海底可燃冰的形成与开发应用前景1

海底可燃冰的形成

－－周健学号１２１２７９０６４引言：

能源是现代工业社会基础。如果把当今世界比作一个有机体，那么能源就是这个有机体身上流动的血液，没有它，整个社会机器就会停止运转。然而当今世界的赖以生存的化石燃料，即煤、石油和天然气，都是不可再生资源，按照现今人类的开采速度，在未来几十年到百年内，都会相继开采完。人类急需新的替代品。可燃冰因其巨大的储量，成为解决未来能源问题的希望之一。本文主要介绍可燃冰的形成、分布情况、储量和应用前景。

一．可燃冰的形成。

1.什么是可燃冰。

可燃冰是天然气水和物的俗称。它主要由烃类分子（主要是甲烷）和水分子组成，所以又叫甲烷水合物。其分子结构式可用mCH4.n8H2O来表示.纯净的天然气水合物外观呈白色，一般情况下为灰白色，形状像雪，可以像固体酒精那样被点燃，因而被形象的称为“可燃冰”。

2.可燃冰的分布和储量。

全球天然气水合物的特点是受地理格局的控制。其主要存在于世界范围内的沟盆体系、边缘海盆陆缘、陆坡体系、尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中。另外，扩张盆地和北极地区的永久冻土区也有它的踪影。据勘测，大西洋的85%，印度洋的96%和太平洋的95%的地区中也含有天然气水合物。它主要分布于海平面下200—600的深度内。

据潜在气体联合会（PGC，1981）的估计，永久性冻土区的天然气水合物资源量为 1.4×1013～3.4×1016m3，加上海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018m3。但是由于天然气水合物具有非渗透性，可以作为其下层的游离天

然气的封盖层。因而，如果加上天然汽水合物下层的游离气体量其总量估计还可能会大些。如果这些预计属实的话，天然气水合物将成为未来的重要能源。至2011年，世界上已发现的天然气水合物分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法比拟的。科学家估计，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。（1）

4.可燃冰的海底生成。

形成可燃冰的三个基本条件是温度、压力和原材料。首先，生成可燃冰需要低温，其一般在0—10℃时生成，如果超过20℃将会分解。深海的海底温度一般保持在2—4℃左右，满足其需要；其次是高压条件，在0℃时，可燃冰只需30个大气压即可生成。在深海中，30个大气压很容易保证。而且气压越大，水合物就越不容易分解。最后是充足的气源。海底的有机物沉淀中的丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，只要温度、压力、气源三者都具备，在介质的空隙间中就会有可燃冰生成。

下面是具体介绍：可燃冰有两种不同种类的海洋存量。其中超过99%的都是甲烷包覆于结构一型的包合物，其一般在沉淀物的深处发现。在这种结构下，甲烷中的碳同位素较轻（δ13C < -60‰），由此可知其是微生物对co2的氧化还原作用释放出。这类位于深处矿床的包合物，一般认为是在微生物产生的甲烷环境中原处形成的，理由是这些包合物与其四周溶解的甲烷的δ13C值相似。这一类包合物的矿床坐落于深度大约300-500m厚的沉积物中（GasHydrate Stability Zone）。而在这一区域之下，甲烷以溶解型态存在，且其浓度随着距沉积物表层的距离增大而逐渐递减。而在这之上，甲烷以气态存在。

接近沉积物的表层发现了第二种结构，在这种结构中取得的某些样本具有较高比例的碳氢化合物长链。而相对于结构一型，其甲烷的碳同位素则较重，其δ13C一般为-29‰至-57 ‰，由此可推断其是由沉积物深处的有机物质经过热分解后形成甲烷而往上迁移生成。另外，在某些矿床中含有有介于微生物生成和热生成类型的特性，应该是两种混合的型态。

天然气水合物中的甲烷主要是细菌在缺氧环境下对有机物质的分解形成。在沉积物中，最上方的几厘米内的有机物质会被好氧细菌所分解产生CO2并释放进水团中。硫酸盐在此区域的好氧细菌活动中会被转变成硫化物。如果沉淀率低

于1厘米/千年，同时有机碳成分低于1%，则当含氧量充足时，好氧细菌就会耗光沉积物中的所有有机物质。但是该处的沉淀率以及有机碳成分都很高，而且沉积物中的孔隙水在几厘米深的地方就已经是缺氧态的，在这些条件下，甲烷会由厌氧细菌的活动产生。这类甲烷的生成是非常复杂的过程，需要各个种类的细菌参与活动，还需要一个还原环境，该环境的Eh 为-350mV至-450mV，pH 值介于6至8之间。在某些海域（如墨西哥湾）的包合物中的甲烷，至少会有部份是由有机物质的热分解产生的，但大多数是由石油分解而成。由于包合物中的甲烷多为细菌活动产生，故一般具有细菌性的同位素特征和很高的δ13C 值，平均约为-65‰。另外在固态包合物地带的下方的沉积物里的大量甲烷可能以气泡的方式释放出来。（２）

二．可燃冰的开发应用。

1.开采的难度。

甲烷的温室效应是二氧化碳的24倍，如果由于开采不当而泄露到空气中，会造成严重的温室效应。另外，水合物的存在可以保持沉积层的机械稳定性，它把沉积物的颗粒粘连在一块成为一个整体。如果你把它分解掉了，就相当于把这个整体分解了，这可能会造成海底滑坡。另外海底的生态平衡也会招到破坏。在没有拿出开发可燃冰可能导致的环境问题的解决问题之前，可燃冰的开采势必不能像普通矿产资源一样。

2.可行的开采方案。

开采方案主要有三种。

第一是热激化法。利用“可燃冰”加温分解的性质，使其由固态分解为甲烷蒸汽。但此方法难点在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”，也不是一大块岩石，而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。

方案二是减压法。某些科学家提出将核废料埋入海底，利用其核辐射效应使可燃冰分解。但它也面临着和热解法问题。

方案三是“置换法”。经研究证实，将CO2液化注入1500米以下的洋面后，可以生成二氧化碳水合物，其比重比海水大，会沉入海底。只要将CO2注射入海底的甲烷水合物层，因CO2比甲烷易于形成水合物，于是就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而达到置换出来的目的。（３）