甾類化合物廣泛存在于生命體、沉積物和石油當中，由于其具有反映生物來源的復雜分子結構以及隨著有機質的埋藏而呈現出規律演化的特征，它們被廣泛應用于油源對比、成熟度判識及古環境評價等研究中。研究表明生命體中的甾醇是地質體中甾類化合物的主要來源，死亡的生命體進入沉積物后，經一系列生物地球化學作用轉化為甾烯、甾烷和芳香甾類化合物等，進而出現在沉積巖和原油當中。甾類化合物在地質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驗證實，但是已有的模擬實驗多數關注單芳甾烷生成之前的早期演化階段，很少有研究關注芳構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，單質硫及含硫化合物對有機質的熱演化過程存在著重要的影響，然而我們對于其如何影響甾類化合物熱演化過程的認識仍然不足。
針對上述科學問題，中國科學院廣州地化所有機地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心方新焰博士后在吳亮亮副研究員的指導下通過膽甾醇的黃金管熱模擬實驗結合EasyRo模型研究了膽甾醇的熱演化過程，并通過對比膽甾醇系列與膽甾醇+硫系列的熱演化產物，明確了硫對甾類化合物演化過程的影響。
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的成熟度為EasyRo ~0.42%、0.73%、0.73%和1.36%。當EasyRo > 1.69%時，反應物基本都轉變成了小分子芳香基團（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程，使得三芳甾烷在EasyRo = 0.42%之前就已經存在，且小分子基團（如甲基菲和二甲基菲等）在EasyRo = 0.86%時就已生成；3).本研究還指出元素硫可促進甾醇向三芳甾烷的轉化，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樣品中；4).純膽甾醇的芳構化通常沿著A→AB→ABC的路徑發展，但當硫存在時甾類化合物的芳構化路徑還存在C→CB→CBA的模式，即元素硫可以誘導地質體中C環單芳甾烷的形成，同時改變地質體中各種類型甾類化合物的分布特征。此外，研究結果還表明硫的存在可以顯著促進甾類化合物的異構化和芳構化反應，使得含硫系列的甾烷異構化平衡值較純膽甾醇系列高出0.1-0.2，最終導致甾烷異構化參數以及通過芳香甾類化合物建立起來的成熟度評價參數在有無硫存在的條件下具有顯著的差異。因此，在使用這些參數評價地質樣品成熟度時，需考慮巖相（是否存在含硫化合物）及結合多種指標綜合分析。
本研究成果完善了已有關于地質體中甾類化合物熱演化規律的認識，有助于更加準確地評估從甾類化合物中獲取的如母源、成熟度等信息，從而有效地指導油氣勘探和環境評價等工作。
圖2 甾烷異構化參數及各甾烷異構體絕對量在模擬實驗中的演化特征
該研究成果近期發表于國際期刊《Organic Geochemistry》上，得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）和有機地球化學國家重點實驗室基金等項目的資助。
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
