石油1-4油气中的稳定同位素讲解
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
蒸发作用：使气相富集轻同位素12C ，液相浓缩 物富集重同位素12C 。
扩散作用：先扩散部分富集12C ，残余富13C。 气体分子穿过多孔介质的速度与质量有关。
12CH4比13CH4的平动速度快3.1℅，12CH4扩散得 更快更远，即先行扩散部分富集12C，残余部分富集 13C。
2、碳稳定同位素丰度及分布特点
石油天然气 地质与勘探
任课人：逄雯
第四节 油气中的稳定同位素
一、油气中的碳同位素 二、油气中的氢同位素 三、油气中的硫、氧、氮同位素
同位素：原子核内具相同数量的质子而中子数
不同的原子 。
稳定同位素：原子核结构不会自发地改变的同
位素
放射性同位素（不稳定同位素）：能自发
蜕变，形成具另外质子数的新原子的同位素 。
（3）热力和化学反应的动力效应
同位素的质量不同， 13C和12C取代分子或键 的化学活动性也不同。
C-C键的稳定性：13C— 13C ＞ 13C—12C ＞ 12C—12C
即12C-12C活动性最大，13C- 13C的化学活动性最 差。在相同条件下， 12C-12C参与反应的几率和速 度较13C- 13C大。
δD=［（D/H1）样品－（D/H1）标准］/（D/H1）标准］×1000‰ （D/H1）标准值取标准海水中的（D/H1）值，缩写为SMOW。
• 氢同位素分布特点：
A、原油中δD一般为－80~－160‰。 天然气δD一般为－105~－270‰；与δ13C存在一定的正相
关性，即δ13C高，δD也高。
6个质子，6个中子
质子 中子 电子
6个质子，7个中子
《在碳稳定同位素中质子、中子和电子构型示意图》
一、油气中的碳同位素
❖ 稳定同位素有两个最显著的属性： ❖ （1）稳定性：经过复杂的化学反应之后，
原子核结构不发生变化。 ❖ （2）分馏作用：指同位素在两种同位素比
值不同的物质之间进行分配。 ❖ 油气分析的同位素主要有： C、H、S、
400
D
S
深层、年代较老，较高温：≥-50‰～- 500 O 20‰±
Э
δ13C石油（ ‰ ）
-20
-25
-30
600 前寒武纪
德 根 斯 （1969） 其他作者
二、油气中的氢同位素
稳定同位素：H1 （氕）、 H2 （氘） 相对丰度 ： H1-99.9844%，H2 -0.0156%
放射性同位素：H3 （氚），半衰期12.46年
时代 0
R
原油δ13C (PDB):
100 K
一 般 为 -22‰ ～ -33‰ ， 平 均 -25‰ ～ -
26‰
海年相代原越油：老-的27原‰～油-，221‰2C
J
200 T
年 龄 （Ma）
陆越相富原集油：，-1239C‰越～少-33‰(相对值小)
P
300 C
天然气：δ13C，从-20‰～-100‰ 低温浅层＜-50‰～-100‰
O、N。
1、碳稳定同位素的分馏机理：
同位素分馏：同位素在两种同位素比值不同的物 质之间的分配。
碳同位素分馏：在两种具有不同的C13/C12比值的 物质之间发生的同位素分配作用。
（1）同位素交换反应
不发生化学反应，只在不同化学物质，不 同相或单个分子之间发生的同位素重新分配所 引起的分馏作用。
12CO2 + 13CH4 == 13CO2 + 12CH4 13CO2 + H 12CO3－ == 12CO2 + H 13CO3 －
反应结果，使不同物质中有的13C富集，另 一些则12C富集。海水比大气中的CO2富集13C。
wk.baidu.com
（2）光合作用的动力效应
植物光合作用的过程中，吸收CO2和H2O， 致使自身富集12C ，而13C 相对减小。
海洋生物13C含量相对比较多，但是，海洋植 物利用海水碳酸盐产生CO2光合作用，δ13C值 增高。
B、饱和烃δD＜芳烃δD＜非烃δD。
C、 δ13C、δD：生物成因气较低，热解成因气都较高。
D、同油气聚集伴生的水中H2含量增高，由于石油与水的氢 同位素交换，产生了富H2的石油。
古老地层水中H2含量较多。
三、油气中的硫、氧、氮氢同位素
1、硫同位素
四个同位素：S32、S33 、 S34、S36
一般测定S32和 S34
12
2、碳稳定同位素丰度及分布特点
原油的δ13C值介于-24‰~-31‰
①海相： δ13C值较高：-27‰～-22‰； 陆相： δ13C值偏低：-29‰～-33‰。
②随组分分子量的增大，急剧增大。 饱和烃 芳烃 非烃 沥青质，δ13C 依次增大
时代老的石油， C12 富集， δ13C 低
原油不同组分的δ13C 值变化连线---碳同位素类型曲线。 不同成因的石油类型曲线不同。
34 S
(S 34
/ S 32 ) 样品 (S 34 / S 32 ) 标准 (S 34 / S 32 ) 标准
1000 ‰
标准：以坎冈-迪阿布洛陨石陨硫铁的硫作为标 准,S34/S32=0.045
沉积岩中的δ34S值介于-4.14‰~+4.55‰之间。经研究 发现同时代地层中石油和天然气的δ34S具有稳定值；而不
同时代的石油，该值却变化较大。可为不同时代的油源对 比提供一个新途径。
2、氧碳同位素
稳定同位素：O16、O17、O18 相对丰度 ：O16-99.579%，C18-0.2039%
由于O17分布很少，一般研究O16/O18比值。 氧同位素在油气地质学中研究极少，一般只 用于测定古地温。由于水和碳酸盐中的水与二氧 化碳所含的氧之间存在同位素交换平衡，这个平 衡受环境温度控制。因而，可利用碳酸盐中的 O16/O18比值来测定古沉积盆地的温度。
（3）热力和化学反应的动力效应
12C—12C键裂解的能量较小，有机质大分子转 变成烃类小分子的过程中， 12C—12C键优先断裂， 生成的烃类比它的母质具有较轻的同位素组成。
在低温条件形成的烃类，富集12C，而后期高温 条件形成的烃类，则相对富集13C
（4） 理化学效应
主要是蒸发作用和扩散作用。
• 稳定同位素：C12、C13
相对丰度 ：C12-98.892%，C13-1.108%
• 放射性同位素：C14 ，半衰期5568年，用于考古
碳同位素丰度表示法：
13C
(C13 / C12 ) 样品 (C13 / C12 ) 标准 (C13 / C12 ) 标准
×1000 ‰
标准：美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素，简称 PDB标准，其中 C13/C12 =1123.7×10-5
扩散作用：先扩散部分富集12C ，残余富13C。 气体分子穿过多孔介质的速度与质量有关。
12CH4比13CH4的平动速度快3.1℅，12CH4扩散得 更快更远，即先行扩散部分富集12C，残余部分富集 13C。
2、碳稳定同位素丰度及分布特点
石油天然气 地质与勘探
任课人：逄雯
第四节 油气中的稳定同位素
一、油气中的碳同位素 二、油气中的氢同位素 三、油气中的硫、氧、氮同位素
同位素：原子核内具相同数量的质子而中子数
不同的原子 。
稳定同位素：原子核结构不会自发地改变的同
位素
放射性同位素（不稳定同位素）：能自发
蜕变，形成具另外质子数的新原子的同位素 。
（3）热力和化学反应的动力效应
同位素的质量不同， 13C和12C取代分子或键 的化学活动性也不同。
C-C键的稳定性：13C— 13C ＞ 13C—12C ＞ 12C—12C
即12C-12C活动性最大，13C- 13C的化学活动性最 差。在相同条件下， 12C-12C参与反应的几率和速 度较13C- 13C大。
δD=［（D/H1）样品－（D/H1）标准］/（D/H1）标准］×1000‰ （D/H1）标准值取标准海水中的（D/H1）值，缩写为SMOW。
• 氢同位素分布特点：
A、原油中δD一般为－80~－160‰。 天然气δD一般为－105~－270‰；与δ13C存在一定的正相
关性，即δ13C高，δD也高。
6个质子，6个中子
质子 中子 电子
6个质子，7个中子
《在碳稳定同位素中质子、中子和电子构型示意图》
一、油气中的碳同位素
❖ 稳定同位素有两个最显著的属性： ❖ （1）稳定性：经过复杂的化学反应之后，
原子核结构不发生变化。 ❖ （2）分馏作用：指同位素在两种同位素比
值不同的物质之间进行分配。 ❖ 油气分析的同位素主要有： C、H、S、
400
D
S
深层、年代较老，较高温：≥-50‰～- 500 O 20‰±
Э
δ13C石油（ ‰ ）
-20
-25
-30
600 前寒武纪
德 根 斯 （1969） 其他作者
二、油气中的氢同位素
稳定同位素：H1 （氕）、 H2 （氘） 相对丰度 ： H1-99.9844%，H2 -0.0156%
放射性同位素：H3 （氚），半衰期12.46年
时代 0
R
原油δ13C (PDB):
100 K
一 般 为 -22‰ ～ -33‰ ， 平 均 -25‰ ～ -
26‰
海年相代原越油：老-的27原‰～油-，221‰2C
J
200 T
年 龄 （Ma）
陆越相富原集油：，-1239C‰越～少-33‰(相对值小)
P
300 C
天然气：δ13C，从-20‰～-100‰ 低温浅层＜-50‰～-100‰
O、N。
1、碳稳定同位素的分馏机理：
同位素分馏：同位素在两种同位素比值不同的物 质之间的分配。
碳同位素分馏：在两种具有不同的C13/C12比值的 物质之间发生的同位素分配作用。
（1）同位素交换反应
不发生化学反应，只在不同化学物质，不 同相或单个分子之间发生的同位素重新分配所 引起的分馏作用。
12CO2 + 13CH4 == 13CO2 + 12CH4 13CO2 + H 12CO3－ == 12CO2 + H 13CO3 －
反应结果，使不同物质中有的13C富集，另 一些则12C富集。海水比大气中的CO2富集13C。
wk.baidu.com
（2）光合作用的动力效应
植物光合作用的过程中，吸收CO2和H2O， 致使自身富集12C ，而13C 相对减小。
海洋生物13C含量相对比较多，但是，海洋植 物利用海水碳酸盐产生CO2光合作用，δ13C值 增高。
B、饱和烃δD＜芳烃δD＜非烃δD。
C、 δ13C、δD：生物成因气较低，热解成因气都较高。
D、同油气聚集伴生的水中H2含量增高，由于石油与水的氢 同位素交换，产生了富H2的石油。
古老地层水中H2含量较多。
三、油气中的硫、氧、氮氢同位素
1、硫同位素
四个同位素：S32、S33 、 S34、S36
一般测定S32和 S34
12
2、碳稳定同位素丰度及分布特点
原油的δ13C值介于-24‰~-31‰
①海相： δ13C值较高：-27‰～-22‰； 陆相： δ13C值偏低：-29‰～-33‰。
②随组分分子量的增大，急剧增大。 饱和烃 芳烃 非烃 沥青质，δ13C 依次增大
时代老的石油， C12 富集， δ13C 低
原油不同组分的δ13C 值变化连线---碳同位素类型曲线。 不同成因的石油类型曲线不同。
34 S
(S 34
/ S 32 ) 样品 (S 34 / S 32 ) 标准 (S 34 / S 32 ) 标准
1000 ‰
标准：以坎冈-迪阿布洛陨石陨硫铁的硫作为标 准,S34/S32=0.045
沉积岩中的δ34S值介于-4.14‰~+4.55‰之间。经研究 发现同时代地层中石油和天然气的δ34S具有稳定值；而不
同时代的石油，该值却变化较大。可为不同时代的油源对 比提供一个新途径。
2、氧碳同位素
稳定同位素：O16、O17、O18 相对丰度 ：O16-99.579%，C18-0.2039%
由于O17分布很少，一般研究O16/O18比值。 氧同位素在油气地质学中研究极少，一般只 用于测定古地温。由于水和碳酸盐中的水与二氧 化碳所含的氧之间存在同位素交换平衡，这个平 衡受环境温度控制。因而，可利用碳酸盐中的 O16/O18比值来测定古沉积盆地的温度。
（3）热力和化学反应的动力效应
12C—12C键裂解的能量较小，有机质大分子转 变成烃类小分子的过程中， 12C—12C键优先断裂， 生成的烃类比它的母质具有较轻的同位素组成。
在低温条件形成的烃类，富集12C，而后期高温 条件形成的烃类，则相对富集13C
（4） 理化学效应
主要是蒸发作用和扩散作用。
• 稳定同位素：C12、C13
相对丰度 ：C12-98.892%，C13-1.108%
• 放射性同位素：C14 ，半衰期5568年，用于考古
碳同位素丰度表示法：
13C
(C13 / C12 ) 样品 (C13 / C12 ) 标准 (C13 / C12 ) 标准
×1000 ‰
标准：美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素，简称 PDB标准，其中 C13/C12 =1123.7×10-5