天然气是一种由多种气体组成的混合物，其形成是一个复杂的地质过程，主要经历以下几个阶段：
一、有机物的沉积
• 沉积环境
• 天然气的形成通常始于古代海洋、湖泊沼或泽等沉积环境。这些地方有大量的生物（如浮游生物、藻类、水生植物等）生存。当这些生物死亡后，它们的遗体就会沉积在水底。例如，在海洋环境中，浮游生物死亡后会和泥沙一起沉降到海底。
• 这些沉积物在水底会不断地堆积。随着时间的推移，新的沉积物会覆盖在旧的沉积物之上，使得底层的沉积物受到压力逐渐被压实。
• 有机质富集
• 在沉积过程中，生物遗体中的有机质（主要是碳、氢、氧、氮等元素组成的化合物）会逐渐富集。这些有机质是天然气形成的基础物质。例如，大量的藻类和浮游生物死亡后，其细胞壁等有机成分会在缺氧的环境中堆积起来，避免了被微生物快速分解。
二、生物化学作用阶段
• 微生物分解
• 当沉积物被压实后，其中的有机质会受到微生物的作用。在缺氧的环境下，厌氧微生物开始分解有机质。这些微生物会将复杂的有机大分子分解成相对简单的有机化合物。
• 例如，一些细菌会将有机质中的纤维素等物质分解为简单的糖类，然后进一步分解为有机酸（如乙酸）等。在这个过程中，会产生少量的甲烷气体。这个阶段产生的甲烷主要是由微生物的代谢活动产生的，属于生物成因气。
• 温度和压力影响
• 随着沉积物埋藏深度的增加，温度和压力也会逐渐升高。在这个阶段，温度一般不超过50℃-60℃。温度和压力的升高会加速微生物的分解作用，使有机质进一步转化。同时，一些有机质也会开始发生热裂解作用，但这个阶段热裂解作用相对较弱。
三、热裂解作用阶段
• 有机质的转化
• 当沉积物埋藏深度继续增加，温度升高到60℃-120℃左右时，热裂解作用逐渐成为天然气形成的主要过程。在这个阶段，沉积物中的有机质（主要是干酪根，它是有机质在地质作用下形成的一种复杂的高分子化合物）开始发生热裂解。
• 干酪根在高温高压下会分解成小分子的烃类物质。例如，它会裂解成石油和天然气。天然气的主要成分是甲烷（CH₄），还含有少量的乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）、丁烷（C₄H₁₀）等烷烃，以及二氧化碳、硫化氢等杂质气体。
• 石油和天然气的分离
• 在热裂解过程中，产生的石油和天然气会根据它们的物理性质进行分离。由于天然气的密度比石油小，它会向上迁移。同时，天然气在岩石孔隙中的扩散能力比石油强，所以它更容易在地层中扩散和聚集。
四、天然气的聚集和储存
• 迁移过程
• 天然气在形成后会从生油岩（产生石油和天然气的岩石）中迁移出来。它会沿着岩石的孔隙、裂缝等通道向上迁移。迁移的方向主要是受到地质构造和压力差等因素的影响。例如，在背斜构造（一种中间隆起，两翼向下弯曲的地质构造）中，天然气会向背斜顶部迁移。
• 聚集和储存条件
• 当天然气迁移到合适的地质构造中时，就会聚集起来。一个良好的天然气聚集场所需要有储集岩（如砂岩、碳酸盐岩等，它们有良好的孔隙性和渗透性，能让储存天然气其中）、盖层（如页岩、泥岩等致密的岩石，能够阻止天然气向上逸散）和圈闭（地质构造形成的封闭空间，如背斜圈闭、断层圈闭等）。
• 例如，在一个背斜构造中，如果顶部有致密的页岩作为盖层，砂岩作为储集岩，天然气就可以在背斜顶部的砂岩中聚集，形成天然气藏。
天然气的形成是一个漫长的过程，通常需要几百万甚至几千万年的时间。
