沁水盆地北部太原組煤層氣碳同位素特征及成因探討

徐占杰，劉欽甫，鄭啟明，程宏飛，李中平，毋應科

(1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京　100083;2．河南工程學院資源與環境學院，河南鄭州　451191;3．中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，甘肅蘭州　730000)

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沁水盆地北部太原組煤層氣碳同位素特征及成因探討

徐占杰1，劉欽甫1，鄭啟明2，程宏飛1，李中平3，毋應科1

(1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083;2．河南工程學院資源與環境學院，河南鄭州451191;3．中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，甘肅蘭州730000)

摘要:為了研究沁水盆地北部寺家莊太原組煤層甲烷(CH4)及二氧化碳(CO2)的成因，對11口煤層氣井排采氣進行了化學組分和同位素測試，探討了煤層CH4及CO2的成因及聯系。結果表明:沁水盆地北部煤層CH4平均體積分數為98．6%，CO2為0．25%，N2為1．07%;煤層CH4碳同位素值介于－33．2‰～－40．8‰，平均值為－37．1‰，以煤熱裂解成因為主，含有微生物CO2還原成因CH4，屬于混合成因煤層氣。沁北煤層CH4碳同位素分餾起主導作用的是解吸－擴散－運移作用，儲層淺部壓力小，含輕碳同位素的CH4優先解吸，經擴散運移至上部地層進而逸散到大氣中。煤層CO2的δ13C值為－15．9‰～+0．05‰，平均值為－8．6‰，為煤熱演化初期或最近一次煤層抬升再沉降后煤中有機質熱裂解產生，碳同位素較重的地方受地下水或微生物CO2還原作用影響。煤層CO2碳同位素隨煤層埋藏變淺而變重，淺部煤層微生物CO2還原作用強，使CO2碳同位素變重。關鍵詞:煤層氣;碳同位素;沁水盆地;成因;微生物氣

徐占杰，劉欽甫，鄭啟明，等．沁水盆地北部太原組煤層氣碳同位素特征及成因探討［J］．煤炭學報，2016，41(6):1467－1475．doi: 10．13225/j．cnki．jccs．2015．1265

Xu Zhanjie，Liu Qinfu，Zheng Qiming，et al．Origins and carbon isotopic composition of coalbed methane and carbon dioxide from Taiyuan Formation，Northern Qinshui Basin，China［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1467－1475．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1265

煤層氣的化學組分和同位素組成是煤層氣地球化學研究的主要內容，是判別煤層氣成因、認識其分布規律的有效指標，尤其碳同位素組成最為重要、應用也最普遍。有研究表明煤層氣碳同位素值隨著煤演化程度的加深而變重［1－2］，但實際上煤層氣碳同位素組成千差萬別，這是因為煤生烴及后期改造煤層氣碳同位素的因素有很多，如地下水動力條件、解吸－擴散－運移效應、熱演化程度、微生物作用等［3－11］。實驗和實際數據證實流動的水使甲烷碳同位素變輕［3］，煤系水還對煤層含氣量影響很大，水動力強的煤層，煤層氣含量小且甲烷碳同位素偏輕［4］。構造活動不僅影響煤層氣的分布，如構造煤中局部瓦斯突出現象［5］，而且煤層氣在構造演化過程中因煤層抬升導致解吸－擴散－運移效應，使煤層甲烷碳同位素值總體偏大，且隨埋深增大而增大，在平面上出現分帶現象［6］。煤層氣形成的熱動力學機制下的同位素分異效應和煤層氣解吸－擴散－運移效應使煤芯解吸甲烷碳同位素隨煤的鏡質組最大反射率和煤層埋深的增大而變重［7］。煤層微生物成因甲烷碳同位素普遍較輕，原生生物氣多發生于低煤階煤中，次生生物氣發生于熱演化程度較高的煤巖中，甚至發生于無煙煤中［8－10］。微生物成因氣甚至成為煤層氣產量持續穩定的主要原因［11］。與常規天然氣相比，煤層氣化學組分和碳同位素組成特征受次生作用的影響方式和效果不同，是由最高演化程度地質時期決定的，能反映煤層所經歷的熱演化過程［12－13］。但目前對煤層甲烷和二氧化碳間成因聯系的研究較少，顯然，二者的碳除極少部分為大氣或無機成因，幾乎全部來自煤中有機碳，二者的同位素特征有什么異同，有沒有成因聯系等問題都需進一步研究探討。

筆者以沁水盆地北部陽泉礦區寺家莊井口排采氣為研究對象，通過對排采煤層氣的化學組分和碳同位素實驗測試分析，對該區煤層甲烷和二氧化碳的碳同位素特征及成因進行了研究探討。

1　區域地質背景

沁水盆地位于山西省東南部，研究區是沁水盆地北部的陽泉礦區寺家莊區塊(圖1(a)［14］)。

圖1　沁水盆地及研究區地理位置和區域地質構造略圖［14］及采樣點位置Fig.1　Location of Qinshui Basin and study area and regional geological structure sketch［14］and sample positions

沁水盆地自下而上發育地層有太古界、元古界震旦系以及寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系和第四系。盆內地層展布平緩，產狀呈北北東走向單斜構造格局，傾角一般為5°～10°，局部褶曲地段傾角12°～20°。盆地內以背、向斜交替出現的褶皺構造為主。斷層相對較少，一般落差在20 m以內。

盆地北部寺家莊區塊位于沁水坳陷的東部邊緣北段，太行山隆起西翼［14］。區內背斜、向斜多成對存在，斷層為正斷層，陷落柱在北部較發育，形態多為近圓形及橢圓形，最小直徑10 m，一般直徑為20～50 m，陷壁角為62°～83°，一般為80°(圖1(b))。

寺家莊區塊發育地層與整個沁水盆地相似，由東向西出露地層由老到新。東部區外大面積出露奧陶系、石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組，區內二疊系上、下石盒子組地層廣泛分布，二疊系石千峰組，三疊系劉家溝組地層出露于本區西緣，新生界覆于各個時代基巖之上。區內主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組，太原組15號煤層是該區煤層氣資源的主要層位，其頂底板均為泥巖(圖2)。

2　樣品與測試方法

2.1樣品采集

分析樣品采自沁水盆地北部陽泉礦區寺家莊區塊，從11口煤層氣井采集樣品11組，每組兩個氣樣，以作對照。煤層氣主采層位為太原組15號煤層。煤層氣樣品采用排水集氣法收集，玻璃瓶水封保存。每個氣樣采集200～400 mL，在室內進行化學組分和同位素組成等測試。

2.2測試方法和條件

煤層氣的化學組分和同位素測試在中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心完成。煤層氣化學組分采用大型氣體同位素質譜儀(儀器型號:MAT 271，德國菲尼根公司生產)，電離源為電子轟擊型(EI)，該儀器靈敏度高，長于各類氣體組分定性及定量分析。

煤層甲烷和二氧化碳的碳同位素分析在單分子化合物碳穩定同位素分析系統上完成，該系統主要由氣相色譜(GC)及穩定同位素比質譜(isotope ratio mass spectrometer，IRMS)兩部分組成，系統簡稱為“GC－IRMS”分析系統。色譜儀型號為Trace GC，色譜柱型號CP－Carbobond(美國Varian公司產，長度25 cm，內徑0.53 mm，膜厚 10 μm)，進樣口分流比10∶1，溫度為280℃，升溫程序為 30℃保持5 min，15℃/min升至240℃并保持10 min。氦氣為載氣(純度≥99.999%)，載氣流速為5 mL/min。穩定同位素質譜計型號為MAT 253(Thermo Fisher Scientific)，碳同位素分析測試精度為±(0.1～0.5) (PDB，‰)。該實驗室的同位素測試技術和精度處于很高的水平［15－17］。表1為寺家莊煤層氣化學成分和碳同位素組成及相關數據。

圖2　沁水盆地石炭系太原組地層柱狀圖Fig.2　Stratigraphic column of Carboniferous Taiyuan Formation in Qinshui Basin

3　煤層氣地球化學特征

3.1煤層氣組分特征

一是涉農專項轉移支付項目增加容易取消難。新一輪財稅體制改革以來，涉農專項轉移支付目錄得到了較大幅度的壓減，但這種整合多數是小類歸大類，是物理整合而不是化學整合，原有的條塊分配模式基本沒有打破。根據審計署的報告顯示，一些專項轉移支付歸并后管理方式并沒有發生根本性改變，仍存在“碎片化、部門化、司處化”的現象。從地方情況看，涉農資金的統籌整合任務也迫在眉睫。名目繁多的涉農資金，大部分以獨立、具體的項目形式“戴帽”下達。

根據國內外大量煤層氣組分數據顯示，煤層氣主要包含CH4，C2+，N2，CO2等，另外還含有微量的CO，H2S，He，Ar，Hg等［8，18－19］。

寺家莊區塊煤層氣以CH4為主，體積分數在95.9%～99.4%，平均為98.6%，乙烷含量很少，僅為0.008%～0.038%，平均0.021%，沒檢測到乙烷以上的烴類，C1/C2+平均值達5 943(表1)，屬于極干煤層氣。低煤級和高煤級階段產生的煤層氣多為干氣(C1/C2+＞19)，而中煤級階段產生大量濕氣(C1/ C2+≤19)［20］，寺家莊煤變質程度較高，15號煤鏡質組最大反射率為2.9%～3.4%，變質階段為Ⅶ階段，屬無煙煤3號［21］，高成熟度是煤層氣極干的原因之一。生物成因氣和熱裂解氣都具有干氣特征［8，22－23］，沁水盆地在新生代喜山期以來發生強烈的抬升和剝蝕［24］，煤層因抬升卸壓導致煤層氣發生解吸－擴散－運移效應，煤層也可能因抬升出露地表或與地表水溝通，使產甲烷菌等微生物進入煤層產生次生生物氣，從而使煤層氣變干的可能性是存在的。

表1　寺家莊煤層氣化學組分和同位素值Table 1　Isotopic and molecular composition of CBM from Sijiazhuang

煤層氣非烴組分中N2平均含量1.07%。對于較封閉、地下水活動較弱的煤層，一般為有機質含氮化合物降解作用的內生氮氣［18］，寺家莊產出水平均礦化度在1 433 mg/L［25］，具有較高的礦化度，地下水流動性較差，為內生氮氣的保存提供了條件。樣品277，369中 N2含量異常高，分別為3.75%，2.18%，277離陷落柱Xs23較近，樣品369正好處于斷層線不遠處，二者可能因附近構造(斷層和陷落柱)影響導致大氣中氮氣進入煤層。

煤層CO2在煤化作用早期大量生成，伴隨熱演化的進行，CH4含量逐漸增加，CO2含量逐漸降低［18］。在泥炭化作用階段，產甲烷菌CO2還原作用是導致早期生成的CO2含量降低的因素之一。次生生物氣形成時，也有CO2在還原菌作用下生成CH4。寺家莊煤層氣中CO2含量為0.14%～0.40%，平均0.25%，處于較低的水平，所以其受無機成因、碳酸鹽礦物溶解等來源的CO2影響小，大多為煤有機大分子的脫羧基反應、細菌分解有機質等來源。煤層氣還含有少量的稀有氣體Ar和He。

3.2煤層氣碳同位素特征

碳是煤層氣最主要的元素，煤層氣中的碳基本上全部來自煤。寺家莊太原組煤層甲烷碳同位素(δ13C1)介于－33.2‰～－40.8‰，平均值為－37.1‰，二氧化碳碳同位素 δ13C(CO2)值為－15.9‰～+0.05‰，平均值為－8.6‰。

不同的母質和成煤環境，煤層氣碳同位素特征是不一樣的，后期又經過物理的、化學的以及生物的等諸多因素使碳同位素發生分餾，造成了現存煤層氣碳同位素特征的千差萬別。

例如生氣母質，不同生物的碳同位素值是不同的。例如淡水植物δ13C值為－34‰～－8‰，跨度最大;海生植物則偏重，為－17‰～－8‰;海生動物、高山植物、熱帶和溫帶植物δ13C值較輕;藻類δ13C值為－24‰～－12‰［26］。寺家莊δ13C1與淡水植物同位素較接近，這也符合現實情況。煤層氣碳同位素理論上會達到生氣母質的碳同位素值，寺家莊煤變質程度很高，達到無煙煤3號，現今生成的甲烷排除同位素分餾的因素就很接近生氣母質的碳同位素值。

煤層氣與常規天然氣的烷烴以及CO2的碳同位素值亦有明顯區別，寺家莊δ13C1具有煤成氣混合甲烷的碳同位素特征，δ13C(CO2)比常規天然氣中CO2碳同位素值大，上限達到0.05‰(圖3［26］)。

煤層氣碳同位素還受到地質微生物分餾作用的影響。CO2和CH4的固定和消耗以及各種有機質的分解轉化等碳源、碳匯及碳的轉化途徑均受微生物功能群直接控制［27］，例如極端厭氧產甲烷古菌以自養為主，廣泛分布于各種無氧環境中［28］，尤其是泥炭沼澤里。生物成因的甲烷顯著缺乏13C，乙酸鹽途徑合成甲烷δ13C1范圍－50‰～－65‰，而CO2還原途徑產生的甲烷具有更負的δ13C(－60‰～－110‰)［27，29］。

圖3　寺家莊煤層氣與常規天然氣中烷烴和CO2的碳同位素值分布［26］Fig.3　Carbon isotope composition of CH4and CO2in CBM and conventional gases［26］

4討　　論

4.1煤層CH4的成因

根據煤層氣的化學組分和甲烷碳氫同位素等地球化學參數，可將煤層氣分為原生生物氣、次生生物氣、熱降解氣、熱裂解氣及混合成因氣5類［30］。熱成因和生物成因的CH4可以根據碳同位素組成特征進行判別。微生物作用下生成的δ13C1偏負，一般低于－50‰，其中CO2還原作用成因CH4的δ13C1值分布在－110‰～－60‰，乙酸鹽發酵成因CH4的δ13C1值分布在－65‰～－50‰［27，29］。而熱成因的 CH4碳同位素較重，一般大于－50‰。

熱成因CH4為在溫度(＞50℃)和壓力作用下煤中大量富含氫和氧的揮發分有機質發生物理化學變化生成。煤或泥炭中有機質在熱力作用條件下產生CH4的過程包括熱降解和熱裂解兩種不同的生成機理和相對應的生氣階段［9］。煤化作用早期階段(Ro值介于0.50%～0.80%)從高揮發分煙煤中生成的早期熱成因煤層氣化學組分除含甲烷外還含較多的乙烷、丙烷等濕氣成分;在大量濕氣生成階段(Ro值介于0.60%～0.80%)產生的煤層氣中的干燥系數低于0.8，且乙烷含量可能超過11%;在Ro值介于0.80%～1.00%時，煤會有大量熱成因甲烷生成;Ro值在1.20%左右時，煤層處于生氣高峰期［31］。

煤層原生生物成因CH4多形成于泥炭和低階煤熱演化初期階段，次生生物成因CH4可形成于高煤階煤中。新疆吐哈盆地沙爾湖地區為生物成因煤層氣，該區煤巖為褐煤，Ro為0.40%～0.47%，C1/C1～n為0.996～0.997，C2≤0.15%，C1/C2為 436.2～577.6，δ13C1值為－62.7‰ ～－62.1‰，δD(CH4)值為－225‰～－224‰(SMOW)，該區煤層氣為原生生物成因煤層氣［9］。悉尼和鮑溫盆地二疊紀煙煤儲層中的煤層氣為次生生物氣，其地球化學特征為:① 甲烷/乙烷值≥1 000;② δ13C1和 δD(CH4)分別為－60‰±10‰和－217‰±17‰(SMOW);③ CO2質量分數小于5%;④ CO2－CH4的δ13C(CO2－CH4)為55‰ ±10‰［32］。

圖4顯示［33－34］，寺家莊區塊煤層氣數據點落于擴散－運移－分餾作用下的次生熱成因區。煤層氣既不在熱成因區、混合區，也不在生物成因區，說明該區煤層氣地球化學特征是經過改造的。通過回歸煤巖熱模擬公式可以得到未經分餾的碳同位素值［10］，寺家莊太原組15號煤鏡質組最大反射率為2.9% ～3.4%，經計算得到寺家莊煤層氣 δ13C1介于－27.7‰～－28.6‰，而 寺 家 莊 實 測δ13C1介于－33.2‰～－40.8‰，平均值為－37.1‰，干燥度為2 606～12 041，平均5 943。根據解吸－擴散－運移理論，寺家莊地區可能為運移受體區，別處的煤層甲烷運移至此處，煤層氣化學組分和碳同位素均發生了分餾，造成寺家莊煤層氣變干變輕。由于煤層氣是以吸附為主賦存在煤層中，這種因接受別處煤層CH4運移至研究區的可能性很小，在垂向上比在側向上發生解吸－擴散－運移的可能性更大，太原組15號煤層是較早生成的，垂向上發生解吸－擴散－運移效應會使15號煤層CH4碳同位素更重，所以這種解釋是矛盾的。能夠使煤層氣變輕變干的因素還有次生生物作用，寺家莊煤層氣可能含有次生生物成因CH4。

圖4　寺家莊煤層氣基于C1/C2+～δ13C1成因類型(底圖引自文獻［34］)Fig.4　Gas dryness(C1/C2+)versus δ13C1for coalbed methane from Sijiazhuang［34］

4.2煤層CO2的成因

煤層中CO2有多種來源，包括無機的地幔來源、碳酸鹽礦物的熱解反應和有機的脫羧基作用、細菌分解有機質等［18，20］。

煤層CO2含量各異，易溶于水。CO2含量小于15%時認為是有機成因，濃度大于60%以上為無機成因［35］，寺家莊區塊煤層氣中CO2含量較低，平均0.25%，屬于有機成因，由于該地區煤為無煙煤3號，變質程度較高，CO2可能來源于煤中有機質的脫羧基作用。至于有沒有受到碳酸鹽礦物熱解反應的無機CO2或微生物作用的改造，需要借助碳同位素進一步研究。

不同成因來源的CO2碳同位素組成有所差異。煤熱裂解產生的 CO2碳同位素值不會超過0.15‰［30］，熱降解有機質產生的 CO2同位素值在－28‰～－10‰［20］。微生物 CO2還原作用改造過的CO2碳同位素值更重，有時能達到18‰［18］，地幔成因CO2的δ13C值在－5‰～－9‰［36］。寺家莊煤層氣中CO2的δ13C值為－15.9‰ ～+0.05‰，平均值為－8.6‰，故寺家莊煤層CO2應為煤熱演化初期或最近一次煤層抬升再沉降后煤中有機質熱裂解產生，碳同位素較重的地方可能受地下水或微生物作用影響。

4.3煤層氣CH4和CO2的成因聯系

煤層產氣大致可分為2個時期4個階段。泥炭化作用時期:①泥炭至褐煤階段，Ro＜0.30%時，為原生生物成因氣，氣體成分復雜，有CH4，H2，CO2，NH3等。煤化作用時期［37］:②褐煤至長焰煤階段，生成的氣量多，成分以CO2為主(占72% ～92%)，烴類＜20%且以CH4為主，C2+＜4%。③ 長焰煤至焦煤階段，烴類氣體迅速增加，CO2含量下降至10%左右，烴類氣體以CH4為主但含較多的重烴，至肥、焦煤時C2+可占10%～20%。該階段是主要的生油階段，若煤中殼質組含量多，則油和濕氣含量亦多。④ 瘦煤至無煙煤階段，此時烴類氣體占70%以上，其中CH4占絕對優勢(97%～99%)，幾乎沒有C2+。除了煤的熱演化程度對煤層產氣的影響，區域構造埋藏史對煤層氣的影響也很大［38］，需要進一步系統研究，各個階段的產氣都可能受構造影響發生解吸擴散運移甚至逸散殆盡，現今保存下來的煤層氣大多是不同時期生成、經多種地質構造作用影響的混合氣。

在煤層氣成因判別上，也可根據CH4和CO2的碳同位素值進行成因分析［8］。寺家莊煤層氣δ13C1介于 －33.2‰ ～－40.8‰，平均值為－37.1‰，δ13C(CO2)值為 －15.9‰～+0.05‰，平均值為－8.6‰，根據二者作圖，樣品點均落于熱成因區內，但CH4和CO2的碳同位素值具有一定的正相關性，也就是說CH4的碳同位素越輕CO2也越輕(圖5)。根據 Golding等的研究結果顯示［8，11］，CH4和CO2的碳同位素值具有正相關性，表明次生生物成因氣是利用CO2還原途徑產生甲烷，從這一點來看，寺家莊煤層氣存在次生生物成因氣，但其含量的多少有待進一步研究。

圖5　寺家莊煤層氣基于CH4－CO2碳同位素成因分類Fig.5　δ13CCO2versus δ13C1for coalbed CH4and CO2from Sijiazhuang

不同成因的煤層CH4和CO2的碳同位素值隨煤層埋藏深度的變化規律亦不同。蘇拉特盆地東部為熱成因和生物混合成因氣［11］。混合成因的CH4碳同位素隨著煤層埋藏深度的增加而變重，寺家莊煤層CH4碳同位素隨著深度的增加變輕的趨勢(圖6(a))。導致這種情況的原因可能是產甲烷微生物多存在于近地表煤層中，隨著深度的增加產甲烷菌逐漸減少進而生物成因的CH4相對含量減少，造成蘇拉特盆地東部CH4碳同位素隨埋深增加而變重。而寺家莊煤層在燕山期定型后，又經受新生代喜山期發生強烈的抬升和剝蝕活動，而且該區陷落柱較發育，煤層CH4碳同位素分餾起主導作用的是解吸－擴散－運移效應，由于淺部儲層壓力小，含輕碳同位素的CH4優先解吸，擴散運移至上部地層進而逸散到大氣中，深部的解吸－擴散－運移作用弱，故含重碳甲烷相對含量較少，即使含有少量的次生生物氣，也難以在CH4碳同位素上顯示出來，依然具有較重的熱成因氣碳同位素特征，所以寺家莊煤層甲烷碳同位素隨深度增加而變輕。

蘇拉特盆地東部和寺家莊CO2碳同位素均隨煤層埋藏深度的增加而變輕(圖6(b))，但在產甲烷微生物作用下的CO2明顯比熱成因的重，這是因為CH4和CO2碳同位素的交換平衡效應導致的，該反應為

圖6　司家莊和澳大利亞蘇拉特盆地東部煤層CH4和CO2碳同位素與煤層埋藏深度的關系［11］Fig.6　Depth versus δ13C1and δ13C(CO2)for samples from Sijiazhuang and eastern Surat Basin，Australia［11］

寺家莊CO2碳同位素與煤層埋藏深度的數據點較蘇拉特盆地的分散，這是因為寺家莊區塊位于華北斷塊沁水塊坳武鄉－昔陽北北東向褶皺帶，區內背斜、向斜多，陷落柱較發育，構造復雜，導致CO2碳同位素分餾因素多造成。圖6(b)顯示寺家莊煤層CO2碳同位素與蘇拉特盆地混合成因煤層氣中CO2碳同位素具有很好的平行關系，這也說明了寺家莊太原組煤層氣存在微生物CO2還原成因煤層氣。

為什么CH4碳同位素與蘇拉特混合成因煤層氣的相反，而CO2碳同位素有很好的平行關系呢?這是因為CH4較難溶于水，解吸－擴散－運移效應對其影響較大，而CO2易溶于水，煤層是典型的裂隙含水層，所以微生物對煤層CO2碳同位素的改造痕跡仍然存在，這就造成了圖6中所示的現象。

5　結　　論

(1)沁水盆地北部寺家莊區塊煤層氣CH4含量在95.9%～99.4%，平均為98.6%，乙烷含量很少，平均0.021%，不含乙烷以上的烴類，非烴組分中N2平均含量為1.07%，其次 CO2含量為 0.14% ～0.40%，平均0.25%，還含有少量的Ar和He。

(2)沁水盆地北部煤層甲烷碳同位素介于－33.2‰～－40.8‰，平均值為－37.1‰，受解吸－運移－擴散效應較強，CH4碳同位素偏重。寺家莊煤層CO2的 δ13C值為－15.9‰ ～+0.05‰，平均值為－8.6‰，為煤熱演化初期或最近一次煤層抬升再沉降后煤中有機質熱裂解產生，碳同位素較重的地方受地下水或微生物CO2還原作用影響所致。

(3)寺家莊煤層氣以煤熱裂解成因為主，存在微生物CO2還原成因CH4，為混合成因煤層氣。寺家莊CH4碳同位素分餾起主導作用的是解吸－擴散－運移作用，煤層CH4碳同位素隨著深度的減小而變重，儲層淺部壓力小，含輕碳同位素的CH4優先解吸，擴散運移至上部地層進而逸散到大氣中。但是寺家莊煤層CO2碳同位素隨煤層埋藏深度的變淺而變重，微生物CO2還原作用改造后的CO2碳同位素比熱成因的重，寺家莊淺部煤層微生物CO2還原CH4作用強，使CO2碳同位素加重。

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中圖分類號:P618.11

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1467－09

收稿日期:2015－08－31修回日期:2015－12－28責任編輯:韓晉平

基金項目:山西省煤層氣聯合基金資助項目(2013012005);國家自然科學基金資助項目(41072119)

作者簡介:徐占杰(1987—)，男，河南鶴壁人，博士研究生。E－mail:xzj2009@foxmail．com。通訊作者:劉欽甫(1964—)，男，河南長葛人，教授，博士生導師。E－mail:lqf@cumtb．edu．cn

Origins and carbon isotopic composition of coalbed methane and carbon dioxide from Taiyuan Formation，Northern Qinshui Basin，China

XU Zhan-jie1，LIU Qin-fu1，ZHENG Qi-ming2，CHENG Hong-fei1，LI Zhong-ping3，WU Ying-ke1
(1．School of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing100083，China;2．School of Resources and Environment Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou451191，China;3．Lanzhou Petroleum Resources Research Center，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China)

Abstract:A total of eleven coal seam gas(CSG)samples(production gases)were collected from the Taiyuan Formation of Sijiazhuang District，Northern Qinshui Basin，China，and then their chemical and isotopic compositions were analyzed to study the origins of coalbed methane(CH4)and carbon dioxide(CO2)．Results indicate that the CSG of Sijiazhuang District is dominated by CH4(average:98．6%，air-free basis)with minor amounts of CO2(average:0．25%) and N2(average:1．07%)．The δ13C values of CH4range from－33．2‰to－40．8‰，with an average of－37.1‰(n= 11)，and CH4was mainly generated from thermal cracking during coalification，with small proportion from microbial CO2reduction．The desorption-diffusion-migration effect plays a dominant role in carbon isotope fractionation of CH4．The CH4with lighter carbon isotope in shallow reservoirs mainly desorbs from deep ones，then diffuses and moves to the upper part(shallower reservoirs)and finally escapes into the atmosphere．The δ13C values of CO2are between －15.9‰and+0.05‰，with an average of－8．6‰，and the CO2may be generated from thermal degration or thermalcracking or both at the early stage of coalification or after the latest coal seam uplift．The CO2with heavier carbon isotope may be associated with groundwater or microbial CO2reduction．The carbon isotopes of coalbed CO2become heavier as the coal seam becomes shallower，because of the stronger CO2reduction effect in shallower coal seam．

Key words:CBM;carbon isotope;Qinshui Basin;origin;microbial methane