煤层气是一种重要的非常规天然气，全球储量约为50万亿m3。煤层气同时也是一种重要的温室气体，约占全球温室气体排放量的10%。因此，煤层气的高效勘探开发在能源供给、降碳防灾、环境保护等方面具有重要作用。
煤层气的化学与同位素组成是研究煤层气的成因、形成方式及其富集成藏规律的重要指标，相关研究成果在煤层气的勘探开发和微生物增产方面发挥了重要作用。目前在中-高煤阶煤层气研究方面已取得了重要进展，但在低煤阶煤层气研究方面还存在一些亟待解决的科学问题，如在低煤阶煤层气中，不同的地球化学判识指标得出的结论常常不完全一致等。值得注意的是，低阶煤层的含水量较高，很可能存在着CO2的溶解作用，但目前对CO2的溶解效应缺少必要的论证。同时，经验性的CH4-CO2-H2O-HCO3-体系的碳氢同位素示踪常常忽略了同位素交换反应进行程度的影响，对其同位素分馏机理缺乏详细的理论分析和实证研究。
针对上述科学问题，有机地球化学国家重点实验室博后陈祥瑞与合作导师王云鹏研究员等人联合北京师范大学陶明信教授、英国兰卡斯特大学Zheng Zhou以及煤层气生产单位合作，对阜新盆地气、水、煤开展了系统的同位素地球化学研究，取得了一些新的认识。
同位素地球化学示踪结果显示，阜新煤层气主要以微生物成因气为主，形成于煤层抬升以后；煤层水主要源于大气降水的补给（图 1）；煤级为亚（次）烟煤，为低煤阶煤。
图1.典型微生物成因煤层气盆地中煤层水H-O同位素分布特征。
（GMWL与LMWL分别为全球大气降水线与当地大气降水线）
ΔDH2O-CH4指标显示，煤层气中甲烷的生成方式主要为CO2还原，然而αCO2-C1指标却显示，甲烷的生成方式主要为含甲基（CH3-）物质的分解。综合研究认为，CO2的溶解是导致上述矛盾的主要原因（图 2），并指出ΔDH2O-CH4指标较为可靠，即煤层甲烷的生成方式主要为CO2还原。
图2.典型微生物成因煤层气盆地中CH4与CO2碳同位素分布特征（左图）与不同温压范围内纯水与NaCl溶液中CO2与CH4溶解度比值（右图）。
低煤阶阶段CH4-CO2-H2O-HCO3-体系的同位素分馏涉及到气液两种介质及C、H、O三种元素的同位素，同位素分馏主要受平衡和（或）动力学分馏机制控制，分馏过程复杂多变，机理难以限定。本研究利用5种同位素地质温度计（图 3），探讨了煤层中CH4-CO2-H2O-HCO3-体系碳氢同位素分馏的主控因素。结果显示，CH4-CO2-HCO3-体系的碳同位素分馏主要受动力学机理控制，然而，CH4与H2O间的氢同位素分馏可能主要受平衡分馏机理控制，CH4与溶解CO2间的碳同位素分馏主要受平衡机理控制。CH4与溶解CO2间的平衡分馏关系反映出气藏中的部分甚至大部分CO2可能已溶解于煤层水。
图3.利用不同同位素地质温度计得到的平衡温度。储层温度范围38–48℃，T1–T5依次由CH4-CO2碳同位素温度计、CH4-H2O 氢同位素温度计、CO2-HCO3-碳同位素温度计、CH4-HCO3-碳同位素温度计与CH4-CO2溶解碳同位素温度计获得。
上述研究结果为深入认识微生物成因煤层气中CO2的溶解效应及CH4-CO2-H2O-HCO3-体系碳氢同位素分馏机理提供了新的地球化学依据，同时也为低阶煤层气的成因与形成方式的判识提供了新的思路。
该研究成果近期发表在《国际煤地质学》(International Journal of Coal Geology)。本研究受中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目（YSBR-017）、中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA14010103）、中国博士后科学基金面上项目（2021M703223）等联合资助。
论文信息：Xiangrui Chen（陈祥瑞）, Yunpeng Wang*（王云鹏）, Mingxin Tao（陶明信）, Zheng Zhou（周铮）, Zhihua He（何志华）, Kailin Song（宋开琳）, 2023. Tracing the origin and formation mechanisms of coalbed gas from the Fuxin Basin in China using geochemical and isotopic signatures of the gas and coproduced water. International Journal of Coal Geology 267, 1-12.
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