第十九届全国有机地球化学学术会议

甲烷是一种代表巨大价值的清洁能源资源，也是一种强效的温室气体。区分二次生物成因甲烷和热成因气对于天然气勘探以及考虑全球碳循环中地下微生物活动非常重要，但这仍然是一个挑战。为了了解天然气系统中甲烷来源的控制因素，将甲烷团簇同位素用作明确的示踪剂区分二次生物成因甲烷和热成因气体，我们研究了高成熟煤层气（CBM）和泥火山盆地中的甲烷团簇同位素分布。在这里，我们发现了一些接近平衡的团簇同位素分布（Δ¹³CH₃D和Δ¹²CH₂D₂），并可以由此推断出甲烷形成的温度区间。高温平衡的甲烷团簇同位素结果往往代表热成因甲烷，尤其是在高成熟煤层气盆地中我们发现了高达252.3 ºC的平衡团簇同位素分布结果，可能代表煤化过程中的初始热成因甲烷。低温平衡的团簇同位素结果与储层温度几乎一致（低至约21.6 ºC），导致这些结果的原因是酶促反应催化同位素交换，微生物改变了CH₄同位素体（isotopologues）的键序排列。而来自泥火山盆地的结果表现出一部分不平衡的团簇同位素分布，我们推测其与同位素交换反应中的可逆性相关。此外，我们还尝试结合其他地球化学（如烷烃组分，CO₂/H₂O稳定同位素组成）和基因组证据，共同揭示这些盆地中显著的二次生物成因甲烷。
总体而言，即使在高温成熟度的煤层中和最保守的同位素估计，我们也发现了来自煤炭或称热解气的生物降解产生的二次生物成因气的证据。鉴于底物的生物有效性决定了微生物气的产量 (Lloyd et al., 2021)，或许增强煤层中微生物甲烷生成（恢复废弃天然气储层的生产力）的策略，如CO₂注入和微生物增强煤层气手段在未来可以得到有效应用。此外，泥火山盆地往往代表更低成熟或与表层环境紧密接触的天然气储层环境，其中发现的不平衡团簇同位素特征或与新鲜碳源的输入导致酶介导的甲烷生成/氧化可逆性降低有关，这代表了表层碳循环与深部碳循环的紧密联系 (Liu et al., 2023)。随着大气甲烷同位素分析技术的进步 (Haghnegahdar et al., 2023)，结合二次生物成因生物甲烷特征将为全球甲烷同位素体收支估计铺平道路。总之，应用独立的团簇同位素手段提供了识别自然缓慢的甲烷降解过程和评估甲烷循环中至关重要的地球化学机制的新视角。