煤層甲烷碳同位素偏輕機理研究進展

鮑 園，胡宜亮，李 丹，孫學陽，琚宜文

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054；3.中國科學院大學 地球與行星科學學院，北京 100049)

0 引 言

碳同位素(13C/12C)示蹤技術具有高度的專一性、穩定性和靈敏度，利用甲烷穩定碳同位素組成(δ13C1)的示蹤技術可判識氣體成因類型、甲烷來源及其擴散與傳輸過程[1-2]。煤層氣是一種清潔的非常規天然氣資源，基于煤層甲烷的δ13C1地化指標參數進行煤層氣成因類型劃分的研究成果非常豐富[3-4]。一般認為生物成因煤層氣的δ13C1值小于-50‰或-55‰[5-6]，國內外學者在煤層氣的勘探開發過程中還發現，煤層甲烷δ13C1值普遍輕于相同成熟度的常規煤成氣甲烷δ13C1值[7-8]，在淺層分布的煤層甲烷δ13C1值偏輕程度更明顯[8]。而且，常規煤成氣源巖成熟度(Ro)與甲烷δ13C1值之間具有很好的相關性，但煤層甲烷δ13C1值與Ro之間相關性較差[8-9]。

關于煤層甲烷δ13C1值偏輕的原因，德國著名煤巖學家TEICHMUELLER等首先提出了煤層氣“解吸-擴散-分餾”理論[10]，認為煤層解吸帶的甲烷δ13C1變輕的原因是由于煤層在抬升進入解吸帶后發生了解吸和擴散作用，進而發生了甲烷分子13C與12C之間碳同位素分餾的結果。TEICHMUELLER等提出的煤層氣“解吸-擴散-分餾”理論很快被眾多學者所接受，并在隨后的有關煤層氣運移的許多報道都支持了該理論[11]。近年來研究者發現，并非所有地區的煤層甲烷碳同位素變輕都能進行合理的解釋，流動地下水溶解作用[12-13]、次生生物成因氣混合作用[14-15]、CH4與CO2同位素交換作用[7-8]等理論被相繼提出。由于煤層甲烷δ13C1偏輕的成因理論存在各自的適應性和限制性，任何一個理論都不能解釋所有煤層甲烷δ13C1偏輕的現象，需要以厘清每個理論的成因機理為基礎，才能對煤層氣的成因類型及其偏輕機理做出合理解釋。

通過綜合分析國內外學者在煤層甲烷碳同位素組成及其成因等方面的研究，總結了在解吸-擴散分餾作用、流動地下水溶解作用、次生生物成因氣混合作用、CH4與CO2同位素交換作用等主要理論方面的研究進展，探討煤層甲烷碳同位素組成偏輕的機理與成因模式，分析其他影響因素的研究進展。研究成果旨在為深化煤層氣的富集機理和科學指導煤層氣的勘探與開發提供科學依據。

1 甲烷碳同位素組成含義

自然界中碳的穩定同位素有2種形式，即13C和12C，豐度分別為1.11%和98.89%。物質的碳同位素組成由13C/12C比值確定的δ13C表示，并以美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組(Pee Dee)層位中的擬箭石化石(Belemnite)作為標準品，所以，碳同位素組成數據均采用PDB相對標準，其13C/12C =(11 237.2± 90)×10-6。由于這個標準樣品為數不多，現早已耗盡，中國天然氣甲烷碳同位素組成分析一般采用Iso Top CH-1005，Iso Top CH-1006，Iso Top CH-1007等氣體標樣作為替代標準品，目前文獻中碳同位素數據表示多采用V-PDB相對標準。

自然界中天然氣的甲烷碳同位素組成中最輕為-90‰，比最重的碳質球粒隕石中的碳酸鹽δ13C1值(70‰)分餾高達到160‰[16]。世界煤層氣中甲烷δ13C1值分布范圍在-90‰～-10‰[8]，中國煤層甲烷的δ13C1值分布范圍為-78‰～-33‰[11]。 自然界中穩定碳同位素組成分布區間范圍如圖1所示。從成煤植物到沉積有機質再到煤層氣和生物氣，δ13C1值呈逐漸變輕的趨勢。

圖1 自然界中穩定碳同位素組成分布范圍(據文獻[11，17]修改)Fig.1 Distribution range of stable carbon isotopic composition in nature(modified from references[11,17])

2 影響因素及作用機理

2.1 解吸-擴散分餾作用

煤層甲烷碳同位素變輕中的“解吸-擴散分餾作用”理論[10]，最早由國際著名的煤巖學家TEICHMUELLER等人提出，在分析德國煤礦的資料時發現這些煤礦中的煤層氣分布存在一定的規律性，即隨著埋藏的深度改變而存在規律性差異，又稱“垂向分帶”現象，并對分帶進行重新定義：“解吸帶”(600～750 m以上的淺部)和“原生帶”(600～750 m以下的深部)。認為“解吸帶”內由煤層自身所生成的煤層氣在地質歷史長河中，由于多種不同的內外因素影響下早已散失消耗殆盡，目前仍然存在于該帶中的煤層氣的氣源大部分是深部“原生帶”所產生的的煤層氣通過長期的解吸后漸漸擴散運移到該帶而來的。關于成因機理解釋可以從分子角度解釋，甲烷分子中同位素(12C與13C)極性差異12C<13C，從而在發生解吸時，12C的解吸次序優先，進而在煤層中發生甲烷碳同位素分餾作用，12C甲烷相對富集，最終表現為在擴散-運移過程中煤層氣的δ13C1值變輕，造成了隨埋藏深度而變化的垂向分帶序列[11](圖2)。由于不同烴類組分和碳同位素的解析擴散性能存在差異，在解吸帶的煤層氣富含偏輕的甲烷且δ13C1值較小[18]，這種由于碳同位素擴散分餾導致的碳同位素偏輕的機理被眾多的國內外學者所引用，戴金星等、秦勇等對我國華北、沁水盆地等地區煤層甲烷碳同位素變輕的原因進行了解釋[8,11]。

李勇等在探究鄂爾多斯地區煤層氣氣體地球化學成因時，發現韓城地區的煤層氣的同位素分布存在差異性，分析影響因素時結合煤層地下水自身條件，得出對其同位素分布影響很小[18]。通過追溯韓城地區的地質演化歷史，并結合解吸分餾作用，發現在相較于其他因素，采用煤層氣的“垂向分帶”理論對于解釋韓城地區煤層甲烷碳同位素變輕的現象更合理。劉會虎等在研究淮南潘集礦區的氣體地球化學特征時，發現隨著煤層埋藏深度的增加，煤層氣甲烷同位素變化呈現規律性，整體上特點為逐漸偏重[19]。這一現象與TEICHMUELLER等人所提出的“垂向分帶”理論剛好相互吻合。同時在研究煤層氣的形成和演化史時，推測在晚侏羅世至白堊紀末和古近紀末期至新近紀末期2個地質歷史階段，因為發生構造抬升而造成的煤系蝕頂卸載進而導致自身生成的煤層氣發生解吸-擴散現象，即現今可以觀測到同位素分餾現象，后期測定結果也進一步驗證了這一推測。巢海燕等在前人研究成果的基礎上，通過分析多個因素條件，進而更全面地研究臨汾地區煤層氣的成因類型，發現煤層氣雖然保存條件整體良好，但同位素測試結果表明仍存在甲烷碳同位素偏輕和重烴組分偏少的現象[20]。在結合多種次生改造作用的影響效應來進行分析時，得出造成此現象的主控因素是擴散-運移的影響作用。

根據Langmuir單分子層吸附理論，煤層氣在吸附/解吸過程中12CH4和13CH4的解吸與吸附存在次序性，總結為12CH4較13CH4優先解吸、滯后吸附[21]，隨著解吸時間的不斷增加，解吸的氣體中甲烷碳同位素不斷變重。同時還發現相較于13CH4分子而言，12CH4分子的擴散和運移速率較高，從而造成甲烷碳同位素值隨著埋藏深度而變化的現象。并且無論是在實驗室的理論條件下，還是在自然中的無人為干擾因素的狀態下，12CH4優先解吸、擴散、運移、并引起同位素分餾的現象均會發生。

蘇現波等、陳潤等在研究煤體對氣體的吸附現象時，創新性地將“吸附勢理論”引入，發現該理論在解釋煤層氣解吸-擴散-運移過程中存在的分餾現象時，并無違和感[22-23]。同時陳潤等通過建立不同甲烷碳同位素分子在煤孔隙表面的吸附特性曲線，從色散力大小的角度解釋了解吸擴散作用與甲烷碳同位素分餾的現象的內在聯系[23]。在煤層甲烷擴散分餾方面，根據費克定律、擴散系數、愛因斯坦-斯托克斯方程等數學和物理方式可知，分子的擴散系數與分子自身半徑成正相關，即煤層氣烴類組分中，小分子烷烴(甲烷)較大分子烷烴更易于擴散，從而造成煤層氣組分和同位素組成的分餾[24]。煤層氣藏內小分子和輕同位素優先擴散，使殘留氣體中重烴的含量相對增加，從而導致同位素組分變重。隨著勘探的進一步深化，發現實際生產中發生明顯擴散分餾作用的氣藏是普遍存在的。準格爾盆地齊古油田和獨山子油田天然氣，甲烷濃度和同位素值在不同深度上存在差異性，即從下到上甲烷逐漸富集，碳同位素逐漸變輕。沁水盆地南部地區淺層煤層氣也與其同源的深層煤層氣的存在相關的差異性。這2個實例均很好的驗證了擴散分餾效應的存在。

針對解吸-擴散-分餾作用導致煤層甲烷碳同位素組成偏輕的理論，PRINZHOFER等認為擴散運移現象完全可以導致發生顯著的碳同位素變輕，且偏輕的幅度相對較大，δ13C1多超過5‰[25-26]。秦勝飛等認為理論并不完善，大致可以總結為2個方面[12]。一是如果“解吸帶”中的甲烷碳同位素偏輕的主要原因是12C優先解吸，則“原生帶”煤層中所殘留的甲烷碳同位素值應該會相對偏重；二是如果“解吸帶”煤層中甲烷碳同位素變輕的主控因素為“原生帶”的12C解吸后向上擴散至“解吸帶”，再被“解吸帶”的煤層吸附，使“解吸帶”中的甲烷碳同位素相對變輕，則原生帶中的甲烷碳同位素變重，嚴重重于相同成熟度的常規煤成氣，這與國內各主要煤層氣盆地煤層甲烷碳同位素總體偏輕的事實相左。

綜上所述，煤層氣的解吸-擴散分餾作用是一種垂向上的擴散分餾作用，造成淺部煤層δ13C1值輕于深部煤層。因此，解吸-擴散分餾作用主要發生于多煤層、構造抬升和深部煤層δ13C1值較重等地區。當滿足上述適用條件時，可以利用該理論對煤層氣深部資源區和淺部富集區進行預測，進而為煤層氣資源勘探與開發提供理論依據。

2.2 流動地下水溶解作用

秦勝飛等對全國主要煤層氣田的水文地質條件、煤層氣含量分布特征以及煤層氣地球化學特征[12]，進行匯總發現各盆地煤層氣的含氣量與甲烷碳同位素值存在較大的相關性，并煤層氣甲烷碳同位素變輕的現象與各研究區的水文地質條件聯系在一起，首次提出一種新的控制因素，“流動地下水的溶解作用”，該觀點中提出煤系中流動的地下水是煤層甲烷碳同位素值存在差異性的主控因素[27]。在成因機理上結合流動地下水的溶解作用和游離氣與吸附氣的交換作用，即通過是煤層甲烷碳同位素變輕，2種作用的長時間累積效應(圖3)。

李勇等在研究鄂爾多斯盆地煤層氣氣體地球化學特征時發現柳林地區煤層氣甲烷碳同位素明顯偏輕與該區特殊的地理位置及構造條件密切相關，其中起關鍵作用的是該區煤層發育相對較強的水動力條件[18]。水的溶解作用使CH4碳同位素產生分餾，因為流動的地下水更容易把13CH4溶解帶走[27-28]，進而造成甲烷碳同位素普遍偏輕。進一步的勘探成果表明，保德地區煤層甲烷也存在碳同位素偏輕現象，且該區煤層氣井產水量也較高，其地下水動力也較強。由于柳林和保德這2個地區具備相似的地質條件和特征，故認為造成保德地區煤層氣甲烷碳同位素變輕的主要原因是該區發育較強的水動力條件。劉會虎等在對淮南潘集外圍深部煤層氣地球化學特征和氣體成因研究時發現，該區局部煤層甲烷碳同位素值存在異常現象，而所有因素中水動力條件占比最大，例如靠近太原組含水層的煤層，其甲烷碳同位素值就相對偏輕，進一步印證了溶解分餾對甲烷碳同位素值的影響[19]。陳振宏、夏鵬等分別研究了沁水盆地和山西古交礦區的煤層氣地化特征，研究結果再次印證了水的溶解分餾作用，是導致煤層氣甲烷碳同位素值偏輕的一個重要因素，即較強的水動力條件，會導致煤層中甲烷碳的同位素值不斷變輕[28-29]。

地下水的溶解作用也與溶解分餾相類似，但是溶解分餾主要發生在地下水的徑流帶[12]。一般來說，同一種氣體組同位素值越大的相對穩定，溶入地層水后不易溶出，即重同位素氣體溶解度更高，隨著地層水進入下一組環境，逐漸富集較重的同位素氣體形成氣體同位素分餾現象。在柴達木盆地三湖地區第四系生物氣的甲烷和二氧化碳碳同位素隨深度的增加而變重，和該區地層水對氣體的溶解作用密切相關[30]。吐哈盆地溶解的甲烷碳同位素明顯重于該地區的常規天然氣[31]。因此，當某地區煤層中地下水徑流條件較強時，該區煤層甲烷δ13C1值偏輕原因多是流動地下水的溶解作用，同時，流動地下水也會將徑流區的煤層氣帶至地下水相對滯留區，形成煤層氣的相對富集區。當某一地區煤層甲烷碳同位素組成偏輕的主導因素為流動地下水的溶解作用時，地下水的相對滯留區也是煤層氣的富集有利區。

2.3 次生生物成因氣混合作用

1994年，SCOTT等首次提出了次生生物成因氣這一概念及其生成演化過程[32]。經過成煤變質作用、埋深較大的煤層，在后期構造擠壓作用下，發生地層抬升剝蝕，由深部到達近地表的淺部，煤層溫壓條件隨之改變，原儲存在煤層中的甲烷由于溫壓的降低而大量散失，但是地層的抬升及構造作用使得煤層一側出露地表或產生深大裂隙，大氣降水攜帶微生物種群沿盆地邊緣或裂隙進入有一定滲透性的煤層，當溫度、鹽度等環境條件適宜菌發生新陳代謝時，細菌和古菌以煤中早期存在的濕氣和有機物為底物，生成以CH4和CO2為主要成分的次生生物成因氣[8，30](圖4)。

次生生物成因氣最明顯的標志是δ13C1偏輕和重烴含量極少，顯示為典型干氣、特干氣特征。煤中賦存的有機質經過微生物降解后生成富12C的甲烷，這種次生生物成因氣與煤層中賦存的熱成因煤層氣混合，都會導致δ13C1比原存氣體的碳同位素值偏輕，C2+體積分數比原來低，能同時解釋煤層氣“變干、變輕”的現象。次生生物成因氣的形成途徑主要有3種：乙酸發酵、二氧化碳還原和甲基營養型[33-35]。

煤層氣地化研究方面，早在1947年BIGELEISEN等人就提出同位素分餾可能是一種量子效應[36]。即重同位素與輕同位素在量子機械效應方面存在細微差異，主要體現為兩者在零位能上的差異，輕同位素由于具有較高的零位能，其組成的物質化學鍵易斷，這種化學鍵上的差異導致其在環境中的反應速率也存在顯著的差異，進而引起同位素分餾現象。無論是熱演化過程還是微生物降解階段的碳同位素分餾效應都和鍵能大小之間有密不可分的關系，鍵能越大斷裂所需能量就越大，較輕的同位素鍵能較小，斷裂所需的離解能也較低，導致其反應速率高于重同位素，致使微生物有順序的優先選擇鍵能較小的12C作用，所以次生生物成因氣體普遍偏輕。

目前關于次生生物氣偏輕的主流觀點為同位素繼承效應。由于次生生物氣是微生以煤中有機質為底物代謝產生，而煤自身作為一種典型的Ⅲ型母質，其最突出的特點為芳香族物質和不同種類的官能團(側鏈)含量較高，從同位素角度分析，經過測定發現，相較于類脂側鏈，芳核中偏重的碳同位素(13C)豐度較高，從而造成煤中總體碳同位素組成分布的特點：δ13C干酪根>δ13C芳香核>δ13C類脂側鏈[37]。一方面，微生物降解煤時，相較于芳香族化合物，側鏈結構的生物敏感性更高，而這些類脂側鏈中富集偏輕的碳同位素，可以作出解釋δ13C1偏輕；現象另一方面，重同位素的豐度與同位素形成分配函數比(即β因子)成正相關，故隨著β因子值的增大，其對應結構的同位素組成偏重，經測定可知天然的固體有機質的母質中甲基碳原子β因子(βδ13C)值明顯小于羧基中的該值[38-39]。由此相較于羧基碳同位素組成，有機母質本身的甲基碳同位素組成相對偏輕。在以乙酸發酵方式為主的次生生物氣生成的過程中[39]，通過甲基加氫而形成CH4，羧基去氫形成CO2，因繼承效應CH4的碳同位素偏輕中，而CO2的碳同位素偏重，隨著次生生物氣濃度的升高，富集效應會使得同位素分餾效應越來越顯著，進而使得生物產出氣中甲烷總體有富集輕碳同位素的趨勢。

WHITICAR[40]指出，在微生物將CO2還原為CH4的過程中發生同位素動力學效應，使δ13C1值變低。陶明信[41]經對新集煤層氣井中的煤層氣甲烷的δ13C1值隨埋深的的變化規律進行分析后，發現其呈現低—高—低的變化特征，而CO2的δ13C1值則相反。該現象直觀地表明二者間的成因聯系.即顯示了CO2被微生物還原為CH4，殘留CO2的碳同位素組成變重而CH4的碳同位素組成變輕的同位素動力學分餾特征。在對低階煤生物成因氣與熱成因氣模擬及其結構演化研究中也得到與之相同的結論，生物氣的δ13C1值越輕，δ13CCO2值越重，兩者呈“鏡像”對稱關系。主要由于氣體同位素組成對母質的繼承效應，使得輕碳同位素被分餾到CH4中，重碳同位素被分餾到CO2中，從而證明生物成因氣體偏輕。陳潤關于微生物分餾的煤層氣的研究結論再次印證了上述分析結果[23]。

因此，次生生物成因氣混合作用主要發生在構造抬升區、儲層溫度較低的淺部地下水徑流帶。伴隨著構造抬升運動，煤層中一旦混入外來微生物種群或在合適的地質條件下，就會發生微生物降解煤有機質生成次生生物成因氣作用，導致煤層甲烷碳同位素組成整體偏輕。次生生物成因氣是一種清潔、可再生、環境友好型的能源之一，伴隨當今世界對清潔能源需求量日益增長的趨勢，次生生物成因氣在煤層氣中的地位也日益突出。當某一地區的測定碳同位素值偏輕且滿足次生生物成因氣混入條件時，可判斷該區煤層氣的氣體成因類型并預測煤層氣(次生生物氣)富集區。依據煤層甲烷碳同位素組成和煤巖變質程度，張小軍、鮑園等人提出計算不同成因類型煤層氣混合比例的方法[5，42]。

2.4 CH4與CO2同位素交換作用

煤的熱模擬實驗表明，在地質歷史時期由深成變質作用和熱變質作用生成的原始煤層氣組分中CO2和CH4含量相對較高。而在早期含有較高濃度的CO2和CH4條件下，CH4和CO2的碳同位素之間會發生交換反應，使得煤層中甲烷的δ13C1值大幅度降低，進而導致煤層氣甲烷碳同位素值偏輕，二氧化碳碳同位素值偏重。其具體的交換反應化學式如下[10，16]

13CH4+12CO2=12CH4+13CO2

(1)

因此，CH4和CO2的同位素交換平衡使甲烷δ13C1值變輕的作用，由于反應自身條件的限制，使該反應主要發生在煤層氣形成的早期，因為此時煤層氣氣體組分中CH4和CO2含量均較高，后期由于CO2大量被溶解，CH4含量大幅升高。成為絕對優勢組分，而CO2含量很少或沒有，從而使得CH4和CO2的同位素交換平衡反應不可能發生，因此同位素交換平衡反應發生所需條件的限制，對現存煤層氣甲烷δ13C1變輕的現象影響不大。

目前煤層氣藏內是否發生CH4和CO2碳同位素交換作用，還未得到統一的定論，對其交換作用的形成機理更含糊不清，而CH4和CO2碳同位素發生交換作用的條件也僅有初步的認識。即一般認為在溫度較低的情況下，CH4和CO2之間的碳同位素交換發生的概率很低，也就是說在有研究價值的地質時間期限內幾乎不可能達到碳同位素交換的平衡[43]。此外CH4和CO2碳同位素交換作用沒有一個特定的方向，它總是向能達到CH4和CO2碳同位素平衡的方向進行。

總之，CH4與CO2之間發生碳同位素交換作用的條件較為苛刻，一般發生在成煤作用早期階段，受限于地層中CO2的濃度。當某一地區判識出該因素為主導地位時，可認為該區現存氣體形成時期很早且后期未發生破壞作用或發生改造作用較弱。

2.5 其它成因分析

除了上述4種主要成因機制之外，前人對煤層甲烷碳同位素組成偏輕還提出了多種成因假說，如熱解生烴分餾作用[18]、早期生物氣存留[44]、油型氣混入[45]、母質遺傳(繼承)作用[14]等。

李勇等在研究鄂爾多斯地區的煤層氣氣體地球化學時，發現該區局部巖漿運動所造成的煤體快速增溫生烴分餾作用對該區煤層氣甲烷碳同位素變輕現象也有一定的貢獻[18]。秦勇等在探究華北地區淺層煤層中甲烷穩定碳同位素的組成時，也提出該區淺層煤層甲烷穩定碳同位素偏輕的現象并非是由于解吸—擴散效應這一單一因素造成的，該區的熱力學分餾背景對甲烷同位素偏輕現象也有不小的作用，具體而言該區發生的應該是早期熱力學背景之下的解吸—擴散分餾作用[11]。高波等在研究煤層氣甲烷碳同位素的分布及影響因素時，發現除了常見的4種分餾效應外，生氣母質的類型和成熟度等也是影響煤層氣甲烷碳同位素組成的重要因素[46]。陳振宏等在對沁水盆地南部煤層氣藏的地球化學特征進行分析時發現，該區太原組煤層的δ13C1相較于其他地層而言更輕，針對此現象提出在除了水動力條件的影響作用之外，構造熱事件對于該現象的產生也有不小的貢獻作用[28]。因為構造熱事件在促成二次生氣基礎上，也在很大程度上改善了煤體本身的儲層物性，進而大大促進了CH4與CO2同位素交換作用的發生及甲烷的解吸—擴散—吸附的動態平衡過程。

綜上所述，導致煤層氣甲烷碳同位素變輕機理可概況為：①解吸-擴散分餾作用；②流動地下水溶解作用；③次生生物成因氣混合作用；④CH4與CO2同位素交換作用；⑤其他因素作用等。

3 討論與展望

關于煤層甲烷碳同位素偏輕成因機理的研究，目前比較公認的有解吸-擴散分餾作用、流動地下水的溶解作用、次生生物成因氣混合作用和CH4與CO2交換作用4種成因機制。這4種成因機制在盆地構造上和垂向上位置分布顯著。解吸-擴散分餾作用一般發生在煤層抬升和氣體解吸過程中，多局限于盆地淺部，是目前煤層甲烷碳同位素偏輕的主要原因；流動地下水溶解作用主要發生在地下水動力條件活躍的徑流帶，同時受特定的水動力強弱條件制約；次生生物成因氣混合作用主要發生在成煤作用后期，集中于煤層受構造擠壓抬升變淺(埋深淺于1 500 m)、儲層溫度降低(小于56 ℃)的淺部地下水匯聚帶，勘探結果表明次生生物成因氣混合作用是煤層甲烷碳同位素偏輕的重要因素；CH4與CO2交換作用多發生早期甲烷與二氧化碳含量高的溶液系統中。除此之外，構造熱事件對于煤層甲烷碳同位素偏輕也有一定的影響作用。

運用Langmuir吸附理論、吸附勢理論和Fick擴散定律的熱力學理論均可對煤層甲烷解吸-擴散-運移過程中的碳同位素分餾現象做出合理解釋。流動地下水溶解作用對于在地下水動力作用影響下煤層甲烷碳同位素展布不均的現象給出了合理解釋，對煤層氣的勘探和開發具有較重要的借鑒作用。次生生物氣的混合作用是由微生物降解煤中重烴組分(C2+)生成富12C的甲烷，再與殘留原生型煤層氣混合產生，對煤層甲烷δ13C1值偏輕、重烴含量低、煤層干氣等現象可做出合理解釋。吸附分餾可解釋煤層二氧化碳碳同位素組成偏重的現象。

隨著量子化學、分子物理、計算機科學等學科技術發展，對煤層甲烷碳同位素偏輕的成因解釋會出現多學科交叉的特點，特別是目前隨著微生物增產煤層氣技術進步，關于次生生物氣混合作用的研究會占據越來越重要的地位，微生物降解有機質過程中母質繼承作用及同位素分餾效應也需深入的研究。研究成果對煤層氣成因理論和指導煤層氣勘探開發均具有重要的科學意義。