可燃冰：由沉船坠机的百慕大恶魔到能源新贵科學頭條網

近日，我国海域天然气水合物（又称可燃冰）第二轮试采成功。在水深1225米的南海神狐海域，创造了“产气总量86.14万立方米，日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录，给全国人民送上一份捷报。

那么可以燃烧的冰块到底长啥样？有啥用呢？

“可燃冰”的真实身份

天然气水合物也称“可燃冰”，是冰状的晶体矿物，由低分子量气体（如甲烷、乙烷或二氧化碳）与水在低温和高压条件下结合形成。其中大多数由甲烷（CH4）形成，所以“天然气水合物”也可称为“甲烷水合物”。

因为天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，可像酒精块一样被点燃，所以人们叫它“可燃冰”。由于海底的高压，所以可燃冰中的甲烷被高度压缩，1立方米的可燃冰约包含了164立方米的天然气。海床表面沉积的可燃冰如图1所示，由于海底温度压力的波动，可燃冰表面不断释放甲烷气泡。

图1 沉积在海底的可燃冰（来自INSPIRE）

通常天然气水合物会被海洋沉积物覆盖，埋藏在海床的浅层，在海底形成土丘状堆积，如图2所示。

图2 天然气水合物矿床（来自NOAA）

当土丘发生破坏后，其边缘可以看到暴露出的天然气水合物，如图3所示。在黑色鱼的左侧，可以看到气泡从突出物下方冒出，经年累月形成多孔结构。

图3 沉积物覆盖的橙黄色天然气水合物（来自NOAA）

图4中可以看到另一种颜色的天然气水合物，这是因为其中微生物的颜色不同。在照片中可见不断释放的天然气泡流。

图4 “可燃冰”释放甲烷气泡（来自NOAA）

“可燃冰”的形成

海洋中的甲烷主要通过两种方式形成：热成因和生物成因。当海底深处的有机物被地热降解时产生的甲烷称为热成因甲烷；当海底的古生菌的吃掉有机物质时，会产生生物甲烷。由于海底压力高、温度低，在这种条件下，水分子在甲烷分子周围结冰，就会形成甲烷水合物即可燃冰，如图5所示。图中左上为可燃冰结构，中心的绿、灰色分子是甲烷，四周的红色分子为水。

图5 燃烧的冰块（来自INSPIRE）

图6说明了天然气水合物的形成条件。在该温度——深度图上，甲烷水合物在紫色曲线的左侧能够稳定存在。水深每增加100米，压力增加约10兆帕。蓝色曲线表示实际测量的海洋温度。沉积物温度是根据海底油井温度数据估算的。由图可知，天然气水合物从海面600米深处以下，直到海床沉积物的浅层都能够稳定存在。

图6 天然气水合物存在条件（来自C. Ruppel）

在合适的压力和温度范围内，甲烷以这种水合物的形式可以稳定的存储很长时间。但是一旦温度或压力发生改变，水合物将变得不稳定，迅速释放大量的甲烷气体。根据美国能源部的数据，一立方米的天然气水合物一旦提取，就会释放164立方米的常规天然气和0.8立方米的水，可燃冰就像一个天然气的“超级压缩包”。

“可燃冰”有啥用

我国是世界上最大的石油和天然气进口国。2007-2018年，我国天然气消费量年均增长190.7亿立方米，天然气产量年均增长82.8亿立方米，供应缺口不断扩大，天然气进口量年均增长达107.9亿立方米。能源对于经济发展和国家安全的重要性不言而喻。由于国际形势动荡不安，我们必须通过寻找替代燃料来源，以加强能源安全。

天然气水合物（可燃冰）具有极大的发展潜力。据统计，全球天然气水合物矿床中所含的碳大约是煤炭、石油和常规天然气总储量中的两倍，是极具潜在有价值的能源。中国的天然气水合物（可燃冰）储量相当于约1000亿吨石油，其中800亿吨位于南中国海，如果能有效开采，对于我国的能源自给起到巨大的保障作用。

“可燃冰”的开发难度

如前所述，甲烷水合物是在狭窄的压力/温度窗口内形成的。如果改变了海底的压力/温度条件，这些水合物可能会迅速从固体变成气体，甲烷体积膨胀164倍，引发事故。

有科学家认为，百慕大三角、日本龙三角海域经常出现沉船或坠机事件，元凶就是海底可燃冰产生的巨大甲烷气泡。当海底发生猛烈的地震活动时，可燃冰会因外界压力减轻迅速汽化。巨大的气泡上升并膨胀，使海水失去浮力，此时经过这里的船只，就会像石头一样沉入海底。如果此时正好有飞机经过，当甲烷气体遇到灼热的飞机发动机时，会立即燃烧爆炸，导致坠机。