天然气水合物结构

(1)天然气水合物结构

天然气水合物是由氢键笼立体叠置形成的晶体化合物(图8.2)。天然气水合物是笼状物，意味着主体的水分子有可容客体气体分子进入的架构空间。空的笼形架构是不稳定的，需要捕获气体分子以保持笼形晶体的稳定性。水合物紧凑的结构可使天然气高效叠置。标准温压条件下(1kPa，20℃)，1体积的天然气水合物可膨胀150～180倍。

图8.2 天然气水合物晶体结构

水合物可形成0.48～0.90nm大小的天然气分子赋存空间。存在3种不同的结构类型，一般地，结构的形成取决于最大客体分子的大小。甲烷和乙烷可单独形成sI水合物；丙烷和异丁烷可形成sⅡ水合物，它可单独或与乙烷和甲烷结合存在；仅当甲烷存在的情况下，正丁烷和新戊烷可形成sⅡ水合物，也可与较大的烃分子(C₅-C₉)形成结构H(sH)水合物。

(2)物理性质和特征

天然气水合物通常呈白色，外形如冰雪状。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构相似(图8.2)。在这种冰状结晶体中，碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下，通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。在自然界中，甲烷是最常见的客气体分子(Sloan，1990)。

但天然气水合物也并非全部呈白色，可以有多种其他色彩。如从墨西哥湾海底获取的天然气水合物呈黄色、橙色、红色等，从大西洋海底布莱克-巴哈马高原取得的天然气水合物呈色。天然气水合物为什么会产生出这么多种颜色，至今还没有达成共识，但人们普遍认为天然气水合物的其他一些物质，如油类-细菌和矿物等，都可能对这些色彩的产生起关键作用。

天然气水合物具有多孔性(图8.3)，硬度和剪切模量小于冰，密度与冰密度大致传导率和电阻率远小于冰；天然气水合物的物理性质见表8.1和表8.2。

天然气水合物属于沉积矿产，主要发育于新生代，以上新世为主。沉积层构造可分状、透镜状一层状、斑状和角砾状(图8.4)。

图8.3 含天然气水合物的钻孔岩心

表8.1 天然气水合物的声学性质

表8.2 甲烷天然气水合物和冰的性质

图8.4 沉积物中天然气水合物(白色)

天然气水合物形成时，其液流渗透到沉积物颗粒间隙和裂隙中可形成块状和脉状构造，前者表现为沉积物被天然气水合物均匀胶结，后者是天然气水合物呈网状、细脉状充填于沉积物或沉积岩的裂隙中。从围岩分离出来的含有气体的水溶液，沿沉积层层面发生迁移，其迁移前锋产生挥发作用，可形成透镜状—层状构造，在形态上表现为天然气水合物呈薄层或透镜体出现于沉积物或沉积岩基质中，相互之间大致平行排列并交替出现。

如沉积物基质中大致均匀分布有近圆形或等轴型的天然气水合物浸染体，称之为斑状构造。这种天然气水合物常与透镜状—层状构造含天然气水合物的沉积物相伴出现；具角砾构造天然气水合物与构造破碎带有密切联系，显示这类天然气水合物曾遭到过构造破坏。