单体烃稳定碳同位素

单体烃稳定碳同位素在沉积和油气地质中的应用

摘要随着科学技术的进步，人们已不满足测定原油总体的δ13C值及原油族组分碳同位素值，而是着眼于研究原油中单体烃分子的碳同位素特征，以便获得更多、更详细烃分子系列碳同位素信息。因此，单体烃碳同位素分析技术应用而生，原油单体烃碳同位素分析技术主要用于油源对比。由于碳同位素仪比较复杂，包括的设备多，操作繁琐，国内同行业有这样大型仪器的单位不多，因而对此项技术的开发有很重要的意义。原油单体烃碳同位素分析技术在油源对比等地质应用方面具有可行性,同时体现出有效的实际应用价值。

关键词单体烃碳同位素油气地质原油分类油源对比

单体烃碳同位素能从分子级别反映单个化合物的来源，较之于全油和族组成分同位素，具有更明显的优越性，已广泛应用于油气成因类型、油源识别、混源定量等油气勘探实践中。其数据的精度在相当程度上取决于单体化合物分离的纯度、仪器检测的稳定性及标样的界定。原油单体烃碳同位素的分布形式主要取决于样品的性质，特别是母源岩原始沉积环境与生源输人，受成熟度等其他因素的影响相对较小。我国西部叠合盆地由于存在多套有效烃源岩，不同成因类型原油混源现象普遍，如塔里木盆地可能包含海相与陆相各自不同层位烃源岩，甚至海相与陆相成因原油的混源，因此单体烃碳同位素在油源识别中至关重要。为了更好地应用单体烃碳同位素技术，需要建立不同地质模式下不同成因类型原油的单体烃碳同位素模型，并对可能的影响因素进行评价。

1单体正构烷烃碳同位素的古植被与古气候意义

近年来,由于气相色谱-燃烧-同位素比质谱联用仪(GC/C/IRMS)新技术的成功运用,使得单体分子标志化合物碳同位素的研究已在生物源识别、C3与C4植被类型确定、全球碳循环等方面得到了应用。单体分子标志物碳同位素的研究使稳定同位素在古气候学中的应用达到分子级水平,不但为局部或全球古气候研究而且为控制全球碳循环的机制探讨提供了新的更加准确的证据。因而,分子标志物的分布与单体碳同位素组成特征的联合应用,可以大大增强追踪古环境中有机质来源和重建古生物地球化学过程及古环境的能力。

1.1 溯源

正构烷烃分子标志化合物在古气候研究中得到了广泛应用，但是它们本身存在一些不可避免的缺陷：一是不同类型生物体中可能存在相同或相似的正构烷烃组成，使来自众多生物源的正构烷烃混合输入难以区分；二是正构烷烃分子标志物在埋藏中可能会或多或少地受到降解演化的破坏，使得其相应的生物源辨认模糊。然而，单体正构烷烃的碳同位素

的研究则弥补了这些不足，为认识正构烷烃的生物源提供了有用的信息。

结果表明,长链正构烷烃的分布特征类似于陆源高等植物,但其δ13C平均值为-30.5‰比源于C3高等植物的长链正构烷烃δ13C值重4.5‰，认为该沉积物中的长链正构烷烃可能来源于藻类。由此可见,分子水平的碳同位素分析实际上是惟一区别这两种生物源的有效途径,能够直接提供生物源的精确输入信息。

1.2 植被类型的确定

已经证实,总有机碳δ13C值可区分C3、C4陆生植物,但单体正构烷烃的δ13C值在这一方面比总有机碳δ13C值更具有优越性。C3与C4植物整个组织之间明显的同位素差异也反映在分子级水平上,对于单体叶蜡正构烷烃来说,δ13C值较整个植物组织低约6‰-8‰即来自C4植物的正构烷烃富集13C,约为-19‰(平均值),C3植物则相对富集12C,约为-34‰。而且,有研究已证实,C3植物正构烷烃碳同位素值通常随着碳数的增加而变轻,而C4植物的正构烷烃碳同位素值随碳链的增加则几乎不变。

植物光合作用与大气CO2浓度密切相关，因此沉积物中植物正构烷烃δ13C值记录有丰富的古气候古环境变化信息,对海洋和湖泊沉积物进行研究，发现沉积物中正构烷烃δ13C 组成清晰地记录了冰期间冰期大气浓度的相对变化。经研究发现正构烷烃δ13C值除了恢复古大气浓度，还可以示踪古温度的变化，可灵敏记录冰期-间冰期温度的变化，反应C3/C4植物的相对丰度，重建古植被类型变化历史。

2 原油单体烃碳同位素组成的研究

原油单体烃类碳同位素的研究,可以反映生物标志物分子的生源及判别它们是否同源(Freeman等,1990)。另一方面,原油单体烃类碳同位素的研究为油一油、油一源对比提供了一个行之有效的方法(Sofe:等,1992；张文正等,1992,1993)。根据一些原油样品中烃类碳同位素分布的测定结果，试图将原油单体烃类碳同位素分布同其源岩的沉积环境联系起来，进而探索具有一定普遍意义的各种沉积相原油的单体烃碳同位素分布模式。下文将以塔里木盆地的原油样品为例进行单体烃碳同位素的分析。

2.1 利用单体烃碳同位素对原油分类

通过对塔里木盆地21个原油的单体烃碳同位素的分析,并对塔里木盆地原油进行了成因分类。

2.1.1 原油正构烷烃碳同位素分析

根据原油单体烃碳同位素资料,我们可以初步把塔里木盆地原油分成4类(见图2): A类:下古生界油源岩生成的原油。其原油单体正构烷烃碳同位素分布特征是:正构烷

烃单体碳同位素值一般小于-33‰,分布曲线呈明显的锯齿状,且在nC17、nC19,呈现碳同位素最低值。笔者将A类原油进一步分为A-1、A-2、A-3三类,它们的δ13C分布并不完全一致,如A-1的正构烷烃碳同位素较轻,还有nC17、nC19的峰高低不一致等,可能反映下古生界油源岩形成时的大环境相同,但其亚环境仍存在差异。

B类:石炭系油源岩生成的原油。其分布特征是:正构烷烃单体碳同位素一般在-35‰至-29‰之间;分布曲线的锯齿状不明显,且nC17、nC19的碳同位素值不出现低值。图2中LN32 (C)（表示LN32井石炭系原油）原油正构烷烃碳同位素分布曲线可代表典型石炭系海陆交互相油源岩生成原油的特征。

A一下古生界;B一石炭系;C一中新生界;D一混源图1 同井不同层位原油单体烃碳同位素分布图图2 4类原油单体正构烷烃碳同位素分布图C类:中生界陆相地层生成的原油。图2中T1(E)样品是煤系地层生成的油,其碳同位素值最重,一般各单体碳同位素值都高于-29‰；YM9(E)是湖相地层生成的油,其曲线特征是从低碳数到高碳数单体碳同位素值由高到低呈斜线上升,反映了其母源的腐殖、腐泥的混源性。此外,分布曲线的锯齿状不明显。

D类:寒武一奥陶系和上古生界、中新生界混源生成的油。其分布特征是:正构烷烃单体碳同位素值横跨A、B两类原油单体烃碳同位素值域,即其碳同位素值小于-29‰。从低碳数到高碳数其正构烷烃碳同位素值从高到低呈斜线上升；分布曲线呈较弱的锯齿状,且不出现nC17、nC19低值现象。