分子结构复杂的可燃冰：超99%都是甲烷分子

【摘要】分子结构复杂的可燃冰：超99%都是甲烷分子

出品：科普中国

制作：中国地质图书馆（中国地质调查局科普办公室）徐梦华刘澜章茵

监制：中国科学院计算机网络信息中心

国土资源部中国地质调查局今天（5月18日）在南海宣布，我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功，这也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。随后，新华社受权发布了《中共中央国务院对海域天然气水合物试采成功的贺电》。

此次可燃冰试采成功使我国勘察和开采的核心技术得到验证，也标志着中国在这领域的综合实力达到世界顶尖水平。

可燃冰身为何物

20世纪30年代，天然气作为一种燃料开始被广泛使用，人们铺设了输气管道，但管道经常被奇怪的“冰块”堵塞，科学家为了解决这一难题，对这些“冰块”的结构和成份进行了分析，在1934年，由前苏联科学家发现这些冰块是天然气和水混合而成的，并称之为天然气水合物，就这样，可燃冰被人们意外地发现了。

可燃冰是由天然气和水在高压低温状态下形成的固体结晶物质，学名是天然气水合物，英文名为Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate。其化学方程式为CH4?8H2O，外貌多为白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，能被直接点燃，故形象地称之为“可燃冰”。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，能被直接点燃，故形象地称之为“可燃冰”。

其分子结构非常复杂，但这其中超过99%的都是甲烷分子，因而易被点燃，也可以说可燃冰就像一个天然气的压缩包，包含数量巨大的天然气。据理论计算，1立方米的可燃冰可释放出164立方米的甲烷气和0.8立方米的水。而且燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，不会像煤炭和石油产品燃烧时释放出粉尘、硫化物、氮氧化物等环境污染物，所以被誉为21世纪最理想的清洁能源。

笼状结构

可燃冰身在何处

可燃冰的形成必须具备四个条件。一是温度，生成可燃冰的温度不能太高，也不能太低，适宜温度是0—10℃之间，最高限是20℃。二是压力，形成可燃冰需要足够的压力，但也不能太大，在零度时，30个大气压以上就可。三是气源，“巧妇难为无米之炊”，丰富的天然气是可燃冰的重要组成部分。四是适量的水，这也是形成可燃冰不可或缺的成分。四个条件缺一不可。

可燃冰在陆域和海域均有分布，而海底可燃冰的分布范围要比陆地大很多，据科学家大致估计，可燃冰分布的陆海比例为1：100，大约27%的陆地，包括极地冰川冻土带和冰雪高山冻结岩，以及90%的大洋水域是可燃冰的潜在区。陆地可燃冰分布较少是因为除了永久冻土层，其他地方很少像海底一样具备可燃冰形成的条件，而在海底300-500米的沉积物中都可能具备。

可燃冰发展历程

我国海域可燃冰探寻阔步向前

目前，国际上确定天然气水合物的技术手段第一种是通过对地球物理资料的解释确定，如获得地震拟海底反射（BSR）标志，BSR是一种声反射面，指的是含气水合物的沉积物和其下伏不含气水合物之间的声反射界面，而在海洋环境中气水合物是稳定的，所以分析这种反射界面是判断是否存在天然气水合物的一个重要标志。第二种标志是典型的海底甲烷渗漏（即冷泉）反射特征，由于天然气水合物的主要成分就是甲烷，所以在海底监测到大量甲烷气体渗漏也是判断天然气水合物存在的重要标志。

1999年，广州海洋局派出“奋斗五号”船实施了首次针对水合物的高分辨多道地震调查，由此掀开了我国海域水合物调查的序幕。通过调查，在南海北部陆坡西沙海域首次发现了水合物存在的重要标志——似海底反射（BSR）。成果报送国务院后，时任国务院副总理温家宝批示“在南海发现天然气水合物存在的似海底反射波，意味着这类新资源在我国零的突破（2000年）”。我国于2002年正式批准设立天然气水合物资源勘查专项。从此，我国正式踏上了大规模、多学科、多手段开展天然气水合物资源调查的艰辛历程。

2002-2015年间，我国相继在南海北部陆坡的西沙、东沙、神狐和琼东南海域开展了天然气水合物资源调查及研究工作，并取得了一系列勘探成果和理论突破。

2007年4-6月，广州海洋地质调查局首次在南海北部神狐海域成功实施8个站位钻探，其中3个站位获得了天然气水合物实物样品，所获得的样品甲烷含量高达99.7%以上，点火即可燃烧。这一发现是我国首次在南海海域获取天然气水合物实物样品，证实了南海存在良好的水合物资源前景。

这是一次战略性的突破，使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得天然气水合物实物样品的国家，也意味着我国海域天然气水合物资源调查正式跻身国际水合物勘探的先进行列。

2013年6月1日~9月8日，广州海洋地质调查局在珠江口盆地实施了第二次天然气水合物钻探。此次钻获了大量高纯度的新类型天然气水合物实物样品，样品中甲烷含量最高达到99%，呈块状、脉状、分散状等多种类型，主要赋存于水深600-1100米的海底以下220米以内的两个矿层中，具有埋藏浅、厚度大、类型多、含矿率高、甲烷纯度高等五大特点，在国际上罕见。该发现首次在我国南海获取了可视的块状天然气水合物实物样品。这一新发现，填补了我国海域可视水合物的空白，极大地丰富了我国海域水合物的赋存类型，是继2007年钻探航次后发现的新的水合物赋存类型，具有重大勘探实践意义和重要的科学研究价值，是我国海域水合物资源调查勘探一个里程碑式的重大突破。

2015年6月~9月，广州海洋地质调查局再次在神狐海域实施23口天然气水合物钻探井，这次的命中率达到了100%，23口井全部发现天然气水合物，水合物矿体厚度大、储量大，呈高饱和度特征。钻井控制矿藏面积128平方千米，控制资源量超过1500亿立方米，圈出10个规模较大的矿体，其中通过钻探取芯落实的2个大型矿体，此次钻探还首次发现Ⅱ型天然气水合物，与深部油气密切相关，对指导油气勘探具有重要意义。这次钻探为海域天然气水合物实验性开采提供了重要参考靶区，标志着我国海域天然气水合物资源调查已达到世界先进水平。

同年，广州海洋地质调查局利用地球物理资料在神狐邻近海域发现了典型的海底甲烷渗漏（即冷泉）反射特征，继而利用我国自主研发的“海马号”水下机器人（ROV）进行海底观测和实时甲烷测定，发现了大量化能自养的冷泉生物——菌席、贻贝类、管状蠕虫、蟹等组成的大型冷泉生态系统和大量沉淀于高碱度环境的冷泉碳酸盐岩，证实了巨型冷泉群——海马冷泉区的存在。同时，在海马冷泉区进行了目标精准的大型重力活塞取样，直接在海底浅表层采获渗漏型天然气水合物实物样品。海底观测和取样的结果验证了前期勘查研究中对海底渗漏型水合物分布预测的正确性，在南海海域水合物资源富集规律及与冷泉有关的海底生态系统认识上取得新突破，对后续钻探部署具有重要的指导意义。

2017年5月18日，我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续超过7天的稳定产气，取得天然气水合物试开采的历史性突破。