碳循环（来源：wikipedia）

　　二氧化碳是天然气中常见的非烃组分，也是地球科学界与环境科学界共同关注的热点问题，这是因为二氧化碳和一些特殊的地质过程有着密切的联系。我国也非常重视获取二氧化碳变化情况。2016年12月23日，我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星发射成功，用于动态监测二氧化碳排放，对人类应对气候变化的影响有重要意义。

　　天然气中的二氧化碳气体有两大类成因：有机成因二氧化碳是有机质在不同的地球化学作用中形成；无机成因二氧化碳主要来自地幔岩浆活动、碳酸盐岩热分解以及碳酸盐岩的溶解。

　　二氧化碳气体极易溶于水，水溶液中一般含有溶解态CO₂、碳酸(H₂CO₃)、重碳酸根(HCO₃^- )和碳酸根离子(CO₃^2- )4 种形态的溶解无机碳(DIC)。虽然国内外研究人员在利用碳和稀有气体同位素分析判识二氧化碳成因方面做了大量研究，但由于检测技术限制，以往对二氧化碳气体成因判识的研究，普遍忽视水体对其碳同位素产生的分馏效应。

　　实验装置和方解石矿物

　　中国矿业大学秦勇教授团队在甘肃省兰州市采集黄河水样，通过设计无机成因二氧化碳气体的气-水交换实验，在中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室、中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心、贵州省煤田地质局实验室的协助测试下，揭示了二氧化碳气体在溶解过程中组分体积分数和碳同位素的精细变化。

　　在《无机成因二氧化碳气-水界面交换反应表征与机制》一文中，研究人员发现，黄河水样δ¹³C_DIC 值为多碳源混合的结果，接近土壤CO₂ 溶于水体的δ¹³C_DIC 理论值，指明黄河水样中大部分DIC 来源于土壤有机质分解释放的CO₂，其DIC 主要为有机成因。

　　在101 325 Pa 和30 ℃条件下，二氧化碳气体经13小时与玻璃瓶中水体达到组分体积分数和碳同位素的分馏平衡；初始二氧化碳体积分数为2. 0%，平衡后为1. 1%；初始δ¹³C_CO2值为-2. 5‰，平衡后为-14. 6‰，碳同位素分馏幅度高达12. 1‰。经气-水界面交换反应，无机成因二氧化碳气体体积分数和碳同位素值随时间变化均可表征为负指数函数。

　　在对无机成因二氧化碳气-水界面的反应机制进行研究时，研究人员发现，随着二氧化碳体积分数降低，δ¹³C_CO2值逐渐变轻，由无机成因过渡为有机成因，揭示有机成因二氧化碳的混染作用逐渐增强。

　　最后，研究人员指出，在判断天然水体中CO₂ 气体成因和来源之前，应先了解水体的地球化学特征。在地球脱气作用下，来自地壳深部的无机成因二氧化碳气体沿深大断裂上升至地表过程中，必然要与地层水或地表水接触溶解。经气-水界面的交换反应，自然界中二氧化碳气体成因类型有可能发生改变，尤其是含煤盆地富水煤层中普遍存在这个化学反应，这是值得关注的地质事件。

　　拓展阅读

　　开展气-水交换实验前先人工配制含无机成因二氧化碳的多组分气体，具体实验步骤如下：首先，在200 mL 玻璃瓶Ⅰ中装满黄河水，通过排水集气法注入烷烃类气体(C₁ ~ C₅ )，气水体积之比为3 ∶ 5。然后，在放置方解石矿物粉末的封闭玻璃瓶Ⅱ中注入浓磷酸，恒温水浴30 ℃，充分反应结束后，通过针管提取生成物二氧化碳气体，快速注入玻璃瓶Ⅰ。瓶Ⅰ中气体的初始无机成因CO₂ 体积分数为2. 0%，δ¹³C_CO2值为-2. 5‰。最后，将玻璃瓶Ⅰ放置于30 ℃恒温水槽中，遵循先密后疏的采样原则，在选定的时间间隔点采集气-水交换反应过程中的气样。当气体组分体积分数和碳同位素值趋于平衡时终止实验，共采集气样15 件。

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