南海天然气水合物调查技术研究

天然气水合物又称可燃冰，是在一定条件下由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。它广泛存在于地球上(在海底储量丰富)，海底以下0到1500米深的大陆架或北极等地的永久冻土带都有可能存在，世界上有79个国家和地区都发现了天然气水合物气藏。据估算，世界上可燃冰总资源量相当于全球已知煤、石油、天然气的2倍，可满足人类千年的能源需求。它还是一种清洁能源，燃烧几乎不会产生有害的污染物质。 从能源的角度看，"可燃冰"可视为被高度压缩的天然气资源，每立方米释放的能量相当于160-180立方米天然气释放的能量。 参考: magazine.sina/xinminweekly/396/2006-09-18/055819713.s

天然气水合物因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称做“可燃冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用Mu2022nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

可燃冰是一种天然气水合物，其中的主要化学成分是水和甲烷。天然气水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate）即可燃冰，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”（Combustible ice）、“固体瓦斯”和“气冰”。天然气水合物分布于深海或陆域永久冻土中，其燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水，污染远小于煤、石油等，且储量巨大，因此被国际公认为石油等的接替能源。可燃冰不是冰，而是一种自然存在的微观结构为笼型的化合物。可燃冰是其俗称，其外观结构看起来像冰，且遇火即可燃烧，因此，这种天然气水合物又被称为“固体瓦斯”或“气冰”。可燃冰组成结构：天然气水合物是一种白色固体物质，有强大的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。在高压状态下，甲烷气水包合物在18℃的温度下的结构依然可以稳定。一般的甲烷汽水化合物组成为1摩尔的甲烷及每575摩尔的水，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o．9克／立方厘米。一升的甲烷气水包合物固体，平均包含168升的甲烷气体。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)和六个十四面体（24个水分子）的水龙头结构。其水合值20可由MASNMR来求得。甲烷气水包合物频谱于275开尔文和31兆帕斯卡下记录，显示出每个笼形都反映出峰值，且气态的甲烷也有个别的峰值。

天然气水合物的形成有三个基本条件，缺一不可。据专家介绍，首先温度不能太高；第二压力要足够大，但不需太大；0℃时，30个大气压以上就可生成；第三，地底要有气源。天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。 一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），也称为可燃冰、甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物、“笼形包合物”（Clathrate），分子式为：CH4·nH2O，现已证实分子式为CH4·8H2O。。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”(英译为：Flammable ice）或者“固体瓦斯”和“气冰”。形成天然气水合物有三个基本条件：温度、压力和原材料。天然气水合物是一种白色固体物质，有极强的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃。可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。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）和六个十四面体（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。 甲烷气水包合物频谱于 275 K 和 3.1 MPa下记录，显示出每个笼形都反映出峰值，且气态的甲烷也有个别的峰值。

可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80% 99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。西方学者称其为“21世纪能源”或“未来能源”。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。相关信息：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。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。

南海。中国科学院海洋研究所17年9月22日发布消息，在中国科学院战略性先导科技专项“热带西太平洋关键区域海洋系统物质能量交换”支持下，科学家首次在我国南海海域发现裸露在海底的“可燃冰”。我国新一代远洋综合科考船“科学”号在执行中国科学院战略性先导科技专项“热带西太平洋关键区域海洋系统物质能量交换”的航次中。船上搭载的“发现”号遥控无人潜水器携带我国自主研发的拉曼光谱探针，在我国南海海域首次发现了裸露在海底的“可燃冰”，并证实其为天然气水合物。“可燃冰”的特性：天然气水合物俗称“可燃冰”，一般分布在深海沉积物或者大陆永久冻土中，而裸露在海底表面的天然气水合物则需要大量的深海冷泉流体作为气源，因此极难存在，在全球也鲜有报道，是研究天然气水合物形成、分解、成藏以及和海洋环境相互作用机制的极佳天然实验场。天然气属于新能源的一种，新能源指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

可燃冰是一种天然气水合物其中的主要化学成分水和甲烷，化学式为CH·nHO。可燃冰是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”、“固体瓦斯”和“汽冰”，化学式为CH4·nH2O。天然气水合物常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。由于分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高，而成为未来主要替代能源，受到世界各国政府和科学界的密切关注。可燃冰的产量：据粗略估算，在地壳浅部，可燃冰储层中所含的有机碳总量，大约是全球石油、天然气和煤等化石燃料含碳量的两倍。有专家认为，水合甲烷这种新型能源一旦得到开采，将使人类的燃料使用史延长几个世纪。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。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。

天然气水合物是一种白色固体物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。（1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于 300 米 以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态，其分布可以从海底到海底之下 1000 米 的范围以内，再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。　　从物理性质来看，天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱和水沉积物，这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。

天然气水合物是甲烷和水分子在深海低温和高压力条件下形成的冰状结晶体，也称为甲烷水合物，由于蕴藏在海底，也称为海底甲烷。天然气水合物含大量的甲烷而具有极强的燃烧力，可直接燃烧，所以又称“可燃冰”。天然气水合物的能量密度很高，1立方米天然气水合物在标准状态下可释放出164立方米甲烷，是其他非常规气源岩（诸如煤层气、黑色页岩）能量密度的10倍，为常规天然气能量密度的2～5倍，是一种优质、高效、洁净的能源。1964年俄罗斯西伯利亚的米索亚卡气田钻井过程中首次发现自然界中存在天然气水合物。专家认为，在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区，在世界大洋水域中约有90%的面积也属蕴藏天然气水合物的潜在区域。已发现的天然气水合物主要在北极地区的永冻层和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。美国地质调查局估计全世界天然气水合物的甲烷量达到20000万亿立方米。虽然不同研究机构对全世界天然气水合物储量的估计值还存在很大差别，但是，大多数人认为储存在天然气水合物中的碳至少有1×1013吨，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍，天然气水合物可能是21世纪的重要能源。目前对开采“可燃冰”尚没有可靠的方法，还处于研究、试验阶段。1968年美国开始执行深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP）。随着深水下海底取样技术的提高，天然气水合物的研究在加速。1998年4月，我国与美国国家科学基金会签署备忘录，加入大洋钻探计划。我国已经有一些研究单位承担天然气水合物资源评价、勘探开发技术等方面的研究项目，对天然气水合物进行系统研究。我国还在实验室内人工合成了天然气水合物，并成功点燃天然气水合物。在资源预测方面，也确定了东海、南海等海域存在“可燃冰”。我国也有专家预言，大规模开采天然气水合物中的甲烷，在21世纪将成为现实。还要说明，甲烷是一种“温室气体”，甲烷在大气层中的寿命约十年，一个甲烷分子的温室效应作用相当于32个二氧化碳分子。因此大规模开发天然气水合物，也可能加剧大气层的温室效应。

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。

近年来，天然气水合物的研究热点主要在天然气水合物的形成、分布和稳定性等关键问题上。决定天然气水合物形成和分布的地质控制因素包括温压稳定性条件、碳氢来源、储集岩和天然气的运移。图10-8 甲烷水合物形成的温度和压力模型一、温压稳定性条件天然气水合物形成需要一定的温度和压力。海洋中形成天然气水合物，通常要求水深在300～4000m，温度在2.5～25℃之间(Max et al.，1998)。根据Shipley等(1979)关于天然气水合物形成的温度-压力数学模型(图10-8)，当地层温度为5℃时，由甲烷气与3.5%盐度的海水形成天然气水合物的压力需达43atm以上(在同等温度条件下，由甲烷气和水或者由甲烷气和CO2混合气体形成水合物所要求的压力稍低一些)，相当于海底430m深度的压力。随着深度的增加，地层中的温度通常呈线形增加(3～10℃/100m)，而水合物的形成压力随温度增加呈对数增加，因而在大多数盆地中，压力增加远远不能满足这个要求。受自然界温度压力条件限制，天然气水合物只能赋存于高纬度常年冻土带及深海近海底的浅层沉积物中。在极地，水合物产生的上限深度大约为150m，在海洋环境中，要求水深超过300m;天然气水合物存在的下限受地温梯度限制，最大埋深大约为2000m(Kvenvolden，1993)。正常条件下，在海洋中表层水温接近0℃、水深为3000m的深水区，天然气水合物稳定带的厚度可达1000m左右;在表层水温接近4℃、水深为1000m的浅水区，天然气水合物稳定带的厚度约为400m。天然气水合物的分布深度和厚度与地温梯度密切相关，地温梯度大，天然气水合物的埋深相对较浅、厚度较薄;反之，地温梯度小，则天然气水合物的埋深和厚度都将增大。根据温度-深度模型，对辛普森角、普鲁德霍湾及梅索雅哈气田的天然气水合物深度进行了预测，辛普森角的地温梯度较大(4.2℃/100m)，形成的甲烷水合物带较薄，厚度大约为100m，埋深300～500m;普鲁德霍湾的平均地温梯度约1.8℃/100m，甲烷水合物的埋深为213～1067m;梅索雅哈气田的平均地温梯度为2.0℃/100m，实测的天然气水合物埋深为350～875m，比理论计算深度略浅。二、碳氢来源根据形成天然气水合物的碳氢气体来源，可将碳氢气体分为两大类:一类属生物化学成因，碳氢气体主要来自于其赋存的沉积围岩中，大部分海底天然气水合物的碳氢气体均属于此类;另一类是热解成因，碳氢气体来源于较深层位;介于两种成因之间的属混合成因。生物化学成因的碳氢气体，主要是通过厌氧菌在洋底消化有机碎屑而形成的。这种细菌以从河流和沼泽冲刷到海湾或洋底中的动、植物碎屑为营养，在其消化过程中，伴随着少量二氧化碳、硫化氢、丙烷和乙烷的形成，产生大量甲烷;这些气体向上迁移，并不断溶解于海底沉积物的间隙水中;当洋底温度和压力条件合适时，即达到一定的高压和低温时，天然气水合物就形成了。除了形成天然气水合物，在天然气水合物层之下，经常储集有大量的甲烷游离气体;生物化学成因的天然气水合物通常形成Ⅰ型结构天然气水合物。石油和天然气渗出源或地壳更深部向海底的气体释放，是热解成因碳氢气体的主要来源;这些气体除了少量的海底之下沉积层中就被捕获形成的天然气水合物之外，更多的是向温压条件适合形成天然气水合物的海底运移。这类碳氢气体的分子量比较大，可以形成较大的天然气水合物结构类型，如Ⅱ型结构天然气水合物，能够包含有甲烷和其他的碳氢物质。三、储集岩原地天然气水合物样品的物理性质变化很大(Sloanetal.，2008)。天然气水合物存在于:粗砂岩的孔隙中，细砂岩的团块中，固体充填裂缝中，由少数含有固体天然气水合物的沉积物组成的块状单元中。大多数天然气水合物的现场考察说明，天然气水合物的富集，取决于裂缝和(或)粗粒的沉积物分布，天然气水合物可以存在于裂缝充填物质中或弥散于富砂储集体的孔隙中(Collett，1993，2002，2009;Tsujietal.，2009)。Boswell等(2006)提出了资源金字塔模型(图10-9)，该模型由4种不同的天然气水合物带组成。在资源金字塔中，最有希望开发和利用的资源位于塔顶，而最难以开发动用的部分位于塔底。从上到下，依次为:①富砂储层;②富粘土的裂缝型储层;③大量的位于海底的天然气水合物地层;④弥散沉积于非渗透性粘土中的低浓度部分。上面的两个部分，由于能提供天然气水合物高浓度聚集所需的储集渗透性，最可能实现远景勘探和商业利用。图10-9 天然气水合物资源金字塔四、天然气的运移高丰度的天然气水合物分布须包含大量的天然气。多数情况下，天然气水合物稳定带内部生成的微生物气，并不能提供足够用于形成水合物聚集的天然气。此外，大多数的天然气水合物聚集存在的沉积物，并没有深埋或达到足够的温度，以形成热成因机制的天然气。因此，天然气的运移就成为形成水合物稳定带中天然气水合物聚集的重要因素。甲烷，包括其他的水合物气，有3种运移形式:①扩散作用;②运移水介质的溶解作用;③独立气相的浮力作用。扩散作用驱动的运移非常缓慢，大多不能运移足够的天然气，形成集中天然气水合物聚集(Xuetal.，1999)。以水溶气或独立气相进行的垂向运移，却是非常有效的。孔隙水流动和气泡相天然气在沉积物中都沿渗透性的通道运移，如断层系统、多孔易渗的沉积层等。因此，如果没有有效的运移路径，就不能形成大量的天然气水合物聚集。

近年来，天然气水合物的研究主要集中在天然气水合物形成、分布和稳定性关键问题上，决定天然气水合物形成和分布的地质控制因素包括：①温压稳定性；②气源；③水源；④天然气的运；⑤储集岩。(1)温压稳定性条件天然气水合物形成需要一定的温度和压力。海洋中形成天然气水合物，通常要求水深在300～4000m，温度在2.5～25℃之间(Max et al.，1998)。根据Shipley(1982)关于天然气水合物形成的温度-压力数学模型(图8.5)，当地温度为5℃时，由甲烷气3.5%盐度的海水形成天然气水合物的压力需达4.3GPa以上(在同等温度条件下，由甲烷气和水或者由甲烷气和CO2混合气体形成水合物所要求的压力稍低一些)，相当于海底430m深度的压力，随着深度增加，地层中的温度通常呈线性增加(3～10℃/100m)，而水合物的形成压力随温度增加呈对数增加，因而在大多数盆地中，压力增加远远不能满足这个要求。受自然界温度压力条件限制，天然气水合物只能赋存于高纬度常年冻土带、深海近海底的浅层沉积物中。图8.5 甲烷水合物形成的温度和压力模型(1atm＝105Pa)正常条件下，在海洋中表层水温接近0℃、水深为3000m的深水区，天然气水合物稳定带的厚度可达1000m左右；在表层水温接近4℃、水深为1000m的浅水区，天然气水合物稳定带的厚度约为400m。天然气水合物的分布深度和厚度与地温梯度密切相关，地温梯度大，天然气水合物埋深相埘较浅、厚度较薄；反之，地温梯度小，则天然气水合物埋深和厚度都将增大。根据温度-深度模型，对辛普森角、普鲁德霍湾及梅索雅哈气田的天然气水合物深度进行了预测，辛普森角的地温梯度较大(4.2℃/100m)，形成的甲烷水合物带较薄，厚度大约在100m左右，埋深300～500m；普鲁德霍湾的平均地温梯度约1.8℃/100m，甲烷水合物的埋深为213～1067m；梅索雅哈气田的平均地温梯度为2.0℃/100m，实测的天然气水合物埋深为350～875m，比理论计算深度略浅。众所周知，溶解了盐的水将降低凝固点。如阿拉斯加北坡含冰的冻土带底面温度并不是0℃，而是一个稍低的温度(Collett，1993)。当盐加入到天然气水合物系统中时，就会形成一个较低的温度。在天然气水合物形成的同时，孔隙水中的盐与天然气接触，每加入1‰的盐，结晶温度会降低0.06℃(Holder et al.，1987)。因此，类似于海水(32‰)的孔隙水的盐度，将使天然气水合物稳定性曲线向左偏移约2℃，天然气水合物稳定带厚度将降低。(2)气源气源岩可生成大量微生物成因和热分解成因的烃气，是决定天然气水合物形成和分布的重要控制因素(Collett，1993，2002；Kvenvojden，1993；Collett et al：.2009)。尽管碳同位素资料显示，很多大洋水合物中的甲烷是微生物成因，但实际水合物样品的分子和同位素地球化学分析却表明，来源于墨西哥湾、北阿拉斯加、Mackenzie三角洲、里海和黑海水合物中的天然气是热成因(Collett，1995，2002；Dallimore and Collett，2005)。评价一个给定的水合物系统中可能存在的天然气体积时，重要的一步是量化可能的气源(Collett，1995；Klauda and Sandler，2005；Frye，2008)。评价通常包括一系列的最低源岩标准值，不管是微生物成因还是热成因的源岩，如有机质丰度(总有机碳)、沉积物厚度和热成熟度。微生物成因的天然气是由微生物对有机质的分解作用形成，有2种来源：二氧化碳还原反应和发酵作用，其中二氧化碳还原反应生成的天然气是微生物气的主要来源。参与还原反应生成天然气的二氧化碳，主要是南有机质的氧化作用和脱羧作用形成，因此丰富的有机质对微生物的形成非常重要。Finley和Krason(1989)对Blake Ridge海洋沉积物的研究表明，当总有机碳(TOC)含量为1%时，如沉积物中所有有机质全部转化为甲烷，由此形成的水合物，可以占据孔隙度为50%沉积物中28%的孔隙空间。实际上，有机质100%转化为甲烷并不现实(Kvenvolclen and Claypool，1988)。USGS在1995年美国天然气水合物的资源评价中认为，微生物转化有机质的效率为50%(Collett，1995)，因此就设定了海洋环境中水合物形成需要的TOC最低含量为0.5%。由于多数水合物稳定带中，沉积物厚度较小且TOC含量较低，水合物稳定带内部通过微生物作用形成的甲烷，可能不足以形成厚层的水合物。Paull等(1994)研究表明，热成因气以及由深部向上运移的生物成因气，对于形成厚层水合物是必需的。一旦天然气水合物稳定带形成，来源于稳定带底部和深部的微生物气就可以聚集。图8.6 从新鲜沉积物到变质带有机质的演化热成因甲烷是在有机质热演化过程中生成的。在早成熟期间，热成因甲烷与其他烃类和非烃类气体一起生成，通常伴生有原油。在热演化程度最高时(图8.6)，干酪根、沥青和原油中的C-C键断裂，只有甲烷生成。成熟度随着温度升高而升高，每类烃都有最有利于其生成的热窗。甲烷主要是在150℃时生成(Tissot and Wejte，1978；Wiese and Kvenvolden，1993)。早期研究认为，天然气水合物中的甲烷主要来源于微生物源岩，资源评价过程中也就只关注微生物源岩。但最近在北阿拉斯加(Collett，2009)和加拿大(Dallimore and Collett，2005)的研究却表明，热成因源岩对于形成高丰度的天然气水合物聚集非常重要。(3)水源天然气水合物的形成显然需要大量的水。I型天然气水合物的理想气水比为8/46，而Ⅱ型天然气水合物的理想气水比为24/136。一般认为，海洋和陆地沉积物中的水非常丰富，但在一些特殊情况下，由于缺乏可利用的水也能阻止天然气水合物形成。深水环境中出气口等位置的气泡，可以通过厚层的天然气水合物稳定带，而不被捕获(Trahu et al.，2004)。气泡相天然气之所以能够穿越水合物稳定带，可能是因为起运移通道作朋的裂缝墙“镀”上了天然气水合物膜，气泡相天然气沿着水合物填充裂缝中的内部导管运移，并没有与自由水接触。在这个系统中，对水的排斥最终阻碍了天然气水合物的形成。北阿拉斯加的天然气水合物稳定带中就有含自由气的砂岩存在，即一个孤立的砂体在厚层泥岩地层中，被自由气充注而仅含有百分之几的束缚水(Collett，2004)。

(1)天然气水合物结构天然气水合物是由氢键笼立体叠置形成的晶体化合物(图8.2)。天然气水合物是笼状物，意味着主体的水分子有可容客体气体分子进入的架构空间。空的笼形架构是不稳定的，需要捕获气体分子以保持笼形晶体的稳定性。水合物紧凑的结构可使天然气高效叠置。标准温压条件下(1kPa，20℃)，1体积的天然气水合物可膨胀150～180倍。图8.2 天然气水合物晶体结构水合物可形成0.48～0.90nm大小的天然气分子赋存空间。存在3种不同的结构类型，一般地，结构的形成取决于最大客体分子的大小。甲烷和乙烷可单独形成sI水合物；丙烷和异丁烷可形成sⅡ水合物，它可单独或与乙烷和甲烷结合存在；仅当甲烷存在的情况下，正丁烷和新戊烷可形成sⅡ水合物，也可与较大的烃分子(C5-C9)形成结构H(sH)水合物。(2)物理性质和特征天然气水合物通常呈白色，外形如冰雪状。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构相似(图8.2)。在这种冰状结晶体中，碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下，通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。在自然界中，甲烷是最常见的客气体分子(Sloan，1990)。但天然气水合物也并非全部呈白色，可以有多种其他色彩。如从墨西哥湾海底获取的天然气水合物呈黄色、橙色、红色等，从大西洋海底布莱克-巴哈马高原取得的天然气水合物呈色。天然气水合物为什么会产生出这么多种颜色，至今还没有达成共识，但人们普遍认为天然气水合物的其他一些物质，如油类-细菌和矿物等，都可能对这些色彩的产生起关键作用。天然气水合物具有多孔性(图8.3)，硬度和剪切模量小于冰，密度与冰密度大致传导率和电阻率远小于冰；天然气水合物的物理性质见表8.1和表8.2。天然气水合物属于沉积矿产，主要发育于新生代，以上新世为主。沉积层构造可分状、透镜状一层状、斑状和角砾状(图8.4)。图8.3 含天然气水合物的钻孔岩心表8.1 天然气水合物的声学性质表8.2 甲烷天然气水合物和冰的性质图8.4 沉积物中天然气水合物(白色)天然气水合物形成时，其液流渗透到沉积物颗粒间隙和裂隙中可形成块状和脉状构造，前者表现为沉积物被天然气水合物均匀胶结，后者是天然气水合物呈网状、细脉状充填于沉积物或沉积岩的裂隙中。从围岩分离出来的含有气体的水溶液，沿沉积层层面发生迁移，其迁移前锋产生挥发作用，可形成透镜状—层状构造，在形态上表现为天然气水合物呈薄层或透镜体出现于沉积物或沉积岩基质中，相互之间大致平行排列并交替出现。如沉积物基质中大致均匀分布有近圆形或等轴型的天然气水合物浸染体，称之为斑状构造。这种天然气水合物常与透镜状—层状构造含天然气水合物的沉积物相伴出现；具角砾构造天然气水合物与构造破碎带有密切联系，显示这类天然气水合物曾遭到过构造破坏。

1.天然气水合物概念天然气水合物（Natural Gas Hydrate），是指由主体分子（水）和客体分子（甲烷、乙烷等烃类气体分子，及氮气、二氧化碳等非烃类气体分子）在低温（-10～28℃）、高压（1～9.0MPa）条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物。2.天然气水合物结构天然气水合物是由氢键水笼立体叠置形成的晶体化合物（图14-3）。天然气水合物是笼状物，意味着主体的水分子有可容客体气体分子进入的架构空间。空的笼形架构是不稳定的，需要捕获气体分子以保持笼形晶体的稳定性。水合物紧凑的结构可使天然气高效叠置。标准温压条件下（1kPa，20℃），1体积的天然气水合物可膨胀150～180倍。水合物可形成0.48～0.90nm 大小的天然气分子赋存空间。存在3种不同的结构类型，一般地，结构的形成取决于最大客体分子的大小。甲烷和乙烷可单独形成结构Ⅰ（sⅠ）水合物；丙烷和异丁烷可形成结构Ⅱ（sⅡ）水合物，它可单独或与乙烷和甲烷结合存在；仅当甲烷存在的情况下，正丁烷和新戊烷可形成sⅡ水合物，也可与较大的烃分子（C5—C9）形成结构H（sH）水合物。3.天然气水合物化学式天然气水合物分子式为MnH2O，其中M是以甲烷气体为主的气体分子，n为分子数。用水分子的平均空穴半径减去水分子范德华半径（1.45×10-10m）（表14-2），可以计算出客气体分子在每个空穴中可利用的最大空间半径。表14-3列举了各种客气体分子所对应的天然气水合物形成体的空穴大小比率；在不存在其他气体混合的条件下，处于较小空穴中的客气体分子同样也可以进入较大的空穴（“分子笼”）。如有少量其他类型的气体分子混入，则天然气水合物的结构就可能发生改变。Sloan（1990）预测，在甲烷中混入0.5%的丙烷，就足以导致天然气水合物从sⅠ型结构向sⅡ型结构转变。图14-3 天然气水合物晶体结构（据Collett et al.，2009）5种类型的水笼构成了天然气水合物的结构，包括五角十二面体、四型十二面体、六四面体、不规则十二面体和二十面体。目前已经观察到3种结构类型：结构Ⅰ、Ⅱ和H，图中列出了每个水合物结构中表示客体的天然气分子表14-2 天然气水合物的声学性质注：1ft＝0.3048m。

下列区域中，可能存在天然气水合物矿藏的是哪个区域？ A.海岸带B.大陆架(正确答案)C.海沟D.大洋盆地答案解析：天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。

可燃冰的主要成分是甲烷。可燃冰简介：因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，因而成为油气工业界长期研究热点。自上世纪60年代起，以美国、日本、德国、中国、韩国、印度为代表的一些国家都制订了天然气水合物勘探开发研究计划。迄今，人们已在近海海域与冻土区发现水合物矿点超过230处，涌现出一大批天然气水合物热点研究区。扩展资料：组成结构天然气水合物是一种白色固体物质，有强大的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，它是在一定条件下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃。参考资料：天然气水合物-百度百科

在天然气水合物中，水分子呈三维鸟笼状网形结构。甲烷等烃类分子被捕获到网状水分子间形成天然气水合物。天然气水合物的水分子与烃类分子之间无化合键或离子键链接，因此极易分离和溶解。在一定的温度和压力条件下(图7－13)，即在天然气水合物稳定带内(HSZ)，天然气水合物可以稳定存在，如果脱离HSZ天然气水合物就会发生分离和溶解。天然气水合物一般随沉积作用的发生而生成，随着沉积的进一步进行，稳定带基底处的天然气水合物由于等温线的持续变化而分离和溶解。孔隙中的水达到饱和后会产生游离气体，其向上运移到天然气水合物稳定带并重新生成天然气水合物。图7－13天然气水合物中压力－温度稳定关系典型图当天然气水合物在热刺激、减压或其他条件下可发生分解，产生气体和液体水(或冰)，它是天然气水合物生成的逆过程，即:非常规油气资源天然气水合物的分离和溶解涉及气相、液相和固相，是一种比融化和升华过程更复杂的过程。分离和溶解最初只发生在天然气水合物表面(图7－14)，随着表层分子逐渐发生分离和溶解，其内部结构开始变得不稳定，逐渐被破坏，每一层分子开始发生分离和溶解。图7－14天然气水合物分离和溶解示意图天然气水合物分离和溶解初期会在其表面形成薄薄的白冰，从而减缓天然气水合物的分离和溶解速度。当冰层达到一定厚度时，天然气水合物的进一步分离和溶解就会停止，这可以通过温度测量了解到。当压力降到大气压时，样品温度会有一个快速降低过程，直至达到最低值(一般经过2～3分钟)。随后，样品温度会增加到环境温度。产生这种现象的原因是由于天然气水合物的“自保性”和天然气水合物与冰有不同的热传导系数(天然气水合物的热传导系数比冰大)。降压后，对含砂天然气水合物进行温度测量，发现了另一温度变化特征，此时，天然气水合物的温度会持续降低，直到“自保性”出现。粗粒砂“自保性”出现较早，而细粒出现较晚一些。这些由于天然气水合物的含量及气体与天然气水合物的接触表面积不同所造成的。在天然气水合物分解过程中，砂逐渐进入冷冻状态。进入“自保性”状态天然气水合物的进一步分解，取决于下面这些因数:①空气湿度，空气湿度越大，冰在天然气水合物表面的分解升华速度就越慢，减缓天然气水合物的进一步分解;②天然气水合物的表面积，相等质量的水合物，面积越大，常压下分解越快;③光照，处在光照环境中的天然气水合物比处在阴暗环境中的天然气水合物的分解要快;④环境温度，环境温度与进入“自保性”的速度成正比;⑤天然气水合物矿体形状。形状不规则，有微裂纹等机械缺陷的矿体更容易形成“自保性”冰膜。

那叫水合物，水合物又称水化物，是天然气中某些组分于水分在一定温度、压力条件下形成的白色晶体，外观类似致密的冰雪，密度为0.88~0.90 g/cm3。研究表明，水合物是一种笼形晶体包络物，水分子借氢键结合形成笼形结晶，气体分子被包围在晶格之中。水合物有两种结构，低分子的气体的水合物为体心立方晶格，较大的气体分子则是类似于金刚石的晶体结构。化合物从其组成离子的水溶液中结晶出来时, 所得到的晶体往往是水合物(hydrate)。水合物化学式具有确定数目的水分子, 其结构大体可分为4类: 　　(1)全部H2O分子配位于金属阳离子。例如, 六水合物Co(ClO4)2616H2O中的6个H2O分子全部配位于Co2+离子, 可将其写成[Co(H2O)6](ClO4)2。　　(2)部分H2O分子配位于金属阳离子，部分H2O分子键合于酸根阴离子。例如CuSO4615H2O中的H2O分子。　　(3)H2O分子进入固体晶格的确定位置,不与特定的阳离子或阴离子键合。这种化合物中的水分子叫晶格水，例如BaCl2612H2O中的水分子。　　(4)一部分H2O分子与阳离子配位,另一部分则是晶格水。明矾KAl(SO4)26112H2O似乎具有这种结构。　　最后还应该提到水合包合物。它们应该归入水合物, 但却不是从其组成离子的水溶液中结晶出来的化合物。它们是H2O分子彼此间通过氢键形成笼, 将外来的电中性分子或离子包于笼内而得到的一类水合物。

可燃冰是一种天然气水合物，其中的主要化学成分是（） A.甲烷 B.天燃气 C.沼气 正确答案：A

可燃冰是海底一种今年发现的一种新型能源，只有在深海才有，在高压的情况下是固态存在，只要接触到空气就会自燃，这种物质被称为可燃冰

是的...而且只是因为物理形态发生变化了才是！

可燃冰实际上是由天然气和水这两种物质在低温高压条件下形成的类似冰状的固体物质，因其外貌极像冰雪，点火即燃，故称“可燃冰”。按其物质成分和结构特征来看，科学家们则称其为天然气水合物。天然气水合物的形成条件主要包括物源条件和温压条件。物源条件要求有大量的天然气(主要是甲烷气)和水，它们是可燃冰形成的物质基础，没有它们将是“无米之炊”；环境条件则要求低温和高压，一般需要低于10℃的温度和大于100个大气压的压力(水深1000米以下)，因为只有在这种低温和高压条件下，含有大量天然气的水溶液才能形成可燃冰，缺少这个条件“生米就不能煮成熟饭”。天然气水合物的生成过程实际上是水合物-溶液-气体三相平衡变化的过程，任何能影响相平衡的因素都能影响水合物的生成/分解过程，如温度升高或压力降低，水合物就分解成天然气和水，即由固相变为气相和液相。反之，天然气和水又可生成水合物，现在科学家们已经可以通过试验数据获得水合物稳定性的平衡温压曲线，并根据该曲线对比陆地或海底地层的实际温度和压力求出水合物形成带的厚度与深度，这个水合物形成带被称为“水合物稳定带”。理论上讲，在水合物稳定带内只要同时具有充足的天然气和水就可以形成天然气水合物。目前，地球上符合天然气水合物形成温压条件的地区主要在大陆边缘的海底(水深>300米)及陆地冻土区浅表地层(深度>几十米)。可燃冰的天然气来源有两类：一是生物化学成因气，它们是由微生物在地表较浅深度和较低温度下分解有机质而成的，这种成因的气体成分相对简单，主要由甲烷组成，仅含有少量的乙烷和丙烷，农村使用的沼气也属于生物化学成因的气体；二是热解成因气，它们是由较高温度(高于100℃)和较大深度下的有机质热分解而成的，成分较复杂，除了含有大量甲烷外，还含有较多的乙烷、丙烷等其它烃类气体。目前，世界上发现的天然气气藏绝大多数都是这种成因的天然气。另外，上述两种成因的气体有可能混合，或微生物对热解成因气再分解，形成所谓的混合成因气。水合物的形成主要有三种模式——低温冰冻模式、原地细菌生成模式和孔隙流体运移模式。低温冰冻模式：这种模式通常发生在陆地上的冻土地区，由地下已存在的天然气矿床或含有饱和天然气的水在上升过程中受到冰冻发生相变而堆积形成天然气水合物的方式。这种方式就像先在冰箱冷冻室放一瓶水，然后接通电源制冷，水自然会转变成冰。原地细菌生成模式：该模式主要发生在海底高沉积速率(高有机炭沉积)和微生物高生产率的地区，在水合物稳定带内微生物分解出的烃类气体就近形成水合物。孔隙流体运移模式：此模式主要发生在俯冲带和高沉积速率区，这些地区由于地壳构造压缩变形或有沉积物的侧向压实作用，导致沉积物中有大量流体排放，含有甲烷(可以是微生物成因，也可以是热解成因)的孔隙流体在向上运移，在水合物稳定带内形成水合物。全球244个“可燃冰”样品的分析数据显示，绝大多数海底“可燃冰”中的天然气以微生物气型为主，混合气型次之，热解气型较少，其成矿模式主要为原地细菌生成模式和孔隙流体运移模式；陆域冻土区水合物以混合气型、热解气型为主，微生物气型极少，其成矿模式主要为低温冰冻模式。

天然气水合物(NaturalGasHydrate，也称GasHydrate)，是一种笼形包合物(Clathrate);它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧，又被喻为“易燃冰”或“可燃冰”(图75.1)。水分子一般通过氢键合成多面体笼，笼中包含有客体的天然气分子(图75.2)。天然气水合物可用M·nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数(也就是水分子数)。组成水合物的气体成分主要有CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烃类同系物以及CO2、N2、H2S等非烃气体分子，可形成单种或多种气体水合物。图75.1 天然气水合物在燃烧图75.2 天然气水合物晶体结构模型在自然界中，甲烷是形成天然气水合物最常见的“客体”分子，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物(MethaneHydrate)。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。由于甲烷或其他碳氢气体分子遇火极易燃烧，而且在燃烧后几乎不产生任何残渣或废弃物。因此，天然气水合物被认为是未来非常理想的清洁燃料(能源)。天然气水合物结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构非常相似。在这种冰状的结晶体中，水分子(主体分子)形成一种空间点阵结构的多面体骨架，其中有空穴，气体分子(客体分子)则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢键结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力，两者在低温和一定压力下通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。纯的天然气水合物的外形如冰雪状，通常呈白色。在自然界中，天然气水合物并非都呈现为白色，而是可以有多种其他的色彩。一些从墨西哥湾海底获得的天然气水合物就具有黄色、橙色，甚至红色等多种很鲜艳的颜色，而从大西洋海底取得的天然气水合物则呈现为灰色或蓝色。其中一个主要的原因，是赋存于天然气水合物中的一些其他物质(如油类、细菌和矿物等)可能对这些色彩的产生起了关键作用。

(一)天然气水合物的矿体特征天然气水合物主要为烃类气体和其他气体与水分子组成，其外形如冰雪状。实验室人工合成的天然气水合物通常呈白色(图7－2)。但是天然形成的水合物并非全为白色，可以有多种色彩。一些从墨西哥湾海底获取的天然气水合物就具有黄色、橙色，甚至于红色等多种鲜艳的颜色，而大西洋海底布莱克—巴哈马海台取得的天然气水合物则呈现为灰色或蓝色。这是由于在天然气水合物中还赋存有一些其他物质(如细菌和矿物等)，这些物质对水合物呈现不同色彩起到了关键作用(金庆焕等，2006)。图7－2实验室人工合成的天然气水合物 (资源来源:中国数字科技馆)(二)天然气水合物的热物理学特征天然气水合物与冰之间、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性:①相同的组合状态的变化―流体转化为固体;②均属放热过程，并产生很大的热效应———0℃融冰时需用0.335kJ的热量，0～20℃分解天然气水合物时的热量为0.5～0.6kJ/g;③结冰或形成天然气水合物时水体积均增大———前者增大9%，后者增大26%～32%;④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或天然气水合物;⑤冰与天然气水合物的密度都不大于水，含天然气水合物层和冻结层密度都小于同类的水层;⑥含冰层与含天然气水合物层的电导率都小于含水层;⑦含冰层和含天然气水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。据估算，天然气水合物中水分子和气体分子的摩尔数分别占85%和15%，因此其密度和冰大致相等，但热导率和电阻率远小于冰且具有多孔性(表7－1)。表7－1天然气水合物和冰的物理性质表(据Sloan和Makagon，1997)天然气水合物及其充填的分散介质具有较冰更低的导热率和温度传导率，但却比水的导热率和温度传导率高。据此可以认为，热方法既可以用于陆上水合物气藏的普查和勘探，又可用于海洋沉积中气水合物气藏的普查和勘探。就物理性质而言，天然气水合物像冰，但它既可以存在于零摄氏度以下、又可以存在于零摄氏度以上温度环境中。天然气水合物具有比其他冷凝相(如液化气)气体低几十倍的气体平衡压力。当温度高于水合物生成物的临界值时，即在气体不能液化的条件下，天然气水合物可以生成(郭平等，2006)。

第一种天然气水合物形成模式（Collett et al.，2009）：天然气运移剖面中，溶有甲烷的水从水合物稳定带下面运移进入，随着甲烷从水中脱溶出来及沉积物孔隙中水合物的形成，甲烷相对富集。如图14-8所示，有3种天然气水合物聚集情况：①非常低的甲烷-水进入率，天然气水合物形成受到限制，形成丰度较低的水合物聚集；②相对较高的甲烷-水进入率，形成丰度较高、厚度较大的水合物聚集；③为②的继续演化，随着持续的水-气运移和沉积，水合物稳定带向上移动，原水合物稳定带靠下部分的水合物离解，溶解气向上再次进入新的水合物稳定带，形成天然气水合物。图14-8 以水溶气相运移的天然气水合物系统“甲烷浓度”中，虚线为甲烷溶解度曲线，实线为甲烷浓度曲线。BGHS—天然气水合物稳定带底部图14-9 以独立气泡相运移的天然气水合物系统BGHS—天然气水合物稳定带底部第二种天然气水合物形成模式（Collett et al.，2009）：天然气运移剖面中，甲烷以独立气泡相由下部运移而来。图14-9中，假定运移通过的沉积剖面主要由富黏土、低渗透的沉积物组成，3种情况均需要断裂系统或孔渗性良好的沉积层作为输导通道，使自由气相（如气泡相）通过。图14-9 A中，断裂发挥了运移通道的作用，并提供了天然气水合物发育的空间，如墨西哥湾的Keathley Canyon等地区；图14-9 B中，砂层发挥了运移通道的作用，并提供了天然气水合物发育的空间，如日本的Nankai Trough等地区；图14-9C为一种组合类型，包括砂岩和裂缝储集体。

(1)天然气水合物的环境效应天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双重作用：一是水合物中甲烷气直接或通过化学和生物化学以CO2的形式间接释放进入大气；二是低碳的甲烷可替代多碳石化燃料而降低人为温室气体的排放。天然气水合物在自然界中极不稳定，温压条件的微小变化就会引起它的分解或生成。在路易斯安那州海外水深500m以下，拍摄到天然气水合物小丘和丘群，由1992和1993年的录像的对比辨识出一个小丘的消失和另一个小丘的新生。在小于周围连续释放的气流含69.6% CH4、6.3% C2H6、1.7%C3H8、11.4% N2、8%CO2及微量丁烷、戊烷、氧气。在沉积层中，有机质和CO2在细菌作用下可生成大量甲烷，深成作用亦可使地质历史时期埋藏的有机质转化成天然气，在适宜的温压条件下就可形成天然气水合物。另一方面，天然气水合物在温度增高或压力降低就会分解，向大气释放甲烷。由于天然气水合物蕴藏量极大，其甲烷的吞吐量也极大；因此，天然气水合物是地圈浅部一个不稳定的碳库，是全球碳循环中的一个重要环节，在地圈与水圈、气圈的碳交换中起到了重要作用。甲烷是一种活动性强的温室气体，它对全球气体变暖的影响比相当量的二氧化碳大20倍。更新世时期全球气候变化(海退)引起海陆环境内天然气水合物释放出大量甲烷，这些甲烷气体也反过来引起全球气候变化。全球变暖，冰川及冰盖融化，引起海平面上升；海平面上升造成水下静水压力增大，增大天然气水合物的稳定性，而水温的上升又起相反的作用。对多数陆缘海底天然气水合物来说，水深均大于300～500m，海平面的升降及海底水温变化都对天然气水合物有影响。上述变化也因天然气水合物赋存区所处纬度不同，天然气水合物的稳定与不稳定变化关系也有所差别。对英国人陆架面积约60万km2海域的测量表明，每年逸出而进入大气的甲烷量达12万吨到3.5百万吨，占整个英国甲烷排入量的2%～4%。因此，对广泛分布海底天然气水合物的海区来说，这种排放情况更突出，成为开发利用天然气水合物工作需要先行监测研究的重要课题。海底的海水温度的升高可能导致水合物的分解和甲烷气体的释放。释放的甲烷气体被加入到全球碳储量中。它可以通过冒泡或者扩散到水柱中、可以通过海水的流动进行水平对流、在水柱中进行化学和生物化学反应、并且如果甲烷气体的释放速度超过了氧化速度将最终通过冒泡进入到大气中。由于这种释放可以导致一种级联效果，对气候影响的潜力非常大。包括大气层的扩大、海洋温度的升高和加速现存的水合物的分解。最近的深海调查发现麻坑等构造说明在过去大量的流体从海底释放出来。水合物的分解和释放是其中的一个可能原因。联合储存器和海洋碳循环模型的数值计算研究表明在百年这个尺度上对气候的变化有明显的影响。最近对海洋温度变化引起的水合物的分解的模拟表明在十年这个尺度上储存较浅的水合物可以释放山数量极大的甲烷气体，而这仅仅需要在水合物储存区的沉积物中增加1℃的热量。相反，对寒冷的深海区的水合物的行为模拟研究并没有显示大范围的不稳定现象或者甲烷气体的释放。(2)天然气水合物的工程地质响应Sultan等[2004]对天然气水合物的分解对海底边坡稳定性的影响作了新的研究。他们把温度、压力、孔隙水化学性质以及平均孔隙大小分布等因素考虑进去，对土壤中水合物的热动力学化学平衡进行了研究。模型运用基于能量守恒定律的焓形式的公式，这种改进的模型显示，由于温度和压力的增高，水合物将会在水合物赋存带的顶部分散开以确保同周围的水达到化学平衡，这同试验得出结果一致。并且使用这一模型对挪威大陆边缘的Storegga大滑坡进行了实例分析，在计算中考虑进海平面变化及海水温度变化对静水压力的影响。模拟结果表明天然气水合物的在滑坡的顶部分解，从而打破了以往水合物只在赋存带底部分散的认识。海底地质灾害是天然气水合物资源开发研究的重要内容。天然气水合物与海底滑坡有关早在20世纪70年代就认识到了。美国大西洋大陆边缘填绘出近200个滑坡，被认为是海平面下降，同压降低，甲烷气体从分解的天然气水合物中游离出来，造成边坡不稳定引起的。同时，该海域多数滑坡均分布在天然气水合物分布区内或其附近也说明了这一点。在其它海域的海台塌陷也与天然气水合物有关，如西南非洲陆坡和海台、挪威陆缘、波弗特海陆缘、里海、北巴拿马陆架和加拿大纽芬兰。一旦滑坡起动，水合物层之下的游离气就会沿裂隙上升，原米处于亚稳定状态的水合物也将分解释放甲烷气体。研究表明绝大多数大型滑坡与天然气水合物失稳，或者说与崩塌物质在水合物之上“滑翔”有关。海底滑坡与水合物之间二者相互作用，一方面，海底滑坡为天然气水合物的形成提供了丰富的物质条件，有利于水合物的形成；而水合物的形成又对滑塌堆积的松散沉积物起固定作用；另一方面，天然气水合物分解时释放出的气和水增大了孔隙压力，从而使沉积物滑动，又可造成新的海底滑坡。因此，在开发利用海底天然气水合物时应该充分考虑并研究海底地质灾害，设计可行的技术方案。在海洋堆积物里，天然气水合物形成时能够在孔隙中产生一种胶结作用，致使大陆斜坡带处于明显较为稳定的状态。由于压力和温度条件发生变化而引发天然气水合物释放时，首先会导致大陆斜坡带较多部位产生失稳现象，在那里会形成巨大的滑塌块体滑入深海，并使深海生态环境遭受灾难性后果(图8.20)。图8.20 海洋天然气水合物环境和工程地质效应的综合示意图根据先前对海底的探测的结果，科学家解释说，8千年前位于挪威大陆边缘总量大约5600m3的沉积物从人陆坡上缘向挪威海盆滑动了800km，巨量的泥土推开海水引起的海啸造成毁灭性的后果，可怕的浪涛突然间吞没了海岸线。科学家猜测，这个极为著名的Storrega海底山崩事件，大概是由于天然气水合物释放而形成的世界著名的最大滑体之一。天然气水合物作为可能的封闭矿床的盖层有利于向上运移的烃类化合物的聚集，但是钻井时如若钻遇在天然气水合物近旁形成的这种气体储集库，有可能出现爆炸式的压力释放，也即所谓的“blow outs”。科学家认识到，天然气水合物的脆弱性对井位的选择、钻探和下套管的方案具有重要的影响，天然气水合物处于失稳状态当然也会对海底的管道、电缆等工程设施及施工造成威胁，甚至造成可怕的后果。南海北部陆坡发现大量天然气水合物存在的地质、地球物理和地球化学标志。其中特征清晰典型、多证据并存的水合物赋存区与海底滑坡的分布范围相吻合，说明水合物与海底滑坡之间有着极其密切的关系。南海北部陆坡发育的海底滑坡，以松散结构的高含量粉粒为特征，具有较高的含水率、孔隙比和有机碳以及高含量的烃类气体，为天然气水合物的形成提供了丰富的物质来源和储集空间，水合物的形成又可固结滑塌堆积的松散沉积物；然而，天然气水合物的分解又可造成新的海底滑坡。根据天然气水合物稳定的温压条件，它至少在始新世末就已存在，当时海洋冷水圈(水温＜10℃)已形成。在这以前，晚白垩世及古新世的底层海水温度估计为7-10℃，在较深水部位也可能形成较薄的天然产水合物层。在适宜的条件下形成的天然气水合物充填于沉积层物的空隙中，起到阻碍沉积物固结和矿物胶结的作用。当压力降低或温度升高时，天然气水合物稳定深度降低，水合物层的底部变得不稳定，释放出远大于水合物体积的甲烷，形成一个充气层，降低了沉积物的强度，导致大范围的滑坡。在渐新世以前不存在大的冰盖，在出现较长时间的低水面时天然气水合物的不稳定化可能成为海底滑坡及浅层构造变动的一级动因。在早始新世末(49.5Ma)及渐新世中期(30Ma)有两次海平面下降事件，都伴随有人型滑坡。新泽西州陆缘的地震剖面的分析表明在早第三纪发生了四次大滑塌，都对应于主要低水面期。更新世冰期时海平而下降约100m，陆架和陆坡的静水压力降低约1000kPa，使天然气水合物的稳定深度下降约20m。这可能是当时在世界范围内发生普遍陆缘滑坡的原因。天然气水合物与海底滑坡的可能联系在世界各地都有报道，重新研究陆缘的地震剖面和地层数据，分析在天然气水合物稳定深度内的浅层构造现象，将可能找到更多地质历史中存在天然气水合物的证据。水合物分解所带来的负面影响引起了有关专家的高度关注。Ogisako等认为，分析海底含水合物沉积的变形机制，应对海底表面变形机制以及含水合物层的变形机制分别加以研究。含水合物层中水合物分解，可以用掘进模型予以描述。Ogisako等进一步把日本南海海槽海底沉积物分成黏性土和砂质土两种类型，两种类型的土质具轴对称特征且符合黏弹性模型。在上述假设的基础上，Ogisako等利用有限元法对日本南海海槽含水合物沉积在水合物分解时的变形机制进行了研究。日本的另一位地质学家Masayuki等也对含水合物沉积物十力学特征进行了研究，他的实验方法是通过设计一个排水系统，然后在该系统中放入实验室合成的水合物和砂，然后观测水合物分解时含水合物沉积的变形机制。该排水系统采用了二维压力技术，从而使得该排水系统能够模拟深水环境下的压力体系，此外，Masayuki等设计的排水系统还能够控制水注入和排出的速度。海底水合物的分解，除导致海底稳定性降低，并出现海底滑坡之外，还会导致海啸的发生。以美国为例，其东海岸、墨西哥湾、西海岸、阿拉斯加和夏威夷等地的海啸在幅度和频度方面都有所增强。一些研究表明：海啸所产生的危害，要比人们想象的还要严重许多。针对目前存在的问题，美国方面已经开展了海啸的调查和研究，以进一步搞清海啸发生的频度、幅度、潜在危害评估、形成机制以及和水合物分解之间的关系等。在对现代地质环境和灾害进行研究的基础上，地球科学工作者对地质历史时期的环境及灾害事件又重新开始关注。古生物学家针对地质历史时期几次大的生物灭绝现象提出了各种各样的假说。如泥盆纪晚期动物的灭绝现象，广泛分布的黑色页岩使众多的地质学家相信是全球性的缺氧事件导致了该次生物的人灭绝。最新的碳同位素测试数据显示：伊朗和中国南部一些地区标准剖面上δ13C分别降低了-5‰和-1.5‰。碳同位素异常与全球碳循环的扰动有关，与此相对应的是氧同位素的测试结果也显示了类似的异常。上述现象说明了一个全球性的变暖事件。由于气体水合物中甲烷的释放，导致全球变暖，从而最终导致了生物的灭绝。北部墨西哥湾的布什山水合物渗流站位上有天然气水合物的地面露头。最新设计的流体通量测量仪/化学取样器叫做MOSQUITO，被部署在布什山已经有430天，确定地下动力流通量如何影响天然气水合物稳定性，并量化相关的入海甲烷的通量。其中3台流体通量测量仪被放置在临近天然气水合物丘堤的一个露头处，而第4台用以监测背景条件。通量测量仪测量结果揭示了丘堤附近地面下水文学特征复杂而多变，伴随着-161～273cm/yr范围内的下降流到上升流的频繁活动，以及通量水平组分的暂时性变化。通量的连续化学记录表明了沉积物中天然气水合物活跃地形成。Solomon等提出，临近天然气喷出口(达4个月)的海水下降流的长周期由分压力驱动。流速的高频率变化(日-周)有可能源自沉积物渗透性和三维流体通量场的短暂变化，这是活跃天然气水合物和自生碳酸盐析出的结果，也是游离气出现的结果。天然气水合物形成归因于聚焦天然气喷出口长期的甲烷气析出，然后是更为弥散的晶间甲烷通量。从聚焦天然气喷出口横跨布什山冷泉的甲烷通量，其估算值为5×106mol/yr。这种显著的通量证实布什山和相似的西北墨西哥湾烃类渗流可能是重要的进入海洋抑或大气中的甲烷的自然来源。“甲烷喷发假说”假设天然气水合物和海底渗流是控制第四纪大气和气候变化的主要地质因素。然而，甲烷地质来源存在着更广泛的类别，在过去气候变化中发挥重要作用。除了近海渗流，相关的甲烷地质散发(GEM)还来自陆上渗流，包括泥火山活动、微渗流和地热通量，全部的GEM是现在大气中甲烷的第二重要自然来源。陆上GEM进入大气的甲烷量似乎要胜过海上的渗流。陆上来源向大气中输送同位素值显著较重(富13C)的甲烷，主要受内生地质作用(地球动力学)的控制，导致地质年代尺度和千年尺度上人规模的气流变化，只有小部分是受控于外生(地表)地质作用，所以不为消极反馈所影响。大气中甲烷富集的最终影响不是如同“气水化合物爆发假说”所言，必然地需要灾变或者突发的释放。从米源的增强排气过程已经对冰心记录中观测到的甲烷趋势有所贡献，能够解释最近的观测中发现的晚第四纪甲烷浓度增加的峰值，以及伴随的重同位素甲烷的富集。这个假说应当经历基于大气、生物和地质指标的各种多学科交叉研究的证实。

在全球范围内，主动大陆边缘和被动大陆边缘均发现有丰富的天然气水合物资源。在主动大陆边缘中，增生楔是水合物大规模发育的有利区域，由于板块的俯冲运动，随着俯冲带附近沉积物不断加厚，浅部富含有机质的物质被带到增生楔内；同时，由于构造的挤压作用，在俯冲带形成一系列叠瓦断层，增生楔内部压力得以释放，使得深部气体不断沿断层向上运移，这些活动均为天然气水合物的形成提供了较为充足的物质条件，在适宜的温-压条件下聚集形成天然气水合物矿藏（图3-1）。典型的代表有南设得兰海沟、智利西部边缘、秘鲁海沟、中美洲海槽、北加利福尼亚外海、俄勒冈滨外和温哥华岛外等海域。在被动大陆边缘中，断裂-褶皱系、底辟构造、海底重力流和滑塌体等地质构造环境与天然气水合物的形成与分布密切相关，典型的海区有布莱克海台、北卡罗来纳洋脊、墨西哥湾、挪威西部巴伦支海、印度西部陆缘和非洲西部岸外等。被动大陆边缘内巨厚沉积层的塑性物质流动、陆缘外侧火山活动及张裂作用，均可构成天然气水合物成矿的特殊环境。在布莱克海台、北卡罗来纳洋脊以及里海等海区水合物的形成与分布均与底辟作用关系甚密。图3-1 主动陆缘增生楔内气体迁移与水合物BSR形成关系略图一、主动陆缘构造环境（以增生楔为例）增生楔又称俯冲杂岩或增生楔状体（accretionary Wedge or accretion prism），是主动陆缘的一个主要构造单元，当大洋板块、海沟中的物质在板块俯冲过程中被刮落下来，通过叠瓦状的逆冲断层或褶皱冲断等各种机制附加到上覆板块，沿海沟内壁构成复杂的地质体（金性春等，1995）。高精度的地震探测技术显示增生楔内广泛发育叠瓦状逆冲断层和褶皱，其结构类似于陆上的褶皱冲断带。俯冲增生的方式包括刮落作用和底侵作用。前者指俯冲板块上的沉积层沿基底滑脱面被刮落下来，通过叠瓦状冲断作用添加于上覆板块或已增生物质的前缘。底侵作用则是指俯冲物质从上覆板块与俯冲板块之间楔入，添加于上覆板块或增生楔的底部，导致增生楔逐渐加厚并抬升。随着地震探测技术的发展，在世界上绝大多数的增生楔中均发现有天然气水合物（表3-1）。二、被动陆缘构造环境（一）断裂-褶皱系断裂-褶皱系也是天然气水合物赋存的有利场所之一。20世纪70年代末，美国地质调查所在美国东部大西洋的布莱克脊地区取得的高分辨率地震剖面显示该处为一褶皱构造，并且，脊部水合物稳定带（HSZ）之下沉积物中还发育有多条正断层，这些断层为天然气水合物向浅部运移提供了通道，而褶皱构造又能适时圈闭运移到浅部地层处的气体，形成水合物。地震资料同时显示：在BSR之上为一厚层“空白带”，该“空白带”从脊部到两侧逐渐减弱。由于断层的切割，BSR呈断续分布，脊部BSR较强，至两侧翼部BSR较弱。1983年DSDP76航次和1995年ODP164航次在该处实施的钻探中均曾获取水合物样品。在北卡罗来纳洋脊也得到与布莱克脊特征相类似的地震剖面，BSR及其上部的厚层“空白带”清晰可见，海底以下0.5s出现双相位的强反射层，水深达3km。此外，在断层-褶皱系中发育天然气水合物的地区还有墨西哥湾路易斯安那陆坡及加勒比海南部陆坡等。发现天然气水合物的褶皱-断裂系的地区有：布莱克脊地区、北卡罗来纳洋脊、墨西哥湾路易斯安那陆坡、加勒比海南部陆坡、南美东部海域亚马孙河海底扇、阿根廷盆地、沿印度西部被动大陆边缘下斜坡中部海隆区、极地区的波弗特海和挪威西北巴伦支海内的熊岛盆地。（二）底辟构造或泥火山底辟构造是在地质应力的驱使下，深部或层间的塑性物质（泥、盐）垂向流动，致使沉积盖层上拱或刺穿，侧向地层遭受牵引，在地震剖面上呈现出轮廓明显的反射中断。被动陆缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用使得该地区底辟构造发育，如美国东部大陆边缘南卡罗来纳的盐底辟构造、布莱克脊的泥底辟构造、非洲西海岸刚果扇北部的盐底辟构造、尼日尔陆坡三角洲小规模的底辟构造，以及里海的泥底辟及泥火山等。这些构造能引致构造侧翼或顶部的沉积层倾斜，便于流体排放，形成水合物。表3-1 发现天然气水合物之增生楔列表1996年，“Gelendzhik”号的TTR-6航次对位于Crimea大陆边缘（黑海北部）东南面的Sonokin海槽采样结果显示，5个含有泥质角砾岩的岩心中均观察到了气体水合物（表3-2），进一步证实了底辟构造与水合物的密切关系。表3-2 TTR-6航次所采岩心的岩性成分与含气、含天然气水合物的对应关系（三）滑塌构造滑塌构造是指海底土体在重力作用下发生的一种杂乱构造活动。滑塌与滑坡性质相同。调查资料表明，巨型的滑塌体可达亿立方米数量级。滑塌构造一般表现为：①滑塌体曲型，滑动面清楚，崩塌谷呈“V”字型，谷底未被充填，表明为现代或正在进行的滑塌；②同一滑塌处有多期滑动，新老相叠而组成复合的滑塌体，形成一个滑坡地带；③滑塌体走向大致与陆架坡折带平行（刘以宣，1994）。1998年，德国基尔大学海洋地质科学研究中心J.Mienert等为了研究水合物与滑塌构造之间的关系，在巴伦支海斯匹兹卑尔根地区应用高频海底地震仪，获得高频广角地震反射资料，该资料显示在海底之下0.25s出现一组斜切地层的强反射层BSR，而相邻的Storegga滑塌区于海底之下0.1s和0.35s处出现两组强反射层，构成双BSR结构，且浅层BSR与滑移面处于同一深度。综合分析认为该区水合物形成与深部断裂及浅地层处的滑塌构造关系密切。在对黑海Sorokin海槽内的克里米亚大陆水合物的研究中也发现了大量滑塌体的存在。俄罗斯“R/V Gelendzhik”号在1996年进行的ANAXIPROBE/TTR-6航次调查中，在海底反射剖面中发现了一系列大而不规则的强反射性斑块，这些强反射区通常标志着沉积物的滑塌和移动。浅层剖面显示了一不规则、带有数个强反射波的海底地形及一可能的气体前锋。声呐图像上对应于剖面上的那些强反射波或气体前锋的散射不规则条带达到或接近海底，这表明了滑塌与气体饱和度之间的密切关系（M.K.Ivanov等，1998）。

天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷，其温室效应为CO2的20倍，温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍，若有不慎，让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去，将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出，还会改变沉积物的物理性质，极大地降低海底沉积物的工程力学特性，使海底软化，出现大规模的海底滑坡，毁坏海底工程设施，如：海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。天然可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从海底一块块搬出，在从海底到海面的运送过程中，甲烷就会挥发殆尽，同时还会给大气造成巨大危害。为了获取这种清洁能源，世界许多国家都在研究天然可燃冰的开采方法。科学家们认为，一旦开采技术获得突破性进展，那么可燃冰立刻会成为21世纪的主要能源。

自 20 世纪 60 年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源。全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。天然气水合物在在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区，而在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同，不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。据潜在气体联合会（PGC，1981）估计，永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013～3.4×1016m3，包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018m3。但是，大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少有1×1013t，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍。由于天然气水合物的非渗透性，常常可以作为其下层游离天然气的封盖层。因而，加上汽水合物下层的游离气体量这种估计还可能会大些。如果能证明这些预计属实的话，天然气水合物将成为一种未来丰富的重要能源。甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内（即 <2000m深）。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300m ，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800m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。他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷。全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大，很快就会枯竭。科学家的评价结果表明，仅在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的 1/4。2011年，世界上已发现的可燃冰分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。科学家估计，海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。

图8.13 以水溶气相运移的天然气水合物系统第一种天然气水合物形成模式(Collett et al.，2009)：天然气运移剖面中，溶有甲烷的水从水合物稳定带下面运移进入，随着甲烷从水中脱溶出来及沉积物孔隙中水合物的形成，甲烷相对富集。如图8.13所示，有3种天然气水合物聚集情况：①非常低的甲烷-水进入率，天然气水合物形成受到限制，形成丰度较低的水合物聚集；②相对较高的甲烷-水进入率，形成丰度较高、厚度较大的水合物聚集；③为②的继续演化，随着持续的水-气运移和沉积，水合物稳定带向上移动，原水合物稳定带靠下部分的水合物离解，溶解气向上再次进入新的水合物稳定带，形成天然气水合物。第二种天然气水合物形成模式(Collett et al.，2009)：天然气运移剖面中，甲烷以独立气泡相南下部运移而来。图8.14中，假定运移通过的沉积剖面主要由富黏土、低渗透的沉积物组成，3种情况均需要断裂系统或孔渗性良好的沉积层作为输导通道，使自由气相(如气泡相)通过。图8.14(A)中，断裂发挥运移通道的作用，并提供天然气水合物发育的空间，如墨西哥湾的Keathley CanYon等地区；图8.14B)中，砂层发挥运移通道的作用，并提供天然气水合物发育的空间，如日本的 Nankai Trough等地区；图8.14(C)为一种组合类型，包括砂岩和裂缝储集体。图8.14 以独立气泡相运移的天然气水合物系统

全球储存在水合物聚集中的天然气资源量非常大。目前预测的天然气资源量跨度也很大，超过3个数量级，从2.8×1015～8×1018m3(表8.5)。通常认为，全球98%的天然气水合物资源分布在海底沉积物中，只有2%分布在陆地冻土层中。各种估算都带有推测性和不确定性，即使根据最保守的估算，天然气水合物资源潜力也很大。需要指出的是，目前已公开的天然气水合物资源评价结果，仅仅是限定在天然气水合物原地资源量的评价，尚未评价究竟有多少天然气可以从天然气水合物中开采出来。表8.5 全球天然气水合物中的天然气资源量评价全球极地—永久冻土带的天然气水合物资源量大致在1.4×1013～3.4×1016m3之间，北极、南极和青藏高原等陆地永久冻土带面积约为1.1×107km2(Meyer，1981；Mclver，1981；Trofimuk et al.，1977；MacDonald，1990；Dobrynin et.al.，1981)。约20%的北半球陆地面积为永久冻土带(图8.16)。陆上天然气水合物主要分布于北美北极地区、西两伯利亚盆地、俄罗斯北部其他地区、中国青藏高原等永久冻土带区。北极地区天然气水合物研究的结果显示，永久冻士带地区天然气水合物可存在于地下130～2000m深度范围。加拿大麦肯齐河三角洲的Mallik和阿拉斯加北坡的Eileen天然气水合物聚集区，目前研究程度最高。中国青藏高原多年冻土带面积占高原总面积的61%，占世界多年冻土面积的7%，达1.588×106km2，陆相盆地和海相盆地都具有良好的生油气条件，有利于天然气水合物形成，有可能聚集一定规模的天然气水合物，2008年已在青海木里地区钻获水合物实物样品(黄朋等，2002；陈多福等，2005；祝有海等，2006；卢振权等，2010)。图8.16 北半球永久冻土带的分布全球海洋天然气水合物的资源量大致在0.2×1015～7.6×1018m3之间(Meyer，1981；Milkov etal.，2003；Trofimuk el al.，1977；Klauda and Sandlei，2005；Kvenvolden，1988；MacDonald，1990；Kvenvolden and Glaypool，1988；Dobrynin et al.，1981)，主要分布在：①分隔的大洋外部，包括主动大陆边缘或波动大陆边缘地区；②深水湖泊之中；③大洋板块的内部地区。例如西太平洋海域的白令海、鄂霍次克海、千岛海沟、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、中国台湾西南部海域、台湾东部海域、环南中国海的东沙海槽、西沙海槽、南沙海槽与南沙海域、苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新阿兰北岛外海；东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚—俄勒冈岸外海域、秘鲁海槽；大西洋西部海域即美国东南部大陆边缘的布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东部岸外陆缘海；非洲西海岸岸外海域、印度洋的阿曼湾、孟加拉湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等等。最近，美国矿业管理部对墨西哥湾盆地天然气水合物资源潜力，组织开展了系统的地质评价(Frye，2008)，评价认为墨西哥湾天然气水合物中未发现的天然气资源为607×1012m3，其中砂岩储层中水合物资源量约为190×1012m3，其余分布在黏土沉积物中。中国海域蕴藏有丰富的水合物资源，具有水合物形成所需温压条件的南海陆坡面积约 120×104km2，东海陆坡面积约为6×104km2。南海海域BSR有效分布面积12.58×104km2，水合物稳定带厚度介于47～389m之间(杨木壮等，2008)。姚伯初、金庆焕等(2006)、杨木壮等(2008)预测南海域水合物资源量分别为64.35×1012m3、69.305×1012m3和7.632×1012m3。

由于可燃冰在常温常压下不稳定，因此开采可燃冰的方法设想有：①热解法。②降压法。③二氧化碳置换法。（技术仍不完善，由此泄露的甲烷可造成比二氧化碳严重十倍的温室效应） (1) 热激发开采法　热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。 (2) 减压开采法　 减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种： ①采用低密度泥浆钻井达到减压目的；②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时，通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采，是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。 (3) 化学试剂注入开采法　化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，对这种方法投入的研究相对较少。 并且添加化学剂较加热法作用缓慢，但确有降低初始能源输入的优点。添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。 (1)CO2置换开采法。这种方法首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。 (2)固体开采法。固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物，将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。

天然气水合物，属于有机化合物，其化学式为CH4，也就是常说的可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。

天然气水合物因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称做“可燃冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M?nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物的形成有三个基本条件，缺一不可。据专家介绍，首先温度不能太高；第二压力要足够大，但不需太大；0℃时，30个大气压以上就可生成；第三，地底要有气源。天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。 一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。

可燃冰是一种天然气水合物其中的主要化学成分水和甲烷，化学式为CH·nHO。可燃冰是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”、“固体瓦斯”和“汽冰”，化学式为CH4·nH2O。天然气水合物常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。由于分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高，而成为未来主要替代能源，受到世界各国政府和科学界的密切关注。可燃冰的产量：据粗略估算，在地壳浅部，可燃冰储层中所含的有机碳总量，大约是全球石油、天然气和煤等化石燃料含碳量的两倍。有专家认为，水合甲烷这种新型能源一旦得到开采，将使人类的燃料使用史延长几个世纪。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。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。

可燃冰是一种天然气水合物其中的主要化学成分水和甲烷，化学式为CH·nHO。可燃冰是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”、“固体瓦斯”和“汽冰”，化学式为CH4·nH2O。天然气水合物常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。由于分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高，而成为未来主要替代能源，受到世界各国政府和科学界的密切关注。可燃冰的产量：据粗略估算，在地壳浅部，可燃冰储层中所含的有机碳总量，大约是全球石油、天然气和煤等化石燃料含碳量的两倍。有专家认为，水合甲烷这种新型能源一旦得到开采，将使人类的燃料使用史延长几个世纪。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。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。

使用清洁能源，对环境保护有重要意义

1、1m3天然气水合物的能量相当于164m3天然气的热值。2、天然气水合物（NaturalGasHydrate/GasHydrate），有机化合物，化学式CH?·nH?O。即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。3、因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”（Combustibleice）或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。

那叫水合物，水合物又称水化物，是天然气中某些组分于水分在一定温度、压力条件下形成的白色晶体，外观类似致密的冰雪，密度为0.88~0.90 g/cm3。研究表明，水合物是一种笼形晶体包络物，水分子借氢键结合形成笼形结晶，气体分子被包围在晶格之中。水合物有两种结构，低分子的气体的水合物为体心立方晶格，较大的气体分子则是类似于金刚石的晶体结构。化合物从其组成离子的水溶液中结晶出来时, 所得到的晶体往往是水合物(hydrate)。水合物化学式具有确定数目的水分子, 其结构大体可分为4类: 　　(1)全部H2O分子配位于金属阳离子。例如, 六水合物Co(ClO4)2u20226H2O中的6个H2O分子全部配位于Co2+离子, 可将其写成[Co(H2O)6](ClO4)2。　　(2)部分H2O分子配位于金属阳离子，部分H2O分子键合于酸根阴离子。例如CuSO4u20225H2O中的H2O分子。　　(3)H2O分子进入固体晶格的确定位置,不与特定的阳离子或阴离子键合。这种化合物中的水分子叫晶格水，例如BaCl2u20222H2O中的水分子。　　(4)一部分H2O分子与阳离子配位,另一部分则是晶格水。明矾KAl(SO4)2u202212H2O似乎具有这种结构。　　最后还应该提到水合包合物。它们应该归入水合物, 但却不是从其组成离子的水溶液中结晶出来的化合物。它们是H2O分子彼此间通过氢键形成笼, 将外来的电中性分子或离子包于笼内而得到的一类水合物。

可燃冰里面有甲烷和一氧化碳等可燃性气体，冰里面只有水满意请采纳

从已经形成天然气水合物的地层中开发天然气，实际上是满足天然气水合物发生分解反应的过程。降低地层压力或者升高温度，均可使天然气水合物中的甲烷分子和水分子之间范德华力减弱，从而使固态的天然气水合物释放出大量的甲烷气体。天然气水合物的开发技术目前主要有3种：热激发技术、降压技术和化学抑制剂技术。1.热激发技术在天然气水合物稳定带中安装管道，对含天然气水合物的地层进行加热，提高局部储层温度，从而造成天然气水合物的分解。主要是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物层，也可用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。电磁加热法比上述常规方法更有效，并已在重油开发方面显示出它的有效性，其中最有效的方法是微波加热方法。热激发法主要的缺点是热损失大、效率很低，难点是生成气体不好收集。2.降压技术通过降低天然气水合物层的压力，促使天然气水合物分解。一般是通过钻井井眼的压力降或水合物层之下的游离气聚集层的平衡压力，形成一个天然气“囊”（由热激发法或化学试剂作用产生），与天然气接触的水合物变得不稳定，分解为水和天然气。降压开发特别适用于天然气水合物与常规天然气气藏相邻的情况，适合于开发渗透率高和深度大于700m的天然气水合物聚集。该技术的特点是经济，无需增加设备和昂贵的连续热激发作用，可行性较高；缺点是作用缓慢，不能用于储层原始温度接近或低于0℃的天然气水合物聚集，以免分解出的水结冰堵塞气层。3.化学抑制剂技术通过注入化学抑制剂（如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等），可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，改变天然气水合物稳定带的稳压条件，导致部分天然气水合物的分解。该方法十分简单，使用方便，但费用昂贵，作用缓慢，且不适合开采压力较高的海洋水合物。从以上各方法的使用看，仅采用某一种方法难以开采水合物，只有综合不同方法的优点，才能实现对水合物的有效开发。降压法和热激法技术的联合使用是目前受推崇的方案，用热激发法分解气水合物，用减压法提取游离气体。从技术角度看，开发天然气水合物资源已具可行性，更科学有效的方法必将研发出来，实现天然气水合物商业开采指日可待。

分类: 教育/科学 >> 升学入学 >> 中考 问题描述: 有一种物质是“天然气水合物”，化学式是CH4u2022nH2O 。 若该物质完全燃烧后生成的二氧化碳和水的质量之比为11：22，则该物质中碳氢元素的质量之比为______，n的值为_____. 解析: CH4*NH2O+2O2=CO2+（N+2）H2O ************************** 11****** 27 ************************** 44****** 36+18NN=4，该物质为CH4*4H2O，C：H=12：12=1：1。

世界范围内，陆上永久冻土带天然气水合物中天然气水合物资源量为1.4×1013m3～3.4×1016m3，而海洋天然气水合物中天然气水合物资源量为3.1×1015m3～7.6×1018m3(表7－5)。虽然已公布的天然气水合物资源量估计值差别较大，但总体来讲，海洋天然气水合物资源量远大于陆上天然气水合物资源量。目前，全球天然气水合物中甲烷资源量粗略估计为2×1016m3(Kvenvolden，1988)，比剩余常规天然气可采资源量(约2×1014m3)大两个数量级(Masters et al.，1991)。表7－5世界天然气水合物的天然气估算资源量续表(修改自Kvenvolden，1988)全球天然气水合物蕴藏的碳总量相当于地球上已探明的化石能源(石油、天然气、煤炭等)总碳量的两倍。根据Kvenvolden(1988)测算，天然气水合物中的有机碳约为10×1012t，占全球有机碳的53.3%，而煤、石油和天然气三者的总量才占到26.6%(图7－29，图7－30)。陆地上天然气水合物最大地质资源量大约为5.3×1011t，主要贮存在永久冻土带中;海洋中的天然气水合物最大地质资源量约1.61×1014t油当量(表7－6)，主要分布在大陆坡、海沟附近的增生楔和海岭等区域。因此，天然气水合物是一种具有巨大潜力的洁净能源，可能是未来石油、天然气和煤炭的替代物。表7－6地球上可燃矿物资源预测表(据金庆焕等，2006)

可燃冰是一种天然气水合物其中的主要化学成分是甲烷和水。可燃冰是一种天然气水合物，其中的主要化学成分是一种可燃气体—甲烷，所以它又被称为甲烷水合物。这种天然气水合物的外形很像冰雪，可以像固体酒精一样被直接点燃。因此，人们通俗而形象地称其为“可燃冰”。可燃冰主要成分是水分子和烃类气体分子，可燃冰是一种甲烷气体的水合物。在深海中高压低温的条件下，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状体中形成水合甲烷。这些水合甲烷就像一个个淡灰色的冰球，故称可燃冰。可燃冰的理化性质天然气水合物燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。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，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。天然气水合物在海洋浅水生态圈，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，于上升的气体流与海洋深处的冷水接触所形成。天然气水合物从物理性质来看，天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱和水沉积物，这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。

一、天然气水合物与全球碳循环和温室效应天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双重作用：一是水合物中甲烷气直接或通过化学和生物化学以CO2的形式间接释放进入大气；二是低碳的甲烷可替代多碳化石燃料而降低人为温室气体的排放。天然气水合物在自然界中极不稳定，温压条件的微小变化就会引起其分解或生成。在路易斯安那州海外水深500m以下拍摄到天然气水合物小丘和丘群，通过对1992年和1993年录像的对比辨识出一个小丘的消失和另一个小丘的新生。在小丘周围连续释放的气流含69.6%的CH4，6.3%的C2H6，1.7%的C3H8，11.4%的N2，8%的CO2及微量丁烷、戊烷和氧气。在沉积层中，有机质和CO2在细菌作用下可生成大量甲烷，深成作用亦可使地质历史时期埋藏的有机质转化成天然气，在适宜的温压条件下就可形成天然气水合物。相反，天然气水合物在温度增高或压力降低的条件下就会分解，向大气释放甲烷。由于天然气水合物蕴藏量极大，其甲烷的吞吐量也极大；因此，天然气水合物是地圈浅部一个不稳定的碳库，是全球碳循环中的一个重要环节，在岩石圈与水圈、大气圈的碳循环中起到了重要作用。甲烷是一种重要的温室气体，因而天然气水合物释放或吸收甲烷对全球气候可产生重大的影响。虽然目前大气中甲烷的体积浓度仅为CO2浓度的1/200，但其全球变暖潜力指数（GWP）按摩尔数是CO2的3.7倍，按质量是CO2的10倍。在1980～1990年期间，甲烷对温室效应的贡献占12%，而甲烷和其他痕量温室气体的总贡献占43%，仅略低于CO2的贡献（57%）。从工业革命前到现在，大气中CO2的浓度提高了25%（由体积含量280×10-6提高至350×10-6），而甲烷浓度则翻了一番（由0.8×10-6提高到1.7×10-6），平均年增长率为0.9%。说明甲烷浓度提高得更快，因此它对温室效应的相对贡献今后还会增大。甲烷是一种活动性强的温室气体，它对全球气体变暖的影响比相当量的二氧化碳大20倍。更新世时期，全球气候变化（海退）引起海陆环境中天然气水合物释放出大量甲烷，这些甲烷气体也反过来引起全球气候变化。全球变暖，冰川及冰盖融化，引起海平面上升；海平面上升造成水下静水压力增大，增大了天然气水合物的稳定性，而水温的上升又起到相反的作用。对多数陆缘海底天然气水合物来说，水深均大于300～500m，海平面的升降及海底水温变化都对天然气水合物产生影响。上述变化也因天然气水合物赋存区所处纬度不同，天然气水合物的稳定与不稳定变化关系有所差别。有人测算，在过去1万年，极地陆架表面气温升高了10℃或更多，温度升高的影响超过了海平面升高的影响，造成了大量甲烷释出，年均达5.6×109m3，相当于所有大气甲烷来源供给量的1%。又如，对英国大陆架面积约60×104km2海域的测量表明，每年逸出而进入大气的甲烷量达12×104t～3.5×106t，占整个英国甲烷排入量的2%～4%。因此，对广泛分布有海底天然气水合物的海区来说，这种排放情况更突出，成为开发利用天然气水合物工作需要先行监测研究的重要课题。二、天然气水合物与全球气候变化的关系天然气水合物既是一种未来能源的巨大载体，又是气候变化的重要因子。已有研究成果表明，大气圈中甲烷的含量在近20万年里与地球的温度是紧密耦合的（图1-10），但其中的原因和作用机制尚未弄清。人们猜测，全球性的温度增高可能是由于大量的天然气水合物的失稳作用造成的后果。事实上，仅仅融化1m3水合物就可释放高达160～200m3的甲烷，其中部分肯定进入大气。反过来，低层大气变暖将加热海洋，引发更多水合物分解和大气变暖这种恶性循环。图1-10 过去20万年内温度、二氧化碳和甲烷变化的南极Vostock冰核记录亚洲东岸鄂霍次克海大约相当于北海和波罗的海的总面积，冰层通常一年中有7个月覆盖着鄂霍次克海，从海底天然气水合物矿藏中不断有甲烷逸散形成羽状物。俄罗斯考察队1991年探测得冰层之下水中的甲烷浓度是65mL/L，第二年夏季冰融之时，该指标仅为0.13mL/L，其余部分显然已逃逸到大气之中。这次测定结果清楚表明，海洋下面的甲烷水合物是大气甲烷的重要来源。水合物在海平面升降情况下的演化轨迹在变化着的水深条件下，、流体静压力将对应于海平面变化而变化。水合物的稳定性取决于以下两个因素：①海平面上升或下降的量值；②海底温度的变化对海底沉积物温度改变影响的快速程度。一个初始的深度一般有一个低的温度基值，因此上覆水压高而且水温低正是产生大量水合物的条件。在浅水中，当水深浅、压力减小时，温度基值也会上升，这样水合物的稳定性将低于最低的稳定条件。因此，在那种初始深度浅、又有相当高的水温基值的条件下也许不可能有水合物的产生。随水深增加和水温降低时，水合物的稳定条件在图1-11（a）和图1-11（b）中分别给出，图1-11（a）表明，水合物的相路在海平面从点A开始下降。相路的终止点是在B点还是B′或B″取决于海平面下降的程度。海平面下降较小时将使水合物稳定曲线上的压力保持不变，因此相路在点B处结束，然而海平面下降幅度较大时，将使相路越过水合物稳定曲线到达点B′，并且作为天然气/水的混合物，水合物将在点B″终止。反过来，如图1-11（b）所示，假如海平面上升幅度很小，并保持在原始点A，（气/水混合物）相路图将在点B处终止（如图1-11（b））；大规模的海平面上升时，相路图越过B′（如图1-11（b）），可达到水合物的生成条件，并在点B″结束演化历史（B″点代表的是水合物，而不是气/水混合物）。海平面的上升与下降周期可产生3个相循环（如图1-11（c）并且分别由A，B，C标出）。因为存在对沉积物的热传导，对沉积物温度的调整过程存在时间上的延迟。任何一个循环相路绕反时针方向均从位置1开始，这意味着随着较慢的温度响应，将有滞后现象发生。在环形A中（图1-11（c）），海平面的升降越过了水合物稳定曲线，因此是一个从气/水混合物—水合物，然后又回到气/水混合物的过程。这个过程发生在海平面首次上升（位置1到位置2），然后沉积物温度降低（位置2到位置3），接着海平面下降（位置2到位置4），随着沉积温度最终上升（位置4到位置1）。在环形的B和C中，水合物被保存（环形B），气/水混合物也一直存在（环形C）。许多学者讨论了天然气水合物对全球气候变化的反馈，这种反馈在极地与中低纬度地区不同。在间冰期，全球变暖，冰川和冰盖融化，永久冻土带地层中的天然气水合物由于温度升高和压力降低而不稳定，释放甲烷，产生温室效应，对全球变暖产生正反馈。同时，在中低纬度的陆缘海，一方面海水温度上升可使天然气水合物不稳定，另一方面由于海平面上升，海底静水压力增大，又使天然气水合物的稳定性增高。由于海水的热容量大，底层海水的升温不会很显著，静水压力的影响可能占主导地位，故总的效应可能是使天然气水合物的稳定性增高，对全球变暖产生负反馈。在冰期上述过程均可反向进行。Kvervolden（1988）认为，现代全球变暖过程中极地天然气水合物的正反馈起着主导作用，这一过程每年释放甲烷估计为3×1012g，即全球大气中甲烷增量的1%。一般认为，冰期由米兰科维奇轨道力引起，但这一机理虽可解释冰期旋回的宽缓变化，却不能解释冰期的突然中止。Paull等（1996）用陆缘海中天然气水合物对冰期的负反馈来解释冰期的中止，但这也不能解释这种中止的突发性。研究认为，只要温度稍一变暖，极地天然气水合物的正反馈就可加速这一过程，使冰期突然结束；但这一效应会导致甲烷从天然气水合物中的无控制释放，以及随之而来的全球无控制变暖；这种现象实际上并未观察到。所以，冰期的突然中止仍然是个谜。图1-11 水合物在海平面升降条件下的演化轨迹示意许多研究人员认为，某个较大区域发生爆发性甲烷释放能在短期内使气候发生急剧变化。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校海洋地理学家James P.Kennett提出了假设，认为在大约1.5×104a前的最近一次冰河期，灾难性的甲烷释放可能在仅仅几十年内触发温度显著上升。研究人员还发现天然气水合物释放甲烷影响全球气候变化的更古老的迹象，大约5500×104a前古新世末期影响全球气候的化石证据表明，该时期海洋和陆地的温度都急剧上升，在世界范围形成一次温度异常（LPTM=Late Paleocene Thermal Maximum——晚古新世温度峰值），许多生活于海底沉积物上的单细胞有机物物种都灭绝了。微生物的碳同位素成为解释温度迅速升高原因的关键。这次十分著名的全球范围温度异常，如同在此期间全球的碳同位素变化所显示的那样，是伴随着海洋天然气水合物矿藏中甲烷的一次极其强烈的释放而产生的。对于天然气水合物与全球变化的关系，迫切需要深入并定量地研究其在全球碳循环中的作用，以及对全球变暖、变冷及相应的海平面变化的反馈。如上所述，这种反馈的方向和强度可能随纬度而变化，还可能随气候进程而变化；揭示其规律将对认识全球变化、尤其是冰期与间冰期交替的原因具有重要意义。为了研究天然气水合物对碳循环和温室效应的总贡献，需要在实验和模拟基础上对产生反馈的机理进行研究，对不同环境和条件下天然气水合物对甲烷的释放或吸收量、被释放的甲烷经过水层后未被溶解或氧化而到达大气的量进行较准确的估计，从而定量地估计在给定气候变化下全球天然气水合物释放或吸收甲烷的总量，即中低纬度陆缘海中两种相反效应及极地的正反馈效应之总和。三、天然气水合物的地质灾害因素科学界普遍认为，天然气水合物终将成为人类未来的极具潜力的洁净的能源资源。研究同时表明，沉积物中的天然气水合物在所处周围环境条件由于种种原因发生变化时，温度-压力平衡会遭到破坏，导致天然气水合物发生解体和逃逸，有可能造成地质灾害，或对全球气候变化产生影响。失稳现象的发生与天然气水合物赋存环境条件的变化呈复杂的互动关系。天然气水合物的稳定性是由压力、温度和气体的组合状况来确定的。在典型的水体温度变化过程中，一个纯甲烷水合物的稳定界限温度在大约5℃和压力50Pa（相当于约500m水深）情况下开始。在混合了另外气体，特别是硫化氢的情况下，稳定范围就会显著扩大。在同样温度条件下，向甲烷和二氧化碳混合水合物中加入约20%的硫化氢组分，会使压力降低大约10Pa，或者说，在保持相同压力情况下，可提高几乎2℃。具有各种各样组分的天然气水合物相应地会在各不相同的温度-压力范围里形成。此外，孔隙水的组成和可利用性、气体饱和状态、寄居岩石可能的催化特性，以及孔隙度和持续稳定性等问题，对于沉积物的稳定性范围也具有重要意义。海底地质灾害是天然气水合物资源开发研究的重要内容。天然气水合物与海底滑坡有关早在20世纪70年代就认识到了。美国大西洋大陆边缘填绘出近200个滑坡，被认为是海平面下降，围压降低，甲烷气体从分解的天然气水合物中游离出来，造成边坡不稳定而引起的。同时，该海域多数滑坡均分布在天然气水合物分布区内或其附近也说明了这一点。在其他海域的海台塌陷也与天然气水合物有关（如西南非洲陆坡和海台、挪威陆缘、波弗特海陆缘、里海、北巴拿马陆架和加拿大纽芬兰）。在晚更新世海退期间，海平面下降约100m，造成对海底的压力降低了1000kPa，总压力的降低引起天然气水合物底部的分解，释放出过量的甲烷和水，造成边坡的不稳定性，并产生灾难性后果。研究表明，存在两种不同的机制引发亚马孙海底滑坡：①海平面快速下降，使天然气水合物失稳，上覆沉积物滑移；②安第斯山冰消作用以及其后亚马孙河沉积物冲入大陆坡，由于超负荷引起海底滑坡。依据冰心中观察到的大气甲烷含量的变化，前一种解释似乎更为合理。海底滑坡的触发因素可能是一次小地震，或者河流带来的一批洪积物，甚至是一次大风暴潮。一旦滑坡起动，水合物层之下的游离气就会沿裂隙上升，原来处于亚稳定状态的水合物也将分解释放甲烷气体。研究表明，绝大多数大型滑坡与天然气水合物失稳，或者说与崩塌物质在水合物之上“滑翔”有关（图1-12）。1929年，发生在加拿大纽芬兰的海底滑坡造成27人死亡和巨大经济损失；1979年，法国海岸发生的海底滑坡引起的海啸使11人丧生。因此，在开发利用海底天然气水合物时应充分考虑并研究海底地质灾害，设计可行的技术方案。图1-12 海洋水合物环境效应的综合示意图在海洋堆积物里，天然气水合物形成时能够在孔隙中产生一种胶结作用，致使大陆斜坡带处于明显较为稳定的状态。由于压力和温度条件发生变化而引发天然气水合物释放时，首先会导致大陆斜坡带较多部位产生失稳现象，在那里会形成巨大的滑塌块体滑入深海，并使深海生态环境遭受灾难性的后果。根据先前对海底的探测结果，科学家解释说，0.8×104a前位于挪威大陆边缘总量大约5600m3的沉积物从大陆坡上缘向挪威海盆滑动了800km，巨量的泥土推开海水引起的海啸造成毁灭性的后果，可怕的浪涛突然间吞没了海岸线。科学家猜测，这个极为著名的Storrega海底山崩事件，大概是由于天然气水合物释放而形成的世界著名的最大滑塌体之一。1998年夏，莫斯科谢尔索沃夫（Shirshov）海洋学研究所的俄罗斯研究人员在挪威西岸外发现了不稳定的水合物矿床。他们认为，海底断层产生的柱状物和水合物的自然分解均能向大气中缓慢地释放甲烷，但这一过程有时更具爆发性。挪威特罗姆瑟大学的Jurgen Mienert领导的国际小组最近发现在巴伦支海海底（正好在挪威东北端外）有许多类似弹坑的巨大凹陷，最大坑宽700m，深300m，这种大小不等的“弹坑”密布于甲烷水合物矿床的附近，清楚表明发生过灾难性甲烷爆发。断层和其他结构证据表明，它们可能发生于最近一次冰河期的末期。这种爆发可能遵循用来解释Storrega山崩原因的理论：变暖的海洋使水合物变得不稳定，当达到某一临界点时就像火山一样爆发了。由于水合物中含有超出自生体积一百倍以上的气体，若遇断裂等构造作用，引起水合物在瞬间爆炸般分解，可形成密度为0.1kg/m气/水混合物，并在海面上形成强大的水动力流、涡流和气旋，轮船、飞机、海上钻井设施遭遇这种环境会迅速沉到海底。科学家认识到，天然气水合物的脆弱性对井位的选择、钻探和下套管的方案具有重要的影响，天然气水合物处于失稳状态也会对海底的管道、电缆等工程设施及施工造成威胁，甚至造成可怕的后果。根据天然气水合物稳定的温压条件分析，其至少在始新世末就已存在，当时海洋冷水圈（水温＜10℃）已形成。在此以前，晚白垩世及古新世的底层海水温度估计为7～10℃，在较深水部位也可能形成较薄的天然气水合物层。在适宜的条件下形成的天然气水合物充填于沉积物层的空隙中，起到阻碍沉积物固结和矿物胶结的作用。当压力降低或温度升高时，天然气水合物稳定深度降低，水合物层的底部变得不稳定，释放出远大于水合物体积的甲烷，形成一个充气层，降低了沉积物的强度，导致大范围的滑坡。在渐新世以前不存在大的冰盖，在出现较长时间的低水面时天然气水合物的不稳定化可能成为海底滑坡及浅层构造变动的一级动因。在早始新世末（49.5Ma）及渐新世中期（30Ma）有两次海平面下降事件发生，都伴随有大型滑坡。经对新泽西州陆缘的地震剖面分析表明在早第三纪发生了4次大滑塌，都对应于主要低水面期。更新世冰期时海平面下降约100m，陆架和陆坡的静水压力降低约1000kPa，使天然气水合物的稳定深度下降约20m。这可能是当时在世界范围内普遍发生陆缘滑坡的原因。天然气水合物与海底滑坡的可能联系在世界各地都有报道，重新研究陆缘的地震剖面和地层数据，分析在天然气水合物稳定深度内的浅层构造现象，将可能找到更多地质历史中存在天然气水合物的证据。

天然气水合物又叫可燃冰，具有清洁，热效率高，便于运输，开采技术成熟等优点，应用的前景还是非常广阔的。天然气水合物的形成条件不是低温就是高压，所以地球上存在可燃冰的地方大多在海里。而我国对于开采可燃冰有一定的技术基础。开采了以后由于是液态，所以运输储存比气体的运输储存方便的多，而且也更安全。现在可以通过技术把普通天然气处理成水合物，也是非常有应用价值的，比如西气东输工程如果把天然气变成液态，那效率提升的就不是一点半点了。总体来说天然气水合物储存技术是一项新兴的技术，目前处于研究发展阶段。但它的发展与应用必将带动相关工业链的发展，产生巨大的经济效益和社会效益。

从20世纪80年代开始，人类认识到水合物在未来可能替代石油和天然气，成为新的重要能源。全球范围内，对水合物的科学研究与钻采试验仍在持续探索，对赋存在稳定温压带中的水合物可能规模经济开采，正在逐步达成共识。2001年，加拿大在北部冻土带钻采试验，首次证实了水合物开采的经济可行性；2013年，日本在南海海槽开展首次水合物开采测试，从海床下330m水合物层获得11.9×104m3天然气，估算资源量1.1×1012m3；2013年，中国完成南海北陆天然气水合物钻探工作，在海底浅表层以下10m范围松散软泥中，获得了水合物直接证据。如何尽快突破水合物开采技术难关，将具有巨大资源潜力的水合物资源转化成工业产量，需加强3个方面攻关研究：一是落实商业资源规模，在我国以研究基础较好的南海陆坡水合物为重点，开展温压稳定带烃源供给评价，加强相对粗粒储集体相带的识别，通过钻采试验明确海底水合物分布规律和经济资源潜力；二是加强核心技术攻关，钻一批地质调查参数井，取全、取准评价所需的关键参数，逐渐形成“甜点区”综合评价方法，攻克制约水合物商业开发的关键瓶颈技术；三是加强环境风险研究，目前试验的“减压法”开采存在引发地质灾害的危险，甲烷气体的温室效应是二氧化碳的20倍以上，诸多环境问题将直接影响水合物的规模开发。水合物的规模商业开采，可能是继“页岩气革命”后的又一新能源革命，超前研发具有重要意义。

天然气水合物又叫可燃冰，具有清洁，热效率高，便于运输，开采技术成熟等优点，应用的前景还是非常广阔的。天然气水合物的形成条件不是低温就是高压，所以地球上存在可燃冰的地方大多在海里。而我国对于开采可燃冰有一定的技术基础。开采了以后由于是液态，所以运输储存比气体的运输储存方便的多，而且也更安全。现在可以通过技术把普通天然气处理成水合物，也是非常有应用价值的，比如西气东输工程如果把天然气变成液态，那效率提升的就不是一点半点了。总体来说天然气水合物储存技术是一项新兴的技术，目前处于研究发展阶段。但它的发展与应用必将带动相关工业链的发展，产生巨大的经济效益和社会效益。