分子地层学的原理、方法及应用实例.pdf

2 0 0 7 年7 月地层学杂志J O U R N A LO FS T R A T I G R A P H Y第3 1 卷第3 期分子地层学的原理、方法及应用实例谢树成”2 赖旭龙D黄成雨D 2 马相如D杨淑娟D1)中国地质大学生物地质与环境地质教育部重点实验室湖北武汉4 3 0 0 7 4，2)中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室湖北武汉4 3 0 0 7 4摘要：当前分子地层学研究已涉及蛋白质、核酸、碳水化合物、类脂物和木质素等多种生物化学组分在地层中，分子化石具有分布的广泛性、定量的准确性、应用的指纹性和信息的多样性等特点，其地层学应用的主要原理是依据分子化石的生物源信息和其离开生物体后发生的一系列转化途径来实现的，其表述方法可以是含量、相对丰度，碳数分布和单体同位素特征等在各类年代学框架下。由这些分子化石参数所揭示的各类生物事件和环境事件可以成为区域性乃至全球性地层对比的主要依据。分子地层学与分子古生物学、生物地球化学、有机地球化学密切相关，它与传统三大地层学分支学科明显不同，目前还没有明确的分子地层单位，也没有进行广泛的分子地层划分与对比工作。对各类生物事件与环境事件有重要指示作用的分子地层学，与生态地层学、事件地层学等地层学分支学科类似，其主要任务是在传统生物地层学或其他年代学框架下，提高地层划分和对比的精度。以浙江长兴煤山二叠纪一三叠纪界线地层和第四纪泥炭为例，以高分辨率的生物事件与环境事件为切入点，分别探讨在生物地层学或其他年代学框架下的分子地层工作，由此提出了分子地层学的分类单位分子化石带。关键词：生物标志化合物，分子化石，分子地层学，同位素地层学，全球变化中图法分类号：P5 3 9文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 4 9 5 9(2 0 0 7)0 3 0 2 0 9 1 3B r a s s e l l 等人(B r a s s e l le ta 1，1 9 8 6)较早使用分子地层学(m o l e c u l a rs t r a t i g r a p h y)这个术语，指根据沉积物中的类脂物分子可以研究一段沉积地层对应的时间内气候环境的变化。之后，分子地层学便经常出现在一些地球化学类论文中(S i k e s&V o l k m a n，1 9 9 3；F a r r i m o n d&F l a n a g a n，1 9 9 6，E g a n h o u s e&P o n t o l i l l o，2 0 0 0；X i eS h u-c h e n g甜口，2 0 0 4；K v e n v o l d e n，2 0 0 6)。但到目前为止，分子地层学还没有一个比较明确的定义。根据地层学的定义以及当前分子地层学所研究的内容，我们认为，分子地层学应是地层学的一个分支，它以分子化石的分析为基础，研究地层中各类分子化石的时空分布和演变规律，以此来恢复古环境、古气候、古生态，并进行地层的划分和对比，为全球变化的探讨、沉积盆地的分析和矿产资源的预测服务。下面主要从分子地层学的研究对象、原理方法及其与地层学其他分支学科的关系作一简单介绍，并举例说明其应用。一、分子地层学的研究对象分子化石1 分子化石种类作为分子地层学研究对象的分子化石(或称为化学化石c h e m i c a lf o s s i l s)，是指地质体中那些来自生物有机体的分子，它们在有机质演化过程中具有一定的稳定性，虽受成岩、成土等地质作用的影响，没有或较少发生变化，基本保存了原始生物生化组分的碳骨架，记载了原始生物母质的相关信息，因而具有一定的生物学意义(殷鸿福等，2 0 0 4)。分子化石的工作最早要追溯到T r e i b s(1 9 3 4)在沉积岩中发现来自植物叶绿素的地质卟啉。1 9 6 7 年，英国科学家E g l i n t o n 和C l a v i n 提出了“化学化石”的概念。在沉积岩(物)中广泛分布的生物标志化合物(b i o-m a r k e r)便是一类重要的分子化石。目前，分子化石的研究已涵盖几乎所有的生物化学组分，特别是蛋白质(S t a n k i e w i c ze ta 1，1 9 9 8；C o l l i n se t a l，1 9 9 9)、核酸(P a a b oe ta 1，2 0 0 4)、碳水化合物(S t a n k i e w i c ze t a l，1 9 9 7；F l a n n e r ye ta 1，2 0 0 1)、类脂物(B r o c k se ta 1，1 9 9 9；S a c h s&L e h m a n，1 9 9 9)和木质素(B i a n c h i以a 1。1 9 9 7；H uF e t a l，1 9 9 9)。在这些分子化石中，研究最广泛的是类脂物、蛋白质和核酸。相比较而言，类脂物虽然携带的生物学信息较少，但在地质体中要稳定得多，可以在许多环境中长期存在下来，能够较好地记录地层形成时的气候环境条件，是国家杰出青年科学基金(N o 4 0 5 2 5 0 0 8)、国家自然科学基金重点项目(N o 4 0 2 3 2 0 2 5)和国家创新研究群体(4 0 6 2 1 0 0 2)资助。文稿接受日期1 2 0 0 7-0 1-1 8；修改稿收到日期：2 0 0 7-0 3 1 9 第一作者简介：1 9 6 7 年1 0 月生，男，汉族，浙江龙游人，教授，主要从事地质类脂物分子研究E-m a i l：x i e c u g 1 6 3 C O l l l 万方数据2 1 0地层学杂志3 1 卷分子地层学研究的主要分子化石。与之相比，蛋白质和核酸的稳定性要差得多，但其生物学信息相当丰富。从考古材料、生物化石标本和沉积物中获取的古代生物D N A 分子(古D N A 或a D N A)，是在古代标本中所能获取的唯一直接载有生物遗传信息的古代生物分子。目前，古D N A 研究已成为探索历史时期生物系统的分类、演化和谱系发生的重要学科前沿，因而是分子古生物学的主要分子化石。有关对这些分子化石(特别是类脂物)的进一步细分及其分析技术方法，请参阅殷鸿福等(2 0 0 4)和杨洪等(1 9 9 8)。值得注意的是，广义的分子化石与传统意义上的实体化石有一定差异，后者要经历成岩过程中的石化作用这样一个过程，因而，大多化石集中在岩石中。然而，当前许多分子化石的研究集中在第四纪沉积物中，特别是古D N A 的研究更是集中在近1 0万年以来的地质体中。两类化石的这种差异可能与不同学科对成岩作用的不同划分有关。分子有机地球化学上的成岩作用(d i a g e n e s i s)与沉积学中的成岩作用明显不同。沉积学中物质的运动是按风化剥蚀、搬运、沉积、成岩和变质来划分阶段的。虽然分子有机地球化学过程也可以按这样的阶段来划分，但实际可操作性不强。事实上，有机分子从离开生物体后进入地质体并最终保存下来的演变过程，是按成岩作用(d i a g e n e s i s)、深成作用(c a t a g e n e s i s)和变质作用(m e t a g e n e s i s)过程来划分的。生物有机分子从离开生物体，到深成作用之前所发生变化的过程都属于成岩作用，它实际包含了沉积学中的风化剥蚀、搬运、沉积和部分成岩作用。如果从分子有机地球化学的成岩作用含义上来看，分子化石的研究集中在年轻的沉积物中也不足为奇了。如果把分子化石与实体化石一样看待，狭义地定义在沉积岩石中，那分子化石与生物标志化合物有较大差异。如果这样，沉积物中新形成的生物标志化合物就不是分子化石，分子地层学的研究对象也就复杂化了，不能仅用分子化石就能概括，分子地层单位也难以有统一的术语。再者，现代沉积物中的有些有机污染物实际上也是来自老地层的分子化石。另外，它也把最具有生物学意义的古D N A 排除在外。因此，我们建议还是按照国际上现有的一些用法，分子化石也包括沉积物中经过成岩作用形成的一些有机分子。实际上，f o s s i l 这个词也具有“古”的意思，不仅仅局限在沉积学的成岩作用过程。2 分子化石的特性分子化石是生物有机体遗留下来的痕迹。一般认为，不同生物分子的稳定性依次为(从稳定到不稳定)：类脂物 木质素 蛋白质 核酸，而各类分子化石所含生物学信息刚好与该序列相反(赖旭龙、杨洪，2 0 0 3)，因此，除了古D N A 以外，大部分分子化石难以像生物实体化石(大化石和微体化石)一样可以与特定的生物种、亚种联系起来。尽管如此，分子化石还是有其独特的性质，在地层学研究中具有分布的广泛性、定量的准确性、应用的指纹性和信息的多样性等优势(殷鸿福等，2 0 0 4)。首先，分子化石比生物实体化石容易保存，特别是其中的类脂物分子化石，由于其化学稳定性好，几乎在所有的沉积岩中都可以见到，甚至在许多变质岩中还可以存在。这样，在那些缺乏其他生物化石的“哑”地层，或者在那些有生物化石但没有统计意义的地方，分子化石还能够存在，可以开展分子地层工作。其次，分子化石的定量比较准确，许多有实际地质意义的指标可以借助现代化技术进行定量，计算出诸如C 3 和C 4 植物的丰度比值(H u a n gY o n g-s o n ge t a l，2 0 0 1)、木本和草本植物的丰度比值(C r a n w e l le ta 1，1 9 8 7)、低等菌藻生物和高等植物的丰度比值(X i eS h u c h e n ge t a l，2 0 0 3)等。同时，分子化石往往是一系列的同系物，各种指标可以互相验证、互相补充。虽然，孢粉分析也可以统计出木本植物和草本植物的相对变化，但它实际上是一种统计意义上的数值；而且，孢粉往往是有许多异地分子的混入(分子化石有时还可以把异地源和原地源区分开来)。低等菌藻生物和高等植物的丰度比值在恢复古气候、与全球变化等有关方面有重要意义，但在一般沉积岩中，要利用其他生物化石计算出该比值相当困难，甚至是不可能的，然而分子化石能够做到这一点。再者，生物实体化石属种的确定主要是基于形态学研究，是形态种。分子化石主要基于其化学成分和基因，是化学种(或分子种)。这两种类型的种不完全相同。现代生物学中就有很多形态种不变而化学成分发生变化的例子。在当生物生活环境条件发生长期微小的变动时，与环境有关的某些类脂物将会随之发生变化，但不会引起植物群落或生态系统的取代。只有当环境压力超过了生态系统的缓冲能力时，才会出现植被的变更。某些分子种在反映环境条件变化上可能比形态种更加灵敏(谢树成、E v e r s h e d，2 0 0 1)。分子化石在记录全球变化(环境、气候、植被)方面可能会有更好的指纹性效果。分子化石作为一种指纹性指标，在油气地球化学的油一源、油一油对比研究中得到了最充分的体现。万方数据3 期谢树成等：分子地层学的原理、方法及应用实例2 1 l当前工作强调单个分子化石(尤其是类脂物分子)的界面过程，特别是其同位素地球化学特征。分子界面过程能有效地研究开放系统间的物质、能量与信息的交换，它实际上是系统间接口的研究，能为地史时期的层圈关系研究提供很好的依据。最后，分子化石具有多个系列的同系物，一些分子化石对环境的微小变化反映灵敏，另外一些则可能主要受控于植被状况(其本身也间接地与比较大的环境条件变化有关)。因此，一方面，那些与环境有关的类脂物分子化石将直接记录环境条件的微小变化；另一方面，某些分子化石和其他生物化石一样，又记录了植被景观(以及相应比较大的环境条件的变化)。因此，分子化石可以记录多方面的信息。二、分子地层学的原理与方法I 原理分子地层学主要是利用地质体中的各类分子化石来划分、对比地层。分子化石在地球科学乃至环境科学中有着广泛的应用，但不管是哪类分子化石(古D N A、古蛋白、地质类脂物等)，其地层学应用的主要原理实际上是依据分子化石的生物源信息和其离开生物体后发生的一系列转化途径来实现的。在各类年代学框架下，由以上两方面的信息所揭示的各类生物事件和环境事件则成了区域性乃至全球性地层对比的主要依据。1 1 生物源信息地层中的分子化石来源于生物体本身，而不同生物体往往有不同的生物化学组成。例如高等植物往往具有高碳数的类脂物分子，而菌藻低等生物往往具有低碳数的类脂物分子，因此，类脂物分子化石可以反映出沉积地层形成时的生物面貌，特别是植被类型。一些重要生物的特征性类脂物总结如图1 所示。类脂物分子化石生物源的信息，除了为分子地层工作提供生物群面貌信息外，还可以提供气候环境条件信息，这有两方面的依据。一是不同的沉积环境条件具有不同的生物类型、生物组合或生物群落，其分子化石就自然不同。例如，陆相沉积具有很高比例的来源于高等植物的分子化石，如高碳数正构烷烃；而海相沉积则有许多菌藻生物的分子化石，如低碳数正构烷烃。二是在某些情况下，微小的气候环境变化可能不会引起生物种属的变化，但却可以引起生物生化组分的变化，从而使分子化石能够指示这种气候环境的变化。例如，在海洋中，颗石藻同一种属中的长链烯酮化合物丰度在不同温度条件下会发生变化，成为一种很好的地质温度计(V o l k m a ne ta 1，1 9 8 0lP r a h l8 LW a k e h a m，1 9 8 7；S i k e sV o l k m a n，1 9 9 3；S a c h se ta 1，2 0 0 1)。古代材料的D N A 具有更加详细的生物源信息，可以与特定的生物属种联系起来。因此，在反映地层的生物面貌方面更好，它也能提供气候环境信息。如：W i l l e r s l e v 等(W i l l e r s l e ve ta 1，2 0 0 3)报道了从西伯利亚1 0-4 0 0 k a 前冻土沉积物中提取到了古代植物和动物的遗传记录，西伯利亚永久冻土中大量不同的紫菀科、禾木科等草本植物以及野牛、马、麝牛和猛犸象等大型动物的D N A 片段的发现说明了晚更新世到全新世之间草本植物和猛犸象等大型食草动物在西伯利亚繁盛，而且也显示了在整个更新世期间，草本植物下降，灌木上升的趋势，在全新世期间这种趋势更加明显。而且在末次冰期高峰以后，禾本植物明显下降，莎草科植物上升，这可能是导致晚更新世大的动物区系灭绝的一个因素。古代材料的D N A 研究与现代材料一样一般需经过取样、D N A 提取、扩增和测序及序列分析等步骤，且两者所用的仪器设备完全一样，关键的仪器包括P C R 热循环仪、电泳仪、离心机、凝胶图像分析系统、紫外一可见光分光光度计和测序仪。但是，由于D N A 在分子生物体死亡后缺乏修复机制，在地质体中受水解作用、氧化作用等降解因子的影响，古D N A 总是以高度片段化的小分子量并且非常微量的形式存在于古代样品中，因此，对于这种小分子量古D N A 的研究，需要利用超灵敏的P C R 技术进行扩增。P C R(p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n，聚合酶链式反应)技术是一种可以使特定的生物D N A 序列的某一小区域在短时间内能复制巨大数量的一种链式反应。其主要原理是针对要研究的特定D N A 序列(如某一段基因)设计一对很短的合成单链D N A 片段(p r i m e r，引物)，一般长约2 0 一3 0 个碱基对(b p)。在P C R 过程中，在聚合酶的作用下，引物与分解成单链的D N A 模板(t e m p l a t e)合成，从而使D N A 分子随着循环次数的增加而成几何级数复制。生物中的D N A 序列可以通过三联体遗传密码转换成蛋白质中氨基酸的排序，因此带有完整氨基酸序列的古蛋白同样带有反映生物亲缘关系的遗传信息。但与其他分子化石一样，由于水解和成岩作用，完整的蛋白质分子在地质记录中极为少见。L o w e n s t e i n(1 9 8 1，1 9 8 8)曾将免疫学方法和放射免疫测试法应用到古蛋白的研究上，其基本原理是利用生物体内的免疫系统对外来蛋白产生的抗体反应，并利用反应的强弱程度来确定生物和古生物之间的亲缘关系的远近。由于D N A 三联体密码子的 万方数据地层学杂志3 1 卷生物麈2-,4-=烷基-1 3三甲基苯一一一非光合细蕾二童望塑塑曼一草兰氏阴性蕾3 甲基藿类。啊x t a 蚺P 租1 P o 口一L 童：生P 1-5 正烷基问苯-而坨，姒c。或c。A L|：主峰士士螬-r=l 薹!=-针叶檀翱。：i。i 云卜高等檀物不车租橱也趟些!圭!一圈叶植物C。A L K 主峰t l-o日口二菇类概子檀物C。正烷基环己烷。三耩类(非藿类)柱子植物1 一一。鬟谭类“P L F A l 8：26；1 8：26,9麦角固醇(空气)真蕾U 1 0 7 _ i r 巳戚c。H B I 2 4-降胆甾类硅羹 q C 坤2 ,甾L K 类蕞类甲藻甾类甲蕞(沟鞭蕞)c 轴甾类 c-1 仰t i l l l砸啊囊烯兢C 甾英目_。莎草科图1各类生物体的特征性类脂物分子F i g 1T h ed i s t i n c tl i p i db i o m a r k e r so fo r g a n i s m sA L K 一正构烷烃；U K 3 7 一长链烯酮IC 2 5H B I c 2 5 长支链类异戊二烯烷烃；P r-姥鲛烷；P h 植烷；P L F A-磷脂酸；C r o c e t a n e-2，6，1 1，1 5 一四甲基十六烷；P M I 一2，6，1 0，1 5，1 9 一五甲基二十烷IT P P 一四环萜类简并性，一个氨基酸可对应于两个或更多的遗传密码子，这样古蛋白质的氨基酸序列转换成最直接的生命遗传信息D N A 序列时具有多解性。英国学者N i e l s e n M a r s h 等(N i e l s e n M a r s he ta 1，2 0 0 2)首次报道了分别采自于西伯利亚和阿拉斯加冻土带两个年代分别为5 5 6 k a 和5 8 9 k a 的野牛样品的骨质蛋白的完全序列，并与该样品所获得的古D N A 序列相互印证，在古蛋白质序列研究方面作出了开创性的工作。1 2 转化途径所有的生物有机分子离开生物体后，都会发生或多或少的变化，这些变化与地质体的气候环境等条件以及时间因素有关。因此，分子化石可以为分子地层工作提供定年以及气候环境等方面的信息。在定年方面，氨基酸是个很好的例子。活生物体中所有蛋白质氨基酸除甘氨酸外，都以L 构型存在，生物死亡及埋藏后L 构型氨基酸向D 构型转化，这两种氨基酸构型的转换过程称之为氨基酸的外消旋作用(r a c e m i z a t i o n)。氨基酸的外消旋作用是由时间和温度两种因素控制的。如果温度恒定，D 构型的浓度增加可以用来确定生物死亡的时间，这样可以用氨基酸外消旋作用进行定年。测年范围可以从几年到几万年。另外，地质体中的氨基酸总量一般呈现随地质年代增加而减少的韵律性，可以作为一项分子化石指标应用于地层划分上(刘德明等，1 9 9 9；刘德明，2 0 0 3)。不同的沉积环境条件(如氧化还原、盐度、微生物活动的强度等)会影响分子化石的转化、降解和保存，从而使不同沉积环境条件表现出不同的分子化石组成。来源于生物活体的有机分子，当进入地质体以后，环境条件发生了巨大变化，与生物体的环境条件明显不同，这些生物组分在地质作用下就会发生一系列的化学和生物化学反应，使之向更为稳定的化合物转化。例如在氧化条件下，来源于光合生物的植醇容易转化为姥鲛烷；在还原条件下，植醇则更容易转化成植烷。分子化石还受沉积成岩期后地质作用的影响，从而可以反映出地层中的地质事件(表1)。这里有多方面的情况：一是在成岩过程中或成岩期后，随着地温梯度的变化，有机分子会发生熟化作用，其组物街蚴蚴姚姓融舷类一类一塑一唑 万方数据3 期谢树成等：分子地层学的原理、方法及应用实例2 1 3成，特别是同种分子的各种异构体会发生转化，形成不同的分子化石组成，直至最后转化成石墨炭和C O z 等，使分子化石失去生物学意义或分子化石消失，二是受构造作用，原始岩石在抬升过程中，或在地壳深处受含水流体的作用，发生一系列的水洗作用、氧化作用和微生物降解作用，使分子化石组成发生变化，如根据各类类脂物分子的分布特征，可以判断地层遭受微生物作用的强度，这是由于不同的类脂物分子，其承受微生物的降解能力是不同的；三是地层中的分子化石(如化石燃料)被人类利用以后，会再次以原来的分子化石形式或新的有机分子进入新的环境，并造成环境污染，从而可根据这些分子化石的特征来判断污染源，并利用微生物或光化学降解途径来消除污染(E g a n h o u s e，1 9 9 7)裹1一些异常生物事件与环境事件的类脂物特征T a b 1L i p i db i o m a r k e r si n d i c s t i v eo fa b n o r m a lb i o t i ca n de n v i r o n m e n t a le v e n t sP r P l：卜姥绞烷檀烷，D B，r-二苯并噻吩，P A H s-多环芳烃，U C M-未分辨化合物Ia 口a 以及S、R 分别表示环上和链上碳原子的构型地质类脂物的转化途径主要有：脱官能团、脱水、硫化、加氢、异构化和芳构化作用，使非烃类化合物如酸、醇向烃类化合物、生物构型向地质构型、不稳定地质构型向稳定地质构型转化。由甾醇转化成甾烷就是一个典型的例子。生物体中的甾烯醇向沉积物中的甾烷醇、甾烷酮、甾烯酮、甾烯、甾二烯，再向沉积岩中甾烷、重排甾烷、芳甾烷的转化。以上所有这些过程都或多或少在分子化石上留下烙印，因此，分子地层包含有多方面的信息，也具有广泛的应用领域，例如油气地球化学的油一源对比、油一油对比、油气运移，矿床有机地球化学的生物成矿作用，环境有机地球化学中的当代环境污染、过去全球变化，分子考古学中有关人类的进化、早期农业的发展、野生动物的驯化和家养过程、考古残骸的精确鉴定，早期生命过程等学科和研究领域。以上所有应用都基于以上两方面的基本原理。同时，需要特别指出的是，由于分子地层中包含十分丰富的信息，最终获得的信息是所有这些过程叠加的结果。因此，分子地层中的某种指标往往具有多解性，需结合多种指标进行全面分析，特别是要结合其他的地质学、地球化学和地球物理学资料。当然，由于不同的分子化石具有不同的稳定性，对不同地质作用反应的灵敏度不同，加上许多分子化石具有不同碳数的同系物。因此，这些分子化石特征为我们最终分辨不同时期的事件信息提供了可能。2 方法根据以上两方面的原理(生物类型和沉积期或期后的改造作用)，在分子地层学领域中，所采用的地层学分析方法主要有以下几种：2 1 含量某种特定分子化石在某样品中的含量(n g g 样品，n g g 有机碳)，这是最基本的方法。类脂物分子一般可以直接采用气(液)相色谱仪、气(液)相色谱一质谱联用仪进行内标法或外标法定量。需要注意的是，沉积岩中分子化石的含量除受生物源和沉积环境影响外，还受沉积速率的影响。2 2 相对丰度在同一样品中某种特定分子化石相对于某些常见分子化石的含量，或者是某同系物之间的相对含量(比值)。这是很常用、很简便的方法，而且还可以消除因沉积速率变化所引起的误差，有些比值甚至还可以消除成岩作用的影响。相对丰度的计算远比其绝对含量计算简单得多，可以直接采用气(液)相色谱图、质量色谱图中的峰面积进行计算。一些比值反映了生物种群中某些特定生物的变化，例如2 一甲基藿烷与藿烷比值反映了细菌种群中蓝细菌的相对丰度(S u m m o n se t a l，1 9 9 9)；某些比值与沉积环境有关，如姥鲛烷与植烷比值反映了沉积环境的氧化还原状况和盐度(T e nH a v e ne ta 1，1 9 8 7)；有些比值与成熟度有关，反映地层的 万方数据2 1 4地层学杂志3 1 卷埋藏和受热情况，如常规甾烷的异构体比值；有些比值可以直接反映地质事件，如高环数与低环数多环芳烃比值可以反映全球火灾事件(V e n k a t e s a n8 LD a M，1 9 8 9)；有些比值则与地质时间有关而用来定年，如氨基酸外消旋作用所形成的L 和D 构型的比值(O c h e s M c C o y，2 0 0 1)等等。2 3 碳数分布某个同系物之间不同碳数化合物的相对含量分布情况，包括其主峰碳(含量最高的那个化合物的碳数)。如高等植物体内正构烷烃的碳数分布主要是从C z。到C s s 的奇数分布，主峰碳数一般是c 2，(木本)、C 2。(落叶树)或C。(草本)等。在碳数分布中有一个指标是碳优势指数(C P I)，奇数碳与偶数碳的比值，反映成岩作用或微生物作用的强度。第四系中C P I 因与微生物作用有关而可以反映气候环境的变化。还有一个指标是平均碳链长度(A C L)，指同系物中每个化合物的相对含量与其碳原子数乘积的总和除以化合物相对含量的总和，一般主要用于脂肪族化合物。正构烷烃A C L 可以反映植被的变化，当地层以木本植物为主时，正构烷烃的A C L 较小；以草本植物为主时，A C L 较大。2 4单体同位素1 9 7 8 年著名质谱学家J o h nH a y e s 把气相色谱一同位素比质谱仪(G C-I R M S)引进到分子有机地球化学领域，使复杂混合物中单个有机分子(单体)稳定同位素的研究成为可能。1 9 8 8、1 9 9 4 年分别出现了复杂混合物中单体稳定碳同位素和氮同位素的商业应用(G C-C-I R M S：g a sc h r o m a t o g r a p h y-c o m b u s t i o n-i s o t o p er a t i om a s ss p e-c t r o m e t r y)。1 9 9 9 年出现了研究复杂混合物中单体稳定氢、氧同位素的G c-T C I R M S 的应用。后者也使复杂有机混合物中单体稳定氧同位素乃至硫同位素的研究成为可能，这样就使复杂有机混合物最难分析而又最有意义的单体氢、氧、硫同位素的分析变成现实。单体同位素研究是分子有机地球化学、分子化石领域最有前途的发展方向之一。实际上，开展分子化石的单体同位素研究已开始从分子水平深入到原子水平，分子地层学也可以说是拓展到原子地层学了，尽管目前国际上还没有这样的用法。与目前国际上普遍应用的有机化合物分子单体碳同位素(G C C I R M S)相比，单体氢、氧同位素(G C T C I R M S)有特别强的气候环境的指示意义，对温度、大气降水、大气环流反应相当灵敏，因此，它在研究全球变化方面具有极其重要的意义。除此以外，单体氢、氧同位素还和单体碳同位素一样能在能源(如油气的油一源对比、运移等)、矿床学、大气科学、海洋科学、土壤学、考古学等诸多地学学科以及诸如分析化学、环境化学、生物化学、生态学等其他学科得以广泛应用。作为自然界中分布最广的氢同位素，其在地学领域中巨大的潜力还有待挖掘。三、分子地层学与地层学其他分支学科的关系1 与其他学科的关系分子地层学和分子古生物学都是以分子化石为研究对象。犹如古生物学与地层学的关系一样，分子古生物学是分子地层学的研究基础。在研究内容上，分子古生物学侧重于分子化石特征、分子化石所记录的生物体特征和属性、所揭示的生命起源和生物演化等相关的生物学信息，而分子地层学则主要研究地层中分子化石所反映的地层特征和属性，以及在地层划分和对比中的应用等地层学信息。因此，分子古生物学更加关注古D N A 等能够很好记录生物学信息的分子化石，其研究成果大多发表在生物学与古生物学领域的期刊上。分子地层学关注地层形成时的气候环境条件，侧重于地质类脂物的研究，其研究成果在一般的古生物学和地层学期刊上很少见到。分子地层学与生物地球化学、有机地球化学也密切相关，但不完全相同。在研究对象上，它们均以有机分子为研究对象，但后两者所包括的有机分子范围更大，并不仅仅局限在分子化石方面。在研究内容上，生物地球化学和有机地球化学更强调有机分子的地球化学过程，地层的划分和对比并不是它们的主要目标。在研究载体上，生物地球化学和有机地球化学也更广，不仅仅局限在地层中，也可以是水体、大气等非严格意义上的地层。从某种意义上说，目前国际上的分子地层学工作，实际上就是生物地球化学和有机地球化学的工作范畴，这可以从其成果发表在一些地球化学期刊(如O r g a n i cG e o e h e-m i s t r y，C h e m i c a lG e o l o g y，G e o c h i m i c ae tC o s m o c h i m i c aA c t a 等)上看出来。这些工作还没有考虑到地层的划分和对比问题，没有建立一个统一的分子地层单位(如分子化石带等)。因此，要实现从生物地球化学和有机地球化学跨越到分子地层学，必须建立分子地层单位，使分子地层的划分和对比有一个参照标准。2 与地层学其他分支学科的关系地层划分和对比是生物地层学的传统任务，但随着地质工作精度不断提高，已出现了许多生物地层学难以解决的问题，如异相地层的对比。因此，一些地层学分支学科纷纷引入来解决生物地层学的某些问题。例如，生态地层学的建立提高了地层划分 万方数据3 期谢树成等：分子地层学的原理、方法及应用实例2 1 5和对比的精度。分子地层学的功能也类似。生物地层学是从生物的时代标准性来划分对比地层。而作为现代分析测试技术条件下产生的分子地层学，虽然也考虑分子化石的时代意义，但更加关注分子化石对全球生物事件和环境事件的指示意义。从这点上来说，它也与从环境梯度来考虑问题的生态地层学有相似之处。因此，分子地层学的作用类似生态地层学、化学地层学、同位素地层学和事件地层学等地层学分支学科，虽然目前还没有一套成熟的、具有一定等级的地层单位，但其主要的任务不像传统生物地层学、岩石地层学和年代地层学那样，不是纯粹为了地层的重新划分和对比而引入的，相反，它们是为了提高传统地层学的划分和对比精度。例如，以G S S P 为准的地层等时面在G S S P 点位以外的其他地区难以界定和对比(R e m a n ee t a l，1 9 9 6)，改进的方面应是尽量利用接近等时的地质事件形成的自然界面，使其减少可变性并最大程度地代表等时面(王鸿祯，2 0 0 6)，最终使G S S P 界线从一个点变为近等时的自然界面(殷鸿福、童金南，1 9 9 5；王鸿祯等，2 0 0 0)。对全球生物事件和环境事件比较敏感的分子化石为解决传统地层学的这些问题提供了一个切人点。特别是，当前地层学的发展正以地球系统科学的思想为指导，大力开展以确立地层等时面为主的高分辨率、高精度地层学研究，建立融合多种地层分支学科研究方法的综合地层学(王鸿祯，2 0 0 6)，这为分子地层学的应用提供了广阔的舞台。当然，由于分子化石参数具有现象的多解性和解释的多样性，需要配合其他地层学方法，特别是由于大多数分子化石时代意义不强，要求分子地层学必须在生物地层学框架或其他能够确定年代的技术方法下开展工作。由此可见，分子地层学离不开传统地层学工作，必须在传统地层学框架下开展工作。尽管分子地层学、化学地层学与同位素地层学在地层划分和对比中的作用类似，但它们的关系是既有区别，又有联系。一方面，分子地层学不仅涉及有机分子的分布，还包含其同位素特征，分子地层学与同位素地层学有部分相同的研究内容(同位素)。另一方面，一些分子地层学工作着重在分子的分布特征，不涉及同位素；同位素地层学的一些研究也不涉及有机分子，特别是当前同位素地层工作主要涉及碳酸盐岩S r、C、0 等同位素。因此，分子地层学与同位素地层学又有不相交叉和重复的研究。分子地层学的绝大多数研究属于化学地层学的范畴，但这两者也还是有区别的。首先，虽然有机分子也属于化学领域的研究内容，但传统的化学地层学更多地表现在无机化学方面。其次，分子地层学更侧重从有机分子反映的生物学信息与环境信息来研究地层，而化学地层学更多地是从地球化学环境来反映地层的属性，它们的差异犹如分子生物学与生物化学的差异一样。四、分子地层学应用实例地层中的分子化石在诸多领域得到广泛应用。相反，在地层划分和对比上，其潜力还有待挖掘。在利用分子化石进行地层的划分与对比时，首先要查明分子化石的分布特征及其与生物、环境、气候变化之间的关系。在此基础上，分辨出重要的可能具有全球性意义的各类生物事件和环境事件，并结合生物地层学资料，以各类事件为标志，进行比较可靠的高精度的地层划分和对比。然而，如前所述，目前分子地层学还没有明确的地层单位，难以进行实质性的地层划分与对比。虽然油气地球化学领域的源一源、油一源和油一油对比实质上是利用分子化石分布的相似性或某些分子化石的特性进行的，但也没有明确的地层单位概念。在沉积有机地球化学领域，提出了有机相或沉积有机相的概念，它与层序地层相结合，可以进行高分辨率的地层划分和对比。虽然分子地层学也可以沿用这一概念，但不能体现出分子地层学的特性，因为有机相的划分不仅仅是考虑分子有机地球化学特征，还考虑其他有机地球化学乃至沉积学特征。我们建议，分子地层学可以沿用生物地层学中。生物带”的概念，以“分子化石带”作为分子地层的单位。生物带中包括了延限带、顶峰带、组合带等，分子化石带也可以这样用。分子化石的延限带表示某类分子化石在地层中的分布范围，顶峰带表示某类分子化石的最高丰度带，组合带则表示某些特征分子化石的组合。值得注意的是，分子化石不能像传统生物化石那样可以与生物的种属直接联系起来，在大多数情况下，其时代意义不明显。因此，分子化石带的应用(也即分子地层的划分和对比)必须在详细生物地层或者其他年代学方法的框架下进行。分子化石带的对比可以直接利用分子特征进行对比，也可以利用分子特征反映的生物学(例如蓝细菌)、环境(如氧化还原、盐度等)和气候(如利用长链烯酮不饱和度计算的古温度)等信息进行对比。下面分别以具有详细生物地层框架的浙江长兴煤山二叠系一三叠系界线地层，以及具有很好的年代学框架的第四纪泥炭为例，探讨高分辨率分子地层 万方数据地层学杂志3 1 卷工作。l 浙江长兴煤山二叠系一三叠系界线附近的分子地层1 1 样品处理和仪器分析样品采自浙江长兴煤山二叠系一三叠系界线B 剖面第2 3 层至第3 4 层底部，紧邻全球二叠系一三叠系界线层型与点位(即金钉子)剖面(D 剖面)。所研究地层的岩性包括灰岩(第2 3 和2 4 层)、灰白色火山黏土岩(第2 5、2 8、3 1、3 3 层)、纹层状富含有机质的钙质黏土岩(第2 6层)、泥灰岩(第2 7 层)、灰色富含有机质的页岩和泥灰岩(第2 9、3 0、3 2、3 4 层)。岩石样品除去表面污染物，干燥，粉碎至1 0 0 目以下，用三氯甲烷作溶剂在索氏抽提器中抽提7 2 小时，减压旋转蒸发浓缩至l m l，可溶组分经硅胶柱层析，用正己烷和苯作洗脱剂依次分离出饱和烃组分和芳烃组分，分别进行气相色谱、气相色谱一质谱联用仪(G C M S)分析。饱和烃中正构烷烃在利用气相色谱一燃烧一同位素比质谱仪(G C-C I R M S)进行单体同位素分析之前，利用尿素的甲醇溶液去除掉支链和环状化合物。各类仪器的分析条件请参阅谢树成等(X i eS h u c h e n ge ta 1，2 0 0 5、2 0 0 6)、黄咸雨等(黄咸雨等，2 0 0 6；H u a n gX i a n-y ue ta 1，2 0 0 6)等。1 2 分子化石分布特征浙江长兴煤山二叠系一三叠系界线附近的各类分子化石已作了详细报道，这里不再详述。主要的烷烃分子化石包括C。一C。正构烷烃、C。一C：。规则类异戊二烯烷烃(包括植烷、姥鲛烷)、C 1 9-C 2。三环萜、C 2；四环萜、C 2，一C 3 5 藿烷、C 2 8 一C s。2 一甲基藿烷、3 一甲基藿烷、C。一c 3。莫烷、伽玛蜡烷、C：，一C。规则甾烷。长兴组正构烷烃单体碳同位素变化于一2 6 3 到一3 1 6，殷坑组正构烷烃单体碳同位素变化于一2 5 1 到一3 6 2 o。它们的分布特征和生物学、环境意义