天然气是一种清洁能源，在全球能源转变的过程中发挥着重要作用。稳定同位素组成被广泛用于天然气来源和成熟度研究。随着分析技术的发展，稳定同位素分析已经从总同位素分析（BSIA）发展到单体化合物同位素分析（CSIA）、化合物分子内特定位置同位素分析（PSIA）和团簇同位素（Clumped Isotope）阶段。分析物含量是影响同位素比质谱（IRMS）测定结果准确性的主要因素之一。然而，天然气中C2–C5气态烃的相对体积含量通常低于0.1%，尤其是高成熟天然气中C3+重烃气常不足0.01%，这导致C2+气态烃的同位素难以测定或测定的数据误差很大，阻碍了稳定同位素指标在天然气成因和来源方面的应用。
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生刘文在导师熊永强研究员、李芸特任研究员、蒋文敏副研究员的指导下，建立了一种简单、快速的低含量C2+气态烃在线富集方法，特别适合于单个气态烃的CSIA和丙烷的PSIA的精确测定。该方法在现有GC-IRMS或GC-Py-GC-IRMS分析平台基础上，在进样口前端增加了低温冷冻富集装置（图1）。对比不同进样体积下C2+气态烃的富集系数，该方法可以有效提高C2–C5气态烃的含量（图2）。经过该方法富集，用于单体化合物碳和氢同位素组成以及丙烷特定位置碳同位素组成测定的气态烃相对体积含量（相对于天然气总体积）下限由原来的0.05%、0.15%和0.3%分别降至0.001%、0.003%和0.005%。另外，标准样品富集前后同位素组成对比结果显示，该富集方法不会造成明显的同位素分馏。基于该方法，单个气态烃化合物δ13C值和δD值的精度分别为±0.4‰和±2.8‰，丙烷的分子内同位素组成δ13Ca（端元碳）、δ13Cb（中心碳）和SP（δ13Ca - δ13Cb）值的精度分别为±0.3‰、±0.5‰和±0.7‰。该方法已成功用于鄂尔多斯盆地和四川盆地高成熟天然气中低含量气态烃的同位素组成测定，为深层油气成因与来源提供了更多、更准确有效的信息。
图1 测量装置示意图
图2 不同进样体积下C2–C5气态烃的富集系数
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