GC-IRMS: Assessment of precision and accuracy of carbon isotope fingerprints measurements in natural gas

Význam tématu

Analýza stabilních izotopů uhlíku v zemním plynu představuje důležitý nástroj v geochemii a environmentální forenzní analýze. Umožňuje určit původ plynů (biogenní vs. termogenní), sledovat fyzikálně-chemické procesy po uložení (degradace, migrace) a přispívá k přesnějšímu datování a charakterizaci ložisek.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo vyhodnotit přesnost a opakovatelnost (precision and accuracy) měření uhlíkových izotopových poměrů (δ13C) v referenčních materiálech zemního plynu (USGS HCG-1, HCG-2, HCG-3) pomocí systému GC-IRMS. Studie zahrnovala přípravu, měření a porovnání naměřených hodnot s očekávanými standardními hodnotami.

Použitá metodika a instrumentace

• Instrumentace: Thermo Scientific GC IsoLink II IRMS System spojený s DELTA V™ Isotope Ratio Mass Spectrometer a ConFlo IV™ Universal Interface.
• Chromatografie: kolona CP-PoraPlot Q (27,5 m × 0,32 mm × 10 µm) s třífazovým programem teploty (40 °C → 240 °C) a děleným vstřikem (split 50:1, 10:1).
• Konverze: spalování uhlovodíků na CO₂ v IsoLink II Conversion Interface za atmosféry O₂, přenos heliovým nosičem do IRMS.
• Referenční materiály: USGS HCG-1, HCG-2, HCG-3 s různým zastoupením metanu, ethanu a propanu.

Hlavní výsledky a diskuse

Naměřené hodnoty δ13C se od očekávaných lišily v průměru o 0,08–0,18 ‰, s vysokou korelací (R² > 0,99). Opakovatelnost opakovaných měření pro jednotlivé plyny činila standardní odchylku 0,09–0,18 ‰. Výsledky potvrzují stabilitu a přesnost systému GC-IRMS napříč různými matricemi.

Přínosy a praktické využití metody

• Zajištění mezinárodní sledovatelnosti měření díky použití primárních USGS standardů.
• Možnost jednotného porovnání dat mezi laboratořemi a výzkumnými centry.
• Podpora geochemického modelování zdroje a procesů v ložiskových studiích, environmentálních auditech i forenzních aplikacích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace vodíkových izotopových analýz (δ2H) a rozšíření na vyšší uhlovodíky (C4–C5).
• Vývoj rychlejších a citlivějších sloupců pro polopropustné a komplexní plynové vzorky.
• Automatizace přípravy vzorků a on-line monitorování procesů v reálném čase.
• Pokročilé datové analýzy s využitím strojového učení pro odhalení skrytých vzorců v izotopových datech.

Závěr

Studie prokázala, že systém GC IsoLink II IRMS dosahuje vysoké přesnosti a opakovatelnosti při měření δ13C v zemním plynu. Zavedení referenčních materiálů USGS přispívá ke standardizaci a zvyšuje důvěryhodnost geochemických a forenzních interpretací.

Reference

1. Philp R.P., Lo Monaco G. Applications of Stable Isotopes in Hydrocarbon Exploration and Environmental Forensics. In: Baskaran M. (ed), Handbook of Environmental Isotope Geochemistry, vol. 1, Springer-Verlag, 2011, s. 639–677.
2. Schoell M. Recent advances in petroleum isotope geochemistry. Organic Geochemistry, 6, 1984, s. 645–663.
3. Schoell M. Stable isotopes in petroleum research. In: Brooks J., Welte D. (eds), Advances in Petroleum Geochemistry, vol. 1, Academic Press, 1984, s. 215–245.
4. Hunt J.M. Petroleum Geochemistry and Geology. W.H. Freeman, 1996.
5. Schoell M., Jenden P.D. Isotope analysis of gases in gas field and gas storage. SPE Paper 26171, 1993.
6. Milkov A.V., Etiope G. Revised genetic diagrams for natural gases based on a global dataset of >20,000 samples. Organic Geochemistry, 125, 2018, s. 109–120.