为揭示高煤阶储层产出水中次生生物成因气的产生和消耗机制,对与之关系最密切的硫相关微生物地球化学特征进行了探究。选取沁水盆地南部柿庄南区块煤层气井产出水作为研究对象,将采集的水样品进行水常规阴阳离子及同位素测试。测试结果显示水样水质类型以Na-HCO₃和Na-HCO₃-Cl为主,在夏季采样的Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、Na⁺浓度大于在秋冬季采样的离子浓度,SO₄^2-则与之相反;δD的分布范围在-68.14‰^-84.93‰,δ¹⁸O测试数据分布在-8.90‰^-11.50‰范围内,δ¹³C_DIC的分布在-13.04‰⁴0.37‰之间,且大多数为正值。利用三元图分析得出煤层气井产出水受到碳酸盐岩及铁硫矿物溶解的影响,在煤层中受到强烈的水岩相互作用,并伴有古沉积水的融入。通过聚类和主成分分析证明出煤储层水受到了地表水的补给和古沉积海水的融入;通过δ¹³C_DIC与SO₄^2-呈现相反趋势以及δ¹³C_DIC与CO₃^2-呈正相关性,证明在煤储层水中发生了甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原作用。同时,选取Fe²⁺、Mn²⁺、NO₃^-、SO₄^2-、SO₃^2-、S₂O₃^2-、Mg²⁺以及As元素做为氧化还原性特征离子,划分出研究区的氧化还原作用区带。通过对41口煤层气井的产出水样品进行16S rDNA测序,发现物种丰度最大的是变形门菌,接近80%,其中分布最广、种类最多的有γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)。总体来看,研究区煤层水中微生物种类与硫酸盐还原和甲基代谢相关,其分布既受到物理条件的影响,也受到煤储层水化学条件的影响。通过水中溶解甲烷碳氢同位素在甲烷成因图版中显示为生物成因气,证实在煤储层中确实发生了产甲烷作用,产生了次生生物成因气。最后,结合研究区沁水盆地南部柿庄南区块的地质构造及水文特征,对不同氧化还原区带内的硫相关微生物种类和代谢特征进行总结,分别划分出还原环境下的煤储层水中的硫循环模式和氧化还原过渡带中的煤储层水中硫循环模式,并以此解释高煤阶煤储层产出水中次生生物成因气的产生和消耗机制。