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本综述系统梳理近 50 年轻烃（LHs）在石油地球化学领域的研究，聚焦其化学组成、稳定同位素值在烃源识别、沉积环境判识、源岩成熟度评估等方面的应用，探讨热化学硫酸盐还原等次生蚀变识别及油气运移示踪，分析当前多源混合油藏判识挑战与技术前沿。
轻烃的定义与分类
轻烃（LHs）是石油的重要组成部分，文献中定义存在差异。戴金星（1992）将其定义为沸点低于 200°C、碳数为 5-10 的化合物；Mango（1997）则将其归类为在约 75°C-140°C 温度下形成的 C1-C9烃类。后续研究认为轻烃是天然条件下油向天然气转化过程中的中间产物和催化产物，目前研究者越来越多地将轻烃定义为碳数 1-13 的烃类化合物。根据相态，轻烃可分为气相烃（C1-C5）和液相烃（C6-C13）；从结构上看，可分为正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳烃四类。
常规油中轻烃比例超过 30%，在轻质油和凝析油中可达 90%。传统生物标志物（如酯类化合物衍生的复杂分子化石）在多数轻质油和凝析油中因高热成熟度和次生蚀变过程浓度显著降低，而丰富的轻烃有望成为有效替代物，提供更丰富准确的地球化学信息。随着全球能源工业发展和产量需求增加，石油工业逐渐向非常规（页岩油、页岩气）和超深领域拓展，深及超深层油多为高成熟轻质油和凝析油，经历复杂地质演化和多种次生蚀变过程，部分生物标志物因浓度大幅下降失去有效性，轻烃则依然丰富，对表征高成熟油的地球化学性质至关重要。
轻烃的成因机制研究
轻烃研究始于 20 世纪 40 年代，关于其成因机制主要有三种观点。早期研究提出浅层轻烃直接继承自原始生物物质或在沉积物早期转化过程中形成，当埋藏深度超过 1000m、温度超过 50°C 时，轻烃主要来源于有机质的热降解，现代沉积物中检测到轻烃支持了这一观点。另一种观点认为轻烃是油裂解为天然气过程中的过渡产物。此外，轻烃异构体比例的一致性表明过渡金属或粘土矿物的催化作用也可能促进轻烃生成。若将轻烃定义为碳数 1-13 的有机烃类化合物，还需考虑生物成因机制，即轻烃由厌氧细菌在低温下分解有机质产生。这三种机制均可促成油气中轻烃的形成，具体哪种机制起主导作用由地质条件决定。
轻烃参数及同位素组成的应用
尽管轻烃形成机制仍存争议，但其参数及同位素组成广泛应用于确定石油地球化学特征，包括识别有机质来源和源岩沉积环境、评估成熟度、油气源对比、识别次生蚀变过程及追踪油气运移方向等。然而，大多数轻烃图解存在局限性，因其基于有限含油气盆地或油田数据。因此，全面总结和评估轻烃在石油地球化学中的应用至关重要，尤其是随着位置特异性同位素和团簇同位素分析等分析技术的进步。
本文收集分析了全球含油气盆地石油样品中轻烃的同位素和化学组成数据，总结评估了轻烃参数和图解在石油地球化学分析中的应用及局限性，旨在将轻烃确立为研究石油地球化学特征的可靠工具，对全球能源勘探具有重要意义。
轻烃分析方法
气相色谱（GC）是识别轻烃的主要方法，尽管烃源岩、天然气和石油中低分子量烃的预处理方法不同。GC 由 James 和 Martin（1952）首次通过实验成功验证，其基本原理是利用化合物物理性质的差异，尤其是挥发性差异实现分离。
轻烃的稳定性
由于分子量和沸点低，轻烃易蒸发，显著影响其浓度和分布。天然气样品通常用加压钢瓶采集，钢瓶的密封和稳定性可防止气体成分蒸发；而石油通常用玻璃瓶采集和储存，密封和稳定性不如加压钢瓶，导致轻烃组分易发生变化。
天然气成因类型
天然气是由少量非烃气体和低分子量烃组成的优质燃料，其成因可进一步分为微生物成因、非生物成因和热成因。尽管已证明存在生物成因气，但尚未发现具有商业价值的非生物成因气田，商业上有价值的气田通常由微生物活动产生的生物气或有机质热降解产生的热成因气组成。
轻烃化学组成的应用
近几十年来，轻烃参数在石油地质学中得到广泛应用，基于其分子构型稳定性差异和独特来源，用于表征有机质来源和源岩沉积环境。早期研究表明，C5-C7化合物系列对应不同母质来源。
天然气成熟度评估
现场识别天然气的来源和成因一直是难题，传统用于识别天然气成因的图解往往无法提供准确结果，此时天然气的热演化可为确定其来源和成因提供关键参考。对天然气成熟度的研究可追溯至 20 世纪 70 年代，基于天然气的 δ13C 随热演化程度增加而逐渐变重的特征。
次生蚀变对轻烃的影响
轻烃是石油的关键组分，在高成熟油中占很大比例。高成熟油在漫长的地质演化过程中会受到各种复杂次生蚀变过程的影响，因此评估次生蚀变对轻烃的影响对进一步评估轻烃参数的准确性至关重要。
油气运移研究
天然气运移研究主要集中在运移过程中的同位素分馏，随着运移距离增加，12C 在运移终点积累，δ13C1常用于追踪天然气运移。但热成熟度、次生蚀变过程和多阶段充注等其他因素也会对结果产生影响。
团簇同位素的应用
团簇同位素的应用基于同位素体之间取代的热力学效应。在同位素平衡时，甲烷同位素体（如13CH3D 和12CH2D2）的浓度仅取决于温度，且呈函数关系。当 C-H 键处于平衡状态时，团簇同位素可确定 C1的形成温度，为确定天然气的形成温度提供了重要潜力。
未来研究展望
轻烃作为油气的关键组分，其化学和同位素组成蕴含宝贵的地球化学信息。分离技术、同位素分析和高分辨率质谱分析的最新进展为轻烃的同位素和化学组成提供了越来越精确的见解，为研究石油的形成和转化过程提供了新视角。尽管轻烃应用研究已较为广泛，但仍存在一些挑战，如利用当前轻烃参数准确识别多源混合油或重叠次生效应油的贡献等，这些挑战可能通过先进分析技术（如位置特异性同位素和团簇同位素分析与其他前沿技术结合）来解决。
结论
本研究探讨了基于轻烃同位素和化学组成识别天然气不同成因模式的方法。腐殖型气的轻烃碳同位素通常比腐泥型气重。在热演化过程中，可根据轻烃组分的不同形成速率有效区分油裂解气和干酪根裂解气。生物降解会导致碳同位素变轻和特定轻烃组分的异常富集。
利益声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究受国家自然科学基金（批准号：42173054）资助。作者感谢主编 Massimo Zecchin、审稿人 B.J.Katz 和一位匿名审稿人提出的宝贵建设性意见，这些意见显著提升了 manuscript。
