深盆气的碳氢同位素特征——烃类稳定性极限的证据

摘要

在研究阿巴拉契亚盆地北部志留系和奥陶系非常规天然气储层的过程中,我们发现了碳同位素组成的彻底倒转(δ13C1 ＞δ13C2＞δ13C3).同时,在最深部天然气样品中,我们还发现了氢同位素(δ2H)的倒转.现有的生气模型并不能很好地解释同位素的倒转.人们用不同烃源岩生成的天然气混合或者不同成熟度烃源岩生成的天然气混合来解释早前发现的天然气同位素部分倒转的现象.我们构建了一个模型,在模型中除了混合作用外,还需要通过C2和C3的Rayleigh分馏使得13C更加富集,从而导致倒转的发生.在那些最深部天然气样品中,甲烷中13C和2H随着深度的增加而富集的常规趋势发生了变化,随着13C更加富集,2H被耗尽.我们推测促成C2和C3发生瑞利(Rayleigh)分馏的主要反应包括在后生作用晚期温度为250～300C时它们与过渡金属以及水发生的氧化还原反应.公开发表的ab initio计算的乙烷C-C键在该温度断裂的分馏因子与我们的发现是一致的.导致甲烷氢同位素组成随深度增加而变轻的原因可能是由于在相同的地温下甲烷和地层水发生同位素交换所致.我们关于在氧化还原阶段Rayleigh分馏导致同位素倒转的发现对于研究盆地深部天然气资源具有重要的启示作用.