中国大气田烷烃气碳同位素组成的若干特征

勘探开发大气田是一个国家快速发展天然气工业的重要途径。1991年至2020年,中国新探明大气田68个,促进2020年产气1925×10^(8)m^(3),成为世界第4产气大国。基于中国70个大气田的1696个气样组分和烷烃气碳同位素组成数据,获得中国大气田烷烃气碳同位素组成特征:①δ^(13)C_(1)、δ^(13)C_(2)、δ^(13)C_(3)和δ^(13)C_(4)的最轻值和平均值,随分子中碳数逐增而变重,而δ^(13)C_(1)、δ^(13)C_(2)、δ^(13)C_(3)和δ^(13)C_(4)的最重值,随分子中碳数逐增而变轻。②中国大气田δ^(13)C_(1)值的分布区间为−71.2‰~−11.4‰,其中生物气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−71.2‰~−56.4‰;油型气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−54.4‰~−21.6‰;煤成气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−49.3‰~−18.9‰;无机成因气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−35.6‰~−11.4‰;根据这些数据编制了中国大气田的δ^(13)C_(1)值尺图。③中国天然气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−107.1‰~−8.9‰,其中生物气δ^(13)C_(1)值为−107.1‰~−55.1‰;油型气δ^(13)C^(1)值为−54.4‰~−21.6‰;煤成气δ^(13)C_(1)值为−49.3‰~−13.3‰;无机成因气δ13C1值为−36.2‰~−8.9‰;根据上述数据编制了中国天然气的δ^(13)C_(1)值尺图。

湖北宜昌埃迪卡拉系陡山沱组下部无机碳同位素再研究:探寻碳酸盐岩碳同位素组成的原始海水信号

湖北宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组记录了多次显著的无机碳同位素(δ^(13)C_(carb))波动事件,它们可以在华南乃至全球范围内进行广泛对比。然而,在一些特定剖面中,陡山沱组底部盖帽碳酸盐岩记录了δ^(13)C_(carb)极负值(<-30‰,VPDB),以及上覆陡山沱组二段底部地层中δ^(13)C_(carb)在正负值之间频繁波动的现象。一般认为,成岩作用中形成的碳酸盐矿物导致了这些分布不规律的δ^(13)C_(carb)波动,并对利用碳酸盐岩全岩无机碳同位素(δ^(13)C_(bulk))数据进行古海洋碳同位素组成恢复的可靠性造成了干扰。为了评估成岩作用对δ^(13)C_(bulk)的影响,本文利用宜昌雾河地区埃迪卡拉系的一口钻井岩芯,对陡山沱组下部地层进行了详细的岩石学观察和碳同位素分析。研究结果表明,陡山沱组下部的碳酸盐岩中存在形成于成岩过程中的方解石矿物,而碳酸盐岩中的白云石组分并未遭受严重的后期成岩作用改造,白云石组分的碳同位素(δ^(13)C_(dolo))组成能够更加准确地反映沉积时的海水信息。为获得样品的δ^(13)C_(dolo)信息,本研究首先将全岩粉末样品与30%磷酸反应2 h,去除其中的方解石组分,然后测试残余样品的碳同位素。实验结果显示,该方法可以有效去除岩石粉末中的方解石组分,最终获得的数据能够准确地反映δ^(13)C_(dolo)特征。陡山沱组二段下部样品δ^(13)C_(dolo)为连续稳定的正值,且明显高于δ^(13)C_(bulk),δ^(13)C_(dolo)曲线更加真实地反映了新元古代冰期结束之后海洋碳同位素组成的变化特征。

四川盆地长宁地区志留系页岩气碳同位素组成

为了研究四川盆地长宁地区志留系龙马溪组页岩气碳同位素组成特征,以及该区过成熟页岩气碳同位素组成倒转成因,对长宁地区15个页岩气样的地球化学特征进行综合分析。通过测试烷烃气组分和碳同位素组成,结合四川盆地涪陵和威远地区龙马溪组页岩气碳同位素组成研究,长宁地区龙马溪组页岩气CH4含量为97.11%~99.45%,湿度平均为0.49%,δ13C1值异常重,平均可达-28.2‰,δ13C2平均为-33.2‰,气源母质为腐泥型,属于油型干气。随热演化程度增加,页岩气湿度逐渐降低,甲烷碳同位素组成整体变重,乙烷和丙烷碳同位素组成会发生反转,但长宁地区过成熟页岩气的乙烷和丙烷碳同位素组成处于反转后阶段,不会持续变重。综上,长宁地区页岩气甲烷碳同位素组成的重异常、碳同位素（δ13C1〉δ13C2〉δ13C3）的完全倒转现象,主要由过成熟阶段的二次裂解效应及乙烷瑞利分馏条件下与水、含铁金属发生反应等次生作用所导致,高地温条件也是重要影响因素之一。

四川盆地东北地区下寒武统海相页岩气成因:来自气体组分和碳同位素组成的启示

通过对四川盆地东北地区下寒武统海相页岩的现场解吸,获取气样并进行了组分和稳定碳同位素分析。结果表明,页岩气的甲烷含量介于96.39%～98.83%,其他组分含量较少;各组分相对含量随着解吸时间和累积解吸气量呈现规律性变化,该变化规律可能为泥页岩对不同气体吸附能力的差异所致。页岩气甲烷稳定碳同位素组成(δ13 C1)在-32.20‰～-29.50‰之间,乙烷稳定碳同位素组成(δ13 C2)介于-37.70‰～-36.60‰,所有气样均有δ13 C1>δ13 C2的"逆序"特点,这可能是在高成熟阶段,液态烃裂解气与早期生成的干酪根裂解气混合作用所致。随解吸时间增加,δ13 C1约有2.3‰的分馏,这可能与气体在解吸过程中的扩散作用有关。

不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化

研究了黑河流域下游额济纳荒漠河岸不同立地条件下胡杨(Populus euphratica Olivier)叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化特征.结果表明:5个典型样地中,胡杨叶片δ13 C值在(-25.80±0.05)‰～(-29.19±0.05)‰间变化,均值为(-27.70±0.13)‰;就生长季胡杨叶片δ13 C均值而言,沙丘样地具有最高的δ13 C值,其次为戈壁样地,最低值出现在河岸低地.样地间δ13 C值的差异主要是由样地间土壤含水量和地下水埋深的不同导致的;整个生长季胡杨叶片δ13 C值在样地间表现为2种变化趋势.5个典型样地生长季胡杨水分利用效率在(60.41±0.47)～(95.46±0.47)μmolCO2.(mmolH2O)-1间波动变化,其平均值为(75.69±1.37)μmolCO2.(mmol H2O)-1,从水分利用效率波动范围和平均值可以看出,胡杨是个具有高水分利用效率的物种.从河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘,随着土壤含水量逐渐下降,地下水埋深逐渐加深,胡杨逐渐提高了其水分利用效率.

中国北方C_3植物碳同位素组成与年均温度关系

本文对不同温度条件下生长的藜、独行菜、魁蓟和平车前4种常见C3植物的δ13C进行了分析,结果发现这4种C3植物的δ13C组成都表现出随年均温度下降而变重的趋势,其中藜和独行菜的碳同位素组成对温度变化的响应相对要较其他两种植物强烈得多,同时还发现藜、独行菜和魁蓟的δ13C组成与年均温度有显著线性相关,平车前碳同位素组成与年均温度没有显著的相关性。表明藜、独行菜和魁蓟的δ13C组成可作为年均温度的替代性指标,平车前的δ13C组成不能作为年均温度的替代性指标。

中国西北干旱区湖泊沉积物中有机质碳同位素组成的环境意义——以民勤盆地三角城古湖泊为例

通过对中国西北干旱区石羊河流域民勤盆地三角城古湖泊沉积物有机质碳同位素组成 (δ1 3Corg)分析 ,表明末次冰期与全新世时气候和植被有明显的差异 ,末次冰期δ1 3Corg总体偏轻 (- 30‰～ - 2 5‰ ) ,而全新世碳同位素组成则有较大的变化 ,在早全新世碳同位素组成有多次短期快速变重 (- 1 0‰左右 )的变化 ,中全新世碳同位素组成总体偏重 (- 2 0‰～ - 1 0‰ ) ,晚全新世碳同位素组成偏轻 (- 2 5‰左右 )。分析表明湖泊沉积物有机质碳同位素组成反映了陆生C3植物和湖泊内源水生植物变化的关系 ,末次冰期以来西北干旱区C4 植物不发育 ,偏重的有机质碳同位素值与C4 植物无关。从沉积物中有机质组分、元素等分析表明 ,末次冰期时主要以河流相沉积为主 ,湖泊中有机质主要来源于上游祁连山的陆生C3植物 ,有机碳含量较低 ,表明当时的上游的陆生植被不繁盛 ,区域气候较干冷 ;从全新世开始 ,三角城古湖泊开始形成 ,沉积物中碳同位素组成偏重的有机质主要来源于湖泊中的沉水植物 ,此时湖泊水体较大 ,湖泊生产力较高。而沉积物中有机质碳同位素组成偏轻时期的有机质主要来源于挺水植物、陆生C3植物 ,较低的有机碳含量说明该时期陆生植被不发育 ,气候较干冷 。

南海东沙东北部甲烷缺氧氧化作用的生物标志化合物及其碳同位素组成

南海东沙东北部碳酸盐岩和泥质沉积物中的生物标志化合物组合及其碳同位素组成分析表明,研究区内甲烷缺氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane-AOM)发育。研究区内碳酸盐岩中含丰富的AOM标志化合物,2,6,11,15-四甲基十六烷(Crocetane-Cr.)、2,6,10,15,19-五甲基番茄烷(Pentamethylicosane-PMI)和2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷(Squalane-Sq角鲨烷)的13C亏损强烈(δ13C值介于-74.2‰^-119.0‰PDB之间),表明碳酸盐岩形成于AOM,同时反映该研究区曾发生过强烈、持续的富CH4流体释放活动。柱状泥质沉积物中,AOM生物标志化合物在硫酸岩-甲烷过渡带(SMI—Sulfate-Methane Interface)边界附近相对丰度高,SMI之上样品中含量低,或未检出,表明现代环境在SMI附近有大量嗜甲烷微生物生长,使得深部上升的甲烷被大量消耗,很少有甲烷逸出海底。AOM生物标志化合物可用来指示SMI边界。不同站位、不同岩性AOM生物标志化合物组成(包括碳同位素组成)的差异反映了嗜甲烷古细菌组成的不同。

东海泥质区单体正构烷烃的碳同位素组成及物源分析

利用气相色谱(GC)和气相色谱/同位素比值质谱(GC/IRMS)对东海近岸泥质区、济州岛西南泥质区和冲绳海槽北部表层沉积物中正构烷烃的单体碳同位素组成及分布进行了分析。结果显示东海不同泥质区典型海洋藻类源正构烷烃C19同位素组成基本相似,在-27.4‰^-28.0‰之间,平均为-27.7‰。典型海洋水生植物源C23同位素组成在-28.5‰^-31.6‰之间,平均为-30.5‰,碳同位素组成从近岸泥质区到冲绳海槽北部逐渐变重,表明海槽区与陆架区海洋水生植物种类有所不同。陆架区长链正构烷烃(C25~C31)部分随着碳数的增加,其同位素组成逐渐变轻,但海槽区这一变化不大,显示陆架区的陆源高等植物蜡具有相似的物源,而冲绳海槽北部由于黑潮主干区和黑潮分支(对马暖流)对陆架沉积物进入深海的控制性阻隔作用,其物源与陆架区区别较大。现代输入东海的陆源植物以C3植物为显著优势,C3植物对近岸泥质区北部、近岸泥质区南部、远端济州岛西南泥质区和冲绳海槽北部陆源植物的贡献分别为83%,95%,75%和70%。

喀斯特山区植物碳同位素组成特征及其对水分利用效率的指示——以贵州花溪杨中小流域为例

测定了贵州喀斯特山区灌丛12种主要植物叶片的δ13C值,研究了植物叶片碳同位素组成特征,并分析了植物的水分利用效率。结果表明:该区植物叶片的碳同位素组成的变化范围为-26.98‰～-29.15‰,平均值为-28.14‰。研究区δ13C值的分布相对均匀,除高于我国热带雨林区植物外,低于其它地区。此外,植物的碳同位素组成存在较大的种间差异,生境的变化对植物的碳同位素组成有着一定的影响,但不同植物种对生境的响应不同。植物的δ13C值从生长初期到末期有降低的趋势,但不同植物种的变化趋势存在差异。植物δ13C值随海拔的增加而增大,但不同植物种δ13C值随海拔增加的程度存在差异。不同植物种之间的水分利用效率不同,相同植物种在不同的生境条件下其水分利用效率也有差异。植物生长初期的水分利用效率要比后期的高;高海拔处植物水分利用效率要比低海拔处植物的高。

塔里木盆地深层烃源岩可溶有机组分的碳同位素组成特征

塔里木盆地深层烃源岩主要是指埋深大于4000 m的寒武—奥陶系海相碳酸盐岩和三叠—侏罗系陆相泥岩、碳质泥岩和煤。研究表明,塔里木盆地深层烃源岩可溶有机组分的碳同位素组成具有母质继承效应,寒武—奥陶系海相腐泥型烃源岩可溶有机组分的碳同位素组成一般小于-28‰,而三叠—侏罗系陆相腐殖型烃源岩可溶有机组分的碳同位素组成一般大于-28‰。对于高演化的寒武—奥陶系海相深层烃源岩而言,在热力作用下,其可溶有机组分的碳同位素组成普遍发生强烈逆转,并出现饱和烃>芳烃>非烃>沥青质的完全反序分布现象,显示出深层环境下高演化烃源岩可溶有机组分的碳同位素组成特征。

不同生活型绿化植物叶片碳同位素组成的季节特征

通过测定北京地区不同生活型绿化植物叶片的碳同位素组成(δ13C值),从植物种和生活型两个方面研究植物水分利用效率的自然可变性。结果表明:所测定的75种植物(隶属于35科65属)的叶片的δ13C值变幅,春季为-30.7‰--23.4‰,夏季为-31.5‰--25.1‰,秋季为-31.4‰--23.9‰;落叶灌木种间差异不显著(p=0.114),而常绿乔木(p=0.005)、落叶乔木(p<0.001)、常绿灌木(p=0.022)、草本植物(p<0.001)和藤本植物(p=0.001)的种间差异显著或极显著;同一生活型植物叶片的δ13C季节差异显著,春季叶片的δ13C值显著大于夏秋两季(常绿乔木除外),不同生活型植物叶片的δ13C值在春、夏、秋3个季节差异都达到了极显著水平(春季p=0.001、夏季p<0.001、秋季p<0.001),且叶片的δ13C值表现出乔木树种>灌木树种>藤本植物>草本植物、常绿植物>落叶植物的规律。因此,植物种和生活型均会引起植物叶片δ13C值的变化,但δ13C受生活型变化的影响较大,表明不同生活型植物的水分利用效率具有明显差异。

苯、甲苯碳同位素组成作为气源对比新指标的研究

利用热模拟与在线同位素分析技术研究了天然气与源岩中的苯和甲苯的碳同位素组成变化特征 ,发现热成熟度和运移效应对苯、甲苯碳同位素组成影响较小。同一类型气源岩热模拟产物中苯、甲苯同位素组成受热成熟度的影响不大。在400～600℃热模拟实验中 ,除个别点外 ,变化小于1‰ ,说明它们基本上不受热成熟度的影响。不同层位气源岩苯、甲苯碳同位素组成有明显区别,大多相差3‰以上。甲苯脱吸附实验表明 ,甲苯碳同位素组成在脱吸附过程中基本上不发生变化 ;而热成熟度和运移效应对C1～C2 碳同位素组成影响较大 ,同一样品在不同热成熟度阶段甲烷碳同位素组成的变化可达10‰左右 ,乙烷碳同位素组成的变化可达5‰左右,甲烷的扩散效应可使甲烷碳同位素组成变化达15‰左右 ,吸附效应可使甲烷碳同位素组成变化达20‰左右。苯、甲苯碳同位素组成可作为气源对比的有效指标,利用苯。

塔北隆起深层海相油藏中原油及族组分碳同位素组成的纵向分布特征及其地质意义

利用MAT252同位素质谱仪分析了塔里木盆地塔北隆起深层海相油藏中原油及族组分的碳同位素组成。研究表明该区深层海相油藏中原油的全油碳同位素组成主要受生源控制,受热力作用影响较小;而在继承生源的碳同位素组成的基础上,热力作用将对原油族组分的碳同位素组成及其逆转和分馏产生重要影响。总的趋势是随着油藏埋藏深度的增大和热力作用的加强,饱和烃组分的碳同位素组成逐渐变重,而沥青质组分的碳同位素组成不断变轻,族组分碳同位素逆转程度和分馏程度有所加强,并出现饱和烃(芳烃(非烃(沥青质的整体逆转现象。塔北隆起深层海相原油族组分的碳同位素组成的纵向变化特征,可以反映出热力作用对原油稳定性的影响。

荒漠植物红砂稳定碳同位素组成的空间分布特征

文章以荒漠植物红砂(Reaumuria soongorica)为研究对象,通过测定中国境内红砂主要分布区内21个自然种群407个植株的稳定碳同位素(1δ3C)值,同时测定了不同种群内土壤含水量、可溶性盐分含量、有机质、全氮、全磷含量等土壤理化性状指标,分析不同自然种群红砂叶片稳定碳同位素值的空间分布特征以及影响红砂稳定碳同位素值变化的主要因子。研究结果表明,虽然从总体上看红砂1δ3C值空间分布的整体趋势不明显,其1δ3C值与经、纬度和海拔之间没有显著相关关系,但当比较来自于同一气候区两个不同红砂种群时,其叶片1δ3C平均值有明显的自东向西、自北向南显著增加的趋势,分析结果表明土壤含水量是控制红砂1δ3C值在小的空间范围内变化的主导因子。

植物碳同位素组成的环境影响因素及在水分利用效率中的应用

碳同位素组成(δ(13C))综合反映了植物光合作用过程中气孔的传导和CO2的固定,可以作为植物在环境中生理机能变化的指标,用于研究植物生理与生态环境之间的关系。降水、温度、光照、土壤盐度、大气CO2浓度等因素都会在不同程度上影响植物叶片气孔传导和CO2的固定,导致植物的δ(13C)发生变化。降水因素对δ(13C)影响最明显,温度对δ(13C)产生的影响较复杂。一般情况下,大气中CO2通过影响植物叶片的内外压力,使植物δ(13C)发生变化。植物δ(13C)不仅可以反映光合作用过程中对水分的利用效率,而且与水分利用效率具有正相关性,因此,碳同位素技术在植物水分利用效率的研究中具有理论和现实意义。

扬子地台寒武系碳酸盐岩的碳同位素组成及地质意义

贵州金沙地区寒武系上部娄山关组岩性单一,为蒸发相白云岩,生物化石稀少,沉积时代归属不清。为寻找地层对比与划分的岩石地球化学标志,按5m的样品间距对贵州金沙地区相邻的长岩沟剖面、岩孔剖面寒武系采集了250件碳、氧同位素样品进行测试分析,对其演化趋势进行了研究。结果表明,贵州金沙地区寒武系碳同位素组成演化表现出4次显著负漂移和3次显著的正漂移。负漂移分布于清虚洞组中部(NE-1)、陡坡寺组下部(NE-2)、陡坡寺组与娄山关组的分界处(NE-3)、及娄山关组下部(NE-4),δ13C值分别降低到-2.3‰、-2.6‰、-6.2‰和-4.8‰;正漂移分布于清虚洞组底部(PE-1)、顶部(PE-2)及娄山关组上部(PE-3),δ13C值分别上升到1.3‰、2.1‰和2.6‰。δ13C的演化趋势可与世界各大陆寒武系δ13C演化趋势对比,它将娄山关组下部、中部、上部分别划归全球寒武系第二统上部、第三统及第四统。

甘肃窑街中侏罗世化石角质层有机质及其碳同位素组成与古环境的关系

通过对甘肃窑街中侏罗统窑街组化石银杏以及现代银杏角质层有机质组分和碳同位素组成分析,表明银杏角质层有较强的抗风化能力,化石和现代银杏角质层有机质烷烃和甾萜类化合物组成十分相似。可以通过角质层的碳同位素组成等参数进行古环境重建,结果表明中侏罗世早期古环境较为温湿,到了中期后古气候逐渐变得干旱少雨,后期降雨量又逐渐增加,温度升高,植被发育。

甘肃中部蛇苔(Conocephalum conicum(L.) Dum)表皮特征与稳定碳同位素组成沿海拔的变化

为了解苔藓植物对环境变化的反应,采集了甘肃中部地区不同海拔的蛇苔植物(Conocephalumconicum(L.)Dum),分析了它的叶状体稳定碳同位素组成(δ^(13)C值)和叶状体表皮特征.结果表明:蛇苔植物δ^(13)C值的范围为-32.399‰～-29.497‰,随着海拔的升高而变大;叶状体表皮细胞面积和空气孔面积均随着海拔的升高而减小.相关分析表明:叶状体δ^(13)C、表皮细胞面积和密度、空气孔面积与海拔的相关性都达到了显著水平(P<0.05).

含次生生物成因煤层气的碳同位素组成特征——以淮南煤田为例

淮南煤田煤层气属于热成因和次生生物成因气的混合气。不同矿区和不同煤层中煤层气的δ13C1值有明显的不同,这主要是由于现今淮南煤田的煤层气藏中后期生成的次生生物气与残留在煤层中的热解气混合比例不同造成的。研究显示,淮南煤田煤层气的δ13C1值明显轻于我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的1δ3C1值,表现出了含次生生物成因煤层气的δ13C1值的变化特征;而δ13C2值明显与我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的δ13C2值处于同一分布范围,表现出了热成因气δ13C2值的特征。淮南煤田煤层气的1δ3CCO2值反映出煤层气中的CO2主要为煤热解而来,部分是次生生物气生成过程中,经过了微生物的还原作用而残留的CO2。