科学家构建丙烷及前体物高维同位素数学模型

中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所研究员彭平安团队，通过构建丙烷及前体物同位素体反应图谱，进而建立并验证丙烷及前体物高维同位素数学模型方法。相关成果近日发表于《创新：地球科学》（The Innovation Geoscience）。

单体同位素分析技术（CSIA）最普遍的应用是根据母体化合物的同位素分馏特征来推测转化机理和产物生成，但是，在特定反应条件下，需要通过反应产物的同位素信号推演前体物/母体化合物的同位素指纹，例如，干酪根热裂解生成的丙烷。

丙烷分子内同位素分析技术（PSIA）可以追溯不同分子位置碳（端元碳及中间碳）的同位素组成，为研究丙烷的来源与生成提供新的证据。目前，相关研究工作尚未理解干酪根中不同前体物的分布及碳同位素组成特征如何影响丙烷分子内同位素信号的演化。

预测丙烷及前体物高维同位素信号总体思路。研究团队供图

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研究人员通过构建高维同位素数学模型来探究这一问题，基于同位素数学模型反演干酪根中不同前体物分布与初始同位素指纹特征。他们首先将地层中丙烷的生成和衰减简化为三个反应模式，即端元碳脱离、中间碳脱离和断键裂解，每个反应模式对应不同的丙烷及前体物的同位素体，据此构建丙烷及前体物同位素体反应图谱。

根据该反应图谱，研究人员建立涵盖丙烷及其前体物同位素体浓度、分子内同位素分馏效应和反应温度的常微分方程组。通过求解这些常微分方程组，模拟丙烷分子内同位素信号的逐时演化，重现了不同类型干酪根裂解过程中丙烷分子内同位素实验的观测数据，进而验证了本研究建立的同位素数学模型方法。另外，基于这个同位素数学模型推演计算了前体物中直链和支链结构的占比及相应的初始同位素指纹。

最后，研究人员采用验证后的模型进行了场景模拟，揭示了前体物中直链及支链组成变化对丙烷分子内同位素信号的影响。不同前体物分布会影响观测到的丙烷分子内同位素的分馏演化。

论文通讯作者彭平安表示，该研究为解析丙烷高维同位素信号提供了非常实用的数学模型工具，也为由产物的同位素信号推演前体物特征提供了新的思路和方法。“目前该工作仅是这一模型的开端，未来的研究应考虑更复杂、更贴近地质环境的反应机制，进一步改进和完善，并将模型用于指导和优化实验研究，通过结合模拟实验与模型推演，继续验证新的科学假说。”彭平安说。

相关论文信息：https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2024.100054