可燃冰(甲烷气水包合物)

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标  题: 可燃冰(甲烷气水包合物)
发信站: 水木社区 (Mon Sep 17 01:44:56 2007), 站内

甲烷气水包合物（Methane clathrate），也称作甲烷水合物、甲烷冰或可燃冰，
' Y. \' g2 n0 A+ ^" V* O# ?1 h为固态形式的水于晶格（水合物）中包含大量的甲烷。最初人们认为只有在太阳系
外围那些低温、常出现冰的区域才可能出现，但后来发现在地球上许多海洋洋底的
. {& `/ P* G( n* f: K沉积物底下也含有大批的蕴藏量。

$ b/ S8 q; s' F* d/ b$ v7 A, k% M甲烷气水包合物在海洋浅水生态圈中是常见的成分，他们通常出现在深层的沉淀物
结构中，或是在海床处露出。甲烷气水包合物据推测是因地理断层深处的气体迁移
，以及沉淀、结晶等作用，于上昇的气体流与海洋深处的冷水接触所形成。
; y! f. o) G; d8 y9 B+ M. J
* W& Y/ Y$ J0 u; x% a) {& Y在高压下，甲烷气水包合物在 18 °C 的温度下仍能维持稳定。一般的甲烷气水化
  @$ i$ p) L1 {* n' R- n合物组成为 1 莫尔的甲烷及每 5.75 莫尔的水，然而这个比例取决于多少的甲烷
2 E2 D% f  Y1 i8 B1 w分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。据观测的密度大约在 0.9 g/cm3。一
9 V9 v' M& U& `升的甲烷气水包合物固体，平均来讲，包含 168 升的甲烷气体（在标准温度／压
$ ?" I/ L' c6 C' ?力(STP)下）。

- X0 _8 G9 u2 o$ N3 [6 Z; Q甲烷形成一种结构一型水合物，其每单位晶胞内有两个十二面体（20 个端点因此
有 20 个水分子）和六个四面体(tetrakaidecahedral)（24 个水分子）的水笼结
构。其水合值（hydratation value）20 可由 MAS NMR 来求得。[1] 甲烷气水包
4 R: ^- `8 J3 k4 ^5 ~( C( s合物频谱于 275 K 和 3.1 MPa 下记录，显示出每个笼形都反映出峰值，且气态的
! {2 b" L+ b9 y+ D甲烷也有个别的峰值。
; q, Q1 y# Z9 W+ Z# a
天然存量

  h1 J: ^: w* r+ m" s甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内（即 < 2000 m 深）。此外，发现在一些必
要条件下，惟独在极地大陆的沉积岩，其表面温度低于 0 °C，或是在水深超过
300 m ，深层水温大约 2 °C 的海洋沉积物底下。大陆区域的蕴藏量已确定位在
5 W- F- f$ ^" i+ k0 r. B西伯利亚和阿拉斯加 800 m 深的砂岩和泥岩床中。海生型态的矿床似乎分布于整
个大陆棚，且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的表面。他们甚至可
! }8 o" }8 J; M  J能涵盖更大量的气态甲烷。

海洋生成

有两种不同种类的海洋存量。最常见的绝大多数（> 99%）都是甲烷包覆于结构一
型的包合物，而且一般都在沉淀物的深处才能发现。在此结构下，甲烷中的碳同位
素较轻（δ13C < -60‰），因此指出其是微生物由 CO2 的氧化还原作用而来。这
6 l. t! I$ S+ n4 F( P1 Y7 v些位于深处矿床的包合物，一般认为应该是从微生物产生的甲烷环境中原处形成，
因为这些包合物与四周溶解的甲烷其 δ13C 值是相似的。

7 V& U9 w! }, m7 C这些矿床座落于中深度范围的区域内，大约 300-500 m 厚的沉积物中（称作气水
化合物稳定带(Gas Hydrate Stability Zone)或 GHSZ），且该处共存著溶于孔隙
2 K0 x; a7 Y0 q7 w4 P/ O8 h水的甲烷。在这区域之下，甲烷只会以溶解型态存在，并随着沉积物表层的距离而
9 k$ x) z2 }8 R! r& z- n/ R2 Y浓度逐渐递减。而在这之上，甲烷是气态的。在大西洋大陆脊的布雷克海脊，GHSZ
在 190 m 的深度开始延伸至 450 m 处，并于该点达到气态的相平衡。测量结果
+ l4 s7 Y# ?3 W: V; u指出，甲烷在 GHSZ 的体积占了 0-9% ，而在气态区域占了大约 12% 的体积。
8 `0 h: ?. [: u" m* d4 G! u/ b: V2 V
在接近沉积物表层所发现较少见的第二种结构中，某些样本有较高比例的碳氢化合
物长链（<99% 甲烷）包含于结构二型的包合物中。其甲烷的碳同位素较重（δ13C
' ?3 [* `. i% P/ E: c0 `- a% G 为 -29 至 -57 ‰），据推断是由沉积物深处的有机物质，经热分解后形成甲烷
而往上迁移而成。此种类型的矿床在墨西哥湾和里海等海域出现。
6 C5 x3 w* p& Y  j# h7 Z2 @1 F  ]
某些矿床具有介于微生物生成和热生成类型的特性，因此预估会出现两种混合的型
5 V/ F! @/ @; e1 m态。

9 C' O8 A2 j% a6 r8 R# T1 }+ k9 R气水化合物的甲烷主要由缺氧环境下有机物质的细菌分解。在沉积物最上方几厘米
的有机物质会先被好氧细菌所分解，产生 CO2，并从沉积物中释放进水团中。在此
区域的好氧细菌活动中，硫酸盐会被转变成硫化物。若沉淀率很低（< 1 厘米／千
年）、有机碳成分很低（<1%），且含氧量充足时，好氧细菌会耗光所有沉积物中
的有机物质。但该处的沉淀率和有机碳成分都很高，沉积物中的孔隙水仅在几厘米
' C) m" {6 i2 r; \* J3 O5 \1 K深的地方是缺氧态的，而甲烷会经由厌氧细菌产生。此类甲烷的生成是更为复杂的
程序，需要各个种类的细菌活动、一个还原环境（Eh -350 to -450 mV），且环境
pH 值需介于 6 至 8 之间。在某些海域（例如墨西哥湾）包合物中的甲烷至少会
有部份是由有机物质的热分解所产生，但大多是从石油分解而成。   包合物中的
甲烷一般会具有细菌性的同位素特征，以及很高的 δ13C 值（-40 to -100‰），
2 }: ^8 L5 M9 G. [2 z2 R平均大约是 -65 ‰ 。 在固态包合物地带的下方处，沉积物里的大量甲烷可能
以气泡的方式释放出来。

2 S9 g) A- Y! {+ a4 W在给定的地点内判定该处是否含有包合物，大多可以透过观测“海底仿拟反射”（
) e0 O% \8 l3 S5 J1 rBottom Simulating Reflector，或称BSR）分布，以震测反射（seismic
reflection）的方式来扫描洋底沉积物与包合物稳定带之间的接口处，因而可观测
出一般沉积物和那些蕴藏包合物沉积物之间的密度差异。

$ I, y1 m4 v9 y) [' G6 r3 d5 d蕴藏量
/ z' y; T* q. w% ^
/ v$ j, [; t! j9 X; h海洋生成的甲烷包合物，蕴藏量鲜为人知。自从 1960 至 1970 年代，包合物首次
发现可能存在海洋中的那段时期，其预估的蕴藏量就每十年以数量级的概估速度递
减[9]。曾经预估过的蕴藏量（高达 3×1018 m3）是建构在假设包合物非常稠
密地散布在整片深海海床上。然而，随着我们对包合物化学和沉积学等知识进一步
的了解，发现水合物只会在某个狭窄范围内（大陆棚）的深度下形成，以及某些地
点的深度范围内才会存在（10-30%部分的 GHSZ 区），而且通常是在低浓度（体积
$ D4 L2 f) t2 Z, S8 `的0.9-1.5%）的地点。最新的估计强制采用直接取样的方式，指出全球含量介于
1×1015 和 5×1015 m3 之间。这个预估结果，对应出大约 500 至 2500 个十
7 b. i, `- c) J1 A亿吨单位的碳 (Gt C)，比预估所有矿物燃料的 5000 Gt C 数量还少，但整体上却
/ G4 W( A  [9 v超过所预估其他天然气来源的约 230 Gt C。在北极圈的永冻地带，其储藏
量预估可达约 400 Gt C，但在南极区域并未估出可能的蕴藏量。这些是很大
的数字。相较于大气中的总碳数也才大约 700 个 Gt C。

' o1 x1 H- R0 t' B这些近代的估计结果，与当初人们以为包合物为矿物燃料来源时（MacDonald
2 h8 y+ r) `, ]. K" y# |* q3 {; ]1990, Kvenvolden 1998）所提出的 10,000 to 11,000 Gt C （2×1016 m3），数
) A3 P) t, D& E3 r* |量上明显的要少。包合物藏量的缩减，并未使其失去经济价值，但缩减的整体含量
# D5 I/ R5 O* x$ |) V1 A% b% S和多数产地明显过低的采集密度，的确指出仅限某些地区的包合物矿床才能提
- D/ j2 \4 t. ]0 t/ c& S' _供经济上的实质价值。
9 p# R! ?- Q( F( q- O" G4 e2 e, v3 d8 Q
大陆生成

- y- T- U9 a, o3 d在大陆岩石内的甲烷包合物会受限在深度 800 m 以上的砂岩或粉沙岩岩床中。采
样结果指出，这些包合物以热力或微生物分解气体的混合方式形成，其中较重的碳
氢化合物之后才会选择性地被分解。这类的型态存在于阿拉斯加和西伯利亚。
( r' W9 k1 Y! x0 Y3 d
商业用途

沉淀物生成的甲烷水合物含量可能还包含了 2 至 10 倍的目前已知的传统天然气
量。这代表它是未来很有潜力的重要矿物燃料来源。然而，在大多数的矿床地点很
! `: p/ j! F) p: {7 A+ W. z可能都过于分散而不利于经济开采。  另外面临经济开采的问题还有：侦测可采
% J0 T7 O8 c5 ~行的储藏区、以及从水合物矿床开采甲烷气体的技术开发。在日本，已进行一项研
" g; t( B0 K4 _/ o  z发计划，预计要在2016年进行商业规模的开采。2006 年八月，中国大陆宣布
2 K4 Z$ ^" h/ u7 X8 \/ B' B* f2 y计划，耗资 8000 万元（1000 万美元）在未来的十年内研究天然气水化合物
' u+ v; O4 F; M* Y7 b3 Q- S。而另一个富潜力的经济储藏区于墨西哥湾，可能更包含了大约 1010 m3 的甲烷
% w' }/ F/ D, r: @  U! _" }, w# K资源。
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甲烷包合物与气候变化

- p* W$ [# b/ f2 Q" V% Q- U/ \甲烷是一种很强的温室气体，尽管它在大气中的生命周期大约 12 年，但 20 年后
所产生全球暖化潜势（Global Warming Potential; GWP）值可达 62 甚至 100 年
后仍有 21 的数值（IPCC, 1996; Berner and Berner, 1996; vanLoon and
) \4 V# z* Q8 `; a  i6 EDuffy, 2000）。在甲烷包合物矿床内，大量的天然气从中瞬间释放的现象，有科
学家们假设这会导致像过去和未来可能发生的气候变化。与此现象相关的事件有二
叠纪／三叠纪灭绝事件（Permian-Triassic extinction event），以及古／始新
2 J4 l  U! N0 I世极暖时期（Paleocene-Eocene Thermal Maximum）。
/ X8 _  p. d8 W9 c$ U  v0 u: U  D
6 x& Z( j* w2 N天然气水合物 (NGH) 与 液化天然气 (LNG) 的运送方法
' [$ ?7 K( L8 O' O1 ]6 [  @7 d
由于甲烷包合物比液化天然气还能够在较高的温度下（-20 vs -162 °C）保持稳
定，因此有些人想到，也许借由航运船只（专门运送的液态瓦斯运输船）运送时，
可以将天然气转换成包合物态而不是液态。而且依此方式，由天然气制造天然气水
2 i2 E/ b7 [* x" _# X合物并不用像制造液态天然气那样需要在末端建置大型工厂。

leba1995

都开发出来了，产生的温室气体怎么办？地球要变成金星了。

yeniu1

不管烧煤烧油烧气还是别的生物燃料，二氧化碳排放是少不了的。风能太阳能等暂时还替代不了这些。要是因为能源供应不够，出现问题的话，比如说停个电、涨个油价啥的，也不知道得有多少人骂街呢。想解决温室气体，绿化环境吧。

guomw

想解决环境问题靠太阳能发电现在还不是有效途径啊。制造太阳能发电设备消耗大量能源。

superbar

含氢多的燃料是发展趋势，能有效减少碳排放。