摘  要：
全球含煤层气盆地范围内，生物气普遍存在于埋深小于1500m左右的浅层煤中，其中，低阶煤以原生生物气为主，可能混有热成因气，如美国粉河盆地，加拿大阿尔伯塔盆地和我国的二连盆地；高阶煤多为热成因气伴生次生生物气，如美国的圣胡安盆地和我国的鄂尔多斯盆地。地层水离子浓度是制约煤层中微生物产气作用的重要地质因素之一。Waldron et al.（2007）的微生物生气实验模拟研究表明，培养液中Cl-浓度高于750mM（17500mg/L）时，离子浓度增加对微生物产甲烷作用的影响从促进转变为抑制。
新疆米东煤层气区位于准噶尔盆地南缘，中侏罗统西山窑组（J₂x）为主力煤层，煤样埋深400~1500米，煤阶低，Ro在0.39~0.6%，处于亚生物气~早期煤化作用阶段，煤层水总离子浓度在4838~31658mg/L，平均值17152mg/L，总体较高，处于半滞留~滞流区。煤样解吸气CO₂含量高，范围在0.57~37.24%，甲烷含量范围在60.32~95.56%，CO₂含量在各煤层和各构造带均呈现明显随深度增加而增加的趋势。米东δ¹³C-CH₄异常轻，在-85.8~-57.2‰，表明原生生物气占主要。
临兴-神府煤层气区地处鄂尔多斯盆地的东缘，上古生界石炭系本溪组（C₂b）为主力煤层，目前进入中煤阶演化阶段，煤Ro在0.84~2.27%，煤层埋深主要集中在2000~2700m，煤层水离子浓度总体异常高，总离子浓度范围在3601~243307mg/L，平均为87254mg/L，CO₂和CH₄的含量范围分别为0~6.29%和85.2~97.79%。δ¹³C-CH₄较重，在-45~-37.3‰，C₁/(C₂+C₃)比值范围为8.57~573.76，平均136.72，表明热成因气占主要，次生生物气比例低。
粉河盆地位于美国西北部，主要含煤地层为古近纪福特联合组（Fort Union Formation），成煤年代在古新世~始新世，煤阶以亚烟煤为主，多数煤层埋深在45-160m之间，浅埋深煤与大气水接触，煤层水离子浓度低，在335.88~1001.9mg/L。煤层气的组分以甲烷占绝对主导，伴生少量N₂和CO₂，δ¹³C-CH₄和δ¹³C-CO₂范围分别为-57.2~-85.8‰和-20.4~-2.2‰，表明原生生物成因（Schweitzer et al., 2019）。
三个区域对比分析表明，煤层水总离子浓度随煤埋深的增加而升高（图1A），表明煤层水矿化度对微生物活跃性的抑制作用随深度的增加而增加，粉河盆地低浓度煤层水促进微生物活动生成原生生物气，米东区高浓度煤层水起抑制作用，而临兴-神府区煤层水异常高矿化度对微生物改造热成因气生成次生生物气的抑制性最强。与此相一致的是，相比粉河盆地，米东煤层气甲烷体积分数降低，CO₂体积分数升高，表明微生物还原CO₂产生甲烷的反应减弱（图1B），而临兴-神府区低C₁/(C₂+C₃)比值表明微生物成因CH₄少，与微生物改造热成因气作用受限相符合。临兴-神府区高含量CH₄和低含量CO₂与中等变质煤热演化生成气体组分相符（图1B）。各成因气发育区煤层水总离子浓度分布对比图可见（图1C），三个区域微生物作用最强区煤层水离子浓度基本低于10000mg/L,微生物作用存在区的煤层水离子浓度在10000~40000mg/L以内，而微生物作用基本停滞区所对应的煤层水离子浓度>40000mg/L。本研究证实煤层水离子浓度对煤层气组分的重要控制作用，尤其是CO₂和CH₄的相对体积分数，能对煤层气勘探开发目标优选进行指导。
关键词：煤层水离子浓度；微生物作用；CO₂含量；CH₄含量；煤层气勘探
附图：

图1、新疆米东、鄂尔多斯临兴-神府区、美国粉河盆地煤层水离子浓度（A）和煤层气CO2、CH4含量随深度变化对比图（B）；各成因气发育区煤层水总离子浓度分布对比图（C）
参考文献：

1. Waldron, P. J., Petsch, S. T., Martini, A. M., & Nüsslein, K. (2007). Salinity constraints on subsurface archaeal diversity and methanogenesis in sedimentary rock rich in organic matter. Applied And Environmental Microbiology, 1(2), 100 - 110.
2. Schweitzer, H., Ritter, D., McIntosh, J., Barnhart, E., Cunningham, A. B., Vinson, D., Orem, W., & Fields, M. W. (2019). Changes in microbial communities and associated water and gas geochemistry across a sulfate gradient in coal beds: Powder River Basin, USA. Geochimica et Cosmochimica Acta, 245, 495-513.

煤层水离子浓度；微生物作用；CO2含量；CH4含量；煤层气勘探