水文地质过程是含煤盆地中煤层气生成、运移和富集成藏的重要控制条件。通过对煤系地层水的水动力条件和水文地球化学特征进行深入研究,可以掌握煤层气的成因成藏方面的关键信息,从而为煤层气的勘探与开发、选区提供必要的理论依据。由于缺乏对煤层气富集机理认识,在土城向斜等贵州西部地区的煤层气开发过程中出现了选位不准、煤层气产量低等问题。因此,本文对土城向斜煤层气的气体化学和煤层水的水化学特征进行了深入分析,以阐明其原位煤层气的富集过程。主要气体地球化学参数(C1/∑C1-5:0.97～0.99;CHC:38.3～72.6;CDMI:5.1%～10.5%;δ13C-CH4:–40.7‰～–43.2‰;δD-CH4:–185.8‰～–169.2‰;δ13C-CO2:–13.4‰～–9.3‰)揭示了土城向斜煤层气的主要的成因类型为热成因气。但是,较低的SO42-浓度、偏重的δ13C-DIC同位素组成等水文地球化学信息却显示了研究区有强烈的微生物活动的痕迹。基于煤层气及其伴生水中DIC-CO2-CH4的碳同位素分馏特征,本文构建了关于煤层气伴生水中生物甲烷产量的定量计算方法,发现研究区的生物成因甲烷产量最高可达到0.104 m~3/t。因此,土城向斜煤层气成因类型为热成因气和次生生物气的混合模式。通过对生物标志化合物的分析,本文发现生物降解与生物成因煤层气的产生是一个耦合的过程,煤有机质的生物降解和次生生物气的形成有利于煤层气的富集成藏过程。在土城向斜,原生生物气生成于二叠纪至早三叠世,热成因气生成于中三叠世至中白垩世,次生生物气生成于晚白垩世至第四纪。次生生物甲烷对气藏的贡献约为20.8%～27.6%,而热成因甲烷的比例达到了72.4%～79.2%。