分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的可燃冰：超99%都是甲烷分子

【摘要】分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的可燃冰：超99%都是甲烷分子

出品：科普中國(guó)

制作：中國(guó)地質(zhì)圖書館（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科普辦公室）徐夢(mèng)華劉瀾章茵

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局今天（5月18日）在南海宣布，我國(guó)正在南海北部神狐海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功，這也標(biāo)志著我國(guó)成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了在海域可燃冰試開(kāi)采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家。隨后，新華社受權(quán)發(fā)布了《中共中央國(guó)務(wù)院對(duì)海域天然氣水合物試采成功的賀電》。

此次可燃冰試采成功使我國(guó)勘察和開(kāi)采的核心技術(shù)得到驗(yàn)證，也標(biāo)志著中國(guó)在這領(lǐng)域的綜合實(shí)力達(dá)到世界頂尖水平。

可燃冰身為何物

20世紀(jì)30年代，天然氣作為一種燃料開(kāi)始被廣泛使用，人們鋪設(shè)了輸氣管道，但管道經(jīng)常被奇怪的“冰塊”堵塞，科學(xué)家為了解決這一難題，對(duì)這些“冰塊”的結(jié)構(gòu)和成份進(jìn)行了分析，在1934年，由前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些冰塊是天然氣和水混合而成的，并稱之為天然氣水合物，就這樣，可燃冰被人們意外地發(fā)現(xiàn)了。

可燃冰是由天然氣和水在高壓低溫狀態(tài)下形成的固體結(jié)晶物質(zhì)，學(xué)名是天然氣水合物，英文名為Natural Gas Hydrate，簡(jiǎn)稱Gas Hydrate。其化學(xué)方程式為CH4?8H2O，外貌多為白色、淡黃色、琥珀色和暗褐色。純凈的天然氣水合物呈白色，形似冰雪，能被直接點(diǎn)燃，故形象地稱之為“可燃冰”。純凈的天然氣水合物呈白色，形似冰雪，能被直接點(diǎn)燃，故形象地稱之為“可燃冰”。

其分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但這其中超過(guò)99%的都是甲烷分子，因而易被點(diǎn)燃，也可以說(shuō)可燃冰就像一個(gè)天然氣的壓縮包，包含數(shù)量巨大的天然氣。據(jù)理論計(jì)算，1立方米的可燃冰可釋放出164立方米的甲烷氣和0.8立方米的水。而且燃燒后僅會(huì)生成少量的二氧化碳和水，不會(huì)像煤炭和石油產(chǎn)品燃燒時(shí)釋放出粉塵、硫化物、氮氧化物等環(huán)境污染物，所以被譽(yù)為21世紀(jì)最理想的清潔能源。

籠狀結(jié)構(gòu)

可燃冰身在何處

可燃冰的形成必須具備四個(gè)條件。一是溫度，生成可燃冰的溫度不能太高，也不能太低，適宜溫度是0—10℃之間，最高限是20℃。二是壓力，形成可燃冰需要足夠的壓力，但也不能太大，在零度時(shí)，30個(gè)大氣壓以上就可。三是氣源，“巧婦難為無(wú)米之炊”，豐富的天然氣是可燃冰的重要組成部分。四是適量的水，這也是形成可燃冰不可或缺的成分。四個(gè)條件缺一不可。

可燃冰在陸域和海域均有分布，而海底可燃冰的分布范圍要比陸地大很多，據(jù)科學(xué)家大致估計(jì)，可燃冰分布的陸海比例為1：100，大約27%的陸地，包括極地冰川凍土帶和冰雪高山凍結(jié)巖，以及90%的大洋水域是可燃冰的潛在區(qū)。陸地可燃冰分布較少是因?yàn)槌擞谰脙鐾翆樱渌胤胶苌傧窈５滓粯泳邆淇扇急纬傻臈l件，而在海底300-500米的沉積物中都可能具備。

可燃冰發(fā)展歷程

我國(guó)海域可燃冰探尋闊步向前

目前，國(guó)際上確定天然氣水合物的技術(shù)手段第一種是通過(guò)對(duì)地球物理資料的解釋確定，如獲得地震擬海底反射（BSR）標(biāo)志，BSR是一種聲反射面，指的是含氣水合物的沉積物和其下伏不含氣水合物之間的聲反射界面，而在海洋環(huán)境中氣水合物是穩(wěn)定的，所以分析這種反射界面是判斷是否存在天然氣水合物的一個(gè)重要標(biāo)志。第二種標(biāo)志是典型的海底甲烷滲漏（即冷泉）反射特征，由于天然氣水合物的主要成分就是甲烷，所以在海底監(jiān)測(cè)到大量甲烷氣體滲漏也是判斷天然氣水合物存在的重要標(biāo)志。

1999年，廣州海洋局派出“奮斗五號(hào)”船實(shí)施了首次針對(duì)水合物的高分辨多道地震調(diào)查，由此掀開(kāi)了我國(guó)海域水合物調(diào)查的序幕。通過(guò)調(diào)查，在南海北部陸坡西沙海域首次發(fā)現(xiàn)了水合物存在的重要標(biāo)志——似海底反射（BSR）。成果報(bào)送國(guó)務(wù)院后，時(shí)任國(guó)務(wù)院副總理溫家寶批示“在南海發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在的似海底反射波，意味著這類新資源在我國(guó)零的突破（2000年）”。我國(guó)于2002年正式批準(zhǔn)設(shè)立天然氣水合物資源勘查專項(xiàng)。從此，我國(guó)正式踏上了大規(guī)模、多學(xué)科、多手段開(kāi)展天然氣水合物資源調(diào)查的艱辛歷程。

2002-2015年間，我國(guó)相繼在南海北部陸坡的西沙、東沙、神狐和瓊東南海域開(kāi)展了天然氣水合物資源調(diào)查及研究工作，并取得了一系列勘探成果和理論突破。

2007年4-6月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局首次在南海北部神狐海域成功實(shí)施8個(gè)站位鉆探，其中3個(gè)站位獲得了天然氣水合物實(shí)物樣品，所獲得的樣品甲烷含量高達(dá)99.7%以上，點(diǎn)火即可燃燒。這一發(fā)現(xiàn)是我國(guó)首次在南海海域獲取天然氣水合物實(shí)物樣品，證實(shí)了南海存在良好的水合物資源前景。

這是一次戰(zhàn)略性的突破，使我國(guó)成為繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃在海底鉆探獲得天然氣水合物實(shí)物樣品的國(guó)家，也意味著我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查正式躋身國(guó)際水合物勘探的先進(jìn)行列。

2013年6月1日~9月8日，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在珠江口盆地實(shí)施了第二次天然氣水合物鉆探。此次鉆獲了大量高純度的新類型天然氣水合物實(shí)物樣品，樣品中甲烷含量最高達(dá)到99%，呈塊狀、脈狀、分散狀等多種類型，主要賦存于水深600-1100米的海底以下220米以內(nèi)的兩個(gè)礦層中，具有埋藏淺、厚度大、類型多、含礦率高、甲烷純度高等五大特點(diǎn)，在國(guó)際上罕見(jiàn)。該發(fā)現(xiàn)首次在我國(guó)南海獲取了可視的塊狀天然氣水合物實(shí)物樣品。這一新發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了我國(guó)海域可視水合物的空白，極大地豐富了我國(guó)海域水合物的賦存類型，是繼2007年鉆探航次后發(fā)現(xiàn)的新的水合物賦存類型，具有重大勘探實(shí)踐意義和重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，是我國(guó)海域水合物資源調(diào)查勘探一個(gè)里程碑式的重大突破。

2015年6月~9月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局再次在神狐海域?qū)嵤?3口天然氣水合物鉆探井，這次的命中率達(dá)到了100%，23口井全部發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，水合物礦體厚度大、儲(chǔ)量大，呈高飽和度特征。鉆井控制礦藏面積128平方千米，控制資源量超過(guò)1500億立方米，圈出10個(gè)規(guī)模較大的礦體，其中通過(guò)鉆探取芯落實(shí)的2個(gè)大型礦體，此次鉆探還首次發(fā)現(xiàn)Ⅱ型天然氣水合物，與深部油氣密切相關(guān)，對(duì)指導(dǎo)油氣勘探具有重要意義。這次鉆探為海域天然氣水合物實(shí)驗(yàn)性開(kāi)采提供了重要參考靶區(qū)，標(biāo)志著我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

同年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局利用地球物理資料在神狐鄰近海域發(fā)現(xiàn)了典型的海底甲烷滲漏（即冷泉）反射特征，繼而利用我國(guó)自主研發(fā)的“海馬號(hào)”水下機(jī)器人（ROV）進(jìn)行海底觀測(cè)和實(shí)時(shí)甲烷測(cè)定，發(fā)現(xiàn)了大量化能自養(yǎng)的冷泉生物——菌席、貽貝類、管狀蠕蟲(chóng)、蟹等組成的大型冷泉生態(tài)系統(tǒng)和大量沉淀于高堿度環(huán)境的冷泉碳酸鹽巖，證實(shí)了巨型冷泉群——海馬冷泉區(qū)的存在。同時(shí)，在海馬冷泉區(qū)進(jìn)行了目標(biāo)精準(zhǔn)的大型重力活塞取樣，直接在海底淺表層采獲滲漏型天然氣水合物實(shí)物樣品。海底觀測(cè)和取樣的結(jié)果驗(yàn)證了前期勘查研究中對(duì)海底滲漏型水合物分布預(yù)測(cè)的正確性，在南海海域水合物資源富集規(guī)律及與冷泉有關(guān)的海底生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)上取得新突破，對(duì)后續(xù)鉆探部署具有重要的指導(dǎo)意義。

2017年5月18日，我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物試采實(shí)現(xiàn)連續(xù)超過(guò)7天的穩(wěn)定產(chǎn)氣，取得天然氣水合物試開(kāi)采的歷史性突破。