可燃冰---未来新能源

　　多万方的世界纪录。同时，开采过程中，海水及周边大气等甲烷浓度无异常，环境无污染，为可燃冰产产业化发展奠定了坚实的基础。下面简单介绍一下可燃冰的情况。

　　一、什么是可燃冰？

　　在低温高压条件下由天然气(主要为甲烷)与水形成的类冰状的结晶物质( Dillon W. P. et al.,1980；Sloan E.D.,2003)，因外观像冰，遇火燃烧，所以称之为"可燃冰"(图1)。2001年青岛海洋地质研究所建成我国第一个拥有自主知识产权的可燃冰模拟实验室(业渝光等，2001；2003)。

　　图1 实验室合成的可燃冰和海底之下天然的可燃冰

　　可燃冰的颜色多种多样，但以白色为主。如果可燃冰中除了甲烷以外还含有较多的乙烷、丙烷等大分子量的气体，那么可燃冰的颜色就可能像墨西哥湾海底的棕黄色可燃冰(Sassen R.etal.,1994) (图2)。可燃冰不仅颜色不同，而且形态各异。例如，我国在珠江口盆地东部海域的可燃冰就有5种形态：块状、薄层状、结核状、脉状以及分散状(张光学等，2014) (图3)。而在我国祁连山冻土区，可燃冰的形态呈白砂糖状(祝有海等，2009)。

　　图2 美国墨西哥湾海底出露的棕黄色可燃冰(Sassen R.et al.,1994)

　　图3 珠江口盆地东部海域可燃冰的5种形态(据张光学等，2014)

　　1、2：块状；3、4：薄层状；5、6：结核状；7：脉状；8：分散状

　　二、可燃冰是怎样发现的？

　　事实上，早在1934年，前苏联就在被堵塞的天然气输气管道里发现了可燃冰 (图4)。1965年，前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现可燃冰矿藏。1970年，前苏联开始对该可燃冰矿床进行商业开采。1970年，国际深海钻探计划（DSDP）在美国东部海域实施钻探，取心过程中发现冰冷的沉积物岩心嘶嘶冒着气泡达数小时(Claypool G.E.et al.,1973)。当时的海洋地质学家尚不知这些气泡是何物。1974年，美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中再次发现海洋可燃冰，并正式命名为“天然气水合物”(Stoll R E.,1974)(Gas Hydrate)。

　　图4 西西伯利亚输气管道中的可燃冰(Hammerschmidt E. G.,1934)

　　三、什么地方可以找到可燃冰？

　　可燃冰的形成与分布需要满足4个条件：1.温度低，低于10℃；2.压力高，大于50个大气压；3.天然气供给充足；4.储集空间大。

　　上述条件决定了可燃冰在全球只能分布在以下两类地区(史斗等，1999)：一类地区是水深在500 m以上的深海，在这里，可燃冰在低温高压条件下赋存在海底以下0～700米的松散沉积层中；另一类是冻土区(主要是两极冻土区)。目前，全球共发现234处可燃冰产地，49处获得了可燃冰样品(据Kvenvolden等修改，1988；1993)。例如：日本南海海槽、中国神狐海域、加拿大马利克冻土区、中国祁连山冻土区等(图5)。

　　图5 全球海域和冻土带可燃冰分布图(据Kvenvolden等修改，1988；1993)

　　(一)有可燃冰的深海可能会有哪些特征？

　　1．火焰状羽状流(Flare-like Plumes)

　　如果深海海底有可燃冰，那么，使用一种称之为多波束的测量仪器可以看见海底面之上会出现一种像火焰一样的气泡羽状流(图6-图7)，气泡羽状流是海底冷泉存在的一种表现(据Ruppel，2012)。羽状流高度从几米到上千米都有。例如，俄罗斯黑海羽状流高度可达1300m，科学家解释说，这是由于气泡表面有一层可燃冰的保护壳所致(J.Greinert et al.,2006)。

　　图6 挪威斯瓦尔巴特群岛西部海域海底甲烷羽状流(据Ruppel，2012)

　　图7黑海海底面之上的羽状流 (J.Greinert et al.,2006)

　　2．特殊生物

　　如果深海海底有可燃冰，那么，利用海底摄像、水下机器人等设备就有可能在海底看见一些特殊的生物，例如：管状蠕虫、贻贝、菌席等(图8-图9)。我国南海海域也发现了上述特殊生物，它们的出现往往表明该区有可能存在可燃冰。

　　图8 存在可燃冰的海底表面的特殊生物(转引自魏合龙等，2015)

　　图9 存在可燃冰的海底表面的管状蠕虫、贻贝及菌席(转引自孙治雷，2017，科普讲座多媒体)

　　3．海底甲烷渗漏

　　如果深海海底有可燃冰，那么，利用水下机器人或其他调查设备就有可能在海底探查到气体渗漏现象。渗漏气体很可能来自海底之下的可燃冰分解，气体成分主要为甲烷(图10-图11)。海底渗漏区通常与管状蠕虫、贻贝、菌席等特殊生物相伴。

　　图10 印度洋巴基斯坦海域海底甲烷气泡及其海底之下可燃冰样品(Bohrmann,G.,2007)

　　图11 巴伦支海海底可燃冰分解后甲烷喷发到海底的情景(Sauter et al., 2006)

　　4．海底麻坑和泥火山

　　如果深海海底有可燃冰，那么，利用多波束或其他调查设备就有可能看见海底麻坑和泥火山(图12)。海底麻坑的直径在几米～几百米之间，甚至更大。海底泥火山通常高出周围海底几米～几十米，甚至更高。麻坑和泥火山是海底可燃冰存在的一种间接标志(Krastel et al.,2003；蔡峰等，2011；Ryo Matsumoto,2017)。甚至有专家认为，麻坑是海底可燃冰分解的气体向上喷发造成的(Nakajima et al.,2014)。

　　图12 日本海东缘的麻坑地貌及附近海底之下可燃冰岩心照片(据Ryo Matsumoto,2017)

　　(二)有可燃冰的冻土区可能会有哪些特征？

　　1．气体渗漏

　　 2004年，青海省105地质队在祁连山钻探的33孔发现了甲烷气，到2005年，该孔仍然有甲烷气渗漏并且可以点燃(据祝有海等，2006) (图13)，说明该区天然气充足，再加之该区年平均气温在-2℃，有利于形成可燃冰。2008年中国地质调查局在祁连山冻土带发现了可燃冰。

　　图13 祁连山木里煤田33孔天然气渗漏燃烧(据祝有海等，2006)

　　四、为什么要研究可燃冰？

　　1．可燃冰资源量巨大

　　可燃冰蕴藏的天然气资源潜力巨大。据估算，世界上可燃冰中碳的总量是地球上煤、石油、天然气等化石燃料中碳总量的两倍(Kvenvolden et al.，1988)。例如，日本发现的可燃冰推测可供其使用100年，而中国发现的可燃冰推测可供其使用200年(CCTV-1，2017)。不仅如此，可燃冰还具有能量密度高的特点，例如，1m³可燃冰可以分解出150～164m³的天然气(Sloan，1998)，因此，可燃冰被称为21世纪的替代能源是当之无愧的(图14)。

　　图14 可燃冰储量大能量密度高(Sloan，1998)

　　2．可燃冰分解可能造成全球气候变化引发海底地质灾害

　　CH₄的温室效应为CO₂的20多倍，可燃冰中的甲烷大量释放到大气中，将对全球气候造成严重后果，同时可能会引发海底地质灾害,例如：海底滑坡(Kvenvolden,1999;Boswel,2012)海底滑坡会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施构成危害。另外，一旦可燃冰分解出的大量甲烷气体进入海水造成缺氧环境，会引起海洋生物的大量死亡，甚至灭绝(图15)。

　　图15 可燃冰分解可能造成全球气候变化引发海底地质灾害

　　(Kvenvolden，1999；Boswel,2012)

　　五、我国哪里蕴藏有可燃冰？

　　我国蕴藏有可燃冰的地方既有广袤的海洋也有寒冷的陆地。他们分别位于我国的南海、东海、青藏高原等。

　　1．海域可燃冰

　　我国东海和南海均具有可燃冰赋存的良好条件，其中，南海可燃冰试采已获重大突破，创造多个世界纪录。下面简单介绍一下有关南海可燃冰3次重要的调查钻探航次情况。

　　1) 2004年东沙中德合作调查

　　　　2004年中国地质调查局与德国基尔大学Leibniz海洋研究所签订了中德合作项目(图16)，采用海底电视观测(OFOS)、电视抓斗、电视多管取样等手段，旨在探测海底冷泉和浅表层可燃冰可能赋存的位置并采集可燃冰。此次合作调查虽然未能采集到可燃冰，但却发现了430km²的碳酸盐岩结壳(黄永样等，2008)(图17)，专家认为，这些碳酸盐岩结壳很可能是可燃冰分解形成的(邬黛黛等，2009)。

　　图16 2004年东沙中德合作调查人员合影

　　图17 中德合作南海72站位的碳酸盐结壳

　　2) 2007年神狐首次钻获可燃冰实物样品

　　2007年中国地质调查局在南海神狐海域钻探了8个钻孔，其中，3个钻孔发现了可燃冰(据张光学,2009)。这是中国海域首次钻获可燃冰实物样品。可燃冰呈细小的砂糖状，点火燃烧(图18-图19)。分析认为，可燃冰中的甲烷气体很可能既有生物成因气也有热解成因气(吴能友等，2007；龚建明等，2009)。

　　图18 2007年南海神狐海域水合物钻井位置图(据张光学,2009)

　　图19 2007年神狐首次钻获天然气水合物实物样品(据张海啟，2008)

　　3)2013年珠江口东部海域可燃冰获得重大突破

　　2013年中国地质调查局在珠江口盆地东部海域钻探了13个钻孔，5个钻孔发现了可燃冰。其中，8号钻孔发现了晶莹剔透的白色块状可燃冰(据张光学，2014)，这是中国海域可燃冰获得的重大突破，掀开了可燃冰的神秘面纱(图20-图22)。

　　图20 2013年珠江口盆地东部海域可燃冰钻探位置

　　图21 珠江口外8号站位的块状可燃冰(据张光学，2014)

　　图22 心花怒放喜笑颜开

　　4)2017年神狐海域可燃冰试采创世界纪录

　　2017年中国地质调查局在神狐海域实现连续试采60天，总产量超30万方的世界纪录(图23)。在多项理论和技术方面获得了突破，为可燃冰的商业开采奠定了坚实的基础。

　　图23 神狐海域可燃冰试采创多项世界纪录(据CCTV-1，2017)

　　2．陆域冻土区可燃冰

　　我国拥有215万km²的冻土区，其中，东北有38.2万km²，青藏高原有150万km²(周幼吾等，2000)(图24)。目前只在青藏高原东北部的祁连山木里镇发现了可燃冰。木里镇距离西宁450km，平均海拔 4200m，年平均气温为-1.5℃～-2.4℃，冻土层厚度50～139m。2008年，祁连山木里钻获可燃冰(图25-图26)。

　　图24 中国冻土区及可燃冰找矿远景预测图(周幼吾等,2000；祝有海等，2011)

　　图25 木里钻井现场可见远处的雪山与近处的草甸

　　图26 2008年祁连山冻土区木里首次发现可燃冰(祝有海等，2009)

　　六、可燃冰的未来

　　可燃冰的未来应该是在确保环境不受破坏的条件下早日实现商业开发。目前，可燃冰开发的方式主要有4种：热激活法、降压法、化学试剂法以及CO₂置换法(Sloan et al.,1998; Stevens et al.,2008；吴传芝等，2016)(图27-图28)。全球只有中国、日本、美国、加拿大4个国家开展了可燃冰的开采(图29)。其中，2002年，加拿大在北极冻土区采用注热法5天产气470方(Hancock S. H.，2005)，2008年采用降压法6天产气1.3万方。2012年，美国康菲公司和美国能源部在阿拉斯加北部陆坡首次开展了CO₂置换试验，30天产气2.8万方。2013年，日本首次进行了海域可燃冰试采，采用降压法6天产气12万方，因出砂停止。2017年进行了海域可燃冰二次试采，采用降压法36天产气23.5万方(据张炜，2017)(图30)。2017年，中国在南海神狐海域进行了可燃冰的试采，采用降压法60天持续产气30多万方，创多项世界纪录(中国地质调查成果快讯，2017)(图31)。

　　图27 可燃冰开采的3种常用方法(Sloan et al.,1998; Stevens et al.,2008；吴传芝等，2016)

　　图28 可燃冰开采的CO2置换法

　　图29 全球4个国家中国、日本、美国、加拿大开展了可燃冰的开采

　　图30 日本2013年和2017年进行了2次可燃冰试采(据张炜，2017)

　　图31 2017年中国在神狐海域可燃冰试采创多项世界纪录(据CCTV-1，2017)

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