氣體水合物

人們通常見到的主要能源都是可以直接燃燒的煤炭、石油和天然氣，難以想到藴藏在海底的冰塊晶體形式的甲烷水合物居然也是“可燃的”。儘管火焰與冰塊是“水火不相容”的一對組合，然而世界各地陸續發現了海底天然氣水合物。這種甲烷水合物物質同樣可以燃燒發熱。它使越來越多的科學家相信，未來潔淨能源的最大部分將來自海底。由於天然氣水合物具有能量高(1立方米水合物可釋放164立方米甲烷氣)、分佈範圍廣、埋藏深度淺、規模儲量巨大等特點，專家普遍認為它將成為21世紀的新型能源。據初步估算，全球天然氣水合物資源量相當於現有煤炭、石油和天然氣總量的兩倍，約為10億億～12億億立方米，足夠人類使用數萬年。從地理和產地來看，這些資源絕大部分分佈在水深大於300米的海底之下。

只有海底的温度、壓力條件合適，甲烷冰才能在深水陸坡區的鈣質沉積、硅質沉積和深海黏土中生成。沉積物一旦出現這種甲烷冰，就形成不透水、不透氣的隔離層。該層底下沉積中的甲烷氣就無法泄漏逃逸，從而使這種隔離層成為天然氣礦藏的“封閉層”。由於甲烷氣無法在常温常壓下存在，取到海面上的甲烷冰會立刻變成水和氣，所以不能用常規地質方法對它進行鑽探和取樣，而只能採用先進的聲波探測技術對它勘查和使用高保真技術進行採樣來保持它的原生狀態。

儘管世界各國學者計算的天然氣水合物資源量不盡一致，250萬億至7.6億立方米不等，但它是一種巨大的潛在能源卻是公認的。比較統一的估算結果大約相當於2.1億億～4億億立方米的甲烷量。調查比較詳細，發現具有勘探開發遠景的主要地區有：北美大陸架邊緣卡羅來納州近海布萊克海台(儲量42萬億～52.5萬億立方米，可滿足美國105年的天然氣需求)、俄勒岡州Cascadia海隆區、日本列島周緣海域(甲烷資源量為7.4萬億立方米，可滿足日本100年的能源需求)、西太平洋沙茨基海嶺、黑海周圍海域、南大西洋新西蘭北島東岸近海、澳大利亞東部近海蒙勳爵海台、印度西海岸阿拉伯海域、韓國東南部近海鬱龍盆地，中國南海神狐海域、西沙海槽、東海沖繩海槽和台灣島西南海域等。 ^[1] 

從20世紀80年代開始。隨着深海大洋鑽探的相繼實施和發現，天然氣水合物研究以俄羅斯、美國、德國、加拿大、荷蘭等國家為主，進入多學科、多方法的綜合發展階段。這一階段的主要研究成果如下。

①通過同位素和流體地球化學的研究，確定天然氣水合物的成礦氣體主要是微生物成因。

②指出了天然氣水合物的穩定性對大氣甲烷含量的影響問題。

③開發出三種開採天然氣水合物的方法(熱激化法、減壓法和注入抑制劑法)，並發現了第三種H型結構的天然氣水合物。

④對全球天然氣水合物資源量有了基本統一的估算，認識到它是岩石圈淺部碳的主要儲集體。

⑤相繼發現了與天然氣水合物有關的海底滑坡和滑塌，提出了全球氣候變化對海底和極地天然氣水合物的不同影響。

20世紀90年代，隨着世界各地發現的天然氣水合物礦點的增多和人們對此種水合物認識的進一步加深，對天然氣水合物的研究在世界範圍內迅速擴大，除上述幾個國家外，日本、英國、挪威、印度、中國和韓國等也紛紛加入這一研究行列。天然氣水合物的理論研究朝着更為精深的方向發展，其主要表現是新技術、新方法的大量使用和集中在資源、環境和全球氣候三方面的研究成果。

①面對如此巨量的海底能源資源，資源量評價成為此領域研究的最主要內容。利用多道地震反射的真振幅、層速度分析和測井資料分析等一系列地球物理與地球化學綜合方法，對海底天然氣水合物與下伏遊離氣體的資源量進行了計算，各地的資源量計算更為準確。

②海底地質災害是天然氣水合物研究的重要內容之一，主要有兩方面：一是自然分解引起的地質災害；二是由鑽井在鑽進過程中引起水合物分解，導致甲烷大量釋放而造成的環境破壞。

③儘管天然氣水合物的形成與分解對全球氣候的影響尚有許多不確定性，但一些事實表明，這種影響的確存在。近海地區天然氣水合物中圈閉着3000倍於大氣中的甲烷量，如此巨量的甲烷一旦大規模地釋放出來，必將對大氣的組成和熱輻射性質產生重大影響，從而使全球氣候發生災難性變化。 ^[1] 

由於氣體水合物的結構是研究水合物組成、相平衡熱力學和反應動力學等性質的基礎，因此，對水合物結構的研究仍在繼續進行之中，對其結構的洋細情況的瞭解也在不斷地完善和深入，對氣體水合物結構的認識同時也促進了氣體水合物理論的發展。X射線、電介體技術、核磁共振以及遠紅外線等技術的應用也為研究水合物結構提供了更趨完備的技術手段。

水合物的一個顯著特點是其組成的不確定性，其組成取決於體系的温度、壓力以及共存的流體相組成。由於在實驗中無法將水合物從體系中分離出來，因此不能採用熱分解的方法準確測定水合物的組成。Miller和Strong用化學平衡常數的間接方法計算水合物的水合數(即水合物中平均每個客體分子周圍的水分子數)。Cady採用一個簡單的玻璃實驗裝置測定了氯氣等水合物在常壓下0℃時的水合物，但對於精確測定較高壓力下的水合物組成還有一定困難，大多采用熱力學理淪模型計算實際的水合物組成。水合物的密度一般大於1.0g/cm³除熱膨脹和熱傳導性質外，其光譜性質、力學性質及傳遞性質同冰相似。 ^[2] 

氣體水合物與冰、含氣體水合物層與冰層之間有明顯的相似性：①相同的組合狀態的變化-流體轉化為固體；②均屬放熱過程，併產生很大的熱效應，0℃融冰時需用0.335kJ的熱量，0～20℃分解天然氣水合物時每克水需要0.5～0.6kJ的熱量；③結冰或形成水合物時水體積均增大一前者增大9%，後者增大26%～32%；④水中溶有鹽時，二者相平衡温度降低，只有淡水才能轉化為冰或水合物；⑤冰與氣體水合物的密度都不大於水，含水合物層和凍結層密度都小於同類的水層；⑥含冰層與含水合物層的電導率都小於含水層；⑦含冰層和含水合物層彈性波的傳播速度均大於含水層。 ^[2]