深层-超深层无机成因天然气由于缺乏有效的判识指标,其准确判识仍是天然气科学面临的一大难题.甲烷团簇同位素(clumped isotope)作为一种新兴的示踪剂,在天然气成因判识方面展现出了巨大的潜力.为了探索甲烷团簇同位素是否具有判识深层-超深层无机成因天然气的应用价值,本文进行了150~300°C(对应于实际深层地下温度环境)之间的无机甲烷合成实验,通过对合成产物CH₄的δ¹³C、δD、Δ¹³CH₃D和Δ¹²CH₂D₂的测试和分析,探讨了费托合成无机CH₄生成过程中的动力学机制以及甲烷团簇同位素分馏特征.结果显示,实验合成的CH₄的δ¹³C值和δD值分别为–49.98‰~–29.18‰和–573.15‰~–498.77‰,与源物质CO₂和H₂之间未达到碳氢同位素平衡分馏,表明在我们的实验条件下,费托合成无机CH₄的四个氢加成步骤中的一个或多个步骤可能受动力学控制,这一点也得到了产物甲烷的团簇同位素数据的支持.实验合成的CH₄的Δ¹³CH₃D值和Δ¹²CH₂D₂值分别为0.86‰~2.57‰和–54.72‰~–29.20‰,与实验温度下的热力学平衡值并不一致,表现出Δ¹³CH₃D近平衡和Δ¹²CH₂D₂显著贫化的不平衡团簇同位素特征.本研究通过一个简化动力学模型揭示了无机甲烷的这种不平衡团簇同位素特征可能是由甲烷生成过程中不可逆的化学反应(后两步氢加成步骤)引起的组合效应造成的.此外,无机CH₄表现出的不平衡团簇同位素特征与成熟或高熟热成因CH₄的平衡团簇同位素特征截然不同.通过结合本实验结果和已发表的天然样品数据,本研究综合分析认为接近平衡的Δ¹³CH₃D值和显著贫化的Δ¹²CH₂D₂值相结合,可能成为识别深层-超深层有机-无机成因天然气的一条新途径.