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
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7 T0 g; W4 g7 m8 t甲烷气水包合物（Methane clathrate），也称作甲烷水合物、甲烷冰或可燃冰，
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
沉积物底下也含有大批的蕴藏量。
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! S# w, q  z/ b7 W# `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
+ l$ E7 w! b! [) g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
! P2 ]+ f. {& z( n，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。
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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
. N2 Y& R: h6 ~) q* o! s. }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
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
& W% f8 k1 d1 W( n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
力(STP)下）。

) [- C5 f' g$ i/ Z, Y- X& j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
3 b! p& Y; b6 K8 \8 \5 d# k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
. w: g0 }3 }- e4 \甲烷也有个别的峰值。

天然存量
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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
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
* [6 X" Q) G" s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
0 ]1 S1 H7 c9 y4 F/ I; u7 T能涵盖更大量的气态甲烷。
5 A) K8 x% S5 O8 o/ R3 h
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
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，
1 H! A: j# F% y6 V" r+ v5 x% x9 Q因为这些包合物与四周溶解的甲烷其 δ13C 值是相似的。

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
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
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
2 k3 K9 N3 F9 P; X' o 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
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。
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! q2 M; I* q* x( k" N/ H5 D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
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
* m" ]  S# ]1 X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。
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6 D# Y9 p% X6 Q' y& k: n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
: d5 _! A1 _) R% L& g  ?. T态。

! D8 o, u% d% d  J( l/ y0 L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
. v" \4 P* m3 w" q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
& l$ j7 [2 F/ Q$ f7 V; z* G 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
. n; h3 k% r) }* f% f" h: N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
9 G( I9 L# C' `" O" k; x3 ]7 M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‰），
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。
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) |" e. r8 E! F% y# D/ }- s3 }; X& v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”（
Bottom 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
: f, t& G+ k3 q$ ^/ Q7 w0 p出一般沉积物和那些蕴藏包合物沉积物之间的密度差异。
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0 q+ o# `+ }. L6 p( L6 b$ X蕴藏量

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
* _  K; f; \- e- U! B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
( ?+ n* ~1 W; c/ A( P) s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
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
8 S1 t  j* q0 K1×1015 和 5×1015 m3 之间。这个预估结果，对应出大约 500 至 2500 个十
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
8 u8 @4 n$ s- g) h. p) c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
  }6 ]5 S' h7 _7 t+ O% U2 g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
% j: R" }7 K8 w# s! v的数字。相较于大气中的总碳数也才大约 700 个 Gt C。
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. }: {5 e5 P* B; d9 Y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
, N! w) _# T7 k1990, Kvenvolden 1998）所提出的 10,000 to 11,000 Gt C （2×1016 m3），数
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
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
供经济上的实质价值。

6 d6 q( \, o& \大陆生成

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
2 b% b' X' I9 x+ U: @% i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。
3 u( ]3 z) g% i6 o, |: R
商业用途

$ C) R3 s1 V* n8 T1 o1 t) F) H# m0 R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
, }% i- G, ?7 d: w$ j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
+ Y! a2 Z$ ?8 B  n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
$ V" `7 Q+ u  h- z6 L* a& r3 G8 r7 f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
. i3 B; j8 A; f! M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
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
。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
( ]+ m8 v8 p0 e/ C5 _+ {; D" [资源。
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9 d& g0 J, b4 C! j& I甲烷包合物与气候变化
) y2 r/ H* o4 @& I
5 N( v5 b  m) I' H9 u3 i* p4 F: N- a$ O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
( W9 n3 p6 q' C% H6 r- E5 p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
Duffy, 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
- O: L! y% `" B& p4 Q$ H( t世极暖时期（Paleocene-Eocene Thermal Maximum）。

; p% [: |5 M0 b4 u天然气水合物 (NGH) 与 液化天然气 (LNG) 的运送方法
$ m4 R5 V1 |* @& @6 n
6 I7 q; Z* a& H! k+ G2 k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
. `. x5 a7 h* j; e% \7 E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。