澳大利亚煤层气的微生物起源

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1、澳大利亚煤层气的微生物起源 1 摘要：悉尼，Bowen 盆地和澳大利亚的煤层气，其特点是由（1）甲烷/乙烷的比率大于 或等于 1000（2） 2 简介 排水煤层甲烷开采前不仅提供了一个有用的能源，降低了爆炸的危险性，并降低了矿井通 风所需的空气量，但还加快了速度，安全推进的工作脸。此外，未能控制的释放甲烷到大 气中，采矿的贡献全球气候变暖。在此背景下，从煤中释放的气体就其生成模式并没有得 到解决。同位素和化学成分的气体在开采烟煤（RO 发布 0.8-1.2 ）从二叠纪悉尼和博文 盆地（图 1 ）在深度 550 米的已被确定气体的目标与测量源和气体的产生机制。 以前的观点 澳大利亚烟煤煤层收集气

2、体直接在煤面（Smith 等人，1982）出现有很大的不同同位素组 成大部分的缝气体从公布的数据（科伦坡等其他地区， 1966 年，弗里德里希和 jungten ， 1971 年;斯塔尔，1976 ; Rice 等，1989 ） 。典型的澳大利亚煤层气分析于表 1。 “干”这些 气体已被归因内的较高的正构烷烃的保留煤的孔隙结构，直到气体破裂进一步甲烷（雷格 比和 Smith ，1982） ;D13C 值已涉及到的 CO2 和 CH4 这些气体同位素平衡之间（史密斯 等人， 1982） 。在光比较近的根本数据（ Jenden 和 Kaplan ，1986 年， 1989 年 Whiticar 等

3、人，1986; Woltemate 等人，1986 ） ，该建议煤层气发电的细菌的作用， （斯科特和 Kaiser ，1991 年，水稻， 1993 年，水稻和 Kotarba ， 1993 年，斯科特，1993 年） ，我 们认为在这里在澳大利亚类似的气体生成机制煤。 澳大利亚的煤矿被入侵的碳的深层次的二氧化碳（ D13C -7 2 PDB）原产地。甲烷在 这种地雷，有时是完全位移本 CO2 （ Gould 等人，1981） 。在整个悉尼盆地南部，在 同位素的变化组合物中的煤层 CO2 增加 CO 2 的含量，如在图 2 中所示，缝入侵 CO2 的不 断同位素组合物从一个外部源。 突出通常与

4、高 CO2 含量的煤层瓦斯。因此，工人有兴趣 的开发同位素方法的 CO2 监测的起源 如 CO2 入侵的地方，D13C CH4 值的变化的情况下（如图 3） （史密斯和 Gould ，1980） 表明，既减少了 CO2 为 CH4 ，也不同位素平衡 CO2 和 CH4 之间已发生，也就是说，引 入二氧化碳的行为作为惰性稀释剂 科伦坡等人先前的调查结果。 （1966） ，弗里德里希和 Jungten （1971）和 Smith 等人。 （1985 ）表示，显着的化学和同位素分馏可能伴随解吸气体从煤样在实验室。在更最近 的实验（ Gould 等人，1987） ，我们无法复制我们之前 reporte

5、dfractionations ，在气体 收集等样本。相反，我们表明， 13C 的分馏沼气收集过程中是不显着从处女煤或支柱样品 的。哪里中脱离出来的气体从块煤样品举行在鼓中， 13C 的分馏接近 5被视为发生后， 才 50 天，当 95已收集的总气体解吸。在具体而言，这解吸效果的特点由已故的释放 13C 富集的痕迹甲烷，而不是由早期的 F 低的 13Cdepleted 相对于大量的甲烷气体。在这 方面的证据，直接收集气体从孔进煤工作面的方法，提供了最可靠的数据。 实验技术 3 样本采集 天然气和煤样品收集地下联邦科学与工业研究组织的人员或提供煤炭开采公司的一项调查 缝的一部分突出行为有关的气体

6、组合物中（ Smith 等人，1984） 。总共有 307 样品的气体 和 45 个样品，收集相关的煤炭 13 个煤矿和 17 个的探索性的钻孔 inPermian 煤炭接缝在 悉尼和博文盆地。因为强烈的注意力都集中突出的情况下，煤样的气体质量从气体采样点 通常不提供，并没有刻意追求，因此，精确煤炭质量的信息（例如，镜质体反射率，岩相 组合）这些采样点的缺乏，虽然区域数据一般（联合煤炭局和昆士兰省煤炭局，1987） 。 4 化学和同位素分析所有气体的化学组合物中分别为在 Hewlett Packard 5830A 气相色谱仪测定或上的 SRI 8610 自然气体分析仪。在同位素研究中，甲烷，乙

7、烷，和碳二氧化最初通过低温蒸馏分离 在-196 （ Sakai 等人，1976 ）在燃烧之前上的氧化铜，在 850 。产品 CO2 和每个 由燃烧产生的水成分进行分离，通过低温精馏前集合。最近，该方法具有被更新根据 Jenden 卡普兰（ 1989） 。酸洗去除碳酸盐后，在 1000下，在氧气中燃烧煤（ Kaplan 等人，1970）。产品二氧化碳和水收集。所有收集到的水样减少到氢贫化铀（238U ）金 属，在 800下进行随后的 D / H 比分析。5 质量 SpectrometryvCO2 和 H2 对样品进行了 分析真空发生器 602D 同位素比值质谱仪。的数据中报告的，通常每 MIL

8、符号三角洲（D ）的差异以千分之几之间的同位素比，R ，的样品和， Peedee 箭石（PDB）标准为碳 和标准平均海洋水（SMOW）为氢。 samplestandardRR1 1000 其中， R = 13C/12C 为碳，R = D / H 的氢。这些测量的精确度0.2 13C/12C 比值为 1.0 D / H 比值。这些值包括从抽样误差的贡献编制和质谱分析。 6 热解实验 反应器（ 10 毫升）填充有酸洗二叠纪煤（6 克） ，粉碎通过的筛 1 毫米的孔径。后，反 应器被关闭，它们被加热至 250，350，或 400 三天。反应堆冷却后，我们测量气体压 力和气体体积和分析的气体化学和同位

9、素。 7 结果 号煤层瓦斯和煤样进行了分析，记录的值的范围，以及在适当的，平均的值列于表 2。在 大部分的 307 气体分析，较高的正构烷烃含量可以忽略不计，但是，在 35 的样品含量等 于或超过 0.1量， 35 个样本中的 21 烷烃的含量超过 0.3 ，最大为 10.1。D13C CO2 和的 D13C CH4 值的所有气体如图 4 中所示。在测量， D13C 和 DD 两种气体与煤的 值示于图 5。气体的化学和同位素分析从煤样的热解是表 3 中列出。 8 讨论 CO2 的的大同位素分馏之间和 CH4， D13C （CO2- CH4） ，常用的一项功能中国煤层气 体，清楚地说明了图 4（

10、 Jenden 和 Kaplan ，1986） 。包括在这个数字是代表计算同位 素线分馏 1.080， 1.060， 1.040 ， 1.020 相应的 D13C 值（CO2- CH4） ， 80 ， 60 ，40，和 20 PDB ，分别。较低的值的 D13C （ CO2 CH4）也对应减少 D13CCO2 值 和二氧化碳含量增加，大概由于气体的稀释与深源，相对光有 D13C 值-7 2 PDB CO2（ Gould 等人，1981）。注意：在图 4 中，聚类潮湿的气体，连同较高的二氧化碳含 量较低的同位素在该区域分馏。气体支承由孔的相交口袋中的 Bulgo 砂岩以上布利缝被裁 定为一个源的

11、气体与乙烷含量高（AJ 哈格雷夫斯， 1990 年，个人通信）。 Rice 等人。 （1989）同样砂岩上覆及相关弗鲁特兰形成多雨的来源，13C-富氧气体，否则，布莱克煤 层科林斯维尔煤系的主要来源这种气体的（ Smith 等人， 1985 年 b） 。收集和分析的煤 在这项工作中，在表 2 和图 5 中所示，有一个 D13C 值-22.9 1.0 PDB 。这个值是大 致良好在澳大利亚公布的数据协议煤： -24.4 1.4 PDB （Smith 等人， 1982） 。我 们没有发现任何证据的主要碳同位素的变化煤和大的同位素内或之间气态成熟之间的分馏 产品， D13C （CO 2 -CH 4）

12、 ，以及这些组件之间的与母公司煤炭是可以预期的。这种 相对同位素坚贞的证明所得的产品的分析热解煤（表 3） 。从数据中表 3 中显而易见的是，D13C CO2 值接近这些煤。此外，较大的-15 PDB 枯竭，一些的 D13C CH4 值，相对于 煤，由更容易解释相对于 13C -12C 12C- 12C 债券的破损债券，和上一代产品的甲烷随附 13C 相对贫较高的正构烷烃（西尔弗曼， 1967 年，詹姆斯，1983 年）与母公司煤炭，因 此， D13C 值（CO2- CH4）裂解产物中可能被最小化，确认 D13C 值 16 1于表 3 和图 4 所示。的另一个特征这些热解产物的高浓度气态较高的

13、正构烷烃与甲烷在图 4 中所示， 数字小煤层，往往是潮湿的气体有 D13C 更积极的 CH4 值大于-50 PDB ，负 D13C 的 CO2 值和 D13C 值（CO2- CH4）的少大于或等于 1.040 。因此，通过类比与具有这些相 同的热解试验气体属性，我们可以假设这样的缝气体从热工过程，导致部分。在此基础上 所收集的气体即那些伟大的散装 D13C （CO2- CH4）的分馏超过 1.040 显然是不同的起 源此外，在图 4 中所示的数据范围的气体衍生的微生物还原 CO2 （根据式（1） ） ，或 由乙酸发酵（根据式（2） ） 。CO2 4H2 CH4 2H2OCH3COOH CH4

14、CO2从气体从海洋沉积物的分析，jenden 和 Kaplan （1986） ，如图 4 ，归因 D13C （CO2- CH4 ）分别为 7010 和 50 10 ，减少二氧化碳排放所产生的气体和醋酸发酵，分别。 其他概述领域定义的组合物的气体调查 Whiticar 等。来自海洋（1986）和淡水沉积物和微 生物的途径用于产生这些气体。的相似性干煤的碳同位素组成气体和这些微生物来源产品 建立了这样的比较。上的数据的 D 含量的煤和甲烷的样品列于表 2 和图 5 。计算的平均 dDcoal 和 DD CH4 值被示出，以反映的地层水的（ Schoell ，1980; Whiticar 等人， 1

15、986; Woltemate 等人，1986 ）。在减少二氧化碳排放量（式（1） ）中，所有的甲烷 中的氢被来自从地层的根据以下的水。DCH4 Dwater 180SMOW其中，甲烷是一种醋酸 发酵产品（式（2） ） ，在只有一个氢甲烷从地层水，得到作为在以下等式中。古纬度的 煤沉积环境的研究（ Smith 等人， 1983， 1985 ）表明以下。然后，通过对 DD 煤炭- 132 SMOW 代（图 5）在式（5）的形成， dD 的水是-47 SMOW 。此值代方程 3 和 4 给出 dD 的 CH4 值-227 和 -391 。这些计算比较与所测量的 dD 的 CH4 值的值-217 17

16、 从表 2 和图 5 强烈表 示减少二氧化碳排放量是一个主要的因素，煤层甲烷的产生。的相对比例由两种微生物产 生的甲烷可通过使用方程确定途径如图 6 所示，其中 f 是小数的甲烷从醋酸异化（ Jenden 和衍生卡普兰， 1986）f DH O DCH DH O 2 4 2160 0.857 233通过代以适当的值，f 是计算为 0.09 ，从而证实了主要作用， CO2 减少甲烷的产生。DD 的取值是在悉尼地区的降雨-39 SMOW 。如果有相当的渗透这个转瞬即逝的水进入的 煤层，同位素组合物，这种水不充分不同从计算出的对水 paleovalue（-47 SMOW） ，使我们能够估计的时间气体的产生。一些澳大利亚煤的混合来源甲烷先前已有人建议， 由 Smith 等人。 （1985 ）的基础上，较大的比理论 D13C （ C2H6 -CH4）的差异记录 值（詹姆斯， 1983 年）。这里介绍的证据一种替代的微生物