[科普中国]-气体水合物

水合物是水和天然气的物理(非化学)上的混合物，它是在压力和温度远远高于水的凝固点条件下形成的。这些水合物是水晶固体，是自由水中的天然气在所谓的“水合物温度”或低于这个温度时形成的。水合物的形成与在露水点温度或低于这个温度时水蒸气的冷凝过程是不同的，但是冷凝水的确提供了水合物形成所必须的系统中的自由水。

储存情况人们通常见到的主要能源都是可以直接燃烧的煤炭、石油和天然气，难以想到蕴藏在海底的冰块晶体形式的甲烷水合物居然也是“可燃的”。尽管火焰与冰块是“水火不相容”的一对组合，然而世界各地陆续发现了海底天然气水合物。这种甲烷水合物物质同样可以燃烧发热。它使越来越多的科学家相信，未来洁净能源的最大部分将来自海底。由于天然气水合物具有能量高(1立方米水合物可释放164立方米甲烷气)、分布范围广、埋藏深度浅、规模储量巨大等特点，专家普遍认为它将成为21世纪的新型能源。据初步估算，全球天然气水合物资源量相当于现有煤炭、石油和天然气总量的两倍，约为10亿亿～12亿亿立方米，足够人类使用数万年。从地理和产地来看，这些资源绝大部分分布在水深大于300米的海底之下。

只有海底的温度、压力条件合适，甲烷冰才能在深水陆坡区的钙质沉积、硅质沉积和深海黏土中生成。沉积物一旦出现这种甲烷冰，就形成不透水、不透气的隔离层。该层底下沉积中的甲烷气就无法泄漏逃逸，从而使这种隔离层成为天然气矿藏的“封闭层”。由于甲烷气无法在常温常压下存在，取到海面上的甲烷冰会立刻变成水和气，所以不能用常规地质方法对它进行钻探和取样，而只能采用先进的声波探测技术对它勘查和使用高保真技术进行采样来保持它的原生状态。

尽管世界各国学者计算的天然气水合物资源量不尽一致，250万亿至7.6亿立方米不等，但它是一种巨大的潜在能源却是公认的。比较统一的估算结果大约相当于2.1亿亿～4亿亿立方米的甲烷量。调查比较详细，发现具有勘探开发远景的主要地区有：北美大陆架边缘卡罗来纳州近海布莱克海台(储量42万亿～52.5万亿立方米，可满足美国105年的天然气需求)、俄勒冈州Cascadia海隆区、日本列岛周缘海域(甲烷资源量为7.4万亿立方米，可满足日本100年的能源需求)、西太平洋沙茨基海岭、黑海周围海域、南大西洋新西兰北岛东岸近海、澳大利亚东部近海蒙勋爵海台、印度西海岸阿拉伯海域、韩国东南部近海郁龙盆地，中国南海神狐海域、西沙海槽、东海冲绳海槽和台湾岛西南海域等。1

发展现状从20世纪80年代开始。随着深海大洋钻探的相继实施和发现，天然气水合物研究以俄罗斯、美国、德国、加拿大、荷兰等国家为主，进入多学科、多方法的综合发展阶段。这一阶段的主要研究成果如下。

①通过同位素和流体地球化学的研究，确定天然气水合物的成矿气体主要是微生物成因。

②指出了天然气水合物的稳定性对大气甲烷含量的影响问题。

③开发出三种开采天然气水合物的方法(热激化法、减压法和注入抑制剂法)，并发现了第三种H型结构的天然气水合物。

④对全球天然气水合物资源量有了基本统一的估算，认识到它是岩石圈浅部碳的主要储集体。

⑤相继发现了与天然气水合物有关的海底滑坡和滑塌，提出了全球气候变化对海底和极地天然气水合物的不同影响。

20世纪90年代，随着世界各地发现的天然气水合物矿点的增多和人们对此种水合物认识的进一步加深，对天然气水合物的研究在世界范围内迅速扩大，除上述几个国家外，日本、英国、挪威、印度、中国和韩国等也纷纷加入这一研究行列。天然气水合物的理论研究朝着更为精深的方向发展，其主要表现是新技术、新方法的大量使用和集中在资源、环境和全球气候三方面的研究成果。

①面对如此巨量的海底能源资源，资源量评价成为此领域研究的最主要内容。利用多道地震反射的真振幅、层速度分析和测井资料分析等一系列地球物理与地球化学综合方法，对海底天然气水合物与下伏游离气体的资源量进行了计算，各地的资源量计算更为准确。

②海底地质灾害是天然气水合物研究的重要内容之一，主要有两方面：一是自然分解引起的地质灾害；二是由钻井在钻进过程中引起水合物分解，导致甲烷大量释放而造成的环境破坏。

③尽管天然气水合物的形成与分解对全球气候的影响尚有许多不确定性，但一些事实表明，这种影响的确存在。近海地区天然气水合物中圈闭着3000倍于大气中的甲烷量，如此巨量的甲烷一旦大规模地释放出来，必将对大气的组成和热辐射性质产生重大影响，从而使全球气候发生灾难性变化。1

物理性质由于气体水合物的结构是研究水合物组成、相平衡热力学和反应动力学等性质的基础，因此，对水合物结构的研究仍在继续进行之中，对其结构的洋细情况的了解也在不断地完善和深入，对气体水合物结构的认识同时也促进了气体水合物理论的发展。X射线、电介体技术、核磁共振以及远红外线等技术的应用也为研究水合物结构提供了更趋完备的技术手段。

水合物的一个显著特点是其组成的不确定性，其组成取决于体系的温度、压力以及共存的流体相组成。由于在实验中无法将水合物从体系中分离出来，因此不能采用热分解的方法准确测定水合物的组成。Miller和Strong用化学平衡常数的间接方法计算水合物的水合数(即水合物中平均每个客体分子周围的水分子数)。Cady采用一个简单的玻璃实验装置测定了氯气等水合物在常压下0℃时的水合物，但对于精确测定较高压力下的水合物组成还有一定困难，大多采用热力学理沦模型计算实际的水合物组成。水合物的密度一般大于1.0g/cm3除热膨胀和热传导性质外，其光谱性质、力学性质及传递性质同冰相似。2

化学性质气体水合物与冰、含气体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每克水需要0.5～0.6kJ的热量；③结冰或形成水合物时水体积均增大一前者增大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水合物；⑤冰与气体水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。2

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学