天然气在全球能源体系中扮演着不可或缺的角色。深入理解天然气的形成与演化机制，对天然气的有效勘探与开发具有重要的理论意义。天然气的同位素组成能反映其成因、热成熟度及次生变化规律，是天然气地球化学研究的核心问题。天然气系统中，同位素的动力学分馏与平衡分馏均已被广泛报道。然而，何种分馏机制控制了原始天然气的同位素组成仍存较大争议。煤层气作为自生自储型天然气，是研究这一关键科学问题的理想对象。

 针对该科学问题，中国科学院广州地球化学研究所博士后陈祥瑞与合作导师王云鹏研究员，联合北京师范大学陶明信教授、英国兰卡斯特大学Zheng Zhou及中石化重庆页岩气公司的魏猛工程师，对贵州珠藏向斜织金煤层气田的气、水、煤开展了系统的同位素地球化学研究，取得如下新认识。

（1）珠藏向斜煤层气属于过成熟热成因气，主要形成于燕山期，形成温度206℃-244℃；煤层水主要来源于大气降水。

（2）计算显示，煤储层中 CH₄-C₂H₆-CO₂-HCO₃^--H₂O 体系处于碳、氢同位素非平衡状态（图 1）。 多方证据表明，原始生成的大部分CO₂已溶解于煤层水形成了溶解无机碳（DIC），故煤层气伴生水中DIC的δ¹³C值接近原始CO₂的δ¹³C值。据此计算显示，煤层气形成时，CH₄-CO₂很可能处于碳同位素平衡状态（图 1）。进一步研究表明，煤层气形成时 CH₄-C₂H₆-CO₂ 体系处于碳同位素平衡状态。

（3）珠藏煤层气样品中普遍存在δ¹³C_CH4 > δ¹³C_C2H6的反序现象（图 2），这在煤层气领域非常罕见。多方证据显示，煤层气形成后，δ¹³C_CH4值并未发生明显的变化，但δ¹³C_C2H6值却显著降低，导致了δ¹³C_CH4 > δ¹³C_C2H6。本文推测，煤层气开采过程中，乙烷的解吸—扩散分馏很可能导致了其碳同位素值的降低，这可能是珠藏煤层气同位素反序的形成重要原因。

（4）估算出珠藏向斜煤层气中CO₂与CH₄的产率比，以及形成后CO₂的溶解程度。本研究计算表明，原始煤层气中CO₂的占比（X_CO2/(X_CO2+X_CH4)）为22-37%，煤层气生成后，超过97%的CO₂已溶解于煤层水形成了溶解无机碳。本团队早期的研究（Chen 等，2023）显示，微生物成因煤层气形成后，53–99 % 的CO₂已溶解于煤层水形成了溶解无机碳，所以煤层气中CO₂的含量很低。据此提出：地质时间尺度下，溶解封存是煤层及其他含水地层中CO₂封存的重要机制。

图1. 研究区煤层气形成温度、储层温度与表观同位素平衡温度对比。T₀与T₀₀分别代表煤层气的形成温度与储层温度；T_i（i=1,2,3,4,6）依次代表CH₄-CO₂、CO₂-HCO₃^-、CH₄-HCO₃^-、C₂H₆-CO₂、CH₄-H₂O同位素交换反应的表观平衡温度；T₁₁表示煤层气中原始CH₄与CO₂的同位素平衡温度。

图2. 煤层气样品中δ¹³C_C2H6 - δ¹³C_CH4 的关系图.

 上述研究对深入理解天然气形成与演化过程中同位素的分馏机理具有重要理论意义，也为天然气同位素地球化学示踪指标的选择与应用提供了科学依据。

 该研究成果发表于油气领域国际主流刊物《Marine and Petroleum 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）、中国博士后科学基金面上项目（2021M703223）、‌‌地球多圈层相互作用下油气富集理论项目‌（THEMSIE04010104）、‌国家自然科学基金‌面上项目（42273053）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）, 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.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264817225002715

参考文献：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.