《石油与天然气地质学》课程教学资源（讲义）第一章 油气藏中的流体（1.4）稳定碳同位素

第四节稳定碳同位素 同位素:指元素周期表中原子序数相同,原子量不同的元素。 稳定同位素:指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素 稳定同位素有两个最显著的属性:1.稳定性:即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。 一、稳定同位素分馏机理 分馏作用是稳定同位素的属性之一,碳稳定同位素的分馏机理有: 1.同位素的交换反应:是化学物质间,不同相或单个分子发生的同位素重新分配 CO2+CH=CO2+ CHA CO+ -CO3=C0+H CO 2.光合作用的动力效应:植物在光合作用过程中,富集2C,而使'C进一步减小 3.热力和化学反应的动力效应 C-C-键的稳定性顺序:-C-C>-C-C->2C-2C- 在低温条件下,形成的烃类,富集C:在高温条件下形成的烃类,富集1C 4.同位素的物理化学效应 蒸发:气相富集轻同位素C,夜相富集"C:扩散:先扩散C,残余"C 稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准

第四节 稳定碳同位素 同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。 稳定同位素：指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。 稳定同位素有两个最显著的属性：1.稳定性：即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。 一、稳定同位素分馏机理 分馏作用是稳定同位素的属性之一，碳稳定同位素的分馏机理有： 1.同位素的交换反应：是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配。 12CO2+ 13CH4= 13CO2+ 12CH4 13CO2+H12CO3 - = 12CO2+H13CO3 - 2.光合作用的动力效应：植物在光合作用过程中，富集 12C，而使 13C 进一步减小。 3.热力和化学反应的动力效应： -C-C-键的稳定性顺序：- 13C- 13C>- 13C- 12C-> 12C- 12C-。 在低温条件下，形成的烃类，富集 12C；在高温条件下形成的烃类，富集 13C。 4.同位素的物理化学效应： 蒸发：气相富集轻同位素 12C，夜相富集 13C； 扩散：先扩散 12 C，残余 13C。 二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准

自然界中碳、氢稳定同位素的符号、丰度、比值及标准见下表: 原子序数同位素丰度(%)同位素比比值 标准及符号 比值 H99.985 2H/H|1.5×104标准平均大洋水 6D(‰, 2H0.015 缩写号SMOW 612C98.892 1c/2c|1.12×102南卡罗来纳州白垩系皮狄组61c(‰ 13C1.108 美洲拟箭石缩写号PDB 同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数(‰)表示。 R R 式中:Rs:为样品的同位素比值:Rr:为标准的稳定同位 素的比值。各国用各自的标准计算Rr,再换算成PDB标准。 标准之间的换算公式: (2Cc4+1)-1×1000% 式中:δ1CB:为求取对B标准的δ值; 61CA:为测得对A标准的δ值 RAr、RBr:为A、B标准的"C/C比值。 三、油气中碳同位素的组成特征 1、原油 61C一般为 3‰,平均值为-25‰~-26‰。 ①海相原油δC值较高,为-27‰~-22‰ 陆相原油δ13C值偏低,为-29‰%~-33‰ 随组分分子量的增大,急剧增大 烷烃<芳烃<胶质<沥青质,烷烃<环烷烃,正构烷

同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数（‰）表示。 式中：Rs :为样品的同位素比值； Rr：为标准的稳定同位 素的比值。各国用各自的标准计算 Rr ，再换算成 PDB 标准。 标准之间的换算公式： 式中：δ13CB：为求取对 B 标准的 δ 值； δ 13CA：为测得对 A 标准的 δ 值； RAr、RBr：为 A、B 标准的 13C/12C 比值。 三、油气中碳同位素的组成特征 1、原油 δ13C 一般为-22‰～-33‰，平均值为-25‰～-26‰。 ①海相原油 δ13C 值较高，为-27‰～-22‰； 陆相原油 δ13C 值偏低，为-29‰～-33‰。 ②随组分分子量的增大,急剧增大 烷烃<芳烃<胶质<沥青质，烷烃<环烷烃，正构烷

烃<异枃烷烃,芳烃随环数増加δ‘℃值増大,可溶沥青<干酪根。 2、天然气 δC随天然气成熟度的增大而增大, 生物成因气:≤-60‰~-95‰低 热解成因气:-50‰~-20‰ 以上两种气的混合气:-50%‰~-60% 天然气成份中:8C<8C2<8C<81C,分子量增加 增大。 61c(‰) R k J T P D 德根斯(1969 前武捉 其它作者■ 各地质时代石油的碳同位素分布

烃<异构烷烃，芳烃随环数增加 δ13C 值增大，可溶沥青<干酪根。 2、天然气 δ13C 随天然气成熟度的增大而增大， 生物成因气: ≤-60‰～-95‰ 低 热解成因气: -50‰～-20‰ 高 以上两种气的混合气: -50‰～-60‰ 天然气成份中：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，分子量增加， 增大

、Qi -31-30-29-28-2726-25-2 原油碳同位素类型曲线 四、油气中碳同位素和氢同位素之间的关系 石油的δD与δC值没有明显的相关关系 天然气的8D与61C存在不很明显的关系 50 2/: 250 天然气中甲烷的6D(SMOw)与6C,(PDB)关系图 1区为冰渍沼气;2.1区为阿尔卑斯盆地上 第三系生物成因气;2.2区为混合成因气; 3.4.5区为热降解和热裂解成因气

四、油气中碳同位素和氢同位素之间的关系 石油的 δD 与 δ 13C 值没有明显的相关关系。 天然气的 δD 与 δ 13C 存在不很明显的关系

■1第三系砂岩 口2第三系砂岩A 3三叠系油贮 ▲4第三系油贮 110 10 150 29 西德南部两个亚阿尔卑斯盆地原油的 6D61C,关系图