侵入岩附近天然气烷烃碳同位素特征

———兼论油型气碳同位素上限及煤成气碳同位素下限

由于天然气烷烃碳同位素主要受其源岩的母质类型和热演化影响，所以，烷烃碳同位素对天然气成因研究和气源对比具有重要意义。目前，天然气碳同位素已经成为天然气成因研究和气源追踪应用最有效和最广泛的参数。

按成因，天然气分为煤成气和油型气两大类。其中，油型气δ13C1在-30‰～-55‰之间，δ13C2＜-28.8‰，δ13C3＜-25.5‰而煤成气δ13C1在-10‰～-43‰之间，δ13C2＞-25.1‰，δ13C3＞-23.2‰(表3-28)。

根据同位素分馏原理，由于12C～12C键能比13C～12C键能小，有机质在热裂解过程中12C～12C键比13C～12C键断裂的机会高8%。所以，在温度较低阶段，12C易从母质中分离出来，即烷烃气富集12C。随着温度增高，13C逐渐增多，烷烃气也随之富集13C。这是烷烃气之δ13C随成熟度增大而变重的原因。

Stahl(1975)［12］综合研究西北欧和北美的天然气甲烷碳同位素组成及对应源岩有机质类型和热演化程度后，首次发现了甲烷同位素与成熟度的线性关系，并建立了著名的煤成气和油型气的δ13C1-RO相关性回归方程:

裂谷盆地火山活动与油气聚集

Berner(1987)首次建立了油型气δ13C1、δ13C2和δ13C3与源岩RO的回归方程［13］:

δ13C1=15.4lgRo-41.3(Ro≤2.0%)

δ13C2=22.6lgRo-32.2(Ro≤2.2%)

δ13C3=20.9lgRo-29.7(Ro≤2.4%)

80年代以来，我国学者在此领域进行了大量研究，提出了一些适应于中国地质实际的δ13C1-RO回归方程。尤其戴金星等(1985，1987)在系统总结了国内外研究成果的基础上，以中国大量天然气研究资料为基础，建立了中国煤成气δ13C1-3-RO的关系［10］:

裂谷盆地火山活动与油气聚集

综上所述，国内外学者对煤成气碳同位素研究较多，对油型气碳同位素研究较少，且目前仅建立了煤成气的回归方程。

孤北地区天然气比较丰富，但性质异常，分布复杂。虽然一些构造带天然气发现十余年，但成因和气源一直存在原则性争议，如深洼带沙四段和断阶带奥陶系天然气的煤成气与油型气之争。制约了该区深层气勘探。总体上，孤北地区天然气之烷烃碳同位素较重或很重，且变化非常大。不仅不同构造带，甚至不同井区之间也存在很大差别。如δ13C1最低只有-61.2‰，而最高可达-32.2‰，相差近2倍另外，δ13C2差别也很大，在-37.6～-16.78‰之间，相差2倍以上。同样，δ13C3也存在类似特征(表3-29)。烷烃碳同位素差别如此之大表明该区天然气成因的复杂性。

表3-28 天然气成因类型鉴别表［10，11］

表3-29 孤北地区不同构造带二氧化碳及烷烃碳同位素分析结果表

总体上，潜山带天然气中烷烃碳同位素较重。其中，δ13C1在-41.0‰～-32.2‰之间，δ13C2介于-26.2‰～-16.78‰之间，δ13C3在-25.0‰～-16.05‰之间(表3-24)。尤其渤93和渤930井天然气中乙、丙烷碳同位素特重(远超过煤成气下限)，源岩在正常热演化所无法达到的。

深洼带天然气烷烃碳同位素差别很大。其中，δ13C1值分布在-61.2‰～-35.5‰之间，δ13C2值则介于-37.6‰～-20.8‰之间，而δ13C3分布在-27.3‰～-19.32‰之间(表3-24)。其中，孤西断裂附近天然气同位素较重，如渤深5、渤深8、义115和义121井等天然气烷烃碳同位素甚至比煤成气的还重相比之下，远离孤西断裂天然气碳同位素较轻，如义170、义17和义171等井。

断阶带天然气碳同位素也较重且变化大，其δ13C1、δ13C2和δ13C3值分别在-43.763‰～-37.1‰和-28.734‰～-23.4‰和-25.8‰～-22.4‰之间。

按照戴金星等标准，潜山带上古生界天然气均为煤成气深洼带和断裂带天然气乙丙烷碳同位素也很高，多被认为是来自深部［14］或东侧上古生界的煤成气［9］。作者认为这两种观点都是错误的。其中，来自深部的观点缺乏证据，深部是否存在煤系源岩不得而知，即使存在其生成的煤成气也难以运移至此，因为沙四段源岩发育，具有很高的生烃压力另外，来自东侧潜山带的观点与成藏动力学相矛盾，因为东侧潜山带上的上古生界埋藏深度较研究区沙四段高得多，潜山带上古生界煤成气难以通过孤西断裂倒灌进入深洼带沙四段之中。

天然气烷烃碳同位素不仅与源岩有机质类型有关，还随着成熟度的增高而变重。研究区岩浆及深部流体活动强烈，沙四段暗色泥岩烘烤严重(Tmax可达544℃，Ro可达3.75%)。所以，可以肯定孤北地区深洼带和断裂带很重的天然气为岩浆高温使沙四段腐泥型源岩过成熟，所生成的油型裂解气，而非它源煤成气。由于前人未发现岩浆侵入以及源岩的高演化特征，而盲目套用戴金星等的标准，故产生错误。

根据Berner等的回归方程可以发现，当Ro≥1.41%时，生成的油型气之δ13C2(油)≥-28.8‰(戴金星等的油型气上限)，当Ro≥1.58%时，δ13C3(油)≥-25.5‰(戴金星等的油型气上限)，且当Ro≥2.05%时，δ13C2(油)≥-25.1‰，δ13C3(油)≥-23.2‰(戴金星等的煤成气下限)(图3-27)，表明利用烷烃碳同位素鉴别天然气成因类型具有局限性，以及戴金星等确定的油型气鉴别标准不具有通用性，而仅适合于Ro≥1.58%的源岩。当然，1.41%和1.58%的界限并不完全适合所有地区，即不同地区可能略有差别，但可以肯定的是不会很大。最后，作者认为戴金星等建立的油型气标准并不适合高成熟后期的源岩。

图3-27 煤成气和油型气碳同位素与源岩成熟度(Ro)关系图

综上所述，火成岩及深部流体显著促进了源岩的生烃演化、成岩作用(如碳酸盐岩和硫酸盐的分解等)，并导致火成岩区油气富集以及物理化学性质异常。侵入岩及热流体活动区源岩和油气往往表现出高-过成熟特征，而喷出岩上覆源岩和油气往往具有低熟和早熟特征。另外，火成岩区油气中往往含有较高的硫化氢和二氧化碳以及具有较重的烷烃碳同位素等特征。当然，火成岩附近油气的性质不仅取决于火成岩对源岩的异常生排烃作用，也与源岩正常的热演化有关，后期的运移和改造(氧化等)也有重要影响。

目前的油型气乙烷、丙烷的鉴别标准不具有通用性。裂谷盆地侵入岩及热流体活动区源岩成熟度非常高，以至于油气的烷烃碳同位素非常重，远超过目前的油型气上限及煤成气下限。

参考文献

［1］张慧，郑玉柱，席先武 . 1999. 铁法盆地煤变质作用及煤层气生成特征 . 煤田地质与勘探，27 ( 4) : 30 ～33.

［2］蒋福兴，姜金华，赵宝良 . 2002. 阜新王营井田浅成气的成藏与岩浆活动 . 辽宁工程大学学报，21 ( 4) : 501 ～504.

［3］范士彦，魏怀席，范庆武 . 2001. 黄河北、章丘、淄博煤田煤层气开发前景 . 中国煤田地质，13 ( 4) : 27 ～28.

［4］张文永，徐胜平，蔡学斌 . 2005. 卧龙湖煤矿岩浆侵入规律及其对煤层、煤质、瓦斯的影响 . 安徽地质，15 ( 1) :25 ～ 28.

［5］王泰 . 2002. 同忻井田煌斑岩侵入特征及对煤层和煤质的影响 . 煤田地质与勘探，30 ( 5) : 11 ～13.

［6］杨起，汤达祯 . 2000. 华北煤变质作用对煤含气量和渗透率的影响 . 地球科学，25 ( 3) : 273 ～276.

［7］李臣，孟元林 . 2004. 侵入岩对源岩生烃影响的定量模拟 . 新疆石油地质，25 ( 6) : 614 ～616.

［8］王新洲，宋一涛，王学军 . 1996. 石油成因与排油物理模拟 . 石油大学出版社，55 ～70.

［9］宋明水，张学才 . 2004. 济阳坳陷渤南洼陷深层气天然气的地球化学特征及成因探讨 . 天然气地球化学，15 ( 6) :646 ～ 649.

［10］戴金星 . 各类烷烃气的鉴别，中国科学 ( B 辑) ，1992，2: 185 ～193.

［11］宋岩，徐永昌 . 2005. 天然气成因类型及其鉴别 . 石油勘探与开发，32 ( 4) : 24 ～29.

［12］Stahl W. J. Carey J. B. 1975. Source rock identification by isotope analyses of natural gases from fields in the Val Varde Del-aware Basins，West Texas. Chem. Geol. ，16: 257 ～ 267.

［13］Berner U. E. Faber T. G. 1987. Maturity related mixing model for methane，ethane and propane，based on carbon iso-topes. Advances in Organic Geochemistry，13: 67 ～ 72.

［14］尹长河，陈洁，孙锡文等 . 2002. 渤南洼陷孤西深洼带的煤成气 . 油气地质与采收率，9 ( 4) : 42 ～44.