同位素地球化学在地质学研究中应用很广，其中的一个重要研究领域是利用自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律来解决地质问题。在稳定同位素地球化学研究中，由于H、C、O、S等在自然界的广泛分布，可形成多种化合物，也因为它们的同位素质量都比较小，相对质量差别较大，同位素的分馏更明显，对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义(《中国大百科全书(地质学)》，1998)。例如碳元素是天然气、石油、煤、沉积有机碳、变质石墨、生物碳、热液碳酸盐、海相碳酸盐、海洋CO2、大气CO2、碳酸盐岩和金刚石的主要成分，并且它们的碳同位素变化幅度高达160%(图7-1)，因此，碳同位素在石油及天然气地学研究中得到了广泛应用。碳同位素是稳定同位素中研究最早、也是在油气地球化学领域应用最广的稳定同位素，它是地质温度计，也是判断煤层中CH4含量及其埋藏深度、原油及天然气分类对比确定其性质来源及天然气成因和成熟度的重要参数。
图7-1 各种含碳物质的δ13C值示意图
(据傅家谟等，1990)
(1)甲烷碳同位素(δ13C1)是判识成气作用和有机质演化阶段的良好标志
大量研究成果表明，由于有机质的来源及沉积环境的不同，不同类型干酪根的原始组分不同，因此，不同类型干酪根的δ13C值有明显差异。如果不考虑天然气生成之后的某些作用以及扩散、生物降解等的影响，天然气碳同位素组成主要取决于母质碳同位素组成(与有机质类型有关)、成气作用和天然气生成时源岩的成熟度。可以认为，天然气碳同位素蕴含了不同有机质来源以及母质和产物所经历的地质地球化学历程的信息(傅家谟，1995)，不同成气作用生成的天然气，甲烷的碳同位素值δ13C1有明显差异，例如生物气的δ13C1特别轻(一般在-55‰～-75‰)，热解成因气δ13C1为-20‰～-55‰之间，深源气δ13C1＞-20‰(张义纲，1990)，中外学者普遍认为δ13C1是判识天然气成气作用和有机质演化阶段的良好标志，是判识天然气成因最重要的参数之一(图7-2)。
图7-2 我国天然气在δ13C1—Ro模式图(Stahl，1997)上的分布
(据张士亚、郜建军等，1988)
◁四川Z-P油型气；▷四川T1-T2油型气；△四川T煤成气；▽四川J油型气；●东海煤成气；〇华北C-P煤成气；Ⅰ—油型气分布带；Ⅱ—煤型气分布带
(2)乙烷碳同位素(δ13C2)是判识天然气源岩有机质类型的良好标志
乙烷碳同位素与母质类型和演化程度有关，有机质类型不同的源岩，生成的天然气δ13C2有明显差异。张士亚等(1988)据180个已知天然气的乙烷碳同位素数据编制了腐泥型天然气与腐殖型天然气δ13C2的频率分布图(图7-3)，两者峰值明显不同，而且总体分布范围重叠很小，仅在-29‰～-28‰之间有个别重叠，表明了δ13C2是判识天然气源岩有机质类型的良好标志，并且与演化程度有关。
图7-3 煤成气与油型气δ13C2的频率分布图
(据张士亚、郜建军等，1988)
1—中国海、湖相生油岩生成的油型气；2—澳大利亚库珀盆地、吉普斯兰盆地煤成气；3—中国煤成气
(3)氢的稳定同位素(δD)可以辅助确定天然气的成因类型及演化特点
石油地质学家通常还利用氢的稳定同位素氕和氘的丰度比值D/1H(通常用δD表示)来帮助判识天然气的成因类型和成熟度。因为天然气的氢稳定同位素组成δD值为-270‰～-105‰，比石油低25‰～110‰(即负值更大)，并且δD与δ13C2之间存在一定的正相关性，热解成因烷烃气的δD值有随源岩成熟度增大而增加的趋势，烷烃气中的某些组分会因被细菌氧化而使其剩余组分的氢同位素变重等特点，可以应用δD与δ13C2指标帮助确定天然气的成因类型及其演化特点(图7-4)。
图7-4 不同成因类型天然气中δD与δ13C1关系示意图
(据徐永昌等，1985)
(4)稀有气体的同位素可以帮助确定无机成因气
天然气中惰性气体很少，属稀有气体，但它具不活泼性，其稳定同位素可以帮助确定天然气成因，特别是深源无机气以及形成天然气的地质时代，在研究中应用较多的是He和Ar的稳定同位素。
许多地质学家利用上述同位素的特点开展了天然气成因类型、母质特征及其演化阶段的研究，进行气-气对比、气源岩追索。
1)章复康和张义纲(1986)总结了油型烷烃气和煤型烷烃气的碳同位素特征(表7-1)。
表7-1 油型气和煤成气的组分碳同位素一览表
(据章复康、张义纲，1986)
2)傅家谟、刘德汉、盛国英(1990)等根据煤成气甲烷δ13C1值明显偏高，煤成气比油型气甲烷δD值明显偏高，并且煤成烃的碳、氢同位素组成具相关性的特点，总结了我国煤成烃与油型气、混合气的碳同位素鉴别指标(表7-2)。
表7-2 煤成烃的碳、氢同位素鉴别指标
(据傅家谟等，1990)
3)沈平、徐永昌、王先彬等(1991)等根据准噶尔、鄂尔多斯、中原、华北、辽河和四川等多个含油气地区300多个天然气样的甲烷碳、氢同位素分析资料，将天然气划分为6个类型：生物成因气、生物-热催化过渡带气、石油伴生气、凝析油伴生气、煤型气及海相过熟气。对煤型气碳同位素研究有以下认识：
A.甲烷碳、氢同位素组成是判识煤成气的主要地化标志，可以根据δ13
B.煤成气C1/重烃比值多数＞5。
C.煤成气甲烷碳、氢同位素组成与油型气在相同的热演化阶段具有较重的碳同位素组成，δ13
D.一般情况下，煤成气的碳同位素较相同演化阶段油型气重7‰～8‰，但是在较低成熟度的某一阶段，煤成气比相同成熟度油型气具有相对较轻的碳同位素组成。
E.连续沉降含煤盆地和含煤盆地经历过抬升、剥蚀、再沉降二次成气的煤成气，二者的碳同位素组成有差异，前者相对富集δ13C。
F.煤成气的甲烷氢同位素组成取决于沉积环境和水介质的盐度，即随沉积水介质盐度增大，煤成气甲烷的δ13
G.Ⅲ型干酪根与Ⅰ、Ⅱ型干酪根相比，在早期演化阶段与后期演化阶段机理截然不同，主要是Ⅲ型干酪根母质与Ⅰ、Ⅱ型干酪根母质的化学结构和在演化过程中的化学变化不同。
4)张义纲(1991)认为，乙烷碳同位素与母质有关，但情况也比较复杂。一般说来，母质类型较好，母质碳同位素较轻，生成乙烷的碳同位素也较轻，但并非是类型好的母质碳同位素都比较轻，还要取决于微生物改造作用等因素的影响。就统计概率而言，在有机质的成熟和高熟阶段受演化程度影响逐渐变小的情况下，它不失为一个良好的类型参数，并建议把δ13C2＝-28‰±1.5‰作为区分腐泥气和腐殖气的粗略界线。
δ13C3的含义与δ13C2作用相近，但因其含量少，碳同位素变化范围相对较小，用途较窄，也由于δ13C3随氧化而变重，是反映氧化的良好参数(张义纲，1991)。·80·
此外，张义纲(1991)还认为，乙烷和甲烷之间的同位素差值是一个良好的成熟度参数，它与母质的H/C原子比有关，之间的关系式为δ13C2-δ13C1×1000＝35.08H/C-8.427；δ13C1-δ13C2的另一个用途是表示干湿程度不一，在甲烷和乙烷相对含量有较大差异的情况下，可以识别各种天然气之间的混合现象，其中δ13C1更多地反映其中较干气的特征，δ13C2更多地反映其中较湿气的特征。
5)戴金星(1985)总结了我国煤成气甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素分布，也表明了甲、乙、丙烷的碳同位素分别显示了不同类型天然气的特征(图7-5)。
图7-5 我国煤成气甲烷、乙烷、丙烷的δ13C值分布图
(据戴金星等，2002)
总之，在天然气组分的诸同位素中，因为在自然界有机质演化过程中，生物作用、化学热力学和动力学作用产生同位素效应和同位素分馏，使不同成因类型天然气碳同位素组成发生大范围的变化，碳同位素组成对于深入研究不同类型天然气特征具有重要意义。
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