天然气水合物的饱和度是表征水合物储层、估算水合物储量以及未来开发水合物能源潜力的关键参数。在沉积物中，天然气水合物的饱和度定义为天然气水合物的体积与沉积物的孔隙体积之比。天然气水合物在海洋沉积物中的赋存形态通常分为两类：第一种是水合物均匀分布于沉积物的孔隙中，可能以胶结物或填充颗粒间隙等的形式存在，但实际形态仍未确定；第二种是水合物以脉状、结节状或棱镜状出现，沿断层或裂缝分布，形状和大小不规则，导致无法计算这种水合物的饱和度。

水合物饱和度可以使用地球物理的方法进行估算，包括地震波速和某些测井参数（例如，声速、电阻率等）。这些方法操作简便且成本较低，适用于大规模勘探，但其结果往往受到方法本身不确定性的影响。相比之下，对沉积物岩心样品进行地球化学分析（例如，孔隙水的清新、同位素值的异常等）可以提供相对准确的饱和度估算结果，并可作为地球物理方法的校准参考。

尽管目前已有一些关于地球物理和数值模拟方法用于估算天然气水合物饱和度的研究总结，但对于通过直接测试沉积物岩心样品来确定水合物饱和度的研究综述仍然较为缺乏。近期，北京大学北京天然气水合物国际研究中心团队发表了题为“Geochemical and Physical Methods for Estimating the Saturation of Natural Gas Hydrates in Sediments: A Review”的文章，全面总结了几种广泛使用的估算沉积物中水合物饱和度的方法：基于孔隙水地球化学（Cl−、δ18O和δD）的方法、气体体积法和基于温度异常的方法（图1），详细介绍了这些方法的原理、估算过程及其应用，并比较和讨论了每种方法的适用性和优缺点等。本文的主要总结如下：

图1 (a)温度和相应红外图像，(b) Cl− 浓度，(c) δD，(d)δ18O 和(e)估算的水合物饱和度的示意图。

▪            基于孔隙水地球化学的方法通过分析水合物分解引起的氯离子浓度负异常和水合物相中重同位素富集引起的δ18O或δD值的正异常来估计水合物饱和度。这些方法应在水合物分解后进行浓度或同位素值的测定，同时尽量减少潜在的海水污染，并仔细分析其他地质过程的干扰。

▪            气体体积法能够较为直接地估算出水合物饱和度值，其结果通常被认为是水合物饱和度值的标准。气体体积法适用于保存完好、完整的岩心样品，沉积物样品中的水合物在脱气实验前尚未发生分解。

▪            基于温度异常的方法可用于推断水合物的分布，并根据水合物分解吸热引起的温度负异常估计饱和度。尽管红外温度异常法在定量估算水合物饱和度方面的精度有限，但在定位埋藏于沉积物中的水合物位置上效果较好，并能提供对水合物的量的初步认识。

为了提高水合物饱和度估算的准确性和成本效益，本文提出未来该领域可以在以下方面作进一步研究探索：

▪            随着各种类型的水合物不断被发现，应该开发或改进不同气源或结构类型的水合物饱和度的估算方法。

▪            估算水合物饱和度的方法多种多样，但各自具有局限性。应整合红外温度异常、孔隙水地球化学分析、气体体积法以及多种地球物理方法的结果，以获得相对可靠的结果。此外，多种方法的结果可以综合应用到数值模拟或岩石地球物理模型中，这将有助于评估水合物储层的资源潜力。

本研究得到了中国地质调查局项目（DD20221703、DD20230063）和广东省基础与应用基础研究重大专项（编号：2020B0301030003）资助。

北京大学地球与空间科学学院博士生薛媛为文章第一作者，北京天然气水合物国际研究中心、地球与空间科学学院讲席教授卢海龙为通讯作者，水合物中心杨海琳博士、蔡文久博士和詹林森博士为本文的合作作者。

原文信息：Xue, Y.; Lu, H.; Yang, H.; Cai, W.; Zhan, L. Geochemical and Physical Methods for Estimating the Saturation of Natural Gas Hydrates in Sediments: A Review. J. Mar. Sci. Eng. 2024, 12, 1851. https://doi.org/10.3390/jmse12101851