhang, Shufen Liu. Thermal evolution of steroids during anhydrous pyrolysis of cholesterol with and without elemental sulfur. Organic Geochemistry, 157 (2021), 104250. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2021.104250
(有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿)

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