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巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-18 08:04:30 更新時(shí)間：2025-08-17 08:04:30

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素檢測(cè)：技術(shù)原理與應(yīng)用分析

巖石有機(jī)質(zhì)中的氫元素含量是評(píng)價(jià)其生烴潛力和有機(jī)質(zhì)類型的重要參數(shù)之一，尤其在石油地質(zhì)學(xué)、頁(yè)巖氣勘探及沉積盆地演化研究中具有關(guān)鍵意義。氫元素作為有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的核心組成部分，直接影響有機(jī)質(zhì)的熱演化程度、成熟度以及生成油氣的能力。因此，對(duì)巖石樣品中氫元素的準(zhǔn)確檢測(cè)，不僅有助于判別有機(jī)質(zhì)的類型（如腐殖型、腐泥型或混合型），還能為油氣資源評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。目前，實(shí)驗(yàn)室中廣泛采用的檢測(cè)技術(shù)主要依賴于元素分析儀、熱解分析儀以及質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等先進(jìn)設(shè)備，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫元素的高靈敏度、高重復(fù)性測(cè)定。檢測(cè)過(guò)程中，樣品需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)處理，如去除碳酸鹽、硫化物等無(wú)機(jī)雜質(zhì)，以確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。檢測(cè)方法通常包括高溫燃燒法、熱解-質(zhì)譜法（Py-GC/MS）以及元素分析-同位素比值質(zhì)譜法（EA-IRMS），每種方法各有優(yōu)勢(shì)，適用于不同類型的樣品與研究目的。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)際上普遍遵循美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（U）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）中關(guān)于巖石有機(jī)質(zhì)元素分析的相關(guān)規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的可比性和科學(xué)性。以下將從檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)儀器、檢測(cè)方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)方面，系統(tǒng)闡述巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素檢測(cè)的技術(shù)體系。

檢測(cè)項(xiàng)目

巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素檢測(cè)的主要項(xiàng)目包括：總氫含量（H_total）、可燃?xì)浜浚℉_free）、氫指數(shù)（HI，Hydrogen Index），以及氫同位素比值（δ²H）。其中，氫指數(shù)是衡量單位有機(jī)碳中氫元素相對(duì)含量的重要指標(biāo)，常用于判斷有機(jī)質(zhì)的成熟度和類型。例如，高氫指數(shù)（>300 mg H/g TOC）通常指示富氫的腐泥型有機(jī)質(zhì)，具有較強(qiáng)的生油潛力；而低氫指數(shù)（<50 mg H/g TOC）則多對(duì)應(yīng)于干酪根類型Ⅲ，主要生成天然氣。此外，氫同位素比值分析可揭示有機(jī)質(zhì)的來(lái)源及其成因過(guò)程，尤其在古環(huán)境重建和有機(jī)質(zhì)成因判別中廣泛應(yīng)用。

檢測(cè)儀器

目前用于巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素檢測(cè)的主要儀器包括：

元素分析儀（Elemental Analyzer, EA）：通過(guò)高溫燃燒將樣品中的有機(jī)質(zhì)完全氧化，生成的氣體產(chǎn)物經(jīng)氣相色譜分離后由熱導(dǎo)檢測(cè)器或質(zhì)譜儀檢測(cè)氫元素含量，精度可達(dá)±0.1 wt%。
熱解-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Pyrolysis-GC/MS）：在可控升溫條件下使有機(jī)質(zhì)熱解，釋放出氫氣和揮發(fā)性有機(jī)物，通過(guò)質(zhì)譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫同位素或氫含量變化，適用于動(dòng)態(tài)演化過(guò)程研究。
元素分析-同位素比值質(zhì)譜儀（EA-IRMS）：結(jié)合元素分析與同位素比值質(zhì)譜技術(shù)，可同時(shí)測(cè)定氫元素含量及其同位素組成（δ²H），是研究有機(jī)質(zhì)來(lái)源與演化路徑的“金標(biāo)準(zhǔn)”。
X射線熒光光譜儀（XRF）輔助分析：雖不直接測(cè)氫，但可用于快速篩查樣品中無(wú)機(jī)元素干擾，輔助前處理決策。

檢測(cè)方法

巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素的檢測(cè)通常采用以下標(biāo)準(zhǔn)方法：

高溫燃燒-氣相色譜法（TC/EA-GC）：樣品在高溫（1000–1400°C）下與氧氣充分燃燒，生成的氫以水的形式釋放，經(jīng)脫水后由氣相色譜檢測(cè)，結(jié)合外標(biāo)法進(jìn)行定量。
熱解-質(zhì)譜法（Py-GC/MS）：在惰性氣氛中逐步升溫（如300–600°C），使有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，釋放的氫氣及烴類產(chǎn)物由質(zhì)譜實(shí)時(shí)分析，可獲取氫釋放的溫度特征與分布規(guī)律。
元素分析-同位素比值質(zhì)譜法（EA-IRMS）：將樣品燃燒后生成的水蒸氣導(dǎo)入質(zhì)譜儀，通過(guò)比較²H與¹H的相對(duì)豐度，計(jì)算δ²H值，可揭示氫的來(lái)源與演化過(guò)程。
標(biāo)準(zhǔn)樣品比對(duì)法：使用已知?dú)浜康臉?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（如IAGS-1、NBS-22）進(jìn)行校準(zhǔn)，確保儀器穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可靠性。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為保證檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性、可比性和權(quán)威性，國(guó)內(nèi)外已建立一系列關(guān)于巖石有機(jī)質(zhì)氫元素檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主要包括：

GB/T 32519-2016《巖石有機(jī)質(zhì)元素分析方法》：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了巖石樣品的前處理、檢測(cè)儀器、分析流程及質(zhì)量控制要求，適用于地質(zhì)調(diào)查與油氣勘探領(lǐng)域。
U Methods in Geochemistry：美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法，強(qiáng)調(diào)樣品純化、儀器校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)驗(yàn)證，廣泛用于國(guó)際科研合作。
ISO 14713:2014《Solid fuels — Determination of elemental composition by combustion method》：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的固體燃料元素分析標(biāo)準(zhǔn)，適用于含有機(jī)質(zhì)巖石的氫、碳、氮等元素檢測(cè)。
ASTM D5373-19《Standard Test Method for Elemental Analysis of Organic Materials by Combustion》：美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了燃燒法測(cè)定有機(jī)材料中氫元素的實(shí)驗(yàn)步驟與精度要求。

綜上所述，巖石有機(jī)質(zhì)中氫元素的檢測(cè)是一項(xiàng)高度標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)密集型的工作。通過(guò)合理選擇檢測(cè)項(xiàng)目、先進(jìn)儀器、科學(xué)方法及遵循國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)質(zhì)氫特征的精準(zhǔn)刻畫(huà)，為油氣資源評(píng)價(jià)、古環(huán)境重建與地質(zhì)演化研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。