为了研究沁水盆地北部寺家庄太原组煤层甲烷(CH4)及二氧化碳(CO2)的成因,对11口煤层气井排采气进行了化学组分和同位素测试,探讨了煤层CH4及CO2的成因及联系。结果表明:沁水盆地北部煤层CH4平均体积分数为98.6%,CO2为0.25%,N2为1.07%;煤层CH4碳同位素值介于-33.2‰~-40.8‰,平均值为-37.1‰,以煤热裂解成因为主,含有微生物CO2还原成因CH4,属于混合成因煤层气。沁北煤层CH4碳同位素分馏起主导作用的是解吸-扩散-运移作用,储层浅部压力小,含轻碳同位素的CH4优先解吸,经扩散运移至上部地层进而逸散到大气中。煤层CO2的δ13C值为-15.9‰~+0.05‰,平均值为-8.6‰,为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生,碳同位素较重的地方受地下水或微生物CO2还原作用影响。煤层CO2碳同位素随煤层埋藏变浅而变重,浅部煤层微生物CO2还原作用强,使CO2碳同位素变重。