解读大热的可燃冰（1）：可燃冰是什么？它是怎么形成的？

[编者按] 5月18日中共中央、国务院电贺我国海域天然气水合物试采成功。随之媒体铺天盖地的报道，手机刷爆了屏幕。那么到底可燃冰是什么？其发展前景如何？中国在可燃冰研究与开发的水平所处的位置如何？等等这些问题，笔者将发表系列文章，以便让广大读者朋友对可燃冰有一个比较清楚的了解。

1.可燃冰是什么？

可燃冰，又称天然气水合物(Gas drates)，也有称甲烷水合物(Methane hydrate)，是类似于冰的天然气和水的组合体，在自然界中天然形成的，数量巨大。一个可燃冰分子中，其水大约占85%，水分子与甲烷形成结晶的晶体，这种晶体稳定，甲烷分子被水分子包围。水分子形成空腔由甲烷分子充填。在甲烷型可燃冰中，为了保存稳定，这些空腔至少有70%是由甲烷分子所充填。实际上，这个充填率通常高达95%以上。

(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)

(from FrozenHeart)

在海底或者极地地区之下沉积物中发现的甲烷型天然气水合物在高压和低温下是稳定的。几乎没有人看到过固体天然气水合物。不仅是它们位于气候恶劣且人通常难以到达的极地地区，而且还由于它们被取出到地表后很快就融化分解了，分解成液态水和气态甲烷。

(from Lasse Amundsen & Martin Landdro)

下面贴出几张国外发布的相关几张图片，以便大家对可燃冰世界研究与发展进展有个印象，随后进行相关报道。

永久冻土带中天然气水合物稳定区(Source: Courtesy SEG)

海洋中天然气水合物稳定区

目前已知的世界可燃冰分布区

全球可燃冰资源及其分布情况(Source:Johnson, 2011)

天然气水合物研究主要里程碑(from Frozen Heart)

2002年，加拿大在北极地区进行生产测试(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年第二个冬季MH21测试情况。这次测试中，MH21井连续生产5.5天，累计生产13000立方米，比2007年第一个冬季陆上生产测试获得470立方米要多的多。

国外海上测试情况(from Frozen Heart)

2.可燃冰是怎么形成的？

在高压和低温条件下，只要有足够的甲烷和水，就能自然形成可燃冰(甲烷气水合物，以后没有特别指出，可燃冰就是只天然气水合物，天然气水合物就是可燃冰)。甲烷本身是通过埋藏在沉积物中有机碳分解而产生的，这些甲烷会向上运移。在合适的条件下，这些甲烷与水结合，就会形成天然气水合物。

在天然气水合物稳定区(Gas Hydrate Stablity Zone，简写GHSZ)，天然气水合物可以自然形成，在那个埋深下，压力和温度条件都是适合天然气水合物形成的。准确的GHSZ在什么地方以及其分布范围则取决于当地的条件。

在北极地区，气候寒冷，具有很厚的永久冻土带(permafrost)，典型的GHSZ顶部大概在地表以下300到400米左右，通常出现在永久冻土带的中部区域。在相对厚的永久冻土带地区，GHSZ常常可以延展到永久冻土带基底以下500米以上(图1)。

图1 永久冻土带—永久冻土带背景下天然气水合物稳定区(GHSZ)。压力-温度相边界(理想化的)以绿色曲线显示，当地地温梯度(假设的)是以红色表示的。在永久冻土带，GHSZ一般在埋深100到300米开始，可以延展到永久冻土带以下数百米深(典型的在150到600米深)。来源：Courtesy SEG。

图2 海洋—在海洋沉积物中，GHSZ开始在300到600米以下，可以延展到数百米厚。海洋的GHSZ厚度取决于海底水温(典型的是3～4℃)、盐度、地温梯度和深度。来源：CourtesySEG。

在海洋或者内陆深湖中，300到500米甚至更多深的水下面，压力很高，GHSZ的顶部也可以出现在水柱中，其基底在海底以下也有一定的厚度(图2)。

只有在满足天然气水合物稳定要求的压力与温度的地方，才有可能出现天然气水合物。如果仅压力和温度是觉得因素，那么整个海洋沉积物中将会随处可见天然气水合物。实际上，除了适当的压力与温度条件外，还需要有足够多的水和甲烷。因此，天然气水合物实际上只出现在GHSZ(图3)。

图3 部分天然气水合物研究区域。黄色方块表示历史上重大的天然气水合物研究地点，这些地方在沉积物表面以下50米深度以上采集过天然气水合物。根据遥感卫星研究，已经推测世界其它很多地方都存在天然气水合物。尽管分布广泛，但是天然气水合物还是主要集中在甲烷富集的地方，而这些地方通常是靠近大陆或者在大陆上。(Figure modified from Ruppel et al. 2011).

天然气水合物中甲烷来自于有机物质的分解，死亡植物与动物残留物或者遗体。当微生物消耗有机物质时，同时有作为废弃物排出的甲烷，这些就是生物成因的甲烷(图4)。热演化产生的甲烷来自于地球表面以下很深的部位，那里压力高，温度也高，埋藏的有机物质，不断地生成甲烷以及石油油气等。

图4 墨西哥湾北部海底天然气水合物露头。这个天然气水合物显橘红色，主要是由于少量油的存在。这个天然气水合物露头有粉色的“甲烷冰虫”寄生。这些虫(1997年被发现)一般2～4厘米长，生活在水合物上面，以细菌为生 (Fisheret al., 2000)。

在浅层沉积物中，有机碳通过微生物分解，同时生成甲烷。当埋深达到一定深度时，这些有机碳则通过热分解产生甲烷(图5)。有机碳本身既不是均匀分布，也不是一直分布在同一个地方。例如，在当今，海洋沉积物中的有机碳大约有90%分布在靠近大陆的相对浅水的下面沉积物中(Hedgesand Keil 1995; Buffett and Archer 2004)。

图5 沉积的有机物质演化。沉积的有机物质逐渐被微生物分解，也不断地在热力和压力条件下进行热演化，或者埋藏更深，或者暴露地表进行碳循环。微生物分解产生的甲烷(也称为“生物成因”)和热演化分解产生的甲烷，通过覆盖的沉积物与流体一起缓慢地运移，或者沿着断层或其它渗透途径快速运移。随着甲烷饱和度增加和温度下降，过量的甲烷(达到饱和后无法溶解的甲烷)在天然气水合物稳定基底(BGHS)之下形成气泡。在BGHS之上，过量的甲烷通常形成甲烷水合物(天然气水合物)，但是也有形成气泡的。

请关注后续报道：

可燃冰系列（2）——哪里可以找到可燃冰？

可燃冰系列（3）——人类何时、怎么发现可燃冰的？

可燃冰系列（4）——可燃冰在自然界中的作用与角色？

可燃冰系列（5）——可燃冰是潜在的能源资源吗？

可燃冰系列（6）——全球可燃冰的资源有多少？

可燃冰系列（7）——人类掌握了开采可燃冰的技术吗？能够经济开采吗？

可燃冰系列（8）——开采可燃冰对环境有什么影响？

可燃冰系列（9）——我们真的需要开采可燃冰吗？

可燃冰系列（10）——可燃冰真的能成为全球能源中的一部分吗？

可燃冰系列（11）——可燃冰未来展望

作者：震旦能源

来源：第一电动网