甲烷水合物 （重定向自甲烷氣水包合物）甲烷因加热释放而燃烧，水分溢出（美国地质调查所）。 嵌入图：包合物结构 (Uni. Gttingen, GZG. Abt. Kristallographie). 来源：美国地质调查所另一种甲烷气水包合物结构:甲烷被十四面体（tetrakaidecahedral，24 个水分子） 的水笼结构。 甲烷气水包合物（Methane clathrate），也称作甲烷水合物、甲烷冰、天然气水 合物或可燃冰1，为固体形态的水于晶格（水合物）中包含大量的甲烷。最初 人们认为只有在太阳系外围那些低温、常出现冰的区域才可能出现，但后来发 现在地球上许多海洋洋底的沉积物底下，甚至地球大陆上也有可燃冰的存在， 其蕴藏量也较为丰富。 甲烷气水包合物在海洋浅水生态圈中是常见的成分，他们通常出现在深层的沉 淀物结构中，或是在海床处露出。甲烷气水包合物据推测是因地理断层深处的 气体迁移，以及沉淀、结晶等作用，于上升的气体流与海洋深处的冷水接触所 形成。 在高压下，甲烷气水包合物在 18 C 的温度下仍能维持稳定。一般的甲烷气水化合物组成为 1 摩尔的甲烷及每 5.75 摩尔的水，然而这个比例取决于多少的甲 烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。据观测的密度大约在 0.9 g/cm。一升的甲烷气水包合物固体，在标准状况下，平均包含 168 升的甲烷气体。 甲烷形成一种结构一型水合物，其每单位晶胞内有两个十二面体（20 个端点因 此有 20 个水分子）和六个十四面体（tetrakaidecahedral，24 个水分子）的水笼 结构。其水合值（hydratation value）20 可由 MAS NMR 来求得。2甲烷气水包 合物频谱于 275 K 和 3.1 MPa 下记录，显示出每个笼形都反映出峰值，且气态 的甲烷也有个别的峰值。 天然存量已确定与推测中可能有甲烷冰蕴藏的大陆棚海域。资料来源：USGS 甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内（即 2000 m 深）。此外，发现在一些 必要条件下，惟独在极地大陆的沉积岩，其表面温度低于 0 C，或是在水深超 过 300 m，深层水温大约 2 C 的海洋沉积物底下。大陆区域的蕴藏量已确定位 在西伯利亚和阿拉斯加 800 m 深的砂岩和泥岩床中。海生型态的矿床似乎分布 于整个大陆棚（如图），且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的 表面。他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷。3形成条件与分布规律天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源，必须有低温或高压条件， 这决定了它的特殊分布。从目前来看，天然气水合物主要分布在地球上两 类地区：一类地区是水深为 300m4000m 的海洋，在这里，天然气水合物 基本是在高压条件下形成的，主要分布于海底以下 01500m 的松散沉积层 中；另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深 100250m 以下极地陆 架，在这里，天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。 水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中，水合物要么是 以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒，要么是以结核状、团块状和薄 层状的集合体形式赋存于沉积物中，还可能以细脉状、网脉状充填于沉积 物的裂隙之中。根据研究，生成天然气水合物的气体主要来自于沉积物中 微生物对有机质的分解，个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机 质的热分解。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。水合物的 生成非常迅速，最近德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有 水合物生成。但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。 从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于 世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地，以及一些内陆海。 例如，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本 海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域 及新西兰北岛外海，东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚-俄勒冈 岸外海域及秘鲁海槽，大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、 墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海，以及非洲西海岸岸外海域、 印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔 海、内陆的黑海和里海等。已有发现说明，海洋天然气水合物主要分布在 北半球，且以太平洋边缘海域最多，其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成 天然气水合物的最佳地区，这里沉积物较容易发育，有机质丰富，以甲烷 为主的气体来源充足，有利于天然气水合物生成。 调查和研究意义天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到 新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灾 害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等，并有可能对地质学、 环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。 能源 天然气水合物作为未来潜在能源，具有分布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规 模大、能量密度高、洁净等特点，是地球上尚未开发的最大未知能源库。尽管目前还不具备开采海洋天然气水合物的技术条件，但许多科学家相信它最有希望成 21 世纪最理想的、具有商业开发前景的新能源。 一、分布广泛 据推算，世界上占海洋总面积 90%的海域具有天然气水合物形成的温压条件； 据调查，世界天然气水合物矿藏的面积可达全部海洋面积的 30%以上。目前，实际 上在所有海洋边缘水深大于 300500m 的大陆斜坡上均已发现了天然气水合物， 在一些海洋边缘的深水海台或盆地的浅部地层中也都直接或间接地发现有天然气水 合物，在极地冻土带和极地陆架海也发现有天然气水合物，证明天然气水合物分布 十分广泛。据初步研究，我国东海陆坡和南海陆坡及盆地具备天然气水合物的成矿 条件和找矿前景，其中南海西沙海槽、台湾东南陆坡已发现天然气水合物存在的地 球物理标志。 二、资源量巨大 天然气水合物是全球第二大碳储库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源 潜力巨大。据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为 （1.82.1）1016m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的 2 倍， 也就是说，水合物中碳的总量是地球已知化石燃料中碳总量的两倍。即使是针对某 一个国家，其海域水合物资源量也是巨大的。例如，美国海域天然气水合物资源量 约有 5663 亿立方米，其蕴藏的天然气资源量约有 92 万亿立方米，可以满足美国 未来数百年的需要。 1 立方米可燃冰可以释放出 0.81 立方米的水和 164 立方米的天然气：三、埋藏浅 与常规石油和天然气比较，天然气水合物矿藏埋藏较浅，有利于商业开发。 在深海，水合物矿藏赋存于海底以下 01500 米的沉积层中，而且多数赋存于自 表层向下厚数百米（500800 米）的沉积层中；在加拿大西北 Mackenzie 三角洲 永冻土带，水合物矿藏赋存于 810.11102.3 米处，含天然气水合物地层厚 111 米。 四、规模大 天然气水合物矿层一般厚数十厘米至数百米，分布面积数万到数十万平方公 里，单个海域水合物中天然气的资源量可达数万至数百万亿立方米，规模之大，是 其它常规天然气气藏无法比拟的。这里可以略举几个例子。美国东部大陆边缘有一 个 30 海里100 海里的布莱克海台，其水合物蕴藏的天然气资源量非常巨大，相 当于约 180 亿吨油当量，按美国目前年消耗量计算，能够满足美国未来 105 年的 需要；美国南、北卡罗莱纳州岸外还有两个海域，面积相当于罗得岛州，水合物蕴 藏的天然气估计有 1300 万亿立方英尺，相当于美国 1989 年天然气消耗量的 70 倍还多。加拿大 Vancouver 岛大陆坡的天然气水合物资源量也十分丰富，其蕴藏的 天然气估计约 10 万亿立方米，按加拿大目前年消耗量计算，可满足加拿大未来 200 年的需要；加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区也蕴藏着丰富的水合物资 源，其储量是美国布莱克海台的 10 倍。日本静冈县御前崎近海水合物蕴藏的天然 气储量达 7.4 万亿立方米，可满足日本未来 140 年的需要。 五、能量密度高 天然气水合物的能量密度极高。在标准状态下，水合物分解后气体体积与水 体积之比为 164:1，也就是说，一个单位体积的水合物分解至少可释放 160 个单位 体积的甲烷气体。这样的能量密度是常规天然气的 25 倍，是煤的 10 倍。 六、洁净 天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷，它比常规天然气含有更少的杂 质，燃烧后几乎不产生环境污染物质，因而是未来理想的洁净能源。 生成和分解都有可能产生灾害天然气水合物的生成和分解都有可能产生灾害。主要有以下三种灾害： 一、油气管道堵塞 在高纬度永冻土带及极地地区，水合物的生成可以堵塞诸如油井、油气管道等 油气生产设施，从而构成灾害。 二、海底滑坡 在海底，天然气水合物是极其脆弱的，轻微的温度增加或压力释放都有可能使 它失稳而产生分解，从而影响海底沉积物的稳定性，甚至导致海底滑坡。海底滑坡 会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施构成危害。 三、海水毒化 一旦海底天然气水合物因突发因素而失稳分解，大量的甲烷气体将进入海水， 结果是海水被还原，造成缺氧环境，进而引起海洋生物大量死亡，甚至导致生物绝 灭事件发生。 天然气水合物的合成与分解实验：调查的技术手段目前，天然气水合物调查的技术手段较多，如地震地球物理探查、电 磁探测、流体地球化学探查、海底微地貌勘测、海底视像探查、海底热流 探查、海底地质取样、深海钻探等，但这些技术手段都不够成熟，有待进 一步探索和完善。 地震地球物理探查 沉积物中水合物对声波都很灵敏。地震调查正是利用了水合物的这一 声学特征。地震地球物理探查包括高频共深点法地震探查和高频地震剖面 探查。高频地震剖面探查是天然气水合物的主要调查手段。地震地球物理 探查可以有多种技术方法，如船载深水高分辨率数字地震方法、船载单道 地震方法、大孔径海底地震检波法、垂直地震剖面法等。这些方法的理论 依据与声纳技术基本相同。多道地震方法是探测深海天然气水合物的常用 技术方法，也是目前最有效的技术方法。它是利用强脉冲声源和许多道接 受器探测来自海底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是数字 记录、分辨率高、费用高、探测埋深不大。 单道地震反射法是美国、加拿大探测深海天然气水合物的技术方法之 一，但不常用。它是利用强脉冲声源（如气枪）和单道接受器探测来自海 底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是探测深、分辨率低、 费用少。 海底地震检波法是在海底安置大孔径地震检波器，接收来自次海底地 质界面的反射信号。垂直地震剖面法是在钻井的不同深度安置地震检波器。 这些方法的分辨率很高，费用也很高，主要用来估算天然气水合物的富集 率和评价天然气水合物资源量。 流体地球化学探查 在海洋环境中，水合物富集区甲烷等烃类气体的微量渗逸可在海底沉 积物、海底和海水中形成烃类异常或其它异常效应。通过对底质沉积样孔 隙水（或间隙水）及近海底水样的测试，分析甲烷浓度异常等地球化学指 标和富含重氧的菱铁矿等标志矿物，探测与天然气水合物有关的地球化学 异常，圈定水合物可能存在的地球化学异常区。 微地貌勘测与海底视象探查 通过船载深水多波束技术及海底电视摄像技术，探测海底地形地貌，分析并圈出与水合物可能有关的特殊构造（可视为水合物的地貌标志）的 分布范围。 海底热流探查 采用海底热流探测技术，测定海底温度，计算地温梯度。目的是：分 析水合物成藏条件；反演水合物稳定层底界面的埋深。 海底地质取样与深海钻探 地质取样技术是发现水合物的直接手段，也是验证其它方法所得调查 成果的必要手段。地质取样技术的另外目的是：分析天然气水合物产状 （脉状、团块状、结核状、星点状）及赋存方式；测试水合物中气体成分 及其有关成因参数；计算水合物的充填率；估算水合物的资源量。 中国研究的重要进展南海北部采样 2007 年 5