天然气水合物及其勘查研究（1）
胡经国（Y天然气水合物形成条件与分布规律然气水合物识别标志未来可能的技术一、天然气水合物及其理化特性
天然气水合物，又气体水合物（GasHydrate），是由天然气与水分子在高压100个大气压或10MPa）和低温（0～10）条件下合成的一种固态结晶物质。天然气中80%～90%的成分是甲烷，也有人天然气水合物甲烷水合物（MethaneHydrate或MethaneGasHydrate）。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，可以酒精块一样被点燃，可燃冰。水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中，水合物分散状沉积物结核状团块状和薄层状集合体形式赋存于沉积物中还可细脉状、网脉状（）充填于沉积物裂隙中。
从化学结构看，天然气水合物是由水分子搭成笼子一样的多面体格架，以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件，具有不同的多面体格架。 声波VP 3.25～3.6 2.05～4.5 0.06～1.45 1.6～2.5 3.8 声波VS 1.65 0.14～1.56 0.38～0.39 VP/VS 1.95 1.88 密度
（g/cm3） 0.912 1.15～2.4 1.26～2.42
平均1.75 0.916 中子孔隙度 50～60 70 体积模量 5.6 8.8 剪切系数 2.4 3.9 泊松比 0.33 0.33 电阻率 1.75 1～3 电介常数 56 94 热传导率 0.94±0.02 2.23 表1注释：
声波VP：纵波波速，单位km/sec
声波VS：横波波速，单位km/sec
VP/VS：条件“0℃”
中子孔隙度：石灰岩，单位%
体积模量：条件“-1℃”
剪切系数：条件“-1℃”
电阻率：单位Ω·M
电介常数：条件“0℃”
热传导率：条件“-10℃”，单位W/m·K
在天然气水合物内部，水分子多面体结晶格架就像蟋蟀笼子那样。每个笼子都有空腔，甲烷分子就被锁在空腔中。在常温常压下，天然气水合物会分解，甲烷分子逸出，水分子结晶格架就会崩解，成为液态水。在天然气水合物种，水分子和甲烷分子“相依为命”，缺一不可。
从物理性质看（表1），天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度；剪切系数、电介常数和热传导率均低于冰。在天然气水合物中，声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物；中子孔隙度低于饱和水沉积物。这些物性差异是采用物探方法识别天然气水合物的理论依据。此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。
二、天然气水合物形成条件与分布规律
天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温条件控制。
天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源，必须有低温或高压条件成于富含有机质的沉积物内，特别是在石油、天然气藏的周围
据研究，生成天然气水合物的烃类气体主要来于沉积物中微生物对有机质的分解，个别地区也有部分气体来于深部沉积层中有机质的热分解（如美国东南大陆边缘水合物的部分气源是厚度大于13公里的卡罗莱纳组）。这些烃类气体在海底沉积物的孔隙中形成水合物。水合物的生成非常迅速最近德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有水合物生成。但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。决定了它的特殊分布。
从目前来看，遍布全球，无论是永久冻土、两极冰盖，还是大陆架边缘、大陆坡和深海区都有的踪迹。其分布的海域估计可占大洋面积的10％。天然气水合物主要分布在地球上两类地区：
一类地区是水深为300～4000的海洋在这里，天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分布于泥质海底，赋存于海底以下0～1500米的松散沉积层中
另一类地区是高纬度地区永冻土带及水深100～250米以下极地陆架海在这里，天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。
目前已发现并圈定有天然气水合物的地区主要分布在
西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海
东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚俄勒冈岸外海域及秘鲁海槽
大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海，以及非洲西海岸岸外海域
印度洋的阿曼海湾
北极的巴伦支海和波弗特海
南极的罗斯海和威德尔海
内陆的黑海和里海等。
从全球来看海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆深水海台和盆地，以及一些内陆海。
已有发现明，海洋天然气水合物主要分布在北半球，且以太平洋边缘海域最多，其次是大西洋。大洋边缘海域的大陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区这里沉积物较发育，有机质丰富，以甲烷为主的烃类气体来源充足，有利于天然气水合物成。海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物其中26处见到天然气水物62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射BSR），许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。然气水合物识别标志
天然气水合物可以通过沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过海底反射层（BSR）、速度幅异常结构、地球化学异常、多波速测深海底电视摄像等方式间接识别。下面介绍一些间接标志。地震标志
海洋天然气水合物存在的主要地震标志有海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度振幅异常结构（VAMP）。大规模的水合物聚集可以通过高电阻率（100欧米）声波速度、低体积密度等数进行直接判读。BSR是地震剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层的反射界面。天然气水合物之下还常圈闭大量的游离甲烷气体，从而导致在地震反射剖面上产生BSR。现已证实，BSR代表的是水合物的底，其上为固态的水合物层，声波速率高；而其下则为游离气或仅孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震剖面上形成强的负阻抗反射界面。所以，BSR是由于低渗透率的水合物层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差的。水合物层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因BSR基本平行于海底，被称为海底反射层。BSR除被用来识别天然气水合物的存在和编制水合物分布图外，还被用来判明天然气水合物层的顶底界产状，计算水合物层深度、厚度和体积。
然而，并不是所有水合物都存在BSR。在平缓的海底，即使有天然气水合物，也不易识别出BSR。BSR常常出现在斜坡或地形起伏的海域。另外，也并不是所有的BSR都对应有天然气水合物。在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR。还应注意的是，尽管绝大部分水合物层都位于BSR之上，但并不是所有的水合物层都位于BSR之上这已被深海钻探证明。因此，BSR不能被作为天然气水合物的唯一标志，应结合其它方法综合判断。
近几年，分析和研究地震的速度结构成为该学科领域的前沿。水合物层是高速层，其下饱气或饱水层是低速层。在速度曲线上，BSR界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。
此外，分析振幅结构也可以识别天然气水合物。相而言，水合物层是刚性层，而其下饱气或饱水层则是塑性层在振幅曲线上，BSR界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。对海底平缓的海域来说，尤其显重要。地球化学标志
浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高浅层沉积物孔隙水Cl含量（或矿化度）和δ18O异常高出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为天然气水合物的地球化学标志。海底地形地貌标志
在海洋环境中，水合物富集区烃类气体的渗逸可在海底形成特殊环境和特殊的微地形地貌。天然气水合物的地貌标志主要有泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。
最近几年，德国基尔大学Geomar研究所通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia水合物海台就发现了许多不连续分布、大小在5cm2左右的水合物泄气窗泄气窗中甲烷气苗一股一股地渗出，渗气速度为每分钟5公升。在渗气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳。
4、海底“冷泉”生物群标志
深海黑暗食物链并不以热液为限。在大陆坡、深海区分布着天然气水合物一旦海底升温或减压，就会释出大量甲烷，可以在海水中形成甲烷柱，被科学家称为冷泉。在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。
冷泉是海底的产物之一在冷泉附近往往发育着依赖这些流体生存的冷泉生物群，又称为碳氢化合物生物群落是一种独特的黑暗生物群，最常见的有管状蠕虫、双壳类、腹足类和微生物菌等。冷泉及其伴生的黑暗生物群是确认存在的有力证据。
天然气水合物释放区的生物群也是类似于热液生物群的独立生态系统其食物链低层生物也是一种管状蠕虫，依靠甲烷细菌提供能量。
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