可燃冰

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可燃冰
6 ^+ K  J; j  {1 U/ Y“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4·H2O)。它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿，而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中，厌气性细菌把有机质分解，最后形成石油和天然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中，在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有个特殊性能，它和水可以在温度2～5摄氏度内结晶，这个结晶就是“可燃冰”。

有天然气的地方不一定都有“可燃冰”，因为形成“可燃冰”除了压力主要还在于低温，所以一般在冰土带的地方较多。长期以来，有人认为我国的海域纬度较低，不可能存在“可燃冰”；而实际上我国东海、南海都具备生成条件。   
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东海底下有个东海盆地，面积达25万平方公里。经20年勘测，该盆地已获得1484亿立方米天然气探明加控制储量。尔后，中国工程院院士、海洋专家金翔龙带领的课题组根据天然气水化物存在的必备条件，在东海找出了“可燃冰”存在的温度和压力范围，并根据地温梯度、结合东海地质条件，勾画出“可燃冰”的分布区域，计算出它的稳定带的厚度，对资源量做了初步评估，得出“蕴藏量很可观”结论。这为周边地区在新世纪使用高效新能源开辟了更广阔的前景。
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1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。
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随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180亿吨，可满足美国105年的天然气消耗；日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。
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- A  D8 b% N1 F7 }据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照目前的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。可燃冰的发现，让陷入能源危机的人类看到新希望。
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3 i6 u8 b/ O/ F4 H. f. Z0 t重大战略意义下的联手勘测
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今年6月2日，26名中德科学家从香港登上德国科学考察船“太阳号”，开始了对南海42天的综合地质考察。通过海底电视观测和海底电视监测抓斗取样，首次发现了面积约430平方公里的巨型碳酸盐岩。
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; r8 w& B" {; H8 e  A0 V中德科学家一致建议，将该自生碳酸盐岩区中最典型的一个构造体命名为“九龙甲烷礁”。其中“龙”字代表了中国，“九”代表了多个研究团体的合作。同位素测年分析表明，“九龙甲烷礁”区域的碳酸盐结壳最早形成于大约4.5万年前，至今仍在释放甲烷气体。
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8 G* i4 B6 O: g9 n- D7 k# j. a中方首席科学家、广州海洋地质调查局总工程师黄永样对此极为兴奋，他说，探测证据表明：仅南海北部的可燃冰储量，就已达到我国陆上石油总量的一半左右；此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面积5242平方公里，其资源估算达4.1万亿立方米。

我国从1993年起成为纯石油进口国，预计到2010年，石油净进口量将增至约1亿吨，2020年将增至2亿吨左右。因此，查清可燃冰家底及开发可燃冰资源，对我国的后续能源供应和经济的可持续发展，战略意义重大。
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; ]; I( h: t! S( \  w9 {- \2 n黄永样介绍，在未来十年，我国将投入8.1亿元对这项新能源的资源量进行勘测，有望到2008年前后摸清可燃冰家底，2015年进行可燃冰试开采。
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: k9 O- h+ K- S战略性与危险性共同打造的“双刃剑”

迄今，世界上至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。
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" d) ^; x- X) E7 t/ F1960年，前苏联在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50.17亿立方米。

5 Q0 a1 W7 U  ?# T: _美国于1969年开始实施可燃冰调查。1998年，把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划，计划到2015年进行商业性试开采。

- ]8 @) z; J; ?( M! c日本关注可燃冰是在1992年，目前，已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价，钻探了7口探井，圈定了12块矿集区，并成功取得可燃冰样本。它的目标是在2010年进行商业性试开采。

但人类要开采埋藏于深海的可燃冰，尚面临着许多新问题。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10 20倍。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏。另外，陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。
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由此可见，可燃冰在作为未来新能源的同时，也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”，需要小心对待。
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“可燃冰”是深藏于海底的含甲烷的冰。它是由于处于深海之高压低温条件下，水分子通过氢键紧密缔合成三维网状体，能将海底沉积的古生物遗体所分解的甲烷等气体分子纳入网体中形成水合甲烷。这些水合甲烷就象一个个淡灰色的冰球，故称可燃冰。这些冰球一旦从海底升到海面就会砰然而逝。

" L) c1 R) @, |- n2 T可燃冰是一种潜在的能源，储量很大。据国际地质勘探组织估算，地球深海中水合甲烷的蕴藏量足以超过2.84×1021 m3，是常规气体能源储存量的1 000倍。且在这些可燃冰层下面还可能蕴藏着1.135×1020 m3的气体。有专家认为，水合甲烷一旦得到开采，将使人类的燃料使用史延长几个世纪。
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0 J. k0 Z* H; c0 b9 [为开发这种新能源，国际上成立了由19个国家参与的地层深处海洋地质取样研究联合机构，有50个科技人员驾驶着一艘装备有先进实验设施的轮船从美国东海岸出发进行海底可燃冰勘探。这艘可燃冰勘探专用轮船的7层船舱都装备着先进的实验设备，是当今世界上唯一的一艘能从深海下岩石中取样的轮船，船上装备有能用于研究沉积层学、古人种学、岩石学、地球化学、地球物理学等的实验设备。这艘专用轮船由得克萨斯州A•M大学主管，英、德、法、日、澳、美科学基金会及欧洲联合科学基金会为其提供经济援助。

6 D# u& P7 J3 E9 Q海底可燃冰的存在很可能使海床不稳定，常会导致大规模的海底泥流，对海底管道和通讯电缆有严重的破坏作用。更严重的是，如果地震中海底地层断裂，游离的气体和水合甲烷分解产生的气体就会喷出海面，或在海水表层及水面上形成许多高度集中的易燃气泡，这不仅会对过往行船有危险，也会给低空飞行的飞机带来厄运。有学者认为，近几个世纪，在位于佛罗里达、百慕大群岛和波多黎各之间的百慕大三角区海域发生过的许多船只和飞机神秘失踪事件，即所谓百慕大之谜就可能与此有关。

由于可燃冰是在深海处低温高压条件下形成的，氢键是一种弱作用，冰状的水合甲烷一出水面就会自动融化分解成气体，故我们没有必要在分解水合甲烷上费神，只要用专用设备将这些气体收集起来就可利用。

9 ~) O, I" C* D: ?4 _: y1 S值得注意的是，可燃冰作为一种新能源虽具有开发应用前景，但甲烷是一种高效的温室效应气体，可燃冰的开采如果方法不当，释放出的甲烷扩散到大气中，会增强地球的温室效应，导致地球上永久冻土和两极冰山融化而使地球变暧。安全合理地开发可燃冰，必须同时考虑环境保护。
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* I' P- {! s' d9 o2 d- p一种特别的物质被科学家发现，它存在于300―500米海洋深处的沉积物中和寒冷的高纬度地区，其储量是煤炭、石油和天然气总和的两倍，1立方米的它可释放出相当于天然气164倍的能量。在能源紧缺的现在发现它真可解燃眉之急。
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可燃冰有望取代煤、石油和天然气，成为21世纪的新能源。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%，相当于4000万平方公里，是迄今为止海底最具价值的矿产资源，足够人类使用1000年。但在繁复的可燃冰开采过程中，一旦出现任何差错，将引发严重的环境灾难，成为环保敌人—— 首先，收集海水中的气体是十分困难的，海底可燃冰属大面积分布，其分解出来的甲烷很难聚集在某一地区内收集，而且一离开海床便迅速分解，容易发生喷井意外。更重要的是，甲烷的温室效应比二氧化碳厉害10至20倍，若处理不当发生意外，分解出来的甲烷气体由海水释放到大气层，将使全球温室效应问题更趋严重。 此外，海底开采还可能会破坏地壳稳定平衡，造成大陆架边缘动荡而引发海底塌方，甚至导致大规模海啸，带来灾难性后果。目前已有证据显示，过去这类气体的大规模自然释放，在某种程度上导致了地球气候急剧变化。8000年前在北欧造成浩劫的大海啸，也极有可能是由于这种气体大量释放所致。

一、什么是“可燃冰”

' f  H# l# m" c! a这种看起来像冰霜的物质叫“可燃冰”，学名叫“天然气水合物”，因为主要成分是甲烷，因此也常称为“甲烷水合物”。在常温常压下它会分解成水与甲烷，“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。“可燃冰”外表上看它像冰霜，从微观上看其分子结构就像一个一个“笼子”，由若干水分子组成一个笼子，每个笼子里“关”一个气体分子。目前，可燃冰主要分布在东、西太平洋和大西洋西部边缘，是一种极具发展潜力的新能源，但由于开采困难，海底可燃冰至今仍原封不动地保存在海底和永久冻土层内。

二、“可燃冰”是如何形成的呢？
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可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时，较古老的海底地壳会下沉到地球内部，海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下，天然气与海水产生化学作用，就形成水合物。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%，相当于4000万平方公里，是迄今为止海底最具价值的矿产资源，足够人类使用1000年。
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+ R7 y+ N' J( ~; q; e- V$ t“可燃冰”的形成有三个基本条件：首先温度不能太高，在零度以上可以生成，0－10℃为宜，最高限是20℃左右，再高就分解了。第二压力要够，但也不能太大，零度时，30个大气压以上它就可能生成。第三，地底要有气源。因为，在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态，而海洋深层300－500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。因此，其分布的陆海比例为1∶100。

三、人类如何开采、利用“可燃冰”？

开采方案主要有三种。第一是热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。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。

" R' b+ M) k/ G- Z2 L方案二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。

方案三是“置换法”。研究证实，将CO2液化（实现起来很容易），注入1500米以下的洋面（不一定非要到海底），就会生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，于是就会沉入海底。如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层，因CO2较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。
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但如果“可燃冰”在开采中发生泄露，大量甲烷气体分解出来，经由海水进入大气层。甲烷的温室效应比CO2要大21倍，因此一旦这种泄露得不到控制，全球温室效应将迅速增大，大气升温后，海水温度也将随之升高、地层温度上升，这会造成海底的“可燃冰”的自动分解，引起恶性循环。因此，开采必须要受控，使释放出的甲烷气体都能被有效收集起来。
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9 H5 }9 E6 f& K2 d海底可燃冰的开采涉及复杂的技术问题，所以目前仍在发展阶段，估计需要10至30年的时间才能投入商业开采。其实，中国、美国、加拿大、印度、韩国、挪威和日本已开始各自的可燃冰研究计划，其中日本建成7口探井，期望在2010年投入商业开采，美国近年也急起直追，希望在2015年在海床或永久冻土带进行商业开采。

8 x6 }6 Q9 B7 B" L* {5 O可见，“可燃冰”带给人类的不仅是新的希望，同样也有新的困难，只有合理的、科学的开发和利用，“可燃冰”才会真正的为人类造福。
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# ]  V# I9 l( @6 v" A4 m  N* ]8 D“冰”怎么会“可燃”？即使是二氧化碳在超低温状态下形成的“干冰”也不可燃。但确有“可燃冰”存在，它是甲烷类天然气被包进水分子中，在海底低温与压力下形成的一种类似冰的透明结晶。据专家介绍，1立方米“可燃冰”释放出的能量相当于164立方米的天然气。目前国际科技界公认的全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总和的2～3倍。美国和日本最早在各自海域发现了它。我国近年来也开始对其进行研究。

“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4•H2O)。它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿，而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中，厌气性细菌把有机质分解，最后形成石油和天然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中，在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有个特殊性能，它和水可以在温度2～5摄氏度内结晶，这个结晶就是“可燃冰”。
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* K- i, k: r& P+ g4 w有天然气的地方不一定都有“可燃冰”，因为形成“可燃冰”除了压力主要还在于低温，所以一般在冰土带的地方较多。长期以来，有人认为我国的海域纬度较低，不可能存在“可燃冰”；而实际上我国东海、南海都具备生成条件。   
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东海底下有个东海盆地，面积达25万平方公里。经20年勘测，该盆地已获得1484亿立方米天然气探明加控制储量。尔后，中国工程院院士、海洋专家金翔龙带领的课题组根据天然气水化物存在的必备条件，在东海找出了“可燃冰”存在的温度和压力范围，并根据地温梯度、结合东海地质条件，勾画出“可燃冰”的分布区域，计算出它的稳定带的厚度，对资源量做了初步评估，得出“蕴藏量很可观”结论。这为周边地区在新世纪使

历时9年，累计投入5亿元，中国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

8 ~" h+ f/ ^. d& g8 D% d　　中国地质调查局副局长张洪涛5日在国土资源部于此间举行的新闻发布会上说，5月1日凌晨在南海北部的首次采样成功，证实了南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平一举步入世界先进行列。
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# ^+ s3 `0 t" Q7 p　　据初步预测，南海北部陆坡天然气水合物远景资源量可达上百亿吨油当量。张洪涛说，中国在南海发现天然气水合物的神狐海域，成为世界上第24个采到天然气水合物实物样品的地区。
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　　本钻探航次由中国地质调查局统一组织，广州海洋地质调查局具体实施，首次实施钻探航次即获成功。

8 r5 v& r, \/ V( H　　据介绍，天然气水合物样品在第一、第四个站位获得。第一个站位获取的样品取自海底以下183至201米，水深1245米，水合物丰度约20%，含水合物沉积层厚度18米，气体中甲烷含量99.7%。第四个站位取自海底以下191至225米，水深1230米，水合物丰度20%至43%，含水合物沉积层厚度达34米，气体中甲烷含量99.8%。

0 ~, x# [* @; ]( r　　在获取海底多段沉积物岩芯之后，现场对岩芯进行X-射线影像、红外扫描等18项测试分析，确认多个层段含有均匀分布状和分散浸染状天然气水合物。迅速剖开岩芯，因释压、升温影响，样品大部分迅速分解气化，但在沉积物新鲜切面仍清晰可见细小斑点状天然气水合物的白色晶体。将保压岩芯样品放入水中，涌出大量气泡。将释放的气体直接点燃，火苗旺盛。
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8 z% w0 m6 {+ |　　天然气水合物存在于海底或陆地冻土带内，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态化合物。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃，因此，又被形象地称为“可燃冰”。1立方米天然气水合物可以释放出164立方米的天然气。
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　　据估算，世界上天然气水合物所含的有机碳总量相当于全球已知煤、石油和天然气的2倍。国际科学界预测，它是石油、天然气之后最佳的替代能源，一些发达国家将利用该能源的时间表定在2015年。
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