科学网天然气水合物的环境效应

wenghuaxian 2017-05-25

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随着中国首次海域天然气合物（可燃冰）试采成功，可燃冰进入公众视线，那么可燃冰究竟是什么，它的环境效应如何呢？

天然气水合物结构

天然气水合物是气体分子与水在低温、高压条件下形成的类冰状的非化学计量的笼型结晶水合物，其主体分子（水分子）在空间上呈笼型结构分布，故又称笼型水合物。

在适当的压力和温度条件下，“主体”水分子在氢键作用下形成大小和形状不同的多面体“笼”型结构，“客体”分子（气体分子）通过范德华力填充在“笼”（又称“孔穴”）中，形成不同类型的气体水合物，其分子式可以用M·_nH₂O来表示。

式中，M代表“客体”气体分子，n为水合指数（即水分子数），M通常为甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）、丁烷（C₄H₁₀）等同系物和二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）、硫化氢（H₂S）等其中的一种或多种组成（Sloan, 1998）。

根据水分子构成的不同多面体，目前已发现天然气水合物主要分为三种不同的结构类型：Ⅰ型、Ⅱ型和H型。图1给出了天然气水合物的三种晶体结构及其组成的示意图（Sloan, 2003），它们分别包容数目不等的水分子和气体分子，其结构参数见表1（孙志高等，2001; Sloan, 2003）。

图1 Ⅰ型、Ⅱ型和H型水合物结构图

表1 三种类型天然气水合物晶体结构参数对照表

天然气水合物基本性质

天然气水合物为冰状固体，俗称“可燃冰”主要赋存于具有低温、高压环境的世界海洋大陆边缘和高纬度冻土带。目前，自然界中已发现的天然气水合物，其气体组成多以甲烷为主，故也称为甲烷水合物，其外貌类似冰雪，点火可燃烧。

从颜色看，天然气水合物多呈白色或浅灰色。从化学结构来看，天然气水合物的构成特点为：由水分子搭成像笼子一样的多面体格架，以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件及气体组成，形成不同的多面体格架。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，电介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重要标志。

天然气水合物具有多孔性，硬度和剪切模量小于冰，压实的天然气水合物密度略小于冰的密度，热传导率和电阻率远小于冰的热传导率和电阻率。天然气水合物属于沉积矿产。从埋藏天然气水合物的沉积层看，这些地层主要形成于新生代，而且以上新世的沉积层居多。除此之外，始新世、中新世、渐新世以及第四纪沉积层中也发现有天然气水合物，含天然气水合物的沉积层具有独特的构造特征。

根据现有资料，含天然气水合物的沉积层构造可分为块状构造、脉状构造、透镜状拟层状构造、斑状构造和角砾状构造。

天然气水合物的能量密度极高。在常温常压下，天然气水合物会发生分解，析出水，释放气体。在标准状态下，1m³的天然气水合物可释放出约164m³的天然气和0.8m³的水，这样的能量密度是常规天然气的2～5倍，是煤的10倍。由此可见，单位体积的天然气水合物燃烧所能发出的热量远远大于煤、石油和天然气，因此它可作为一种比石油、天然气更洁净的气体燃料。

天然气水合物环境效应显著

天然气水合物与地球环境密切相关。一方面，天然气水合物是一种洁净能源，其主要气体组成是甲烷，合理地开发和利用水合物的天然气资源，将会极大地减轻当前传统能源消费所带来的环境污染等负面影响。

另一方面，作为一种温室效应比较严重的气体，不合理的开采可能使甲烷逃逸到大气中，将对全球气候变化以及海洋生态环境产生灾难性的影响。此外，由于开采不当引起的水合物大规模地分解可能引发海底天然气的快速释放和沉积层液化，导致海底滑坡、重力流和海啸等地质灾害，对海洋工程造成毁灭性的破坏。因此，天然气水合物资源是一柄，“双刃剑”它在为人类带来丰富的可利用资源的同时，也存在着潜在的不可逆转的环境破坏（Kvenvolden, 1993, 1995），这是水合物开采利用过程中必须考虑的关键问题。

温室效应

天然气水合物是地壳浅部一个不稳定的碳库，是全球碳循环链中一个重要的组成部分。天然气水合物的存在在较大层面上牵制了大气中温室气体含量的激增，在岩石圈、水圈和大气圈的碳循环中起到了重要作用（MacDonald, 1990；Paull and Dillon, 2001; Kvenvolden and Lorenson, 2013）。

但是自然界中，天然气水合物稳定性与其所赋存的地层条件密切相关，温度和压力的微小变化就可能引起水合物分解，释放出的甲烷气体将从过饱和的海水中逸出并进入大气。甲烷是一种活动性强的温室气体，其温室效应比等质量的二氧化碳大20倍，所以，一旦大量的甲烷气体从水合物中释放出来，可能导致全球变暖和冰川、冰盖的融化。

但是，有关区域尺度定量模拟天然气水合物分解可能进入大气的甲烷通量的研究还很少，大气中有多少甲烷是来自分解的水合物并不确定。全球天然气水合物中蕴含的甲烷资源量大约是大气圈中甲烷量的3000倍，当天然气水合物分解产生的甲烷进入大气圈中数量达到大气甲烷总量的0.5%时，会明显加速全球变暖的进程（Katz et al.,1999）。

海底滑坡

海底沉积物中，天然气水合物形成时能够在孔隙中产生一种胶结作用，当天然气水合物以固体状态存在时，能将沉积物颗粒胶结在一起，使原来较为疏松的结构变得致密，增强了地层的内聚力和摩擦角（蒋国盛等, 2002）。

当天然气水合物分解时，会产生大量的气体和水，将导致地层胶结作用丧失和孔压急剧增大，甚至导致地层液化，诱发井壁失稳、滑坡、塌陷等工程事故与灾害，从而对海底的管道、电缆等工程设施及开采工程构筑物与周围环境造成严重影响,如图2所示。当天然气水合物处于失稳状态时，由于其通常分布于大陆架外缘陆坡和陆隆沉积物中，其坡度都达到或超过海底滑坡的一般坡度，此时一旦受地震或者沉积载荷增大等因素触发，仅依靠沉积物的自重，便可引起海底滑坡。挪威著名的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。

图2 海底天然气水合物不当分解可能导致的环境效应

海洋化学和海洋生物环境污染

海洋天然气水合物开采会带来更多环境问题。同进入海洋中的其他物质一样，水合物释放出来的甲烷在沉积物-海水-大气系统中，也会发生一系列的迁移和转化作用。

海水中的甲烷会影响海洋生态，甲烷进入海水中后会发生较快的有氧或无氧氧化作用，影响海水的化学性质；甲烷气体的有氧氧化作用会消耗海水中大量的氧气，使海洋形成缺氧环境，从而给海洋微生物的生长发育带来危害，一些喜氧生物群落将会萎缩，甚至导致一些深海物种消失，生物礁退化，海洋生态平衡破坏；甲烷气体的无氧氧化作用会消耗掉海水中大量的硫酸根离子，产生大量硫化氢离子，促使海水酸化；如果进入海水中的甲烷量特别大，还可能造成海水汽化，甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用，严重危害海面作业甚至海域航空作业。

采用注化学试剂法开采水合物过程中，需要添加一些酒精、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、氯化钙等化学试剂，这些化学试剂的渗漏可能给海洋环境造成严重污染，造成海洋化学成分污染，海洋生物食物链中断和一些海洋生物的绝灭，陆地上使用这些化学剂，也会造成局部地区地下水资源的污染。因此，天然气水合物的研究不仅具有重要的能源战略意义，也具有重要环境意义。