Clumped methane isotope analysis using HR-IRMS

Význam tématu

Metoda analýzy „clumped“ izotopů metanu přináší nový rozměr v určení původu, podmínek vzniku a transportních drah této klíčové složky přírodních plynů. Klasické poměry δ13C a δD často neumožňují jednoznačně rozlišit termogenní, biogenní a abiotické procesy vzhledem k překryvu jejich hodnot. Měření dvoucloných izotopologů 13CH3D a 12CH2D2 proto otevírá prostor pro přesnější forenzní identifikaci a geotermometrické odhady.

Cíle a přehled studie

Studie představuje schopnosti vysokorozlišovacího izotopového hmotnostního spektrometru Thermo Scientific™ Ultra™ HR-IRMS pro determinaci kloumpovaných izotopologů metanu při přirozené abundanci. Cílem je ukázat, jak kombinace klasických a clumped signatur zvyšuje možnost odlišit různé mechanizmy vzniku metanu, určit jeho absolutní teplotu formování a eliminovat interferující isobarické signály.

Použitá metodika a instrumentace

• Hmotnostní spektrometr Ultra HR-IRMS s dvojím zaostřovacím analyzátorem Nier–Johnson a vícečtečkovou detekcí (9 Faradayových kelímků, 3 iontové počítadla).
• Mass resolving power přesahující 30 000 (až 50 000) umožňuje plné rozlišení izotopologů metanu na m/z 17 a 18 od aduktů a fragmentů.
• Ladění iontového svazku („resolution tuning“) a zdroje („source tuning“) optimalizuje intenzitu signálu a minimalizuje tvorbu vedlejších produktů.

Hlavní výsledky a diskuse

Bylo dosaženo štěpení vrcholů izotopologů a interferencí při vysokém rozlišení, což umožnilo přesné stanovení δ13C, δD, Δ13CH3D a Δ12CH2D2. Kombinace dvou bulk a dvou clumped signatur otevírá čtyřrozměrný prostor, kde se jednotlivé typy metanu (termogenní, biogenní, abiotický) lépe odlišují než v tradičním δ13C vs. δD plánu. Data zároveň odpovídají teplotám rovnováhy, což podporuje využití metody pro geotermometrii.

Přínosy a praktické využití metody

• Vyšší spolehlivost v průzkumu ložisek zemního plynu a ropy.
• Forenzní identifikace uniklého plynu v environmentálních studiích a monitoringu emisí.
• Odhad termodynamických podmínek vzniku metanu pro geologické rekonstrukce.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření metodiky do studií mikrobiálních procesů v různých ekosystémech, aplikace v astrobiologii pro detekci biomarkerů na jiných planetách a integrace dat do globálních modelů cyklu uhlíku. Dalším krokem je automatizace přípravy vzorků a standardizace protokolů pro širší rutinní využití v průmyslu.

Závěr

Vysokorozlišovací HR-IRMS analýza clumped izotopologů metanu představuje průlomovou metodu pro přesné rozlišení původu a podmínek tvorby metanu. Díky schopnosti eliminovat isobarické interference a měřit čtyři izotopové parametry zároveň nabízí unikátní nástroj pro geochemii, environmentální monitoring i astrobiologii.

Reference

1. Thermo Scientific White Paper WP30767 „Clumped isotope analysis of methane using HR-IRMS“ (2020)
2. Douglas P.M. et al. Methane clumped isotopes: progress and potential for a new isotopic tracer. Organic Geochemistry, 113, 262–282 (2017)
3. Eiler J. Clumped-isotope geochemistry – The study of multiply substituted isotopologues. Earth Planet. Sci. Lett., 262, 309–327 (2007)
4. Eldridge D.L. et al. Comparison of Experimental vs Theoretical Abundances of 13CH3D and 12CH2D2. ACS Earth Space Chem., 3, 2747–2764 (2019)
5. Etiope G., Sherwood Lollar B. Abiotic methane on Earth. Rev. Geophys., 51, 276–299 (2013)
6. Etiope G. Natural Gas Seepage: The Earth’s Hydrocarbon Degassing. Springer (2015)
7. Milkov A.V., Etiope G. Revised genetic diagrams for natural gases. Org. Geochem., 125, 109–120 (2018)
8. Schoell M. Hydrogen and carbon isotopic composition of methane. Geochim. Cosmochim. Acta, 44, 649–661 (1980)
9. Sherwood O.A. et al. Global Inventory of Gas Geochemistry Data. Earth Syst. Sci. Data, 9, 639–656 (2017)
10. Thiagarajan N. et al. Identifying thermogenic and microbial methane in Gulf of Mexico Reservoirs. Geochim. Cosmochim. Acta, 275, 188–208 (2020)