Positiespecifieke isotopenanalyse (PSIA) is een techniek die de isotopensamenstelling van een bepaalde positie in een molecuul meet. Het kan waardevolle informatie opleveren over de vormingsmechanismen van een molecuul.

Butaan (C ₄ H ₁₀ ) vertegenwoordigt een typische koolwaterstof met een biotische of abiotische oorsprong onder diepe aardse omstandigheden. Het heeft twee structurele isomeren:normaal butaan (n-butaan) en isobutaan (i-butaan). De intramoleculaire isotoopsamenstellingen van C ₄ H ₁₀ zijn veelbelovend om als nieuwe thermometer en tracer te dienen.

Een internationale onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Liu Yun van het Instituut voor Geochemie van de Chinese Academie van Wetenschappen (IGCAS) voerde kwantumchemiemodellering uit met correcties die verder gaan dan de harmonische benadering en de Born-Oppenheimer-benadering om nauwkeurige intramoleculaire en intermoleculaire koolstof- en waterstofisotoop te verkrijgen fractioneringsfactoren voor butaanisomeren bij evenwicht.

De onderzoekers berekenden ook de abundantieverhouding van n-butaan tot i-butaan bij evenwichten bij verschillende temperaturen. Ze ontdekten dat de eerdere berekeningen van isotopenfractioneringen met behulp van "cutoff" -behandeling niet geschikt waren voor de studie van isotoopeffecten in en tussen butaanisomeren.

In de tussentijd, hun resultaten toonden aan dat de evenwichtspositiespecifieke isotoopfractioneringsfactor van i-butaan bijna tweemaal de waarde van n-butaan was voor koolstof- of waterstofisotoopsubstituties, die kunnen dienen als een indicator om de processen te identificeren die verband houden met de isomerisatie van alkanen.

"Onze berekening laat zien dat de overvloed aan i-butaan bij evenwicht theoretisch veel groter zou moeten zijn dan die van n-butaan. de berekening contrasteert met de waarnemingen in natuurlijke omgevingen, wat aangeeft dat het aandeel butaanisomeren kan worden gecontroleerd door voorloperkoolwaterstoffen en vormingsmechanismen, " zei Dr. Liu Qi van IGCAS. "Bijvoorbeeld, het aandeel kan erven van kerogeen en tijdens de vorming worden gewijzigd door kinetische processen, en dan kunnen de kraakprocessen van butaan ook de isotopenverdeling in methaan beïnvloeden, ethaan, en propaan."

Hun berekeningsresultaten kunnen verder worden gebruikt voor het kalibreren van experimentele metingen, het opzetten van nieuwe geothermische meters, en het herkennen van kinetische isotoopeffecten.

De onderzoekers kijken naar de mogelijke toepassing van intramoleculaire isotopenevenwichten als geothermometer en als tracer voor microbiële oxidaties en abiotische oorsprong van koolwaterstoffen.

De studie is gepubliceerd in Chemische geologie op 17 december.