新聞動態(tài)陳祥瑞、王云鵬等-MPG：同位素平衡分餾對熱成因煤層氣系統(tǒng)中CO2溶解及同位素反序的制約
?天然氣在全球能源體系中扮演著不可或缺的角色。深入理解天然氣的形成與演化機(jī)制，對天然氣的有效勘探與開發(fā)具有重要的理論意義。天然氣的同位素組成能反映其成因、熱成熟度及次生變化規(guī)律，是天然氣地球化學(xué)研究的核心問題。天然氣系統(tǒng)中，同位素的動力學(xué)分餾與平衡分餾均已被廣泛報道。然而，何種分餾機(jī)制控制了原始天然氣的同位素組成仍存較大爭議。煤層氣作為自生自儲型天然氣，是研究這一關(guān)鍵科學(xué)問題的理想對象。
?針對該科學(xué)問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后陳祥瑞與合作導(dǎo)師王云鵬研究員，聯(lián)合北京師范大學(xué)陶明信教授、英國蘭卡斯特大學(xué)Zheng Zhou及中石化重慶頁巖氣公司的魏猛工程師，對貴州珠藏向斜織金煤層氣田的氣、水、煤開展了系統(tǒng)的同位素地球化學(xué)研究，取得如下新認(rèn)識。
（1）珠藏向斜煤層氣屬于過成熟熱成因氣，主要形成于燕山期，形成溫度206℃-244℃；煤層水主要來源于大氣降水。
（2）計算顯示，煤儲層中?CH4-C2H6-CO2-HCO3--H2O 體系處于碳、氫同位素非平衡狀態(tài)（圖 1）。?多方證據(jù)表明，原始生成的大部分CO2已溶解于煤層水形成了溶解無機(jī)碳（DIC），故煤層氣伴生水中DIC的δ13C值接近原始CO2的δ13C值。據(jù)此計算顯示，煤層氣形成時，CH4-CO2很可能處于碳同位素平衡狀態(tài)（圖 1）。進(jìn)一步研究表明，煤層氣形成時?CH4-C2H6-CO2?體系處于碳同位素平衡狀態(tài)。
（3）珠藏煤層氣樣品中普遍存在δ13CCH4?> δ13CC2H6的反序現(xiàn)象（圖 2），這在煤層氣領(lǐng)域非常罕見。多方證據(jù)顯示，煤層氣形成后，δ13CCH4值并未發(fā)生明顯的變化，但δ13CC2H6值卻顯著降低，導(dǎo)致了δ13CCH4?> δ13CC2H6。本文推測，煤層氣開采過程中，乙烷的解吸—擴(kuò)散分餾很可能導(dǎo)致了其碳同位素值的降低，這可能是珠藏煤層氣同位素反序的形成重要原因。
（4）估算出珠藏向斜煤層氣中CO2與CH4的產(chǎn)率比，以及形成后CO2的溶解程度。本研究計算表明，原始煤層氣中CO2的占比（XCO2/(XCO2+XCH4)）為22-37%，煤層氣生成后，超過97%的CO2已溶解于煤層水形成了溶解無機(jī)碳。本團(tuán)隊早期的研究（Chen 等，2023）顯示，微生物成因煤層氣形成后，53–99 %?的CO2已溶解于煤層水形成了溶解無機(jī)碳，所以煤層氣中CO2的含量很低。據(jù)此提出：地質(zhì)時間尺度下，溶解封存是煤層及其他含水地層中CO2封存的重要機(jī)制。
圖1. 研究區(qū)煤層氣形成溫度、儲層溫度與表觀同位素平衡溫度對比。T0與T00分別代表煤層氣的形成溫度與儲層溫度；Ti（i=1,2,3,4,6）依次代表CH4-CO2、CO2-HCO3-、CH4-HCO3-、C2H6-CO2、CH4-H2O同位素交換反應(yīng)的表觀平衡溫度；T11表示煤層氣中原始CH4與CO2的同位素平衡溫度。
圖2.?煤層氣樣品中δ13CC2H6?-?δ13CCH4?的關(guān)系圖.
?上述研究對深入理解天然氣形成與演化過程中同位素的分餾機(jī)理具有重要理論意義，也為天然氣同位素地球化學(xué)示蹤指標(biāo)的選擇與應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
?該研究成果發(fā)表于油氣領(lǐng)域國際主流刊物《Marine and Petroleum Geology》。本研究受中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃項目（YSBR-017）、中國博士后科學(xué)基金面上項目（2021M703223）、??地球多圈層相互作用下油氣富集理論項目?（THEMSIE04010104）、?國家自然科學(xué)基金?面上項目（42273053）等聯(lián)合資助。
論文信息：Xiangrui Chen（陳祥瑞）, Yunpeng Wang*（王云鵬）, Mingxin Tao（陶明信）, Zheng Zhou（周錚）, Meng?Wei（魏猛）, 2025.?Isotopic equilibrium constraints on CO2?dissolution and carbon isotopic reversal in a thermogenic coalbed gas system associated with the Zhuzang syncline, Guizhou, China. Marine and Petroleum Geology, 107554.
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264817225002715
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參考文獻(xiàn)：Chen, X., Tao, M., Zhou, Z., Holland, G., Wang, Y., 2023. Geological control on carbon isotope equilibrium and kinetic fractionation of CH4-CO2-HCO3-?in microbial coalbed and shale gas systems. Chem. Geol. 635, 121609.
