[科普中国]-世界三极都有可燃冰的身影

昨天，中国全球首次海域可燃冰试开采成功标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。从1934年可燃冰的意外发现到昨天试开采成功，可燃冰经历了80多年研究和探索。

对可燃冰的科学预见，最早是在试验室里完成的。Debray根据大量的数据总结出气体水合物稳定的定律：“在给定的温度下，所有可分解成固体和气体的固态物质都有一个确定的分解压力，其随温度而变化。”对于可燃冰而言，可以表述为：“某种可燃气体与水在一定温度和一定压力下形成可燃冰。一般随温度升高，形成可燃冰所需要的压力增大；形成可燃冰最高的温度为20℃，超过20℃，多大的压力都不能使可燃冰形成。”

可燃气体与水是形成可燃冰的物质条件，高压与低温是形成可燃冰的物理条件。如甲烷气水合物的形成过程就是，水与甲烷充分存在的条件下，在0℃环境中形成可燃冰只需要3个大气压；或者在1个标准大气压的环境中形成可燃冰需要的温度要低于-76℃。目前，人类观察到地球上最低温度为-91.2℃，所以在南极大陆上3780米高的富士冰穹上，若有丰富的甲烷气，可在地表常压下形成可燃冰。

图1 地球第三极（作为世界屋脊的青藏高原），/谷歌影像

可燃冰储量丰富：遍布地球三极

地表温度在冰点上的地区，集中在地球的三极：北极、南极和第三极。北极的极端低温可达到-70℃，南极的极端低温可估计达到-91.2℃（是地球上自然存在的最低温度！），第三极的极低温度也达到-60℃。这三极，都发育着常年冻土、万年冰川。而冻土或冰川内部，其深部的温度比表层夏季时温度还要低。至于大气压，基于上面的认识，海水在200米深时就可达到3个大气压，岩石在其深度100米左右时也能达到3个大气压！可以预见，在极地地区深200米的海域或深100米的陆域，就具备了形成可燃冰物理条件。

目前已经发现，极区存在着丰富的可燃冰！通过学者们对北极、南极地区的可燃冰的甲烷资源量进行估算，在北极地区，麦索亚哈气田资源量达0.062万亿立方米，阿拉斯加北坡为0.71至4.47万亿立方米，马更些-波弗特海为1.0至10万亿立方米，普拉德霍湾Eileen地区为1.0至1.2万亿立方米，北极群岛地区则多达19至620万亿立方米；在南极地区，南设得兰陆缘的资源量为2.6万亿立方米,南极近海资源量则多达9.7至16.3万亿立方米；在地球第三极，面积仅二百多万平方公里，也已发现可燃冰的存在。2008年，中国地质调查局已钻获可燃冰样品，随后进行了试开采试验，在2011年开采出了可燃冰，点燃了天然气（图2）！

图2 祁连山木里地区水合物试采成功点火 /张永勤 提供

不过，这些资源量仅是局部地区的研究成果。要知道，南极大陆面积是1390万平方千米，北极地区的面积2100万平方米，绝大部分地区还是人迹罕至的无人区，还未深入探索研究。

除此以外，世界大型、超大型天然气矿床也存在着大量的可燃冰资源：世界上海洋中最大的气田为卡塔尔的北穹隆气田，探明的储量为2.75万亿立方米；陆地上最大的气田为俄罗斯的乌连戈伊气田，探明储量为8.06万亿立方米；我国闻名于世的苏里格特大型气田探明储量只有0.5万亿立方米！我们相信极地的地上冰之下存在着地下冰，并且是可燃冰！

可燃冰分解：造成灾难性地质灾害

可燃冰不仅有能量意义，其环境作用也值得重视。因1立方米的甲烷水合物分解后，可释放出约164立方米的天然气，因此随着体积膨胀，在封闭环境中会产生极大的压力，这可能导致爆炸。

图3 西伯利亚亚马尔半岛的巨坑 /引自英国《每日邮报》

近年，在西伯利亚亚马尔半岛（Yamal）发现的神秘大坑，其直径数十米、深数十米，坑壁陡立，呈圆桶状，就是可燃冰分解爆炸而成（图3）；同在西伯利亚的1908年通古斯大爆炸，有学者认为是陨石袭击导致，也有人认为是可燃冰爆炸造成；位于西伯利亚的贝加尔湖，其南部在1912年5月22日发生的地震，出现了三次水下喷发，每次喷出了几俄丈高的水柱和大量的气体，并导致底栖于深处的贝加尔油鱼和其他鱼类大量死亡！1997年，国际贝加尔湖钻探项目实施，发现了湖底存在大量的可燃冰。据此，有人推测地震导致地下压力释放降低，可燃冰分解而爆炸而喷出水柱。可见，可燃冰分解有可能造成灾难性的地质灾害。

可燃冰分解：造成气候灾害

与引起点状的地质灾害相比，可燃冰在分解过程中也向大气排放温室气体，可能影响了区域气候的变化，造成气候灾害。贝加尔湖在冬天形成的美丽的冰冻气泡，可能就是可燃冰分解排气的天然记录。最近，在祁连山木里可燃冰赋存地区以及青藏高原许多湖泊中也发育了大量的冰冻气泡（图4）。

图4 祁连山木里地区湖泊中的冰冻气泡 摄影/郭友钊

碳卫星观测发现，极地大气中的甲烷柱浓度相对较低，可能是低温环境中的冰层以及地下可燃层对地球排气作用有抑制效应有关。但处于极地的边缘，在岛状冻土发育地区，温度不仅影响到地上的冰层，也影响地下的可燃冰层。温度升高，雪线海拔升高，冰川退缩，冰盖面积减少，冰层减薄；与此同时，地下的冻土层减薄，可燃冰稳定带随之变薄而分解，向大气排气，增加了大气中温室气体的含量。

吴昊等人研究表明，青藏高原东缘甲烷含量对大气结构有影响，并左右了暴雨的形成，这导致川西地区发生洪涝灾害；徐康等人认为，近50年来我国东部夏季降水量与贝加尔湖地表气温年代际变化有关，而百年以来贝加尔湖地区是全球变暖最显著的地区，也是可燃冰分解严重的地区。

第三极的主体位于我国境内，清楚地认识它，是我们义不容辞的责任。另外，我国的科学家也已在南极、北极开展调查研究工作，逐年在积累极地地上冰、地下可燃冰等的科学资料。未来，我们相信在能源领域和环境领域，可燃冰均将有重大的发现，为人类的共同生存与可持续发展贡献着我们的智慧与力量。

参考资料

王平康，祝有海，赵越，等．极地天然气水合物勘探开发现状及对中国的启示．《极地研究》，2014年，第26卷第4期。