澳大利亚悉尼盆地晚二叠世地层中异常高丰度重排藿烷的生物标志物特征及火山活动成因机制

本研究针对全球沉积盆地中重排藿烷形成机制争议，通过分析澳大利亚悉尼盆地晚二叠世-早三叠世19个露头样本，首次发现C30*/C30 αβ藿烷比值高达93的极端现象，揭示火山活动驱动的氰细菌输入与黏土催化协同作用是关键成因，为烃源岩评价和古环境重建提供新视角。

　　

在地球漫长的地质历史中，二叠纪-三叠纪之交（约2.52亿年前）发生了显生宙最严重的生物大灭绝事件，而澳大利亚悉尼盆地保存了这段关键时期的完整沉积记录。更引人注目的是，该盆地晚二叠世地层中检测到异常高丰度的重排藿烷（rearranged hopanes）——这类由细菌藿烷类化合物经结构重排形成的生物标志物，其C₃₀*/C₃₀ αβ藿烷比值最高可达93，远超全球其他盆地（通常<2）。这一现象背后隐藏着怎样的地质密码？又为何在悉尼盆地表现得如此极端？

传统观点认为重排藿烷的形成主要受控于黏土矿物催化或沉积环境氧化还原条件，但全球不同盆地的研究结论存在显著矛盾。悉尼盆地作为冈瓦纳大陆东南缘的典型含煤盆地，其晚二叠世沉积序列还记录了大规模火山活动，这为破解重排藿烷成因之谜提供了独特窗口。

悉尼科技大学的研究团队采集了盆地南部4个露头的19个样本，涵盖Broughton组、Illawarra煤系和Narrabeen群等层位，包括著名的Bulli煤层和含火山灰夹层的Tongarra煤层。通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）和多重反应监测（MRM）技术，团队系统分析了样本中的生物标志物分布特征。

技术方法上，研究采用加速溶剂萃取（ASE300）提取有机质，硅胶柱色谱分离饱和烃与芳香烃组分，通过GC-MS获取m/z 191质量色谱图和MRM母离子-子离子对（如412→191检测C₃₀*），并结合m/z 85色谱图解析单甲基烷烃分布。样本队列包含 Coalcliff和Austinmer Beach等典型剖面，覆盖二叠纪-三叠纪界线上下地层。

4.1 重排藿烷的异常分布模式
MRM分析鉴定出三类重排藿烷：17α(H)-diahopanes（C₂₇–C₃₃）、18α(H)-neohopanes（Ts和C₂₉Ts）以及早洗脱系列（C₂₇E–C₃₃E，确认为9,15-二甲基-25,27-双降藿烷同系物）。其中Austinmer的Tongarra煤层样本（IK16-IK18）展现出惊人的C₃₀*/C₃₀ αβ藿烷比值（77-93），而紧邻灭绝界线的"死亡带"样本（IK03-IK05）则完全缺失藿烷类化合物。全球462个数据的频率直方图显示，悉尼盆地样本的重排藿烷丰度构成显著离群值。

4.3 火山活动-氰细菌-单甲基烷烃的关联证据
研究首次发现重排藿烷丰度与单甲基烷烃（MMAs）呈显著正相关（R²>0.9）。在Tongarra煤层中，2-至7-甲基十四烷（MTeD）与正十五烷比值高达1.81，且以中链取代为主——这种分布模式与现生氰细菌的脂质特征高度吻合。值得注意的是，该煤层被两套连续的火山灰层（17-19cm厚）分隔，暗示火山喷发带来的营养物质可能引发水体富营养化和氰细菌勃发。主成分分析（PCA）进一步确认，高C₁₉TT/C₂₃TT比值（34-41）代表的陆源有机质输入与重排藿烷富集密切相关。

4.5 非成熟度控制的成因机制
关键成熟度参数（C₂₉ ααα S/(S+R) sterane 0.28-0.52、MPI 0.42-2.9）显示样本处于生油窗早期，但重排藿烷丰度与这些参数无相关性。例如，具有相同MPR值（2.3）的IK17（C₃₀*/C₃₀ αβ=93）和IK14（比值7.6）藿烷分布差异达12倍，排除了热成熟度的主导作用。

5. 结论与意义
该研究建立了火山活动驱动重排藿烷形成的新模型：晚二叠世悉尼盆地的频繁火山喷发不仅直接提供酸性催化环境，其沉降的火山灰更通过两种途径促进藿烷重排：（1）释放营养盐引发氰细菌勃发，其特有的MMAs合成路径可能提供前体物质；（2）火山热液活动加速有机质-黏土矿物相互作用。这一发现解释了为何在缺乏伽马蜡烷（gammacerane）指示的盐度分层环境下，淡水沉积体系仍能产生极端丰度的重排藿烷。

论文发表于《Organic Geochemistry》的这项成果，不仅为全球重排藿烷异常高值区（如中国鄂尔多斯盆地、美国Anadarko盆地）的成因提供统一解释框架，更开创性地将火山活动纳入生物标志物形成机制的研究范畴。未来通过分析火山灰层中的微量元素（如Al/K比值）和同位素特征，有望进一步揭示火山类型（长英质vs镁铁质）对重排反应的具体影响。