天然氣組分碳、氫同位素組成
從鄂爾多斯盆地中部氣田古生界部分樣品天然氣組分碳、氫同位素組成表（表5-1）中可見：首先，古生界天然氣各組分的碳同位素值總體上是：δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，也有部分樣品存在碳同位素“倒轉”現象，這可能與母質來源不同、經歷的地質地球化學過程（如熟化、運移分餾、氧化等）不同等有關，應結合實際地質情況來分析。其次，奧陶系風化殼天然氣的δ13C1值壹般大於－36‰，大部分在－31‰～－35‰之間，δ13C2值多在－24‰～－33‰之間，δ13C3多為－23‰～－28‰，δ13C4為－20‰～－25‰，與上古生界石炭—二疊系產層中天然氣組分碳同位素組成差別較小。再次，奧陶系天然氣的δDCH4值為－193‰～－160‰，與上古生界石炭—二疊系的δDCH4值（－185‰～－161‰）也差別不大。
將鄂爾多斯盆地中部氣田奧陶系、石炭—二疊系產層中天然氣組分的碳、氫同位素值進行統計，結果列於表5-4和圖5-4中。不同產層天然氣的碳、氫同位素組成有如下各自的特點：
表5-4 鄂爾多斯盆地中部氣田不同產層天然氣組分的碳、氫同位素比較
（1）奧陶系上部氣層組（ ）與下部氣層組（ ）在甲烷、乙烷碳同位素組成上存在差異，前者的碳同位素較後者變化大。奧陶系上部氣層組的甲烷碳同位素分布範圍為－38.87‰～－28.98‰，平均－33.9‰，主頻為－34.0‰～－32.0‰；乙烷碳同位素分布範圍為－37.53‰～－24.10‰，平均－29.2‰，主頻為－31.0‰～－27.0‰。奧陶系下部氣層組的甲烷碳同位素分布範圍為－36.76‰～－32.63‰，平均—33.8‰，主頻為－35.0‰～－32.0‰；乙烷碳同位素分布範圍為－35.28‰～－24.51‰，平均－31.2‰，主頻為－33.0‰～－29.0‰。可見，奧陶系下部氣層組的碳同位素變化較小，且乙烷碳同位素偏輕（壹般＜-28‰），表現出油型氣的特征。
（2）上古生界石炭—二疊系氣層，甲烷和乙烷碳同位素值也變化較大，甲烷碳同位素範圍為－37.1‰～－29.2‰，平均－33.4‰，主頻為－35.0‰～－30.0‰，乙烷碳同位素分布範圍為－34.3‰～－22.4‰，平均－26.2‰，主頻為－27.0‰～－22.0‰，反映了不同地區的天然氣來源、演化程度及運移情況的差異，但多數樣品的δ13C2值重於－28‰（圖5-4），按張義剛（1991）提出的判別標準（煤成氣δ13C2值＞-28‰，油型氣δ13C2值＜-28‰）評判，上古生界石炭—二疊系天然氣明顯屬於煤成氣。
（3）奧陶系與石炭—二疊系產層天然氣的δ13C3、δ13C4、δDCH4也表現出壹定的差異性：前者的δ13C3、δ13C4值較後者偏負，且前者的δDCH4值較後者偏正（表5-4）。就統計平均值而言，奧陶系產層天然氣的δ13C3、δ13C4、δDCH4值分別為－26.3‰、－23.0‰、－167.1‰；石炭—二疊系產層天然氣的δ13C3、δ13C4、δDCH4值分別為－24.3‰、－22.6‰、—175.3‰，至少說明中部氣田奧陶系與石炭—二疊系產層天然氣的成因特征是有差異的。
值得指出的是，奧陶系氣層甲烷碳同位素與石炭—二疊系氣層相當接近，而乙烷碳同位素與石炭—二疊系氣層差異較大，其原因是與成氣母質類型、熱演化程度及運移作用等多重因素有關。壹般而言，δ13C1值主要與成氣母質類型和熱演化程度有關，隨母質類型變好而減少，隨成熟度增高而增大；δ13C2值則主要與成氣母質類型有關，受熱演化程度影響較小。源於腐殖型母質的煤成氣，富集碳的重同位素而δ13C值偏大，而源於腐泥型母質的油型氣δ13C值偏小。由於δ13C1值隨成熟度增高而增大，因此成熟度相對較低的煤成氣與成熟度相對較高的油型氣在δ13C1值域分布常常可造成疊合現象。同時，運移作用也會對碳同位素分餾產生重要的影響，通常同源天然氣隨運移距離增加，其碳同位素值逐漸變輕。
圖5-4 鄂爾多斯盆地中部氣田古生界不同產層天然氣的甲烷和乙烷碳同位素值分布直方圖
圖5-5為鄂爾多斯盆地中東部奧陶系風化殼天然氣的δ13C1在平面上的變化。從圖中可見，中部氣田以外的地區如北部天然氣甲烷碳同位素最輕，δ13C1值可達－37‰，東部甲烷碳同位素非常重，δ13C1值可大於－32‰。在中部氣田範圍內，δ13C1值變化大多在－31‰～－35‰之間，雖然δ13C1值變化範圍僅為－4‰，但在平面分布上比較復雜，在中部氣田的北部和南部，甲烷碳同位素較重，δ13C1值壹般重於－32‰，最重的可達－30‰；在中部氣田的西部和東部碳同位素較輕，特別是在東部δ13C1值壹般低於－35‰，最輕的可達－38‰。
圖5-5 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系風化殼氣藏的δ13C1平面分布圖
對於鄂爾多斯盆地中東部奧陶系風化殼產層的過成熟天然氣而言，雖然天然氣的不同成因類型和氣源巖有機質成熟度分布均會影響甲烷碳同位素分餾變化，但δ13C1在平面上的上述這種變化（圖5-5）可能主要是天然氣運移分餾造成的。筆者以為，奧陶系風化殼天然氣δ13C1的這種變化可以指示天然氣的運移趨向。在中部氣田以北地區及至榆林地區，往北東方向，天然氣δ13C1值逐漸變輕，代表了天然氣的運移方向。在中部氣田範圍內，以靖邊為中心的中東區（即δ13C1的低值區）是天然氣的集中運移指向區，中部氣田的南部、西部及北部的天然氣δ13C1值分別沿北西向、東向和南向逐漸變輕，指示了天然氣的運移方向。
上古生界石炭—二疊系天然氣甲烷碳同位素在平面上分布以陜65—麒參1－榆6井為中心範圍內最重（圖5-6），δ13C1值壹般大於－30‰，這可能與該區煤系源巖有機質成熟度很高有關，向東北方向和西北方向碳同位素逐漸變輕，在東北方向最輕的可達－36.9‰，向西北方向最輕的可達－34.8‰，碳同位素變輕可能與天然氣運移地質分餾效應有關。上古生界天然氣δ13C1值的這種分布特征，除與上古生界煤系源巖有機質成熟度的平面分布（陜65—麒參1—榆6井圈定區為烴源巖高成熟度區）有壹定的關系外，更重要的是與天然氣運移分餾效應有關。從以陜65—麒參1—榆6井為中心的圈定區，向東北方向和西北方向甲烷碳同位素逐漸變輕，代表了上古生界天然氣運移的主要方向。
奧陶系風化殼天然氣乙烷碳同位素值分布在－23‰～－37‰之間，但大多數樣品δ13C2值為－26‰～－32‰，平均在－30‰左右（圖5-7）。在盆地東部乙烷碳同位素最重，δ13C2值壹般大於－28‰，最重的可達－23.75‰；其次在中部氣田的東部乙烷碳同位素也較重，壹般在－26‰～－28‰。而在中部氣田的南部、西部及北部乙烷碳同位素都較輕，δ13C2值可達－32‰。壹般認為，δ13C2值受熱演化程度影響較小，而主要取決於成氣母質類型。對於奧陶系風化殼產層的過成熟天然氣來說，δ13C2值的這種分布特征揭示了奧陶系風化殼天然氣母質類型的變化，在乙烷碳同位素較重的地區（如盆地東部、中部氣田的東部）可能是以源於腐殖型母質的煤成氣為主，而乙烷碳同位素較輕的地區（如中部氣田的南部、西部及北部）則可能是以源於腐泥型母質的油型氣為主。
上古生界石炭—二疊系天然氣的δ13C2值分布在－34.7‰～－21‰，但是大部分樣品δ13C2值分布在－25‰～－22‰之間，平均值為－23.5‰（圖5-8），表明乙烷碳同位素分布比較穩定，盡管研究區內氣源巖成熟度變化很大，但δ13C2值變化範圍較小（在－5‰之內），由此可見乙烷碳同位素值的變化受源巖成熟度影響較小，而主要受氣源巖有機質類型的影響，據此可有效地判識天然氣的成因類型。按張義剛（1991）提出的判別標準（煤成氣δ13C2值＞-28‰，油型氣δ13C2值＜-28‰）評判，上古生界天然氣明顯屬煤成氣。在平面分布上，在陜56—陜46—麒參1井範圍內乙烷碳同位素稍重，δ13C2值大於－23‰，在子洲附近和魚1井周圍的乙烷碳同位素稍輕，δ13C2值壹般小於－25‰，反映了不同地區天然氣來源、熱演化程度及運移分餾作用的綜合結果。
研究還表明，鄂爾多斯盆地中部氣田奧陶系風化殼天然氣δ13C3、δ13C4在平面上的變化與δ13C2值的平面分布基本類同，δ13C2的高值區均與δ13C3、δ13C4的高值區相對應，說明天然氣的δ13C3、δ13C4與δ13C2的變化具有較好的壹致性，也可用於判識天然氣的成因類型。所不同的是，δ13C3低值區（＜-28‰）平面分布範圍較δ13C2分布有所縮小，主要分布在西部的陜50以西井區、北部的陜11以北井區、南部的陜63—陜62—陜106井區，δ13C3高值區（＞-26‰）分布範圍較δ13C2分布有所增加，仍主要集中在中部氣田的東部（林1井以東至橫山壹帶）。δ13C4平面上變化較小，大多分布在－25‰～－22‰之間，在中部氣田的中東部（靖邊—橫山壹帶）δ13C4值相對較高，基本上大於－23.5‰。從δ13C3、δ13C4的這種平面變化特征，進壹步說明在中部氣田的範圍內東部的天然氣的成因類型不同於西部、北部及南部的天然氣。
圖5-6 鄂爾多斯盆地中東部上古生界天然氣的δ13C1平面分布圖
圖5-7 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系頂部風化殼氣藏δ13C2平面分布
圖5-8 鄂爾多斯盆地中東部上古生界天然氣δ13C2平面分布
對鄂爾多斯盆地中部氣田奧陶系風化殼天然氣δDCH4平面分布的研究也得出同樣的認識。就δDCH4平面分布而言，奧陶系風化殼天然氣δDCH4的低值區（＜-170‰）主要集中在中部氣田的東部（靖邊以東的陜33—林2—陜21井區），而在中部氣田的西部、北部及南部的天然氣δDCH4值相對較高（＞-170‰）。由此可見，中部氣田的東部天然氣與中部氣田的西部、北部及南部天然氣確實存在成因類型上的差異。