沁水盆地北部太原组煤层气碳同位素特征及成因探讨

徐占杰，刘钦甫，郑启明，程宏飞，李中平，毋应科

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京　100083;2．河南工程学院资源与环境学院，河南郑州　451191;3．中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心，甘肃兰州　730000)



沁水盆地北部太原组煤层气碳同位素特征及成因探讨

徐占杰1，刘钦甫1，郑启明2，程宏飞1，李中平3，毋应科1

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083;2．河南工程学院资源与环境学院，河南郑州451191;3．中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心，甘肃兰州730000)

摘要:为了研究沁水盆地北部寺家庄太原组煤层甲烷(CH4)及二氧化碳(CO2)的成因，对11口煤层气井排采气进行了化学组分和同位素测试，探讨了煤层CH4及CO2的成因及联系。结果表明:沁水盆地北部煤层CH4平均体积分数为98．6%，CO2为0．25%，N2为1．07%;煤层CH4碳同位素值介于－33．2‰～－40．8‰，平均值为－37．1‰，以煤热裂解成因为主，含有微生物CO2还原成因CH4，属于混合成因煤层气。沁北煤层CH4碳同位素分馏起主导作用的是解吸－扩散－运移作用，储层浅部压力小，含轻碳同位素的CH4优先解吸，经扩散运移至上部地层进而逸散到大气中。煤层CO2的δ13C值为－15．9‰～+0．05‰，平均值为－8．6‰，为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生，碳同位素较重的地方受地下水或微生物CO2还原作用影响。煤层CO2碳同位素随煤层埋藏变浅而变重，浅部煤层微生物CO2还原作用强，使CO2碳同位素变重。关键词:煤层气;碳同位素;沁水盆地;成因;微生物气

徐占杰，刘钦甫，郑启明，等．沁水盆地北部太原组煤层气碳同位素特征及成因探讨［J］．煤炭学报，2016，41(6):1467－1475．doi: 10．13225/j．cnki．jccs．2015．1265

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煤层气的化学组分和同位素组成是煤层气地球化学研究的主要内容，是判别煤层气成因、认识其分布规律的有效指标，尤其碳同位素组成最为重要、应用也最普遍。有研究表明煤层气碳同位素值随着煤演化程度的加深而变重［1－2］，但实际上煤层气碳同位素组成千差万别，这是因为煤生烃及后期改造煤层气碳同位素的因素有很多，如地下水动力条件、解吸－扩散－运移效应、热演化程度、微生物作用等［3－11］。实验和实际数据证实流动的水使甲烷碳同位素变轻［3］，煤系水还对煤层含气量影响很大，水动力强的煤层，煤层气含量小且甲烷碳同位素偏轻［4］。构造活动不仅影响煤层气的分布，如构造煤中局部瓦斯突出现象［5］，而且煤层气在构造演化过程中因煤层抬升导致解吸－扩散－运移效应，使煤层甲烷碳同位素值总体偏大，且随埋深增大而增大，在平面上出现分带现象［6］。煤层气形成的热动力学机制下的同位素分异效应和煤层气解吸－扩散－运移效应使煤芯解吸甲烷碳同位素随煤的镜质组最大反射率和煤层埋深的增大而变重［7］。煤层微生物成因甲烷碳同位素普遍较轻，原生生物气多发生于低煤阶煤中，次生生物气发生于热演化程度较高的煤岩中，甚至发生于无烟煤中［8－10］。微生物成因气甚至成为煤层气产量持续稳定的主要原因［11］。与常规天然气相比，煤层气化学组分和碳同位素组成特征受次生作用的影响方式和效果不同，是由最高演化程度地质时期决定的，能反映煤层所经历的热演化过程［12－13］。但目前对煤层甲烷和二氧化碳间成因联系的研究较少，显然，二者的碳除极少部分为大气或无机成因，几乎全部来自煤中有机碳，二者的同位素特征有什么异同，有没有成因联系等问题都需进一步研究探讨。

笔者以沁水盆地北部阳泉矿区寺家庄井口排采气为研究对象，通过对排采煤层气的化学组分和碳同位素实验测试分析，对该区煤层甲烷和二氧化碳的碳同位素特征及成因进行了研究探讨。

1　区域地质背景

沁水盆地位于山西省东南部，研究区是沁水盆地北部的阳泉矿区寺家庄区块(图1(a)［14］)。

图1　沁水盆地及研究区地理位置和区域地质构造略图［14］及采样点位置Fig.1　Location of Qinshui Basin and study area and regional geological structure sketch［14］and sample positions

沁水盆地自下而上发育地层有太古界、元古界震旦系以及寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系和第四系。盆内地层展布平缓，产状呈北北东走向单斜构造格局，倾角一般为5°～10°，局部褶曲地段倾角12°～20°。盆地内以背、向斜交替出现的褶皱构造为主。断层相对较少，一般落差在20 m以内。

盆地北部寺家庄区块位于沁水坳陷的东部边缘北段，太行山隆起西翼［14］。区内背斜、向斜多成对存在，断层为正断层，陷落柱在北部较发育，形态多为近圆形及椭圆形，最小直径10 m，一般直径为20～50 m，陷壁角为62°～83°，一般为80°(图1(b))。

寺家庄区块发育地层与整个沁水盆地相似，由东向西出露地层由老到新。东部区外大面积出露奥陶系、石炭系本溪组、太原组和二叠系山西组，区内二叠系上、下石盒子组地层广泛分布，二叠系石千峰组，三叠系刘家沟组地层出露于本区西缘，新生界覆于各个时代基岩之上。区内主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组，太原组15号煤层是该区煤层气资源的主要层位，其顶底板均为泥岩(图2)。

2　样品与测试方法

2.1样品采集

分析样品采自沁水盆地北部阳泉矿区寺家庄区块，从11口煤层气井采集样品11组，每组两个气样，以作对照。煤层气主采层位为太原组15号煤层。煤层气样品采用排水集气法收集，玻璃瓶水封保存。每个气样采集200～400 mL，在室内进行化学组分和同位素组成等测试。

2.2测试方法和条件

煤层气的化学组分和同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成。煤层气化学组分采用大型气体同位素质谱仪(仪器型号:MAT 271，德国菲尼根公司生产)，电离源为电子轰击型(EI)，该仪器灵敏度高，长于各类气体组分定性及定量分析。

煤层甲烷和二氧化碳的碳同位素分析在单分子化合物碳稳定同位素分析系统上完成，该系统主要由气相色谱(GC)及稳定同位素比质谱(isotope ratio mass spectrometer，IRMS)两部分组成，系统简称为“GC－IRMS”分析系统。色谱仪型号为Trace GC，色谱柱型号CP－Carbobond(美国Varian公司产，长度25 cm，内径0.53 mm，膜厚 10 μm)，进样口分流比10∶1，温度为280℃，升温程序为 30℃保持5 min，15℃/min升至240℃并保持10 min。氦气为载气(纯度≥99.999%)，载气流速为5 mL/min。稳定同位素质谱计型号为MAT 253(Thermo Fisher Scientific)，碳同位素分析测试精度为±(0.1～0.5) (PDB，‰)。该实验室的同位素测试技术和精度处于很高的水平［15－17］。表1为寺家庄煤层气化学成分和碳同位素组成及相关数据。

图2　沁水盆地石炭系太原组地层柱状图Fig.2　Stratigraphic column of Carboniferous Taiyuan Formation in Qinshui Basin

3　煤层气地球化学特征

3.1煤层气组分特征

一是涉农专项转移支付项目增加容易取消难。新一轮财税体制改革以来，涉农专项转移支付目录得到了较大幅度的压减，但这种整合多数是小类归大类，是物理整合而不是化学整合，原有的条块分配模式基本没有打破。根据审计署的报告显示，一些专项转移支付归并后管理方式并没有发生根本性改变，仍存在“碎片化、部门化、司处化”的现象。从地方情况看，涉农资金的统筹整合任务也迫在眉睫。名目繁多的涉农资金，大部分以独立、具体的项目形式“戴帽”下达。

根据国内外大量煤层气组分数据显示，煤层气主要包含CH4，C2+，N2，CO2等，另外还含有微量的CO，H2S，He，Ar，Hg等［8，18－19］。

寺家庄区块煤层气以CH4为主，体积分数在95.9%～99.4%，平均为98.6%，乙烷含量很少，仅为0.008%～0.038%，平均0.021%，没检测到乙烷以上的烃类，C1/C2+平均值达5 943(表1)，属于极干煤层气。低煤级和高煤级阶段产生的煤层气多为干气(C1/C2+＞19)，而中煤级阶段产生大量湿气(C1/ C2+≤19)［20］，寺家庄煤变质程度较高，15号煤镜质组最大反射率为2.9%～3.4%，变质阶段为Ⅶ阶段，属无烟煤3号［21］，高成熟度是煤层气极干的原因之一。生物成因气和热裂解气都具有干气特征［8，22－23］，沁水盆地在新生代喜山期以来发生强烈的抬升和剥蚀［24］，煤层因抬升卸压导致煤层气发生解吸－扩散－运移效应，煤层也可能因抬升出露地表或与地表水沟通，使产甲烷菌等微生物进入煤层产生次生生物气，从而使煤层气变干的可能性是存在的。

表1　寺家庄煤层气化学组分和同位素值Table 1　Isotopic and molecular composition of CBM from Sijiazhuang

煤层气非烃组分中N2平均含量1.07%。对于较封闭、地下水活动较弱的煤层，一般为有机质含氮化合物降解作用的内生氮气［18］，寺家庄产出水平均矿化度在1 433 mg/L［25］，具有较高的矿化度，地下水流动性较差，为内生氮气的保存提供了条件。样品277，369中 N2含量异常高，分别为3.75%，2.18%，277离陷落柱Xs23较近，样品369正好处于断层线不远处，二者可能因附近构造(断层和陷落柱)影响导致大气中氮气进入煤层。

煤层CO2在煤化作用早期大量生成，伴随热演化的进行，CH4含量逐渐增加，CO2含量逐渐降低［18］。在泥炭化作用阶段，产甲烷菌CO2还原作用是导致早期生成的CO2含量降低的因素之一。次生生物气形成时，也有CO2在还原菌作用下生成CH4。寺家庄煤层气中CO2含量为0.14%～0.40%，平均0.25%，处于较低的水平，所以其受无机成因、碳酸盐矿物溶解等来源的CO2影响小，大多为煤有机大分子的脱羧基反应、细菌分解有机质等来源。煤层气还含有少量的稀有气体Ar和He。

3.2煤层气碳同位素特征

碳是煤层气最主要的元素，煤层气中的碳基本上全部来自煤。寺家庄太原组煤层甲烷碳同位素(δ13C1)介于－33.2‰～－40.8‰，平均值为－37.1‰，二氧化碳碳同位素 δ13C(CO2)值为－15.9‰～+0.05‰，平均值为－8.6‰。

不同的母质和成煤环境，煤层气碳同位素特征是不一样的，后期又经过物理的、化学的以及生物的等诸多因素使碳同位素发生分馏，造成了现存煤层气碳同位素特征的千差万别。

例如生气母质，不同生物的碳同位素值是不同的。例如淡水植物δ13C值为－34‰～－8‰，跨度最大;海生植物则偏重，为－17‰～－8‰;海生动物、高山植物、热带和温带植物δ13C值较轻;藻类δ13C值为－24‰～－12‰［26］。寺家庄δ13C1与淡水植物同位素较接近，这也符合现实情况。煤层气碳同位素理论上会达到生气母质的碳同位素值，寺家庄煤变质程度很高，达到无烟煤3号，现今生成的甲烷排除同位素分馏的因素就很接近生气母质的碳同位素值。

煤层气与常规天然气的烷烃以及CO2的碳同位素值亦有明显区别，寺家庄δ13C1具有煤成气混合甲烷的碳同位素特征，δ13C(CO2)比常规天然气中CO2碳同位素值大，上限达到0.05‰(图3［26］)。

煤层气碳同位素还受到地质微生物分馏作用的影响。CO2和CH4的固定和消耗以及各种有机质的分解转化等碳源、碳汇及碳的转化途径均受微生物功能群直接控制［27］，例如极端厌氧产甲烷古菌以自养为主，广泛分布于各种无氧环境中［28］，尤其是泥炭沼泽里。生物成因的甲烷显著缺乏13C，乙酸盐途径合成甲烷δ13C1范围－50‰～－65‰，而CO2还原途径产生的甲烷具有更负的δ13C(－60‰～－110‰)［27，29］。

图3　寺家庄煤层气与常规天然气中烷烃和CO2的碳同位素值分布［26］Fig.3　Carbon isotope composition of CH4and CO2in CBM and conventional gases［26］

4讨　　论

4.1煤层CH4的成因

根据煤层气的化学组分和甲烷碳氢同位素等地球化学参数，可将煤层气分为原生生物气、次生生物气、热降解气、热裂解气及混合成因气5类［30］。热成因和生物成因的CH4可以根据碳同位素组成特征进行判别。微生物作用下生成的δ13C1偏负，一般低于－50‰，其中CO2还原作用成因CH4的δ13C1值分布在－110‰～－60‰，乙酸盐发酵成因CH4的δ13C1值分布在－65‰～－50‰［27，29］。而热成因的 CH4碳同位素较重，一般大于－50‰。

热成因CH4为在温度(＞50℃)和压力作用下煤中大量富含氢和氧的挥发分有机质发生物理化学变化生成。煤或泥炭中有机质在热力作用条件下产生CH4的过程包括热降解和热裂解两种不同的生成机理和相对应的生气阶段［9］。煤化作用早期阶段(Ro值介于0.50%～0.80%)从高挥发分烟煤中生成的早期热成因煤层气化学组分除含甲烷外还含较多的乙烷、丙烷等湿气成分;在大量湿气生成阶段(Ro值介于0.60%～0.80%)产生的煤层气中的干燥系数低于0.8，且乙烷含量可能超过11%;在Ro值介于0.80%～1.00%时，煤会有大量热成因甲烷生成;Ro值在1.20%左右时，煤层处于生气高峰期［31］。

煤层原生生物成因CH4多形成于泥炭和低阶煤热演化初期阶段，次生生物成因CH4可形成于高煤阶煤中。新疆吐哈盆地沙尔湖地区为生物成因煤层气，该区煤岩为褐煤，Ro为0.40%～0.47%，C1/C1～n为0.996～0.997，C2≤0.15%，C1/C2为 436.2～577.6，δ13C1值为－62.7‰ ～－62.1‰，δD(CH4)值为－225‰～－224‰(SMOW)，该区煤层气为原生生物成因煤层气［9］。悉尼和鲍温盆地二叠纪烟煤储层中的煤层气为次生生物气，其地球化学特征为:① 甲烷/乙烷值≥1 000;② δ13C1和 δD(CH4)分别为－60‰±10‰和－217‰±17‰(SMOW);③ CO2质量分数小于5%;④ CO2－CH4的δ13C(CO2－CH4)为55‰ ±10‰［32］。

图4显示［33－34］，寺家庄区块煤层气数据点落于扩散－运移－分馏作用下的次生热成因区。煤层气既不在热成因区、混合区，也不在生物成因区，说明该区煤层气地球化学特征是经过改造的。通过回归煤岩热模拟公式可以得到未经分馏的碳同位素值［10］，寺家庄太原组15号煤镜质组最大反射率为2.9% ～3.4%，经计算得到寺家庄煤层气 δ13C1介于－27.7‰～－28.6‰，而 寺 家 庄 实 测δ13C1介于－33.2‰～－40.8‰，平均值为－37.1‰，干燥度为2 606～12 041，平均5 943。根据解吸－扩散－运移理论，寺家庄地区可能为运移受体区，别处的煤层甲烷运移至此处，煤层气化学组分和碳同位素均发生了分馏，造成寺家庄煤层气变干变轻。由于煤层气是以吸附为主赋存在煤层中，这种因接受别处煤层CH4运移至研究区的可能性很小，在垂向上比在侧向上发生解吸－扩散－运移的可能性更大，太原组15号煤层是较早生成的，垂向上发生解吸－扩散－运移效应会使15号煤层CH4碳同位素更重，所以这种解释是矛盾的。能够使煤层气变轻变干的因素还有次生生物作用，寺家庄煤层气可能含有次生生物成因CH4。

图4　寺家庄煤层气基于C1/C2+～δ13C1成因类型(底图引自文献［34］)Fig.4　Gas dryness(C1/C2+)versus δ13C1for coalbed methane from Sijiazhuang［34］

4.2煤层CO2的成因

煤层中CO2有多种来源，包括无机的地幔来源、碳酸盐矿物的热解反应和有机的脱羧基作用、细菌分解有机质等［18，20］。

煤层CO2含量各异，易溶于水。CO2含量小于15%时认为是有机成因，浓度大于60%以上为无机成因［35］，寺家庄区块煤层气中CO2含量较低，平均0.25%，属于有机成因，由于该地区煤为无烟煤3号，变质程度较高，CO2可能来源于煤中有机质的脱羧基作用。至于有没有受到碳酸盐矿物热解反应的无机CO2或微生物作用的改造，需要借助碳同位素进一步研究。

不同成因来源的CO2碳同位素组成有所差异。煤热裂解产生的 CO2碳同位素值不会超过0.15‰［30］，热降解有机质产生的 CO2同位素值在－28‰～－10‰［20］。微生物 CO2还原作用改造过的CO2碳同位素值更重，有时能达到18‰［18］，地幔成因CO2的δ13C值在－5‰～－9‰［36］。寺家庄煤层气中CO2的δ13C值为－15.9‰ ～+0.05‰，平均值为－8.6‰，故寺家庄煤层CO2应为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生，碳同位素较重的地方可能受地下水或微生物作用影响。

4.3煤层气CH4和CO2的成因联系

煤层产气大致可分为2个时期4个阶段。泥炭化作用时期:①泥炭至褐煤阶段，Ro＜0.30%时，为原生生物成因气，气体成分复杂，有CH4，H2，CO2，NH3等。煤化作用时期［37］:②褐煤至长焰煤阶段，生成的气量多，成分以CO2为主(占72% ～92%)，烃类＜20%且以CH4为主，C2+＜4%。③ 长焰煤至焦煤阶段，烃类气体迅速增加，CO2含量下降至10%左右，烃类气体以CH4为主但含较多的重烃，至肥、焦煤时C2+可占10%～20%。该阶段是主要的生油阶段，若煤中壳质组含量多，则油和湿气含量亦多。④ 瘦煤至无烟煤阶段，此时烃类气体占70%以上，其中CH4占绝对优势(97%～99%)，几乎没有C2+。除了煤的热演化程度对煤层产气的影响，区域构造埋藏史对煤层气的影响也很大［38］，需要进一步系统研究，各个阶段的产气都可能受构造影响发生解吸扩散运移甚至逸散殆尽，现今保存下来的煤层气大多是不同时期生成、经多种地质构造作用影响的混合气。

在煤层气成因判别上，也可根据CH4和CO2的碳同位素值进行成因分析［8］。寺家庄煤层气δ13C1介于 －33.2‰ ～－40.8‰，平均值为－37.1‰，δ13C(CO2)值为 －15.9‰～+0.05‰，平均值为－8.6‰，根据二者作图，样品点均落于热成因区内，但CH4和CO2的碳同位素值具有一定的正相关性，也就是说CH4的碳同位素越轻CO2也越轻(图5)。根据 Golding等的研究结果显示［8，11］，CH4和CO2的碳同位素值具有正相关性，表明次生生物成因气是利用CO2还原途径产生甲烷，从这一点来看，寺家庄煤层气存在次生生物成因气，但其含量的多少有待进一步研究。

图5　寺家庄煤层气基于CH4－CO2碳同位素成因分类Fig.5　δ13CCO2versus δ13C1for coalbed CH4and CO2from Sijiazhuang

不同成因的煤层CH4和CO2的碳同位素值随煤层埋藏深度的变化规律亦不同。苏拉特盆地东部为热成因和生物混合成因气［11］。混合成因的CH4碳同位素随着煤层埋藏深度的增加而变重，寺家庄煤层CH4碳同位素随着深度的增加变轻的趋势(图6(a))。导致这种情况的原因可能是产甲烷微生物多存在于近地表煤层中，随着深度的增加产甲烷菌逐渐减少进而生物成因的CH4相对含量减少，造成苏拉特盆地东部CH4碳同位素随埋深增加而变重。而寺家庄煤层在燕山期定型后，又经受新生代喜山期发生强烈的抬升和剥蚀活动，而且该区陷落柱较发育，煤层CH4碳同位素分馏起主导作用的是解吸－扩散－运移效应，由于浅部储层压力小，含轻碳同位素的CH4优先解吸，扩散运移至上部地层进而逸散到大气中，深部的解吸－扩散－运移作用弱，故含重碳甲烷相对含量较少，即使含有少量的次生生物气，也难以在CH4碳同位素上显示出来，依然具有较重的热成因气碳同位素特征，所以寺家庄煤层甲烷碳同位素随深度增加而变轻。

苏拉特盆地东部和寺家庄CO2碳同位素均随煤层埋藏深度的增加而变轻(图6(b))，但在产甲烷微生物作用下的CO2明显比热成因的重，这是因为CH4和CO2碳同位素的交换平衡效应导致的，该反应为

图6　司家庄和澳大利亚苏拉特盆地东部煤层CH4和CO2碳同位素与煤层埋藏深度的关系［11］Fig.6　Depth versus δ13C1and δ13C(CO2)for samples from Sijiazhuang and eastern Surat Basin，Australia［11］

寺家庄CO2碳同位素与煤层埋藏深度的数据点较苏拉特盆地的分散，这是因为寺家庄区块位于华北断块沁水块坳武乡－昔阳北北东向褶皱带，区内背斜、向斜多，陷落柱较发育，构造复杂，导致CO2碳同位素分馏因素多造成。图6(b)显示寺家庄煤层CO2碳同位素与苏拉特盆地混合成因煤层气中CO2碳同位素具有很好的平行关系，这也说明了寺家庄太原组煤层气存在微生物CO2还原成因煤层气。

为什么CH4碳同位素与苏拉特混合成因煤层气的相反，而CO2碳同位素有很好的平行关系呢?这是因为CH4较难溶于水，解吸－扩散－运移效应对其影响较大，而CO2易溶于水，煤层是典型的裂隙含水层，所以微生物对煤层CO2碳同位素的改造痕迹仍然存在，这就造成了图6中所示的现象。

5　结　　论

(1)沁水盆地北部寺家庄区块煤层气CH4含量在95.9%～99.4%，平均为98.6%，乙烷含量很少，平均0.021%，不含乙烷以上的烃类，非烃组分中N2平均含量为1.07%，其次 CO2含量为 0.14% ～0.40%，平均0.25%，还含有少量的Ar和He。

(2)沁水盆地北部煤层甲烷碳同位素介于－33.2‰～－40.8‰，平均值为－37.1‰，受解吸－运移－扩散效应较强，CH4碳同位素偏重。寺家庄煤层CO2的 δ13C值为－15.9‰ ～+0.05‰，平均值为－8.6‰，为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生，碳同位素较重的地方受地下水或微生物CO2还原作用影响所致。

(3)寺家庄煤层气以煤热裂解成因为主，存在微生物CO2还原成因CH4，为混合成因煤层气。寺家庄CH4碳同位素分馏起主导作用的是解吸－扩散－运移作用，煤层CH4碳同位素随着深度的减小而变重，储层浅部压力小，含轻碳同位素的CH4优先解吸，扩散运移至上部地层进而逸散到大气中。但是寺家庄煤层CO2碳同位素随煤层埋藏深度的变浅而变重，微生物CO2还原作用改造后的CO2碳同位素比热成因的重，寺家庄浅部煤层微生物CO2还原CH4作用强，使CO2碳同位素加重。

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中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1467－09

收稿日期:2015－08－31修回日期:2015－12－28责任编辑:韩晋平

基金项目:山西省煤层气联合基金资助项目(2013012005);国家自然科学基金资助项目(41072119)

作者简介:徐占杰(1987—)，男，河南鹤壁人，博士研究生。E－mail:xzj2009@foxmail．com。通讯作者:刘钦甫(1964—)，男，河南长葛人，教授，博士生导师。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