在蒸发过程中利用氢和碳同位素分馏对轻质烃进行研究：对中国西北塔里木盆地轻质油的成因机制的洞察

《Organic Geochemistry》：Applications of contrasting hydrogen and carbon isotope fractionation of light hydrocarbons during evaporation: insights into the formation of light oils in the Tarim Basin, NW China

　　

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  在变质作用驱动化合物内部耦合的过程中，源控同位素基线起着关键作用。
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  结合使用碳和氢同位素可以区分蒸发分馏效应。
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  分子和同位素趋势的脱钩表明存在叠加的二次变质作用。

引言

随着全球勘探向深部和超深部油田转移，轻质油和凝析油（LOCs）已成为石油勘探和开发的主要目标（He et al., 2023; Jia and Zhang, 2023; Peng and Jia, 2021; Wang et al., 2020）。作为LOCs的主要成分，轻质烃（C₆–C₁₃）在缺乏传统生物标志物的情况下，成为了重要的地球化学指示剂（Mango, 1997）。轻质烃的分子和碳同位素组成被广泛用于确定来源有机物类型和沉积环境（Hu et al., 2008; Hu et al., 1990; Liu et al., 2015; Mango, 1987; Wever, 2000），量化热成熟度（Thompson, 1983; Xie et al., 2019; Yang et al., 2025; Zhang et al., 2025），以及识别二次变质过程（Chai et al., 2020; Halpern, 1995; Sun et al., 2025; Thompson, 1987）。轻质烃的氢同位素组成，尤其是C₇化合物的氢同位素组成，最近在确定深部石油的来源方面显示出了巨大的潜力（Cheng et al., 2025; Deng et al., 2023; Liu et al., 2024; Wang et al., 2024）。

蒸发分馏是LOCs中的关键二次变质过程（Losh et al., 2002; Thompson, 1987; Zhang, 2000）。然而，使用传统的轻质烃参数（nC₇/MCH 和 Tol/nC₇）来识别蒸发分馏往往会被热成熟度和腐殖质来源的叠加效应所掩盖。具体来说，由于腐殖质油具有较低的Tol/nC₇和较高的nC₇/MCH比率，它们常被误认为未受到蒸发分馏的影响。相反，腐殖质来源的油天然具有较高的Tol/nC₇和较低的nC₇/MCH比率（Wang et al., 2024），这些比率很容易被误认为是广泛蒸发分馏的产物。此外，由石油深度热裂解产生的Tol/nC₇和nC₇/MCH比率的变化趋势与蒸发分馏引起的趋势非常相似（Yang et al., 2025）。

轻质烃与蒸发类似过程相关的碳和氢同位素分馏行为的差异可能是解决上述模糊性的关键方法。这一众所周知的规则是：随着蒸发的进行，残余液态烃中D元素逐渐减少（逆向同位素分馏；Bai et al., 2013; Liu et al., 2024; Wang and Huang, 2001, Wang and Huang, 2003），而¹³C元素逐渐富集（正向同位素分馏；Bouchard et al., 2008; Liang et al., 2017a; Xiao et al., 2012）。这一规律在环境研究中经常被使用。相比之下，热成熟和生物降解通常会导致残余烃中¹³C和D元素同时富集（Mancini et al., 2003; Reeves et al., 2012; Schimmelmann et al., 2006; Sun et al., 2005）。然而，逆向氢同位素分馏的实用性在深部和超深部碳氢化合物储层中仍大多未得到应用。

为了验证对比碳和氢同位素分馏在解析LOCs起源方面的诊断价值，从中国塔里木盆地收集了42个LOC样本。作为中国最大的沉积盆地，塔里木盆地 memiliki广泛的腐殖质和腐殖质来源的LOCs积累，分布在从浅层到超深层的地层中（Deng et al., 2023; Jia and Zhang, 2023; Liang et al., 2017b; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2011; Zhu et al., 2021）。此外，先前的研究表明，不同构造单元中蒸发分馏和热成熟对LOC积累的相对贡献差异很大。例如，尽管塔中西油区的LOCs具有相似的腐殖质来源，但主要受蒸发分馏控制（Cheng et al., 2025; Zhang et al., 2021; Zhu et al., 2019b），而顺北油区的LOCs经历了更复杂的二次变质过程，包括多阶段的蒸发分馏和热变质叠加（Bian et al., 2023b; Qiao et al., 2024a, Qiao et al., 2024b）。此外，迪纳油区的LOCs代表了典型的腐殖质来源流体（Deng et al., 2023; Wu et al., 2016; Zhu et al., 2012）。本研究通过聚焦这三个代表性油区，旨在利用逆向氢同位素分馏趋势来区分蒸发分馏与其他二次变质作用。

章节片段

地质背景

塔里木盆地是一个大型叠加盆地，形成于古生代到中生代-新生代大陆前陆盆地。这一独特的演化路径造就了漫长的地质历史、复杂的构造格局和多样的碳氢化合物积累模式（Jia and Wei, 2002; Zhang et al., 2002; Zhu et al., 2019a）。该盆地包括库卡、西南、汤古和东南坳陷，以及塔北、塔中西、塔东、巴楚和东南抬升区（图1）

样品

本研究从Ordovician和Paleogene时期的三个代表性构造单元的储层中收集了42个油样（表1，图2）：塔中西抬升区（n = 20，图1b），顺北油区的Shuntuoguole低抬升区（n = 13，图1c），以及库卡坳陷的迪纳油/气田（n = 9，图1d）。塔中西油区的油密度范围为0.752–0.846 g/cm³（主要为0.78–0.83 g/cm³

轻质烃组成

气相色谱图显示，C₇烃（n-庚烷、甲基环己烷和甲苯）根据洗脱顺序表现出两种不同的分布模式。第一种是以n-庚烷为主的“正常L形”分布（例如，样本ZG103、ZG432），第二种则表现为富含甲基环己烷和甲苯的“倒L形”分布（例如，样本DN201、DN22，图3a）。与塔中西和顺北油区的油样相比，迪纳油区的油样具有不同的分布特征

利用分子代用指标对LOC进行分类和热成熟度评估

根据Mango（1994）的参数，研究样本被分为两组。Mango（1994）提出了轻质烃的稳态催化动力学模型。K₁值是评估源岩遗传信息和热演化特征的关键参数。由于K₁对蒸发分馏引起的微小成分变化不敏感（Liu et al., 2026），它保留了原始来源的特征。因此，大多数K₁值在这个模型中仍然有效

结论

来源有机物主要控制了轻质烃的δ¹³C和δD值及其化合物间的分布模式。迪纳油区的腐殖质LOCs相对富集¹³C而贫乏D，与塔中西和顺北油区的腐殖质LOCs相比。特别是，甲苯和甲基环己烷之间的相对同位素偏移（δD_Tol δD_MCH在腐殖质LOCs中，而δD_Tol < δD_MCH在腐殖质LOCs中）为区分沉积环境提供了潜在的指标

CRediT作者贡献声明

刘文娜：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。刘晓东：撰写——审稿与编辑、验证。贾王璐：撰写——审稿与编辑、验证、资源获取。陈建：撰写——审稿与编辑、资源管理。李美军：撰写——审稿与编辑、资源管理。张海祖：撰写——审稿与编辑、资源管理。彭平安：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的潜在财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42125304）和油气重大专项（2025ZD1400201）的财政支持。我们感谢副主编Sun Yongge博士、Chen Zhonghong博士和Wang Huajian博士提供的富有洞察力和建设性的评论和建议，这些都对提高手稿质量起到了重要作用。同时，我们也感谢主编Clifford C. Walters在编辑工作上的帮助。