借助水文地质学和同位素水文地球化学理论研究油气成藏理论是学科交叉的一个热点。我国天然气资源储量丰富,但常规气开采成本较高,因此需要开展非常规油气资源的勘探。天然气水合物是高效清洁的新能源,近年来吸引各国的关注。海洋陆坡区是天然气水合物的主要储库,它只能在低温高压条件下存在。天然气水合物的一个重要研究方向是甲烷及其气源。甲烷是有机质的分解产物之一,通过热力学计算可以得到甲烷在海洋沉积物孔隙水中的溶解度。根据甲烷-水体系的相图,当孔隙水中的甲烷超过溶解度,就会在所谓的水合物稳定区形成固相水合物。为了更进一步探讨天然气水合物的控矿因素、厘清水合物勘探指标,本文在前人研究基础上继续完善天然气水合物理论,侧重于水合物成矿区的沉积物孔隙水地球化学特征,并引入水文地质学的溶质运移模型与数值模拟方法研究孔隙水中化学组分的反应、迁移过程。本文模型主要由孔隙水的流体运移和组分反应两部分组成。流体运移主要包括平流和扩散过程,分别对其中所涉物理过程进行详细界定。组分反应主要关于早期成岩作用的一系列微生物地球化学过程,涉及有机质在不同终端电子受体作用下分解的各个阶段,这可以用化学动力学反应式来量化。由此推导出一般反应运移方程,并对之作参数敏感性分析。本文旨在为天然气水合物资源勘探和评价提供可靠的依据,在水合物成矿远景区应用一般方程需要对参数进行必要的修订。用于钻探区水合物成藏时,增加饱和度的概念,并用氯离子代表盐度加入模拟。用于浅表层孔隙水反应过程时,为了示踪不同的甲烷气源,需要对孔隙水溶解无机碳及其稳定碳同位素进行模拟。最后,本文以中国南海北部陆坡区（深部钻探芯、浅表层重力活塞柱样）的实测数据为例展示模型应用,用一维数值模拟的方法定量探讨南海天然气水合物成矿特征。对于神狐钻探区,通过站位实测溴碘比值估算现代沉积物中的流体速率,结合非稳态多相流模型,对神狐海域SH7站位水合物成藏系统演化阶段作出判断,即自更新世以来处于衰退状态。对于东沙成矿远景区,稳定同位素反应运移模型结果表明CL11站位相较于CL7站位深部流体更为发育、生物活性更为强烈。用模型对南海陆坡区进行横向对比发现,对于相同的地质与水文地质背景,产甲烷反应速率和深部外源流体速率之间的数量对比影响水合物的气源。由于流体的开放特性造成多端元混合,加之孔隙水的滞后响应,深部反应过程通过流体可能不足以影响浅表层沉积物。