同位素系指在化学元素周期表上占同一位置，具相同质子数和不同中子数的元素原子或者说是原子核内具相同数量的带正电荷质子而相对原子质量不同的原子。一般表示为：元素符号原子质量可省略序数质子数或周期表的原子
同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类。自然界仅稳定的同位素就有个。放射性同位素系指能自行随意分解（即改变自己的相对原子质量）形成具有另外质子数的新原子的同位素，这个过程称为元素的放射性变化。目前用于油气分析的同位素主要有C、H、S、O、N、其特征元素。
一、碳同位素
碳有C12、C13、C14三个同位素，前两者为稳定同位素。第三者为放射性同位素。C14的半衰期只有年。碳的放射性可用于考古中确定绝对年龄。但因半衰期太短，放射性碳不能用于第四纪以前的古代沉积。此法可测定的最大年龄为~年。目前在石油地质学领域内使用C的稳定同位素的相对丰度来研究油气的成因类型。它们的相对丰度δ13C或C13/C
12比值表示，计算式如下：
为了便于对比，国际上趋于使用统一的标准，即美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素标准，简称PDB，其中：C13／C12=.7×10-5世界各地原油的δ13C值-‰之间。我国陆相原油为-30.4‰~-25.8‰，海相原油为-26.2~-23‰。大庆原油为-29.7~-26.9‰。原油的δ13C比无机碳高，与生物体相似，这也是石油有机成因的一个重要的佐证，用于成因研究。
二、氢同素
氢有H1、H2、H3三个同位素。H3是放射性的，半衰期只有12.46年。氢的稳定同位素的相对丰度H1：99.%，H2：0.%。石油中H2含量比普遍水高约60%，在天然气中可达79.39%。与油聚集相伴生的水中H2含量增高，由于石油与水的氢同位素相交换产生了富H2的石油，在古代地层水中H
2含量也增高。
三、硫同位素
硫含有S32、S33、S34、S36四个同位素，其相对丰度S32：95.1%、S
33：0.74%、S34：4.2%、S36：0.%。由于S33和S36含量少，一般只测定S32和S34。测定样品中的硫同位素含量时，是以坎冈、迪阿布洛（CangonDiablo）陨石陨硫铁的硫作为标准，其S34/S32=0.。
用下式求出δ34
沉积岩中的δ34S值介于-4.14‰~+4.55‰之间。经研究发现同时代地层中石油和天然气的δ34S具有稳定值；而不同时代的石油，该值却变化较大。可为不同时代的油源对比提供一个新途径。
四、氧同位素
氧的同位素有三个O16、O17、O18，而O17含量很少，一般只研究O16/O18比值。氧同位素在油气地质学中研究极少，一般只用于测定古地温。由于水和碳酸盐中的水与二氧化碳所含的氧之间存在同位素交换平衡，这个平衡受环境温度控制。因而，可利用碳酸盐中的O16/O18比值来测定古沉积盆地的温度。N14、N15同位素因其含量变化较大，目前对其研究较少。但是当含氮天然气通过砂岩运移时，氮同位素存在分馏现象，却是值得注意的。
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