煤有机质生物降解序列与次生生物气富集区生物甲烷形成机制研究

为解决次生生物气(SBG)形成机制不清的问题，研究人员针对鄂尔多斯盆地典型SBG富集区开展煤有机质(OM)生物降解序列研究。通过生物标志物分析发现：芳香烃(PM 5-7级)比饱和烃(PM 4-5级)更易降解，且降解序列为n-烷烃>甾烷>藿烷；多环芳烃降解受芳环数和烷基取代基数量影响。该研究为SBG勘探开发提供理论依据，成果发表于《Organic Geochemistry》。

　　

在全球能源转型背景下，煤层气(CBM)作为一种清洁能源备受关注。其中，次生生物气(SBG)占全球天然气资源的20%以上，但关于其形成机制仍存在诸多谜团。传统观点认为，微生物降解原油时饱和烃比芳香烃更易分解，但这一规律是否适用于煤有机质(OM)？为什么某些高降解程度的煤层反而SBG产量较低？这些问题制约着SBG资源的精准勘探。

针对这些科学难题，中国石油大学的研究团队选取鄂尔多斯盆地三大典型SBG富集区（保德、大佛寺、黄陵）的21个煤样，运用气相色谱-质谱(GC-MS)、元素分析等技术，系统研究了OM的生物降解特征。研究发现：这些煤样OM主要来源于陆源裸子植物，沉积于海陆过渡相环境。通过生物标志物分析首次揭示：煤中芳香烃(PM 5-7级)降解程度显著高于饱和烃(PM 4-5级)，与原油降解规律截然不同。具体降解序列为：n-烷烃>甾烷>藿烷；而多环芳烃中，芳环数和烷基取代基越少降解越快。

研究采用的关键技术包括：1) 基于ISO 14180标准的煤层取样；2) 工业分析和元素分析测定C_daf
、H_daf
等参数；3) GC-MS检测生物标志物分布；4) 甲基二苯并噻吩比值确定成熟度。

【有机质来源与沉积环境】
CPI(碳优势指数)和OEP(奇偶优势)均大于1.00，C₂₉
甾烷占优，以及8β(H)-drimane等倍半萜类化合物的存在，证实OM主要来源于裸子植物。硫含量(0.08-1.12 wt%)和特定生物标志物组合指示海陆过渡相沉积环境。

【生物降解程度差异】
甲基菲指数显示煤样处于成熟阶段。所有样品均显示生物降解迹象，但芳香烃降解程度(PM 5-7级)显著高于饱和烃(PM 4-5级)。这与原油中饱和烃优先降解的经典认知形成鲜明对比。

【降解序列机制】
饱和烃中，直链n-烷烃最易降解，其次为甾烷，藿烷抗性最强。芳香烃降解受分子结构控制：单环芳烃比三环芳烃降解快；烷基取代基越少降解越快。这种选择性降解与微生物酶的特异性作用相关。

【SBG形成启示】
虽然OM降解是SBG生成的关键环节，但研究发现高降解程度未必对应高SBG富集。构造裂缝和水文地质条件等保存因素同样重要。例如，黄陵矿区尽管OM降解程度较高，但因封闭性差导致SBG散失。

该研究首次系统阐明了煤OM各组分的生物降解序列规律，修正了传统石油降解理论在煤系地层中的适用性。提出的"芳烃优先降解"机制为SBG资源评价提供了新指标，对鄂尔多斯盆地等典型SBG富集区的勘探开发具有直接指导意义。特别是发现Candidatus
Methanoliparum古菌可能通过同时降解长链烷烃和产甲烷的双重功能促进SBG生成，为微生物增产技术研发指明新方向。这些成果不仅丰富了有机地球化学理论，也为全球中低阶煤盆地的清洁能源开发提供了科学依据。