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| 編輯推薦： |
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《天然气水合物地质概论》是天然气水合物研究的系统总结，无论是基础理论的创新，还是对勘探实例的分析都有独到的见解，可为天然气水合物的研究工作者和地质专业学生，以及对新能源有兴趣的读者提供有价值的参考。
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| 內容簡介： |
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《天然气水合物地质概论》总结了天然气水合物国内外研究的最新进展，系统地介绍了天然气水合物形成的地质理论。针对我国南海海域，建立了一套估算无井和有井地区天然气水合物饱和度的方法，阐述了天然气水合物富集机理，并对南海天然气水合物进行了远景资源评价。
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| 目錄：
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目录
第1章天然气水合物概况1
1.1天然气水合物概念及其研究意义1
1.2天然气水合物的晶体结构特征2
1.3天然气水合物的研究进展5
1.3.1国际研究进展5
1.3.2国内研究进展10
1.4天然气水合物在海洋沉积物中的分布11
1.4.1被动大陆边缘12
1.4.2活动大陆边缘22
1.4.3边缘海盆地29
参考文献38
第2章天然气水合物的识别标志44
2.1天然气水合物地球物理识别标志44
2.1.1似海底反射层44
2.1.2地球物理属性识别技术47
2.1.3测井地球物理特征53
2.1.4海洋电磁法55
2.2天然气水合物的地球化学识别标志55
2.2.1海底甲烷异常55
2.2.2孑L隙水氯离子异常56
2.2.3孑L隙水SOi''异常57
2.2.4孔隙水6180异常58
2.2.5沉积物地球化学异常58
2.3天然气水合物的海底地质识别标志60
2.3.1麻坑60
2.3.2冷泉碳酸盐岩64
2.3.3化能白养生物群73
参考文献74
第3章天然气水合物地质构造分析77
3.1天然气水合物形成和富集的构造因素77
3.1.1构造应力77
3.1.2孔隙超压流体78
3.2活动断裂构造80
3.2.1断层封堵对流体运移的影响80
3.2.2断层带流体运移82
3.2.3与断层有关的天然气水合物的成藏模式84
3.3多边形断层85
3.3.1概念及其特征85
3.3.2南海北部多边形断层87
3.3.3多边形断层对水合物成藏的影响92
3.4泥底辟构造96
3.4.1泥底辟类型及识别特征97
3.4.2与泥底辟构造有关的天然气水合物98
3.4.3东海泥底辟构造水合物100
3.4.4琼东南盆地底辟构造水合物104
3.5气烟囱构造111
3.5.1气烟囱类型112
3.5.2气烟囱形成机理114
3.5.3南海北部深水盆地气烟囱构造116
3.5.4气烟囱对永合物成藏的影响124
3.6大型海底滑坡125
3.6.1大型海底滑坡单元127
3.6.2白云海底滑坡132
3.6.3白云海底滑坡与天然气水合物138
参考文献141
第4章天然气水合物系统145
4.1天然气水合物形成的温压条件145
4.2天然气水合物的气源条件148
4.2.1郁陵盆地气源150
4.2.2日本南海海槽气源154
4.2.3墨西哥湾气源159
4.2.4水合物脊气源161
4.3天然气水合物的储层164
4.3.1砂岩储层165
4.3.2细粒沉积物194
4.4流体运移206
4.5天然气水合物成藏时间208
4.6天然气水合物成藏模式208
参考文献211
第5章砂岩型储层水合物219
5.1砂岩型水合物概念219
5.2深水砂体的沉积体系220
5.2.1深水水道沉积体系220
5.2.2深水底流沉积体系224
5.3砂岩型天然气水合物形成模式226
5.3.1墨西哥湾（被动陆缘）砂岩型水合物成藏模式226
5.3.2日本南海海槽（弧前盆地）砂岩型水合物成藏模式230
5.3.3韩国郁陵盆地砂岩型水合物成藏模式232
5.3.4南海北部陆坡砂岩型水合物成藏模式233
参考文献238
第6章细粒沉积物天然气水合物系统241
6.1细粒沉积物水合物系统241
6.2细粒沉积物天然气水合物系统的识别特征243
6.3我国南海北部陆坡细粒沉积物天然气水舍物系统244
6.3.1温压条件246
6.3.2南海气源条件246
6.3.3气体运移253
6.3.4储层特征254
6.3.5孔隙水特征255
6.3.6流体疏导系统与水合物形成时间257
6.4细粒沉积物天然气水合物系统的成因模式258
参考文献262
第7章海洋天然气水合物的资源评价267
7.1孔隙充填型水合物饱和度估算267
7.1.1电阻率法267
7.1.2声波速度法274
7.1.3含水合物层的饱和度估算284
7.2裂隙充填型水合物饱和度290
7.2.1层状介质的速度模型290
7.2.2裂隙充填型天然气水合物饱和度估算292
7.3孔隙水氯离子浓度计算水合物饱和度294
7.4天然气水合物资源前景297
7.4.1天然气水合物资源评价297
7.4.2天然气水合物资源前景302
7.4.3天然气水合物资源分级304
7.5南海天然气水合物远景资源评价306
参考文献308
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第1章天然气水合物概况
天然气水合物作为一种新能源，已经引起了政府、各大公司和高等院校的广泛注意，他们纷纷开设相关研究部门和新能源学院以加强水合物方面的研究。有关水合物的概念、结构和机理及其在自然界的分布成为热点。本章将抛出对这些热点问题的评述，以便读者有一个总体认识，并进一步讨论。
1.1天然气水合物概念及其研究意义
天然气水合物，简称水合物，又称“可燃冰”，是由水和天然气在高压低温环境条件下形成的冰态、结晶状笼形化合物（Paull and Dillon，2001；Sloan and Koh，2008）。它是自然界中天然气存在的一种特殊形式，主要分布在一定水深（通常＞300m）的海底以下和永久冻土带。在自然界中，天然气水合物常常以甲烷水合物为主，其包络的气体以甲烷为主，与天然气组成非常相似，这种化合物具有小的分子质量，化学成分不稳定（即成分可变），可用通式M nH2O表示，式中，M为水合物中的气体分子，n为水分子数。除此之外，还有其他单种气体水合物，虽存在着多种气体混合的水合物，但比较少见。在自然界发现的水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状结晶体。从目前所取得的岩芯样品来看，水合物主要以以下方式赋存：①以球粒状散布于细粒沉积物或岩石中；②占据粗粒沉积物或岩石粒间孔隙；③以固体形式填充在裂缝中；④出现在海底的块状水合物伴随少量沉积物（Lee and Collett，2009；Boswell and Collett，2011；Zhang et al.，2014）。
天然气水合物被认为是一种巨大的高效清洁能源。据研究人员估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体为1.8×1016～2.1×1016m3，有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料（煤炭、石油和天然气等）的两倍（Paull and Dillon，2001）。海洋天然气水合物资源量十分巨大，通常是陆地冻土带的100倍以上（Paull and Dillon，2001）。天然气水合物的显著特点是分布广、储量大、高密度、高热值，1m3天然气水合物可以释放出164m3甲烷气和0.8m3水。因此，天然气水合物，特别是海洋天然气水合物被认为将是21世纪的替代能源。
与此同时，天然气水合物既是一种十分棘手的自然灾害（MacDonald，1990），又是一种十分有用的技术。水合物的分解可能引发海底天然气的快速释放，造成温室气体的增加；水合物分解使沉积层液化，导致海底滑坡（submarine landslide）、重力流和海啸等地质灾害，对海洋工程造成毁灭性的破坏作用。由于天然气水合物引发地层失稳、溢流、井涌和导管下沉等，也成为深水钻井地质灾害研究的“三浅”地质之一（吴时国等，2011）。在深水油气田的生产过程中，由于水合物造成的井筒、处理装置和输气管线堵塞一直是困扰油气生产和运输的辣手问题，开发研制经济环保的水合物抑制剂是当前的热点之一。同时，水合物技术正在应用到资源、环保、气候、油气储运、石油化工、生化制药等诸多领域。其中，典型的例子有以水合物的形式储存、运输、集散天然气，用水合物法分离低沸点气体混合物（如乙烯裂解气、各种炼厂干气和天然气），用水合物法淡化海水，利用CO2水合物法将温室气体CO2存于海底以改善全球气候环境等。
甲烷可能是导致全球气候变暧、冰期终止和海洋生物灭绝的重要原因之一，海底天然气水合物的分解会释放大量甲烷，对全球气候变化以及海洋生态环境将产生重大影响。
1.2天然气水合物的晶体结构特征
水合物的基本结构特征是主体水分子通过氢键在空间相连，形成一系列不同大小的多面体孔穴，这些多面体孔穴或通过顶点相连，或通过面相连，向空中发展形成笼状水合物晶格。如果不考虑客体分子，空的水合物晶格可以被认为是一种不稳定的冰。当这种不稳定冰的孔穴有一部分被客体分子填充后，它就变成了稳定的气体水合物。水合物的稳定性主要取决于其孔穴被客体填充的比例，被填充的比例越大，它就越稳定。而被填充的比例则取决于客体分子的大小及其气相逸度，可以按照严格的热力学方法进行计算。目前已发现的水合物晶体结构（按水分子的空间分布特征区分，与客体分子无关）有Ⅰ型、Ⅱ型、H型三种（Sloan and Koh，2008）。结构Ⅰ、结构Ⅱ的水合物晶格都具有大小不同的两种笼形孔穴，结构H则有三种不同的笼形孔穴。一个笼形孔穴一般只能容纳一个客体分子（在压力很高时也能容纳两个像氢分子这样很小的分子）。客体分子与主体分子间以范德华（van der Waals）力相互作用，这种作用力是水合物的结构形成和稳定存在的关键。Ⅰ型、Ⅱ型和H型水合物的典型晶体结构如图1.1所示。
图1.1天然气水合物结构示意
Ⅰ型水合物的晶胞是体心立方结构，包含46个水分子，由2个小孔穴和6个大孔穴组成。小孔穴为五边形十二面体（512），大孔穴是由12个五边形和2个六边形组成的十四面体（51262）。512孔穴由20个水分子组成，其形状近似为球形。51262孔穴则是由24个水分子所组成的扁球形结构。Ⅰ型水合物的晶胞结构式为2（512）6（51262） 46H2O，理想分子式为8M 46H2O（或M 5.75H2O），式中，M表示客体分子，5.75称为水合数。Ⅰ型结构在自然界分布最为广泛，形成Ⅰ型水合物的气体分子的直径要小于0.52nm，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷（C2）这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子。
Ⅱ型水合物晶胞是面心立方结构，包含136个水分子，由8个大孔穴和16个小孔穴组成。小孔穴也是512孔穴，但直径上略小于Ⅰ型的512孔穴；大孔穴是包含28个水分子的立方对称的准球形十六面体（51264），由12个五边形和4个六边形所组成。Ⅱ型水合物的晶胞结构式为16（512）8（51264） 136H2O，理想分子式是24M 136H2O（或M 5.67H2O）。Ⅱ型水合物要求气体分子直径小于0.59nm，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物分子中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类。
H型水合物晶胞是简单的六方结构，包含34个水分子。晶胞中有3种不同的孔穴：3个512孔穴、2个435663孔穴和1个51268孔穴。435663孔穴是由20个水分子组成的扁球形的十二面体，如图1.2所示。51268孔穴则是由36个水分子组成的椭球形的二十面体，如图1.2所示。结构H水合物的晶胞结构分子式为3（512）2（435663）1（51264） 34H2O，理想分子式为6M 34H2O。H型水合物中的大“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径为7.5～8.6 1 =0.1nm=10-10m。的分子。H型结构水合物早期仅见于实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然形态。Ⅱ型和H型水合物比Ⅰ型水合物更稳定。除墨西哥湾外，在格林大峡谷地区也发现了Ⅰ型、Ⅱ型、H型三种水合物共存的现象。三种类型的天然气水合物的结构参数见表1.1。三种天然气水合物的孔隙结构如图1.2所示。
图1.2天然气水合物的结构
表1.1三种类型的天然气水合物结构参数
客体分子与主体分子在一定条件下通常只能形成单一的晶体结构，但随着条件改变形成的晶体结构也可能发生变化。小客体分子能稳定Ⅱ型水合物中的小孔，因此形成Ⅱ型晶体，如N2、O2等。中等大小的客体分子能稳定Ⅰ型水合物中的中孔，因此形成结构Ⅰ型水合物，如CH4、H2S、CO2及C2H6等。较大的客体分子只能进入Ⅱ型水合物的大孔，因此只能形成结构Ⅱ型晶体，如C3H8、i-C4H10等。更大的客体分子必须与小分子一起形成结构Ⅱ型或H型晶体，如正丁烷、己烷、金刚烷、环辛烷及甲基环戊烷等。
当温度变化时，环丙烷形成的水合物的晶体结构会从结构Ⅰ变到结构Ⅱ或从结构Ⅱ变到结构Ⅰ，而且可能出现结构Ⅰ、Ⅱ共存的情况。晶体结构还可能会因为另一种客体分子的加入而改变，如甲烷纯态时形成Ⅰ型水合物，如果加入少量的丙烷，将形成Ⅱ型水合物。
比较常用的研究水合物结构的方法有拉曼光谱法、核磁共振（NMR）波谱法、X射线多晶衍射法、中子衍射法、红外光谱法等，应用这些方法不仅可以识别水合物的晶体结构类型，还可以识别客体分子所占据的孔穴结构以及水合数、占有率等参数（Sloan and Koh，2008）。
1.3天然气水合物的研究进展
1.3.1国际研究进展
人们从开始认识天然气水合物至今已有200年的历史。早在1810年就已发现天然气水合物，但天然气水合物的晶体结构直到20世纪50年代才得以确定。从水合物研究的历程（表1.2）来看，天然气水合物研究大致可分为三个阶段。表1.2天然气水合物研究的重要事件
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