针对沁水盆地南部煤层气井产出水的16Sr RNA测序检测出产甲烷菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌及反硝化细菌,指示沁水盆地南部存在次生生物气成分,与高煤阶热成因煤层气的认识存在矛盾。本文通过系统采集沁水盆地南部柿庄南区块煤层气井产出的水样,进行水离子、氢氧同位素、REE、溶解无机碳同位素、微生物多样性等方面的分析测试,开展与微生物代谢活动密切相关的C-N-S生物地球化学特征研究。研究表明柿庄南区块为近SN向的单斜构造,由东向西煤层的海拔高度逐渐降低,西部寺头断层具有阻水作用,大气降水由东向西径流,西部逐渐过渡为滞流区。研究区煤层水质类型以Na-HCO₃-Cl或Na-HCO₃为主,由氧化径流环境向深部过渡到还原滞流环境,受控于矿物溶解作用,Na⁺、K⁺、Cl^-、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等离子浓度与TDS(矿化度)均呈现增加的趋势,指示了煤层水氧化还原条件的变化特征。通过对采集水样中微生物的16Sr DNA测序分析,检测出产甲烷菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌及反硝化细菌,产甲烷菌类型为甲烷杆菌目,甲烷微菌目,甲烷八叠球菌目;硫酸盐还原菌包括Desulfarculales、Desulfovibrionales、Desulfuromonadales等类型,硝化细菌检测出Nitrososphaerales。本文建立了研究区的C-N-S微生物地球化学作用模型,划分了C-N-S微生物区带:产甲烷带、硫酸根-甲烷厌氧氧化带(SMTZ)与反硝化带。产甲烷带中产甲烷菌的作用使得甲烷浓度增加,为研究区的高含气区。该过渡带之上的SMTZ带中,由于硫酸盐浓度高,绝大多数甲烷都在该过渡带被厌氧氧化消耗掉,SMTZ带对甲烷厌氧氧化作用为次生生物气的重要消耗机制。SMTZ带之上为反硝化作用区带,对应了N₂的增加以及硝酸根离子含量的大量减少。产甲烷带产气潜力最高,SMTZ带次之,反硝化带最低。