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第一篇 气体水合物的物理化学基础 3

第1章 气体水合物的发现和研究简史 3

1.1 气体水合物的发现和实验室研究的历程 3

1.1.1 气体水合物的发现及早期的探索 3

1.1.2 早期探索阶段发现和研究气体水合物的大事记（1810—1925年） 4

1.2 “人造天然气水合物”的出现推动基础研究 5

1.2.1 气体水合物形成和相平衡研究 6

1.2.2 气体水合物晶体结构的研究 8

1.3 自然产出的天然气水合物的发现及勘探开发研究 9

1.3.1 自然产出的天然气水合物在西伯利亚的发现 9

1.3.2 天然气水合物调查和钻探的快速发展 10

1.3.3 1998年起，对天然气水合物的研究进入开发利用阶段 11

1.4 天然气水合物进入了开采新阶段 12

1.5 面向未来的研究 14

1.5.1 科学开采天然气水合物的方法和技术的研究 14

1.5.2 天然气水合物开采的安全及防护研究 14

1.5.3 与天然气水合物有关的环境保护研究 15

参考文献 15

第2章 气体水合物的晶体结构 17

2.1 气体水合物的概念和笼形结构 17

2.1.1 气体水合物的定义 17

2.1.2 气体水合物的笼形结构 19

2.2 天然气水合物的晶体结构 27

2.2.1 天然气水合物的3种晶体结构 28

2.2.2 Ⅰ型天然气水合物的晶体结构 30

2.2.3 Ⅱ型天然气水合物的晶体结构 32

2.2.4 H型天然气水合物的结构 34

参考文献 36

第3章 气体水合物的物理化学性质 38

3.1 气体水合物的物理性质 38

3.1.1 气体水合物的晶体特征、矿物和物理性质 39

3.1.2 气体水合物的力学性质 41

3.1.3 气体水合物的热学性质 42

3.2 气体水合物的化学性质 44

3.2.1 气体水合物的化学式 44

3.2.2 气体水合物的含气率 45

3.2.3 天然气水合物的气体成分 46

3.2.4 天然气水合物的同位素成分 49

3.2.5 气体组分与天然气水合物结构类型的关系 50

3.3 含天然气水合物岩层的物理性质 51

参考文献 53

第4章 气体水合物的形成和分解 55

4.1 气体水合物晶体的成核作用 56

4.1.1 气体水合物晶体成核的必要条件 56

4.1.2 溶液中晶体的成核理论 58

4.1.3 气体水合物的成核假说 60

4.1.4 晶体成核的时间因素和成核的随机性 65

4.1.5 晶体成核作用小结 66

4.2 气体水合物晶体的生长 67

4.2.1 晶体生长的理论 67

4.2.2 气体水合物晶体生长的过程 68

4.2.3 气体水合物晶体生长的速率 73

4.2.4 水合物晶体生长小结 74

4.3 气体水合物的分解 75

4.3.1 气体水合物的分解热 75

4.3.2 气体水合物分解的过程 77

4.3.3 气体水合物分解过程中的自保存现象 78

参考文献 79

第5章 天然气水合物的相平衡热力学 81

5.1 天然气水合物的相平衡图 81

5.1.1 吉布斯相率 82

5.1.2 天然气水合物的相平衡图的特点 82

5.2 天然气水合物相平衡的统计热力学研究 90

5.2.1 水的巨正则配分函数 92

5.2.2 水在水合物中的化学势 94

5.2.3 统计热力学模型的一些应用举例 98

5.2.4 统计热力学模型用于研究甲烷＋乙烷＋丙烷－水体系 100

参考文献 108

第6章 气体水合物的鉴定测试技术 109

6.1 气体水合物的物相和结构鉴定的技术和方法 109

6.1.1 核磁共振波谱（NMR） 109

6.1.2 红外光谱 111

6.1.3 拉曼光谱 112

6.1.4 X射线多晶衍射分析 117

6.2 气体水合物的物理及热学性质的测试 122

6.2.1 某些力学性质的测定 122

6.2.2 热学性质的测试技术 123

6.3 气体水合物的热力学性质及参数的测试和实验技术 125

6.3.1 测定和研究气体水合物热力学性质的实验设备 126

6.3.2 实验测定的某些气体水合物的相平衡热力学参数 129

参考文献 131

第二篇 天然气水合物矿床和资源 135

第7章 天然气水合物概述 135

7.1 天然气水合物的发现和研究简史 135

7.2 天然气水合物对工业和社会的重要性 137

7.3 天然气水合物的形成和分布 138

7.4 天然气水合物资源的类型 142

7.4.1 天然气水合物资源的分类 143

7.4.2 天然气水合物矿床的分级 145

7.5 天然气水合物矿床（资源级的天然气水合物） 146

7.6 天然气水合物开采的技术方法和策略 148

7.6.1 天然气水合物开采的技术和方法 148

7.6.2 天然气水合物开采的策略 150

7.7 未来20年天然气水合物的勘探、开采活动的展望 151

参考文献 153

第8章 天然气水合物在全球的分布及资源量 155

8.1 天然气水合物的生成环境 155

8.2 天然气水合物在全球的分布 156

8.3 天然气水合物巨大的资源 168

参考文献 170

第9章 海洋中的天然气水合物 175

9.1 海洋型天然气水合物的一般特点 175

9.2 海洋型天然气水合物的赋存和分布 175

9.2.1 海洋型天然气水合物稳定带（GHSZ） 176

9.2.2 海洋型天然气水合物赋存带（GHOZ） 179

9.2.3 海洋型天然气水合物的分布 180

9.3 海洋型天然气水合物的类型和资源量 181

9.3.1 成因分类 181

9.3.2 资源类型 182

9.3.3 海洋型天然气水合物储层的结构类型 183

9.3.4 海洋型天然气水合物的资源量 183

9.4 海洋型天然气水合物的开采 184

参考文献 186

第10章 大陆上的天然气水合物 188

10.1 大陆型天然气水合物的发现史 188

10.2 大陆冻土带天然气水合物的赋存特征 189

10.2.1 冻土带与天然气水合物 189

10.2.2 冻土带天然气水合物赋存的地质特征 192

10.3 大陆型天然气水合物的分布和资源量 193

10.4 大陆冻土带天然气水合物的开采 195

10.4.1 天然气水合物矿藏开采的技术和方法 195

10.4.2 大陆型天然气水合物矿藏的开采试验（以Mallik为例） 198

10.4.3 大陆型天然气水合物开采的前景 204

10.5 大陆冻土带天然气水合物的成因 205

10.6 大陆型天然气水合物开采的环境问题 209

参考文献 211

第11章 天然气水合物的成因 213

11.1 下生物圈：甲烷的主要发源地 214

11.2 甲烷的生成：细菌成烷作用 217

11.3 天然气水合物的生成机制 220

11.3.1 天然气水合物生成的条件 220

11.3.2 海洋型天然气水合物的形成机制 224

11.3.3 天然气水合物堆积和天然气水合物矿床的形成 229

参考文献 231

第12章 天然气水合物开采的技术方法 233

12.1 天然气水合物开采的意义和风险 233

12.1.1 天然气水合物是一种储量巨大的未来能源 233

12.1.2 天然气水合物开发与开采可能的风险 234

12.2 天然气水合物的开采技术和方法 235

12.2.1 天然气水合物矿藏开采的原理和基本方法 235

12.2.2 降压开采法 236

12.2.3 热激开采法 239

12.2.4 试剂注入开采法 241

12.2.5 天然气水合物开采的一些新方法 241

12.3 天然气水合物矿床的试验开采 246

12.3.1 大陆冻土带天然气水合物的试验开采 246

12.3.2 海底天然气水合物的试验开采 249

12.4 天然气水合物的开采与地质灾害预防和环境保护 252

12.4.1 天然气水合物的开采可能带来的潜在风险 253

12.4.2 天然气水合物开采风险的规避和环境保护 254

参考文献 256

第三篇 天然气水合物矿床各论 261

第13章 墨西哥湾的天然气水合物 261

13.1 墨西哥湾盆地地质构造背景 263

13.2 墨西哥湾天然气水合物的分布及赋存特征 264

13.3 重点靶区的天然气水合物矿藏 266

13.3.1 格林峡谷区（Green Canyon） 266

13.3.2 沃克海脊区（Walker Ridge） 268

13.3.3 阿拉米诺斯峡谷区（Alaminos Canyon） 271

13.4 墨西哥湾天然气水合物的特点 272

13.5 今后工作的展望 274

参考文献 274

第14章 喀斯喀特陆缘的天然气水合物 276

14.1 北喀斯喀特的天然气水合物 277

14.1.1 BSR及天然气水合物的分布 278

14.1.2 含天然气水合物地层的垂直剖面 280

14.1.3 地球物理方法测算岩层中天然气水合物的含量 281

14.1.4 钻井和测井资料 283

14.1.5 北喀斯喀特天然气水合物储量的估算 285

14.2 喀斯喀特“水合物脊”的天然气水合物 285

14.2.1 “水合物脊”的地质构造 285

14.2.2 “水合物脊”天然气水合物的特征 287

14.2.3 岩层天然气水合物的含量 289

14.2.4 “水合物脊”天然气水合物的形成机制 291

参考文献 293

第15章 印度洋北部的天然气水合物 294

15.1 印度在天然气水合物方面的调查和开发研究现状 294

15.2 印度洋北部的天然气水合物 297

15.2.1 地质构造背景 297

15.2.2 印度近海的天然气水合物 298

15.2.3 莫克兰陆缘的天然气水合物 308

参考文献 309

第16章 日本近海的水合物 311

16.1 日本天然气水合物勘查与开发研究 311

16.2 日本近海的天然气水合物 312

16.2.1 日本近海天然气水合物赋存区的地质背景 312

16.2.2 日本近海天然气水合物的分布 315

16.2.3 东南海海槽的天然气水合物 316

16.3 东南海海槽天然气水合物的试验开采 321

16.3.1 试验开采前的准备 321

16.3.2 试验开采的实施 325

16.4 试验开采结果 326

参考文献 326

第17章 阿拉斯加北坡的天然气水合物 328

17.1 地质地理背景 329

17.2 天然气水合物赋存情况 330

17.2.1 阿拉斯加北坡天然气水合物的资源量 330

17.2.2 “艾林”和“塔恩”两大天然气水合物赋存区 332

17.3 艾尔伯特山（Mt.Elbert）天然气水合物的科学试验钻 335

17.4 结语 338

参考文献 338

第18章 麦索亚哈的天然气水合物 339

18.1 西伯利亚的天然气水合物 339

18.2 麦索亚哈的天然气水合物 341

18.2.1 麦索亚哈天然气水合物的发现史 341

18.2.2 麦索亚哈天然气水合物矿田的地质构造 342

18.2.3 麦索亚哈天然气水合物储层的特征 343

18.2.4 麦索亚哈天然气水合物的开采史 346

18.2.5 麦索亚哈天然气水合物的再开采和研究 348

18.3 麦索亚哈天然气水合物发现和开采的意义 351

参考文献 351

第19章 南海北坡的天然气水合物 353

19.1 中国天然气水合物研究的进展 353

19.2 南海北坡的地质构造 354

19.3 南海北坡天然气水合物的分布和成藏特征 355

19.3.1 BSR的分布 355

19.3.2 水合物烃源和输送体系的特征 358

19.3.3 神狐探区的天然气水合物 361

19.4 南海北坡天然气水合物的特性与前景 371

参考文献 373