黃士鵬，段書府，汪澤成，江青春，姜華，蘇旺，馮慶付，黃彤飛，袁苗，任夢(mèng)怡，陳曉月

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

0 引言

1H和2H（D）相對(duì)于其他穩(wěn)定同位素組成具有最大的同位素組成質(zhì)量差異，使得有機(jī)質(zhì)的氫同位素組成值域具有很寬的范圍[1]。在分析天然氣成因類型、母質(zhì)來源、成熟度、混合作用以及生物降解、硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)（TSR）等方面，烷烴氣氫同位素組成結(jié)合碳同位素組成和烷烴氣組分發(fā)揮著非常重要的作用[2-19]。相對(duì)于碳同位素組成，烷烴氣氫同位素組成的影響因素更為多樣且復(fù)雜，除了母質(zhì)類型、成熟度以及生物降解和TSR以外，烴源巖沉積時(shí)以及發(fā)生成巖作用時(shí)的水體環(huán)境（如鹽度等）也發(fā)揮著重要作用[20-21]。

前人對(duì)鄂爾多斯盆地二疊系以及四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣的氫同位素組成特征開展了大量研究，并依據(jù)烷烴氣碳?xì)渫凰亟M成以及組分特征分析了其天然氣的成因、來源，證明該地區(qū)天然氣均為煤成氣[22-32]，并提出了鑒別天然氣成因和Ro值的氫同位素組成指標(biāo)[19,29]。另外，部分學(xué)者對(duì)影響烷烴氣氫同位素組成的影響因素進(jìn)行了探討[19,29]。然而，前人關(guān)于這兩個(gè)盆地二疊系天然氣以及上三疊統(tǒng)須家河組天然氣（甲烷及其同系物）的氫同位素組成、影響因素探討大多僅是對(duì)單一盆地進(jìn)行論述，雖然有的進(jìn)行了對(duì)比分析[29]，但僅限于甲烷的氫同位素組成，對(duì)于乙烷、丙烷等重?zé)N氣的氫同位素組成、影響因素、成熟度和天然氣成因鑒別指標(biāo)的討論較少。本文將依據(jù)鄂爾多斯盆地二疊系和四川盆地上三疊統(tǒng)煤成氣的氫同位素組成，明確不同地區(qū)烷烴氣氫同位素組成特征，對(duì)比兩個(gè)盆地煤成氣氫同位素組成差異性，分析不同因素對(duì)其影響的程度，優(yōu)選適用于鑒別和判識(shí)天然氣成因類型及Ro值的烷烴氣氫同位素組成指標(biāo)，力爭(zhēng)在發(fā)展完善煤成氣成因和鑒別理論及在天然氣勘探中發(fā)揮重要作用。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中國(guó)重要的含油氣盆地之一，地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)穩(wěn)定，具有中生界含油、古生界含氣，淺部含油、深部含氣的特征[33]。古生界面積約25×104km2，具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，下古生界為海相碳酸鹽巖、膏巖沉積，上古生界為陸相碎屑巖、煤系沉積（見圖1）。盆地上古生界二疊系發(fā)育大型河流-三角洲沉積、儲(chǔ)集砂體大面積展布、煤系普遍發(fā)育，相繼發(fā)現(xiàn)了榆林、烏審旗、大牛地、蘇里格、子洲、神木、延安等千億立方米級(jí)探明儲(chǔ)量的大型氣田，已累計(jì)探明煤成氣地質(zhì)儲(chǔ)量5.24×1012m3[34]。煤層厚度一般為10～15 m，局部達(dá)40 m，暗色泥巖累計(jì)厚度可達(dá)200 m，中、東部泥巖厚度一般為70 m[35-36]。泥巖TOC值一般為2%～4%，煤TOC值平均可達(dá)60%，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型，部分泥巖為Ⅱ2型。鄂托克旗—烏審旗—子洲以北石炭系烴源巖Ro值小于2.0%，以南則達(dá)過成熟階段，靖邊—宜川—慶陽(yáng)以西地區(qū)Ro值大于2.4%[37]。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系—中二疊統(tǒng)綜合柱狀圖

四川盆地也是中國(guó)重要的含油氣盆地之一，盆地面積約18×104km2，自印支后期開始經(jīng)歷燕山期與喜馬拉雅期的多期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局[38]。震旦系—中三疊統(tǒng)為海相沉積，以碳酸鹽巖沉積為主，上三疊統(tǒng)—第四系主要為一套碎屑巖[38]。其中上三疊統(tǒng)須家河組為前陸盆地沉積，開始沉積時(shí)，海水逐漸從盆地西南部退出，主要為陸相半咸水—淡水河流-三角洲-湖泊碎屑巖沉積[37]。2005年以來，在四川盆地須家河組相繼發(fā)現(xiàn)廣安、合川等大型氣田[39]。須家河組在盆內(nèi)厚度差異較大，總體呈現(xiàn)從北西—南東方向逐漸減薄的趨勢(shì)[40]。從下至上劃分為須一段—須六段（T3x1—T3x6）（見圖2），其中須一段為海陸交互相沉積，上部的須二段—須六段為陸相沉積。須一、三和五段主要發(fā)育暗色泥巖和煤層，是重要的烴源巖層段，須二、四和六段以砂巖和粉砂巖為主，為主要的儲(chǔ)集層段，形成了有利的源-儲(chǔ)成藏組合[41]。須家河組泥巖有機(jī)質(zhì)極為豐富，有機(jī)碳含量為0.5%～9.7%，平均為1.96%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2型和Ⅲ型為主[42]。須家河組烴源巖Ro呈現(xiàn)西北高、東南低的特征，須一段Ro值為1.0%～2.5%，大部分處于高成熟—過成熟階段；須三段Ro值為1.0%～1.9%，旺蒼—南充—遂寧—雅安以西達(dá)到高成熟，四川盆地中部地區(qū)（后文簡(jiǎn)稱“川中地區(qū)”）和四川盆地南部地區(qū)（后文簡(jiǎn)稱“川南地區(qū)”）大致分布在1.0%～1.3%；須五段Ro值為0.9%～1.5%[37]。

圖2 四川盆地三疊系須家河組綜合柱狀圖

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

在鄂爾多斯盆地和四川盆地分別采集8口井和5口井的天然氣樣品，在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院進(jìn)行組分含量和穩(wěn)定碳、氫同位素組成測(cè)試，同時(shí)結(jié)合搜集的前人公開發(fā)表的175井次天然氣組分和碳、氫同位素組成數(shù)據(jù)，其中包括68個(gè)四川盆地震旦系、寒武系以及塔里木盆地奧陶系、志留系以及石炭系的天然氣數(shù)據(jù)[16,31,43-48]，進(jìn)行綜合對(duì)比分析，天然氣組分及氫同位素組成數(shù)據(jù)見表1、表2。

鄂爾多斯盆地二疊系以及四川盆地三疊系須家河組天然氣中烷烴氣組分占比最大，且甲烷及重?zé)N氣含量隨著碳數(shù)增加而逐漸減小，含有少量的二氧化碳和氮?dú)狻?/p>

鄂爾多斯盆地二疊系天然氣甲烷含量為86.05%～96.68%，平均含量為92.86%；乙烷含量為0.30%～8.37%，平均值為3.43%；丙烷含量為0.02%～2.33%，平均值為0.68%；丁烷含量為0.01%～1.13%，平均值為0.32%。在干燥系數(shù)（C1/C1—4）方面，鄂爾多斯盆地南部（延安氣田）天然氣的值明顯較高，分布區(qū)間為0.991～0.997，平均值為0.994，均為典型的干氣；北部地區(qū)（蘇里格、榆林、大牛地、子洲、米脂、東勝等氣田）的天然氣干燥系數(shù)分布相對(duì)較寬，值域?yàn)?.882～0.983，平均值為0.946，大部分天然氣為濕氣。盆地除了南部的延安氣田以外，甲烷及其同系物氫同位素組成主體上隨著碳數(shù)的增加而逐漸變重（δ2HCH4<δ2HC2H6<δ2HC3H8）（見圖3a），延安氣田甲烷和乙烷氫同位素組成發(fā)生倒轉(zhuǎn)（δ2HCH4>δ2HC2H6）（見圖3b）。甲烷氫同位素組成值域?yàn)?210‰～-163‰，平均值為-186‰；乙烷氫同位素組成值域?yàn)?197‰～-150‰，平均值為-169‰；丙烷氫同位素組成范圍為-183‰～-134‰，平均值為-160‰。

四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣甲烷含量為83.86%～96.50%，平均含量為89.99%；乙烷含量為1.57%～10.13%，平均值為6.06%；丙烷含量為0.12%～3.86%，平均值為1.70%；丁烷含量值為0.03%～2.32%，平均值為0.78%。盆地西部天然氣干燥系數(shù)分布區(qū)間為0.885～0.982，平均值為0.937，大部分為濕氣；中部地區(qū)的天然氣干燥系數(shù)較西部要小一些，值域?yàn)?.853～0.964，平均值為0.892，絕大部分為濕氣。氫同位素組成方面，甲烷及其同系物隨著碳數(shù)的增加而逐漸變重（見圖3c—圖3d）。甲烷氫同位素組成值域?yàn)?173‰～-147‰，平均值為-162‰；乙烷氫同位素組成值域?yàn)?147‰～-108‰，平均值為-129‰；丙烷氫同位素組成范圍為-139‰～-96‰，平均值為-119‰。

表1 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系天然氣地球化學(xué)組成

表2 四川盆地三疊系須家河組天然氣地球化學(xué)組成

3 烷烴氣氫同位素組成的影響因素

3.1 母質(zhì)繼承性

3.1.1 天然氣母質(zhì)類型

烷烴氣氫同位素組成與碳同位素組成一樣，均受烴源巖母質(zhì)的影響，即具有母質(zhì)繼承性[4,9,11]。海洋中或者高鹽度的湖相環(huán)境下沉積的烴源巖，其生成的天然氣具有富2H的特征[3,43]，因此可以利用烷烴氣氫同位素組成來判斷天然氣的成因，進(jìn)而判斷烴源巖的干酪根類型。應(yīng)用δ13CCH4-C1/C2+3天然氣成因判別圖版（見圖4）[10]，可以看出鄂爾多斯盆地二疊系以及四川盆地三疊系須家河組天然氣均分布在Ⅲ型干酪根區(qū)域，表明該天然氣為煤成氣，這一認(rèn)識(shí)與前人的觀點(diǎn)[8,24-26,44]一致。四川盆地安岳氣田震旦系、寒武系天然氣以及塔里木盆地輪南、塔中奧陶系、志留系和石炭系天然氣乙烷碳同位素組成均輕于-28.5‰，并且在δ13CCH4-C1/C2+3天然氣成因判別圖版上主要分布在Ⅱ型干酪根區(qū)域，說明這部分天然氣為油型氣，這也與前人認(rèn)識(shí)一致[16,45-49]。應(yīng)用四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地天然氣數(shù)據(jù)（見表1和表2），本文繪制了δ2HCH4-C1/C2+3天然氣成因鑒別圖版（見圖5）。從該圖版來看，腐殖型干酪根生成天然氣即煤成氣的δ2HCH4值一般小于-150‰，C1/C2+3一般小于1 000；腐泥型干酪根生成氣即油型氣的δ2HCH4值一般大于-160‰，C1/C2+3值域分布范圍比煤成氣要廣（見圖5）。隨著成熟度的增加，煤成氣的δ2HCH4值以及C1/C2+3值均逐漸變重/大；圖5中油型氣選用了四川盆地震旦系、寒武系以及塔里木盆地奧陶系、志留系以及石炭系的天然氣，兩個(gè)盆地天然氣的來源有著明顯差異，δ2HCH4值是在-130‰位置發(fā)生了反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了變輕現(xiàn)象，這應(yīng)該是由于不同盆地天然氣來源的母質(zhì)和烴源巖沉積水體環(huán)境的差異造成的。除了δ2HCH4值域?yàn)?160‰～-150‰的少數(shù)天然氣之外，該圖版可以將煤成氣和油型氣較好地加以區(qū)分，鑒別結(jié)果與圖4基本一致，表明了該圖版的有效性，為其他盆地天然氣的成因類型鑒別提供了新的手段。δ2HCH4值域在-160‰～-150‰為煤成氣和油型氣的重合區(qū)，如果有數(shù)據(jù)點(diǎn)落到這個(gè)范圍以內(nèi)，則需要慎重，同時(shí)也說明天然氣的成因鑒別需要多個(gè)參數(shù)綜合對(duì)比，該圖版結(jié)合其他天然氣成因鑒別圖版，可以有效判別天然氣的成因。

圖3 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系以及四川盆地三疊系天然氣氫同位素組成（數(shù)據(jù)來源據(jù)文獻(xiàn)[19,23,25-26,30,32]）

圖4 δ13CCH4-C1/C2+3天然氣成因類型鑒別（底圖據(jù)文獻(xiàn)[10]，

Δδ2HC2H6-CH4是一個(gè)比較好的天然氣成因類型鑒別指標(biāo)[19]。鄂爾多斯盆地二疊系以及四川盆地須家河組天然氣為煤成氣[8,24-26,44]，塔里木盆地奧陶系、志留系和石炭系天然氣為典型的油型氣[16,45-49]，將這些天然氣的重?zé)N氣和甲烷氫同位素組成之差與烷烴氣氫同位素組成做相關(guān)圖（見圖6），發(fā)現(xiàn)（δ2HC2H6-δ2HCH4）-δ2HCH4（見圖6a）、（δ2HC2H6-δ2HCH4）-δ2HC2H6（見圖6b）、（δ2HC2H6-δ2HCH4）-δ2HC3H8（見圖6c）、（δ2HC3H8-δ2HCH4）-δ2HCH4（見圖6d）、（δ2HC3H8-δ2HCH4）-δ2HC2H6（見圖6e）、（δ2HC3H8-δ2HCH4）-δ2HC3H8（見圖6f）等圖版可以用來較好地劃分油型氣和煤成氣。同時(shí)基于圖6可以看出，單純的一個(gè)烷烴氣氫同位素組成界限不能有效地將不同類型的天然氣完全區(qū)分開；因此，在天然氣成因研究中應(yīng)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)綜合對(duì)比，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤鑒別結(jié)論。

圖6 重?zé)N氣和甲烷氫同位素組成之差-烷烴氣氫同位素組成相關(guān)圖（數(shù)據(jù)來源據(jù)文獻(xiàn)[16,19,23,25-26,30-32,45]）

3.1.2 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系與四川盆地須家河組烴源巖干酪根組成差異

顯微組分組成是劃分烴源巖母質(zhì)類型的重要參數(shù)，不同顯微組分的氫同位素組成有著明顯的差異，呈現(xiàn)δ2H惰質(zhì)組>δ2H鏡質(zhì)組>δ2H殼質(zhì)組的分布規(guī)律[9,50]。鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系與四川盆地三疊系須家河組煤的顯微組分組成（見圖7）表明，前者的惰質(zhì)組在鏡質(zhì)組-惰質(zhì)組-殼質(zhì)組+腐泥組三者相對(duì)組成中的比例為3.2%～93.6%，平均值為49.2%；后者的惰質(zhì)組所占比例為0.7%～80.7%，平均值為28.0%[51-52]，前者中的惰質(zhì)組明顯比后者中的占比要高（見圖7）。鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系煤的干酪根穩(wěn)定碳同位素組成為-26.3‰～-21.5‰，49個(gè)樣品平均值為-24.2‰[53]；四川盆地須家河組干酪根碳同位素組成分布范圍為-27.2‰～-24.7‰，平均值為-25.9‰[52-54]，前后兩者間存在較小差異，說明鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系干酪根組成中有相對(duì)較多的陸相高等植物的貢獻(xiàn)。

圖7 鄂爾多斯盆地C—P以及四川盆地三疊系須家河組煤的顯微組分（數(shù)據(jù)來源據(jù)文獻(xiàn)[51]）

鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系相對(duì)于四川盆地須家河組烴源巖的惰質(zhì)組含量較高。按照烷烴氣氫同位素組成繼承性特點(diǎn)，在排除其他控制因素的前提下，推斷鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系煤系生成的烷烴氣氫同位素組成應(yīng)該比四川盆地須家河組煤系生成的烷烴氣要重；然而事實(shí)卻相反，說明相同或相似干酪根類型的母質(zhì)生成的天然氣氫同位素組成可以有較大差異，原始母質(zhì)組成不同對(duì)于烷烴氣氫同位素的組成有一定影響，但是還有其他更為重要的控制因素。

3.2 成熟度

烷烴氣氫同位素組成隨著Ro值的增加而逐漸變重[3-4,6]，相關(guān)學(xué)者也提出了δ2HCH4-Ro的關(guān)系式[3,29]。對(duì)于熱成因氣來說，甲烷的熱穩(wěn)定性最高，成熟度加大的條件下，重?zé)N氣會(huì)逐漸發(fā)生裂解而形成碳數(shù)較小的烴類，最終變成熱力學(xué)上最穩(wěn)定的甲烷[55]，因此干燥系數(shù)（C1/C1-4）可以反映天然氣的成熟程度[2,56]。由于δ13C1-Ro關(guān)系式在確定天然氣成熟度方面應(yīng)用較為成熟，結(jié)合實(shí)際烴源巖成熟度范圍（見圖8），本文中四川盆地川中地區(qū)須家河組天然氣Ro值采用（1）式[57]，其中Ro≤0.9%：

其他地區(qū)煤成氣的Ro值則是采用（2）式[58]：

油型氣的Ro值則是采用（3）式[58]：

圖8 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系以及四川盆地三疊系須家河組天然氣氫同位素組成與干燥系數(shù)以及Ro值關(guān)系

鄂爾多斯盆地北部二疊系天然氣的Ro值為0.55%～2.53%，平均值為1.30%，絕大部分處于成熟—高成熟階段；南部天然氣的Ro值為1.80%～3.03%，平均為2.34%，明顯高于北部，絕大部分為烴源巖過成熟階段的產(chǎn)物；四川盆地西部須家河組天然氣Ro值為0.66%～1.89%，平均值為1.18%，大部分為成熟階段，少部分處于高成熟階段；中部地區(qū)須家河組天然氣Ro值較低，為0.70%～0.87%，平均值為0.76%，均為成熟階段的產(chǎn)物。上述通過計(jì)算得出的天然氣Ro值與實(shí)際的烴源巖Ro相符，鄂爾多斯盆地二疊系天然氣成熟度相對(duì)于四川盆地須家河組天然氣明顯較高。

甲烷氫同位素組成與Ro值以及C1/C1-4的關(guān)系較好，呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系（見圖8a、圖8d）。分別對(duì)不同區(qū)域天然氣甲烷氫同位素組成和Ro值線性回歸后，得出鄂爾多斯盆地二疊系天然氣δ2HCH4與Ro的關(guān)系式如下，其中，R2=0.50，n=80：

川中地區(qū)須家河組天然氣δ2HCH4與Ro值的關(guān)系式如下；其中，R2=0.66，n=22：

鄂爾多斯盆地重?zé)N氣氫同位素組成與Ro值以及C1/C1-4的關(guān)系不是很明顯，沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)（見圖8b、圖8c、圖8f）。鄂爾多斯盆地乙烷氫同位素組成與Ro值看似表現(xiàn)出了一種負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖8e），這是由于盆地南部延安氣田天然氣在高溫條件下乙烷氫同位素組成變得很輕[8,30]，甲乙烷氫同位素組成發(fā)生了倒轉(zhuǎn)所造成的?；谶@一特征，將重?zé)N氣與甲烷氫同位素組成之差與Ro值進(jìn)行擬合（見圖9），發(fā)現(xiàn)二者之間存在有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是（δ2HC2H6-δ2HCH4）-Ro值之間的關(guān)系更加明顯（見圖9a），可以作為一個(gè)指示Ro的判別指標(biāo)。煤成氣關(guān)系式如下，其中，R2=0.57，n=105：

圖9 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系以及四川盆地三疊系須家河組天然氣重?zé)N氣與甲烷氫同位素組成之差和Ro值關(guān)系

除了氫同位素組成以外，重?zé)N氣與甲烷碳同位素組成之差與Ro值之間也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[23,27]，說明天然氣在生成過程中，烷烴氣碳?xì)渫凰亟M成發(fā)生了瑞利分餾，隨著成熟度的逐漸增大，分餾效應(yīng)逐漸減小，重?zé)N氣與甲烷的碳?xì)渫凰亟M成趨于一致，在過成熟階段（Ro>2.2%）時(shí)，甚至出現(xiàn)甲、乙烷碳?xì)渫凰亟M成發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

鄂爾多斯盆地南部延安大氣田甲烷、乙烷的碳、氫同位素組成普遍發(fā)生倒轉(zhuǎn)（即δ13CCH4>δ13CC2H6、δ2HCH4>δ2HC2H6）（見表1和圖3）。與無機(jī)烷烴氣的原生型負(fù)碳同位素組成系列相對(duì)應(yīng)，戴金星等將類似于延安大氣田中的烷烴氣碳同位素組成完全倒轉(zhuǎn)，稱為次生型負(fù)碳同位素系列[8]。關(guān)于商業(yè)氣田中大規(guī)模的次生型負(fù)碳同位素系列形成的原因有多種解釋：①高過成熟條件下烴源巖滯留烴的裂解[8,59]；②擴(kuò)散作用[8,60]；③過渡金屬和水介質(zhì)在250～300 ℃地溫環(huán)境下發(fā)生氧化還原作用導(dǎo)致乙烷和丙烷瑞利分餾[61]；④地溫高于200 ℃[62]。延安大氣田二疊系天然氣的Ro值為1.80%～3.03%，平均值為2.34%，與該地區(qū)石炭系—二疊系烴源巖的Ro值相吻合，說明天然氣是在高溫條件下所生成。綜合上述造成烷烴氣碳同位素組成完全倒轉(zhuǎn)的原因，發(fā)現(xiàn)高溫作用（過成熟）是一種最為重要的控制因素，而這也是烷烴氣氫同位素組成發(fā)生完全倒轉(zhuǎn)的主要因素，在此主控因素下可由滯留烴二次裂解、擴(kuò)散或者過渡金屬導(dǎo)致瑞利分餾，從而造成烷烴氣氫同位素組成的完全倒轉(zhuǎn)。

塔里木盆地塔中奧陶系—石炭系天然氣出現(xiàn)烷烴氣氫同位素組成局部倒轉(zhuǎn)，即δ2HCH4>δ2HC2H6<δ2HC3H8，而烷烴氣碳同位素組成為正常序列。天然氣的同位素組成倒轉(zhuǎn)有很多種因素[63]，其中一個(gè)重要因素為不同成熟階段天然氣混合。由于1H和2H（D）相對(duì)于其他穩(wěn)定同位素組成具有最大的同位素質(zhì)量差異，氫同位素組成分餾效應(yīng)明顯比碳同位素組成明顯，使得后期更高熱演化階段的干氣（如干酪根裂解氣）與高成熟階段的油裂解氣混合時(shí)發(fā)生了甲烷氫同位素組成與乙烷氫同位素組成的倒轉(zhuǎn)，而由于這種混合程度較低，沒有觸發(fā)碳同位素組成達(dá)到倒轉(zhuǎn)的程度，這就形成了塔里木盆地奧陶系—石炭系部分天然氣甲烷和乙烷碳同位素組成為正常序列，而氫同位素組成反而出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)。WU等[64]也認(rèn)為造成塔中氣田奧陶系天然氣氫同位素組成倒轉(zhuǎn)是不同烴源巖來源的腐泥型天然氣或者是相同來源的不同成熟階段氣的混合所造成。

3.3 水體介質(zhì)條件

在實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)，水直接參與了天然氣的生成；水與烴源巖發(fā)生了氫交換，進(jìn)而影響了所生成烷烴氣的穩(wěn)定氫同位素組成[29,65-67]。盡管烷烴氣與水體可以發(fā)生氫的交換[15,66]，但是這種反應(yīng)在自然條件下，速度極慢，比如在溫度超過200～240 ℃的上億年時(shí)間內(nèi)，δ2HCH4幾乎沒有發(fā)生變化[4,66]；所以天然氣在生成之后，其與水體的氫同位素組成交換可以被忽略[29]，只考慮烴源巖沉積時(shí)的水體環(huán)境即可。

沉積相研究表明，須家河組開始沉積時(shí)，海水從四川盆地西南部地區(qū)逐漸退出[67-68]，須一段為海陸過渡相，須二段—須六段為陸相沉積[40]，但是海綠石礦物以及生物標(biāo)志化合物組成特征表明須二段—須三段沉積期存在海侵現(xiàn)象[69-70]。Sr/Ba值與古鹽度呈正相關(guān)關(guān)系[71-72]，對(duì)比四川盆地須家河組與鄂爾多斯盆地太原組—山西組Sr/Ba值發(fā)現(xiàn)，前者分布區(qū)間為0.2～1.0，須一段可達(dá)1.0，須二段—須三段部分層段大于0.5[73]，而鄂爾多斯盆地除了太原組部分層段樣品Sr/Ba值大于0.5以外，山西組Sr/Ba值普遍小于0.5[74-75]。通過分析硼、鍶、鋇以及鉀元素含量，確定須家河組從下到上鹽度逐漸降低，須一段和須二段的古鹽度比較高，達(dá)到了37‰[68,72]。鄂爾多斯盆地石炭系本溪組和二疊系太原組為陸表海沉積環(huán)境[76-77]，而山西組則為海陸過渡相沉積[74]。通過硼元素和黏土礦物計(jì)算的太原組—山西組的古鹽度表現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì)，太原組古鹽度為5.79‰～44.61‰，平均值為24.18‰；山西組為8.32‰～39.78‰，平均值為18.45‰[74]。

從以上論述可知，四川盆地須家河組須一段—須三段沉積環(huán)境的古鹽度要高于鄂爾多斯盆地太原組和山西組。四川盆地須家河組相對(duì)于鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系干酪根碳同位素組成偏輕、顯微組分中氫同位素組成偏重的惰質(zhì)組含量較低、且烴源巖Ro值又較低，但是其天然氣的氫同位素組成要明顯重于后者；這說明，烴源巖沉積環(huán)境的水體介質(zhì)條件，特別是古鹽度對(duì)烷烴氣氫同位素的組成具有極為重要的影響。

四川盆地川中地區(qū)須家河組烷烴氣氫同位素組成要普遍重于川西地區(qū)（見圖3），前者的Ro值較低，說明Ro值對(duì)于須家河組烷烴氣氫同位素組成的控制作用相對(duì)古鹽度并不明顯，川中地區(qū)古鹽度相對(duì)較高是造成其烷烴氣氫同位素組成重于川西地區(qū)的重要因素。

四川盆地安岳氣田震旦系天然氣Ro值為3.35%～4.42%，平均值為3.79%；寒武系天然氣Ro值為2.98%～4.36%，平均值為3.90%，兩個(gè)層系天然氣的成熟度差異并不明顯，但是震旦系天然氣甲烷氫同位素組成要輕于寒武系（見圖5）。震旦系天然氣來源于筇竹寺組和燈影組三段泥巖，寒武系天然氣則主要來源于筇竹寺組[47-49]。大量的伽馬蠟烷指示烴源巖沉積時(shí)的強(qiáng)還原超鹽度環(huán)境[78-79]，伽馬蠟烷/C30藿烷值能夠反映烴源巖沉積水體的鹽度[78]。從伽馬蠟烷/C30藿烷值來看，筇竹寺組烴源巖的值要低于燈影組[80]，雖然沒有就伽馬蠟烷絕對(duì)含量進(jìn)行比較，但伽馬蠟烷/C30藿烷值也在一定程度上說明筇竹寺組烴源巖沉積時(shí)的水體鹽度要高于燈影組烴源巖。兩套氣層天然氣氫同位素組成的區(qū)別是由于燈三段和筇竹寺組烴源巖沉積水體環(huán)境的差異造成的，這一認(rèn)識(shí)和前人的觀點(diǎn)[47,81]相一致。

四川盆地安岳氣田的成熟度要明顯高于塔里木盆地奧陶系天然氣，但是前者的δ2HCH4值，特別是震旦系天然氣的δ2HCH4值要比塔里木奧陶系天然氣輕，即前文提到δ2HCH4值在-130‰位置發(fā)生了反轉(zhuǎn)（見圖5）。通過查閱文獻(xiàn)，關(guān)于四川盆地寒武系筇竹寺組、燈三段烴源巖以及塔里木盆地寒武系、奧陶系烴源巖的伽馬蠟烷絕對(duì)含量以及Sr/Ba比值等的研究鮮有報(bào)道，故不能比較兩個(gè)盆地?zé)N源巖沉積時(shí)的水體鹽度。由于分屬于兩個(gè)盆地，烴源巖的沉積時(shí)代、母質(zhì)組成有著巨大差異，作者團(tuán)隊(duì)推測(cè)“四川盆地震旦系天然氣甲烷氫同位素組成輕于塔里木盆地奧陶系天然氣”的原因是由于烴源巖母質(zhì)組成和沉積水體環(huán)境的差異造成的。

4 結(jié)論

鄂爾多斯盆地二疊系和四川盆地三疊系須家河組天然氣均為典型的煤成氣，前者干燥系數(shù)、成熟度普遍高于后者，而后者的烷烴氣穩(wěn)定氫同位素組成要明顯比前者更重。

建立δ2HCH4-C1/C2+3天然氣成因鑒別圖版，并提出重?zé)N氣與甲烷氫同位素組成之差和烷烴氣氫同位素組成相關(guān)圖可以用來鑒別天然氣成因。在兩個(gè)盆地分區(qū)域建立了煤成氣δ2HCH4-Ro關(guān)系式，并提出了煤成氣（δ2HC2H6-δ2HCH4）-Ro關(guān)系式，為煤成氣成熟度判別提供了新的指標(biāo)。

烷烴氣穩(wěn)定氫同位素組成值受到烴源巖母質(zhì)、成熟度、天然氣混合和烴源巖沉積水體介質(zhì)等多重因素的控制，其中沉積水體鹽度是其中極為重要且關(guān)鍵的一種因素。