煤层气中N2、CO2及H2的同位素组成与变化机理及其示踪意义

This project systematically conducts research on the geochemical characteristics of the isotopes of such non-hydrocarbon components as N2, H2 and CO2, bridging for the research gaps or insuffience. Meanwhile based on isotopic parent material inherit effects and dynamic fraction theory, tests are carried out on the content of N, H and C in the parent coal rock, the isotopic compositions of δ15N coal, δDcoal and δ13Ccoal, as well as contents and isotopes of other related components, by doing which basic supporting data is achieved. Firstly the research studies the overall distribution and variation characteristics/laws of the values of δ15NN2, δ13CCO2 and δDH2, as well as the contents and isotopic compositions and variation characteristics of such elements as N, H and C. Followed by a comprehensive comparison of the various types of data, diagrams and correlation analysis, combined with geological background information, it further reveals the variation laws of the isotopic composition of N2 , CO2 and H2 and their intrinsic relationship with the parent materials and other gaseous components in terms of isotopic aspects, and analyzes the variation mechanism. It analyzes the tracing significance of the values of δ15NN2, δ13CCO2 and δDH2, and proposes specific tracing indicators. Combined with hydrocarbon isotopes data previously obtained, it constitutes the more complete basic data, which promotes the development of isotopic geochemistry and creates conditions for achieving the scientific goals of the systematic study of isotope geochemistry of coalbed gas in the future.

系统开展煤层气中N2、H2、CO2等非烃组分的同位素地球化学特征与示踪作用研究，弥补其研究空白或不足。同时，依据同位素母质继承效应和动力分馏理论，对其母质煤岩中N、H、C的含量与同位素（δ15N煤、δD煤、δ13C煤、）以及其它伴生气体组分的同位素进行测试，获取系统配套的数据；首先研究煤层气δ15NN2值、δ13CCO2值及δDH2值的整体分布范围与变化特征/规律以及煤样相关元素与同位素的组成特征，继而通过对各类数据的综合对比、图解与相关性分析，并结合地质背景资料，进一步揭示N2、CO2及H2的同位素组成与变化规律、其与母源物质及其它气体组分在同位素方面的内在关系等特征，分析其各种变化机理以及δ15NN2、δ13CCO2及δDH2值的示踪意义，提出具体的示踪指标。与先前获得的烃类同位素等资料相交汇，构成较完整的基础数据，达到推进煤层气同位素地球化学研究并为今后的系统研究创造条件的科学目标.

本项目的研究目标主要是煤层气中非烃类组分N2、CO2及H2的同位素地球化学组成特征及其机理与示踪意义研究，研究工作总体上按项目计划书设计执行。研究过程中对个别研究内容做了一些调整，拓展了部分研究内容。进行了野外地质考察，系统采集了煤层气等各类样品。对煤层气样品的组分和同位素组成，特别是非烃类组分的同位素组成（δ15NN2、δ13CCO2、δDH2）、系列煤样的氮、碳、氢含量与同位素组成以及Ro值进行了系统测试，获得了配套的基础数据。在此基础上进行了单项和综合性的初步研究，取得的主要进展或成果为：运用量子化学理论与方法，开展了煤层气中甲烷与二氧化碳间碳同位素交换反应与平衡温度方面的研究，建立了新的计算方法；热成因煤层气的δ13CCO2与δ13C1值几乎不具有相关性，但δ13CCO2与δ13C煤 却接近；煤层气中存在不同于传统认识的异常重的有机成因CO2，煤层气中CO2的含量具有特殊资源意义，对煤层中微生物的活动与产气有重要示踪价值；系列煤样的氮含量介于0.34%～1.60%之间，与煤的热演化程度具有较好的相关性，δ15N煤介于-2.4‰～+4.6‰之间，整体上随Ro值的增大而减小；首次获得不同热演化程度煤层中氮气的同位素基础数据，初步显示δ15NN2具有较大的示踪潜力；系列煤样的H含量为0.53%～5.61%，与Ro值之间具有良好的负相关关系；所测中低煤级煤的δD值为-156‰～-122‰，具有随热演化程度增高而增高的趋势；天然煤层气中H2含量很低，一般仪器难以准确检测。煤的镜质组和惰质组在300℃～1100℃所生H2的δD值分别为-247.0‰～+9.7‰和-407.0‰～-22.0‰，两者的同位素分馏有明显差别。对煤层中产甲烷菌等微生物的活动及产气的资源量进行了同位素综合示踪研究，显示埋深浅于1000m或温度低于40℃的煤层最适宜产甲烷菌活动与次生生物气的生成；对中国煤层气同位素地球化学进行了初步的研究与体系构建。完成了项目的研究任务与目标，发表与交流论文8篇，其中国际著名期刊论文2篇。