解讀大熱的可燃冰（1）：可燃冰是什麼？它是怎麼形成的？
[編者按] 5月18日中共中央、國務院電賀我國海域天然氣水合物試采成功。隨之媒體鋪天蓋地的報導，手機刷爆了螢幕。那麼到底可燃冰是什麼？其發展前景如何？中國在可燃冰研究與開發的水準所處的位置如何？等等這些問題，
1.可燃冰是什麼？
可燃冰，又稱天然氣水合物(Gas drates)，也有稱甲烷水合物(Methane hydrate)，是類似於冰的天然氣和水的組合體，在自然界中天然形成的，數量巨大。一個可燃冰分子中，其水大約占85%，水分子與甲烷形成結晶的晶體，這種晶體穩定，甲烷分子被水分子包圍。水分子形成空腔由甲烷分子充填。
(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)
(from FrozenHeart)
在海底或者極地地區之下沉積物中發現的甲烷型天然氣水合物在高壓和低溫下是穩定的。幾乎沒有人看到過固體天然氣水合物。不僅是它們位於氣候惡劣且人通常難以到達的極地地區，而且還由於它們被取出到地表後很快就融化分解了，分解成液態水和氣態甲烷。
(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)
下面貼出幾張國外發佈的相關幾張圖片，以便大家對可燃冰世界研究與發展進展有個印象，隨後進行相關報導。
永久凍土帶中天然氣水合物穩定區(Source: Courtesy SEG)
海洋中天然氣水合物穩定區
目前已知的世界可燃冰分佈區
全球可燃冰資源及其分佈情況(Source:Johnson, 2011)
天然氣水合物研究主要里程碑(from Frozen Heart)
2002年，加拿大在北極地區進行生產測試(from Frozen Heart)
A distant view of the Second Onshore Gas Production Test site (left)、Flares of methane gas produced in the second Winter Test (right)
日本2008年第二個冬季MH21測試情況。這次測試中，MH21井連續生產5.5天，累計生產13000立方米，比2007年第一個冬季陸上生產測試獲得470立方米要多的多。
國外海上測試情況(from Frozen Heart)
2.可燃冰是怎麼形成的？
在高壓和低溫條件下，只要有足夠的甲烷和水，就能自然形成可燃冰(甲烷氣水合物，以後沒有特別指出，可燃冰就是只天然氣水合物，天然氣水合物就是可燃冰)。甲烷本身是通過埋藏在沉積物中有機碳分解而產生的，這些甲烷會向上運移。在合適的條件下，這些甲烷與水結合，就會形成天然氣水合物。
在天然氣水合物穩定區(Gas Hydrate Stablity Zone，簡寫GHSZ)，天然氣水合物可以自然形成，在那個埋深下，壓力和溫度條件都是適合天然氣水合物形成的。準確的GHSZ在什麼地方以及其分佈範圍則取決於當地的條件。
在北極地區，氣候寒冷，具有很厚的永久凍土帶(permafrost)，典型的GHSZ頂部大概在地表以下300到400米左右，通常出現在永久凍土帶的中部區域。在相對厚的永久凍土帶地區，GHSZ常常可以延展到永久凍土帶基底以下500米以上(圖1)。
在海洋或者內陸深湖中，300到500米甚至更多深的水下面，壓力很高，GHSZ的頂部也可以出現在水柱中，其基底在海底以下也有一定的厚度(圖2)。
只有在滿足天然氣水合物穩定要求的壓力與溫度的地方，才有可能出現天然氣水合物。如果僅壓力和溫度是覺得因素，那麼整個海洋沉積物中將會隨處可見天然氣水合物。實際上，除了適當的壓力與溫度條件外，還需要有足夠多的水和甲烷。因此，天然氣水合物實際上只出現在GHSZ(圖3)。
圖3 部分天然氣水合物研究區域。黃色方塊表示歷史上重大的天然氣水合物研究地點，這些地方在沉積物表面以下50米深度以上採集過天然氣水合物。根據遙感衛星研究，已經推測世界其它很多地方都存在天然氣水合物。儘管分佈廣泛，但是天然氣水合物還是主要集中在甲烷富集的地方，而這些地方通常是靠近大陸或者在大陸上。(Figure modified from Ruppel et al. 2011).
天然氣水合物中甲烷來自於有機物質的分解，死亡植物與動物殘留物或者遺體。當微生物消耗有機物質時，同時有作為廢棄物排出的甲烷，這些就是生物成因的甲烷(圖4)。熱演化產生的甲烷來自於地球表面以下很深的部位，那裡壓力高，溫度也高，埋藏的有機物質，不斷地生成甲烷以及石油油氣等。
圖4 墨西哥灣北部海底天然氣水合物露頭。這個天然氣水合物顯橘紅色，主要是由於少量油的存在。這個天然氣水合物露頭有粉色的“甲烷冰蟲”寄生。這些蟲(1997年被發現)一般2～4釐米長，生活在水合物上面，以細菌為生 (Fisheret al., 2000)。
在淺層沉積物中，有機碳通過微生物分解，同時生成甲烷。當埋深達到一定深度時，這些有機碳則通過熱分解產生甲烷(圖5)。有機碳本身既不是均勻分佈，也不是一直分佈在同一個地方。例如，在當今，海洋沉積物中的有機碳大約有90%分佈在靠近大陸的相對淺水的下麵沉積物中(Hedgesand Keil 1995; Buffett and Archer 2004)。
圖5 沉積的有機物質演化。沉積的有機物質逐漸被微生物分解，也不斷地在熱力和壓力條件下進行熱演化，或者埋藏更深，或者暴露地表進行碳迴圈。微生物分解產生的甲烷(也稱為“生物成因”)和熱演化分解產生的甲烷，通過覆蓋的沉積物與流體一起緩慢地運移，或者沿著斷層或其它滲透途徑快速運移。隨著甲烷飽和度增加和溫度下降，過量的甲烷(達到飽和後無法溶解的甲烷)在天然氣水合物穩定基底(BGHS)之下形成氣泡。在BGHS之上，過量的甲烷通常形成甲烷水合物(天然氣水合物)，但是也有形成氣泡的。
請關注後續報導：
可燃冰系列（2）——哪裡可以找到可燃冰？
可燃冰系列（3）——人類何時、怎麼發現可燃冰的？
可燃冰系列（4）——可燃冰在自然界中的作用與角色？
可燃冰系列（5）——可燃冰是潛在的能源資源嗎？
可燃冰系列（6）——全球可燃冰的資源有多少？
可燃冰系列（7）——人類掌握了開採可燃冰的技術嗎？能夠經濟開採嗎？
可燃冰系列（8）——開採可燃冰對環境有什麼影響？
可燃冰系列（9）——我們真的需要開採可燃冰嗎？
可燃冰系列（10）——可燃冰真的能成為全球能源中的一部分嗎？
可燃冰系列（11）——可燃冰未來展望
作者：震旦能源
這次測試中，MH21井連續生產5.5天，累計生產13000立方米，比2007年第一個冬季陸上生產測試獲得470立方米要多的多。國外海上測試情況(from Frozen Heart)
2.可燃冰是怎麼形成的？
在高壓和低溫條件下，只要有足夠的甲烷和水，就能自然形成可燃冰(甲烷氣水合物，以後沒有特別指出，可燃冰就是只天然氣水合物，天然氣水合物就是可燃冰)。甲烷本身是通過埋藏在沉積物中有機碳分解而產生的，這些甲烷會向上運移。在合適的條件下，這些甲烷與水結合，就會形成天然氣水合物。
在天然氣水合物穩定區(Gas Hydrate Stablity Zone，簡寫GHSZ)，天然氣水合物可以自然形成，在那個埋深下，壓力和溫度條件都是適合天然氣水合物形成的。準確的GHSZ在什麼地方以及其分佈範圍則取決於當地的條件。
在北極地區，氣候寒冷，具有很厚的永久凍土帶(permafrost)，典型的GHSZ頂部大概在地表以下300到400米左右，通常出現在永久凍土帶的中部區域。在相對厚的永久凍土帶地區，GHSZ常常可以延展到永久凍土帶基底以下500米以上(圖1)。
在海洋或者內陸深湖中，300到500米甚至更多深的水下面，壓力很高，GHSZ的頂部也可以出現在水柱中，其基底在海底以下也有一定的厚度(圖2)。
只有在滿足天然氣水合物穩定要求的壓力與溫度的地方，才有可能出現天然氣水合物。如果僅壓力和溫度是覺得因素，那麼整個海洋沉積物中將會隨處可見天然氣水合物。實際上，除了適當的壓力與溫度條件外，還需要有足夠多的水和甲烷。因此，天然氣水合物實際上只出現在GHSZ(圖3)。
圖3 部分天然氣水合物研究區域。黃色方塊表示歷史上重大的天然氣水合物研究地點，這些地方在沉積物表面以下50米深度以上採集過天然氣水合物。根據遙感衛星研究，已經推測世界其它很多地方都存在天然氣水合物。儘管分佈廣泛，但是天然氣水合物還是主要集中在甲烷富集的地方，而這些地方通常是靠近大陸或者在大陸上。(Figure modified from Ruppel et al. 2011).
天然氣水合物中甲烷來自於有機物質的分解，死亡植物與動物殘留物或者遺體。當微生物消耗有機物質時，同時有作為廢棄物排出的甲烷，這些就是生物成因的甲烷(圖4)。熱演化產生的甲烷來自於地球表面以下很深的部位，那裡壓力高，溫度也高，埋藏的有機物質，不斷地生成甲烷以及石油油氣等。
圖4 墨西哥灣北部海底天然氣水合物露頭。這個天然氣水合物顯橘紅色，主要是由於少量油的存在。這個天然氣水合物露頭有粉色的“甲烷冰蟲”寄生。這些蟲(1997年被發現)一般2～4釐米長，生活在水合物上面，以細菌為生 (Fisheret al., 2000)。
在淺層沉積物中，有機碳通過微生物分解，同時生成甲烷。當埋深達到一定深度時，這些有機碳則通過熱分解產生甲烷(圖5)。有機碳本身既不是均勻分佈，也不是一直分佈在同一個地方。例如，在當今，海洋沉積物中的有機碳大約有90%分佈在靠近大陸的相對淺水的下麵沉積物中(Hedgesand Keil 1995; Buffett and Archer 2004)。
圖5 沉積的有機物質演化。沉積的有機物質逐漸被微生物分解，也不斷地在熱力和壓力條件下進行熱演化，或者埋藏更深，或者暴露地表進行碳迴圈。微生物分解產生的甲烷(也稱為“生物成因”)和熱演化分解產生的甲烷，通過覆蓋的沉積物與流體一起緩慢地運移，或者沿著斷層或其它滲透途徑快速運移。隨著甲烷飽和度增加和溫度下降，過量的甲烷(達到飽和後無法溶解的甲烷)在天然氣水合物穩定基底(BGHS)之下形成氣泡。在BGHS之上，過量的甲烷通常形成甲烷水合物(天然氣水合物)，但是也有形成氣泡的。
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作者：震旦能源