煤层水与煤层气主组分δ13C值的分布及δ13CDIC示踪指标的对比研究

CH4 and CO2 are the main components of gaseous materials produced during coal-forming material evolution, the δ13C values of DIC and dissolved CH4 from coalbed water are new indices for trace coalbed gas(CBG) origins, are also important objects and segments to study the isotopic fractionation of bearing carbon materials in coalbeds. This study focuses on the distribution characteristics and variation rules of δ13C DIC value and δ13C1(aq) value, by comparative study of the coalbed CO2 and CH4 and simulation experiments, acquiring the fractionation information among corresponding materials, and based on Δδ13CDIC-CH4, Δδ13CDIC-CO2, Δδ13C CH4(aq)-CH4 and αCO2- CH4 values, revealing the fractionation characteristics and the quantitative relationships between CO2 and CH4 during thermal evolution, microbial activities and dissolution processes, and combined with water chemistry and temperature data, analyzing their variation mechanisms; on this basis, we study the trace index system, δ13C DIC as its core, to distinguish CBG origins, and explore the δ13C DIC application in estimating the proportion of secondary biogenic gas of mixed CBG. Therefore, this study is of great scientific significance and extensive application value.

CH4和CO2是成煤物质演化过程中产生的主要气态组分，而煤层水中DIC及甲烷的δ13C值是示踪煤层气成因类型的新指标，也是研究煤层中碳同位素分馏变化的重要对象与环节。重点研究煤层水的δ13CDIC及δ13C1（溶）值的分布特征与变化规律，通过与煤层气δ13CCO2和δ13C1值系统的对比研究并配合模拟实验，获取具不同δ13CCO2及δ13C1值的系列样品溶于水前后的对应物质间的分馏信息，据Δδ13CDIC-CH4、Δδ13CDIC-CO2与Δδ13CCH4溶-CH4值及αCO2-CH4值等，揭示煤层CO2及CH4在热演化—后期微生物改造—水溶等演化链条中碳同位素的分馏特征与量化关系，结合水化学及温度等资料，分析其变化机理；在此基础上研究以δ13CDIC值为核心的可判识各类煤层气成因的示踪指标体系，探索用δ13CDIC值判估混合气中热成因气与次生生物气的比例问题，具有重要科学和广泛应用价值。

对各种类型煤层气的甲烷δ13C值的分布进行了系统研究，其分布范围在-79.5‰到-10.1‰之间，变化极复杂，其机理主要是解吸分馏作用和微生物气的混合作用，建立了识别δ13C值变化机理与成因的图解，提出了δ13C值新的示踪意义与领域。.对贵州松河中低演化和山西沁水高演化煤层气与煤层水系统的地球化学组成进行了系统的测试。例如松河煤层气δ13C1值为-40.7‰~-43.2‰，δDCH4值为-185.8‰~-169.2‰，δ13CCO2值为-13.4‰~-9.3‰，等等，均显示热成因气特征；揭示了系统内CO2与CH4在水溶（DIC）等过程中碳同位素的分馏特征、演变规律与机理。相关的特征值为：Δδ13CDIC-CO2为+12.1‰～+30.6‰；Δδ13CDIC-C1为+41.5‰～+62.7‰；Δδ13CCO2-C1为+27.4‰～+32.9‰，αCO2-C1值为1.027779 ~1.033447。δ13CDIC为+0.4‰~+21.3‰，或可能显示受到微生物的改造。.沁水南部煤层气甲烷的δ13C和δD等特征值的示踪为高温裂解气。此外在本区还测得更丰富的地球化学数据：微量CO2的δ13C值，主体为-13.2‰~+4.3‰；水中溶解甲烷的δ13C1溶值为-33.3‰~-25.9‰以及煤层水的δDH2O和δ18OH2O值。Δ13CDIC-CO2为11.6~38.7‰，Δ13CC1溶-C1为-0.7~9.0‰，αCO2-C1值为1.01~1.05, αDIC-C1值为1.05~1.06，显示溶于水的DIC和CH4的δ13C值均变高，DIC与CH4之间的碳同位素分馏程度相对较高。δ13CDIC值为+6.9~+18.1‰，均为正值，不同于国际学术界的主流认识，这或是热裂解煤层气的特征，需进一步研究。. 热成因煤层气模型研究长期难以取得进展，本研究取得突破和系列成果：建立了10个地质地球化学系列模型体系，例如δ13C1=31.58Rmax-100.02 (r=0.913)，等，从而揭示了其同位素分馏演化的规律；提出了δ13C1-Δδ13CCO2-C1成因判别体系；发现分子相对质量与温度是控制其同位素分馏变化的重要因素。已在包括《Fuel》、《Energy & Fuels》、《Geochemical Journal》等国际专业期刊上发表SCI论文6篇，中文核心论文1篇。