1.可燃冰是什么？

可燃冰，又稱天然氣水合物(Gas drates)，也有稱甲烷水合物(Methane hydrate)，是類似于冰的天然氣和水的組合體，在自然界中天然形成的，數(shù)量巨大。一個(gè)可燃冰分子中，其水大約占85%，水分子與甲烷形成結(jié)晶的晶體，這種晶體穩(wěn)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。在甲烷型可燃冰中，為了保存穩(wěn)定，這些空腔至少有70%是由甲烷分子所充填。實(shí)際上，這個(gè)充填率通常高達(dá)95%以上。

(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)

(from FrozenHeart)

在海底或者極地地區(qū)之下沉積物中發(fā)現(xiàn)的甲烷型天然氣水合物在高壓和低溫下是穩(wěn)定的。幾乎沒(méi)有人看到過(guò)固體天然氣水合物。不僅是它們位于氣候惡劣且人通常難以到達(dá)的極地地區(qū)，而且還由于它們被取出到地表后很快就融化分解了，分解成液態(tài)水和氣態(tài)甲烷。

(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)

下面貼出幾張國(guó)外發(fā)布的相關(guān)幾張圖片，以便大家對(duì)可燃冰世界研究與發(fā)展進(jìn)展有個(gè)印象，隨后進(jìn)行相關(guān)報(bào)道。

永久凍土帶中天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)(Source: Courtesy SEG)

海洋中天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)

目前已知的世界可燃冰分布區(qū)

全球可燃冰資源及其分布情況(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(qū)進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)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(gè)冬季MH21測(cè)試情況。這次測(cè)試中，MH21井連續(xù)生產(chǎn)5.5天，累計(jì)生產(chǎn)13000立方米，比2007年第一個(gè)冬季陸上生產(chǎn)測(cè)試獲得470立方米要多的多。

國(guó)外海上測(cè)試情況(from Frozen Heart)

2.可燃冰是怎么形成的？

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，以后沒(méi)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(guò)埋藏在沉積物中有機(jī)碳分解而產(chǎn)生的，這些甲烷會(huì)向上運(yùn)移。在合適的條件下，這些甲烷與水結(jié)合，就會(huì)形成天然氣水合物。

在天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)(Gas Hydrate Stablity Zone，簡(jiǎn)寫(xiě)GHSZ)，天然氣水合物可以自然形成，在那個(gè)埋深下，壓力和溫度條件都是適合天然氣水合物形成的。準(zhǔn)確的GHSZ在什么地方以及其分布范圍則取決于當(dāng)?shù)氐臈l件。

在北極地區(qū)，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(xiàn)在永久凍土帶的中部區(qū)域。在相對(duì)厚的永久凍土帶地區(qū)，GHSZ常?？梢匝诱沟接谰脙鐾翈Щ滓韵?00米以上(圖1)。

圖1 永久凍土帶—永久凍土帶背景下天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)(GHSZ)。壓力-溫度相邊界(理想化的)以綠色曲線顯示，當(dāng)?shù)氐販靥荻?假設(shè)的)是以紅色表示的。在永久凍土帶，GHSZ一般在埋深100到300米開(kāi)始，可以延展到永久凍土帶以下數(shù)百米深(典型的在150到600米深)。來(lái)源：Courtesy SEG。

圖2 海洋—在海洋沉積物中，GHSZ開(kāi)始在300到600米以下，可以延展到數(shù)百米厚。海洋的GHSZ厚度取決于海底水溫(典型的是3～4℃)、鹽度、地溫梯度和深度。來(lái)源：CourtesySEG。

在海洋或者內(nèi)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(xiàn)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(wěn)定要求的壓力與溫度的地方，才有可能出現(xiàn)天然氣水合物。如果僅壓力和溫度是覺(jué)得因素，那么整個(gè)海洋沉積物中將會(huì)隨處可見(jiàn)天然氣水合物。實(shí)際上，除了適當(dāng)?shù)膲毫εc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(shí)際上只出現(xiàn)在GHSZ(圖3)。

圖3 部分天然氣水合物研究區(qū)域。黃色方塊表示歷史上重大的天然氣水合物研究地點(diǎn)，這些地方在沉積物表面以下50米深度以上采集過(guò)天然氣水合物。根據(jù)遙感衛(wèi)星研究，已經(jīng)推測(cè)世界其它很多地方都存在天然氣水合物。盡管分布廣泛，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(lái)自于有機(jī)物質(zhì)的分解，死亡植物與動(dòng)物殘留物或者遺體。當(dāng)微生物消耗有機(jī)物質(zhì)時(shí)，同時(shí)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(chǎn)生的甲烷來(lái)自于地球表面以下很深的部位，那里壓力高，溫度也高，埋藏的有機(jī)物質(zhì)，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(gè)天然氣水合物顯橘紅色，主要是由于少量油的存在。這個(gè)天然氣水合物露頭有粉色的“甲烷冰蟲(chóng)”寄生。這些蟲(chóng)(1997年被發(fā)現(xiàn))一般2～4厘米長(zhǎng)，生活在水合物上面，以細(xì)菌為生 (Fisheret al., 2000)。

在淺層沉積物中，有機(jī)碳通過(guò)微生物分解，同時(shí)生成甲烷。當(dāng)埋深達(dá)到一定深度時(shí)，這些有機(jī)碳則通過(guò)熱分解產(chǎn)生甲烷(圖5)。有機(jī)碳本身既不是均勻分布，也不是一直分布在同一個(gè)地方。例如，在當(dāng)今，海洋沉積物中的有機(jī)碳大約有90%分布在靠近大陸的相對(duì)淺水的下面沉積物中(Hedgesand Keil 1995; Buffett and Archer 2004)。

圖5 沉積的有機(jī)物質(zhì)演化。沉積的有機(jī)物質(zhì)逐漸被微生物分解，也不斷地在熱力和壓力條件下進(jìn)行熱演化，或者埋藏更深，或者暴露地表進(jìn)行碳循環(huán)。微生物分解產(chǎn)生的甲烷(也稱為“生物成因”)和熱演化分解產(chǎn)生的甲烷，通過(guò)覆蓋的沉積物與流體一起緩慢地運(yùn)移，或者沿著斷層或其它滲透途徑快速運(yùn)移。隨著甲烷飽和度增加和溫度下降，過(guò)量的甲烷(達(dá)到飽和后無(wú)法溶解的甲烷)在天然氣水合物穩(wěn)定基底(BGHS)之下形成氣泡。在BGHS之上，過(guò)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(qǐng)關(guān)注后續(xù)報(bào)道：

可燃冰系列（2）——哪里可以找到可燃冰？

可燃冰系列（3）——人類何時(shí)、怎么發(fā)現(xiàn)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(kāi)采可燃冰的技術(shù)嗎？能夠經(jīng)濟(jì)開(kāi)采嗎？

可燃冰系列（8）——開(kāi)采可燃冰對(duì)環(huán)境有什么影響？

可燃冰系列（9）——我們真的需要開(kāi)采可燃冰嗎？

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(lái)展望

作者：震旦能源