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大家是否还记得数月前刷屏的新闻报道“我国在南海首次试开采可燃冰成功”？可燃冰到底是什么？它的试开采成功何以被国内外媒体争相报道？今天我们试着揭开可燃冰的神秘面纱，去了解它的前世今生。 一 可燃冰基本介绍 可燃冰，看起来如晶似玉，美丽不可方物。 可燃冰到底是什么？可燃冰，学名甲烷水合物，是气体水合物的一种。在低温高压条件下，低碳数(一般而言碳数≤5)的烷烃、二氧化碳、硫化氢等小分子气体与水会形成类冰状结晶物质，当参与形成过程的气体分子为甲烷时，形成的水合物为甲烷水合物即可燃冰。 有个成语叫“买椟还珠”，如果说水分子形成的笼型结构是“椟”的话，那么进入笼型结构内的气体分子就是一粒粒放入“椟”内的“珍珠”了。 根据水分子形成的不同的笼型结构，天然气水合物主要分为I型、II型和H型三种水合物（图1）： I型水合物为46个水分子结合形成2个小笼和6个大笼，小笼为正五边形十二面体(512)，大笼为两个对置的六边形和在他们中间排列的12个五边形构成的十四面体(51262)，笼内分子多为甲烷、二氧化碳等小分子气体； II型水合物为136个水分子形成16个小笼和8个大笼，小笼为稍有变形的五边形十二面体(512)，大笼为12个五边形和4个六边形构成的球形六面体(51264)，笼内分子多为甲烷乙烷的混合气或者丙烷； H型水合物最初是在实验室内合成的，包含由34个水分子形成的3个小笼，2个中笼和1个大笼，小笼为正五边形十二面体(512)，中笼为扁球形的十二面体(435663)，大笼为扁球形的二十面体(51268)，笼内分子多为戊烷和小分子烷烃的混合物。 I型水合物比II型、H型水合物在自然界的分布更广泛，但II型、H型水合物的存在比I型水合物更稳定。  图1 天然气水合物的笼型结构示意图 （参考文献：Hester, K. C., & Brewer, P. G. (2009). Clathrate hydrates in nature. Annual review of marine science, 1, 303-327.） 由于可燃冰内的气体分子为甲烷，燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，污染比煤、石油等现有主流能源小很多，但储能比远大于煤、石油。此外，可燃冰储量巨大，所含有机碳总数相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍，被国际公认为未来的替代能源。 由于水合物的生成需要低温高压条件，到目前为止在自然界发现的水合物多存在于极地、永久冻土区及深海海底沉积物中。我国的水合物分布在祁连山永久冻土带、南海神狐海域等几个区域。 国土资源部专家表示，经过长达15年的调查和预测，在我国南海地区预计有680亿吨油当量的可燃冰；在我国青海地区发现350亿吨标准油当量的天然气水合物，在青藏高原尚有相当可观的未探明储量的可燃冰资源。 从另一方面讲，甲烷的温室效应是二氧化碳的二十倍，当可燃冰的稳定存在条件变化后，可燃冰会分解并释放大量甲烷，从而引起气候变化。 二 可燃冰如何形成 可燃冰的形成需要稳定的低温高压环境，这正是可燃冰多分布在永久冻土带、海底沉积物区的原因。形成可燃冰另一个条件是需要稳定的气源：只有存在稳定的气源补充，可燃冰才得以生成并存在。 天然气水合物的气源成因一般有两种：热成因和生物成因。当沉积物底部存在油气藏时，底部重烃受热裂解成小分子烷烃并向上扩散，为天然气水合物的生成提供气源。当沉积物内部富含有机物时，沉积物内部的生物地球化学反应会生成甲烷，并向上渗漏为天然气水合物的生成提供气源。 大家知道，游离态气体分子的热运动往往都比较强烈，水分子如何捕获气体分子进而形成天然气水合物的呢？关于天然气水合物的生成、分解等动力学机制研究，大多通过实验室内模拟装置进行。到现在为止，已有众多科学家提出了理论模型用以解释天然气水合物的生成及分解过程。大体说来，天然气水合物生成过程分为三个阶段：溶解，诱导，成长。 溶解阶段是天然气溶解于水形成气-液界面的过程，该阶段为水合物的形成条件；诱导阶段为水合物的凝固形成过程，为水合物的成核阶段；成长阶段为晶核的稳定成长过程，热量和质量在三相(水、水合物和游离气)平衡传递，微小的水合物粉末逐渐生长为结晶状天然气水合物。 天然气水合物的动力学机制搞清楚之后，对我们有什么帮助呢？在了解天然气水合物动力学过程之后，我们就可以在一定程度上控制天然气水合物的生成及分解过程，这对可燃冰的开采及之后的运输至关重要。 三 可燃冰的勘探 天然气水合物犹如绝世珍宝埋藏在深海，我国南海同样埋藏着大量的可燃冰。那么现阶段国际上都有哪些可燃冰的勘探开采技术，我国对可燃冰的开采利用技术又处于什么梯队呢？下面笔者将进行详细介绍。 对天然气水合物矿藏的识别，现阶段主要依靠地球物理识别标志，地球化学识别标志，海底地质识别标志三方面进行识别。毫无疑问，地球物理技术是水合物识别最核心的技术。似海底反射层(Bottom Simulation Reflector, BSR)是基于地震的识别技术，由于含气水合物的沉积物和下伏不含气水合物的反射率不同，在两者之间会形成声反射界面，再结合其他地球物理探测技术，从而可以大致判断出天然气水合物的埋藏情况。 当前识别天然气水合物的另一种重要技术手段就是地球化学方法，这种方法可以有效弥补地球物理方法带来的多解性，还可以进一步分析天然气水合物的成分、物化特性及形成演变机制等。另一种方法是海底地质识别方法，在深海一些特殊的地质结构往往意味着天然气水合物的存赋。 在中科院战略性先导科技专项的支持下研发的基于深海ROV的拉曼光谱原位定量探测系统，已经在海底冷泉、热液等极端区域的原位探测及海洋化学分析领域得到广泛应用，并且成为海底天然气水合物原位探测及动力学过程原位研究的一大利器。在以往的海试过程中，已经取得了一些较为理想的成果。 1. 在我国南海首次发现裸露于海底的天然气水合物。如图2所示，在冷泉溢流口附近生物群落下发现了表层天然气水合物，并成功获得了天然气水合物样品的深海原位拉曼光谱，拉曼光谱数据表明其为标准的I型水合物。  图2 冷泉溢流口附近的表层水合物 2. 为了研究冷泉溢流口附近环境对天然气水合物生成和分解过程的影响，在我国南海冷泉考察期间，利用冷泉喷口流体中的气体首次原位生成了天然气水合物，并通过深海激光拉曼光谱探测系统对冷泉溢流口附近原位快速生成水合物的过程进行了拉曼光谱探测，如图3所示。在原位拉曼光谱数据基础上，提出了天然气水合物快速形成的初步解释，对天然气水合物的形成机制进行了有效的补充。  图3 冷泉溢流口附近的溢流气体快速生成天然气水合物及拉曼光谱原位探测 3. 利用冷泉喷口流体中的气体生成的天然气放置在冷泉喷口附近，并通过坐底长期观测系统进行了长达21天的连续观测，全程记录了天然气水合物分解过程，这对研究天然气水合物的稳定存在条件及分解过程具有极为重要的参考价值。 四 可燃冰的开采 随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面，传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进；新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注；最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面，全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。 可燃冰作为重要的可替代能源，同时作为作为一种重要的碳元素，犹如深海珍珠一般等待着我们前去探索。经过数十年的稳步发展，我国海底天然气水合物勘探及开采技术已经步入国际前列，相信在不久的将来，一定能将深藏海底的明珠采撷归来！ （文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn） 大院热门文章top榜 点击文章标题，可直接阅读哦~ 7、中国人第一次用自己的望远镜找到新脉冲星！FAST首秀实力不俗 9、全世界望远镜共同见证双中子星合并 多信使天文学时代正式开启  科学大院 ID：kexuedayuan 从此，爱上科学~ |
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