甲烷冰(可燃冰)的詳細(xì)介紹

甲烷冰(可燃冰)的描述
甲烷氣水包合物（Methane clathrate），也稱作甲烷水合物、甲烷冰或可燃冰，為固態(tài)形式的水于晶格（水合物）中包含大量的甲烷。最初人們認(rèn)為只有在太陽系外圍那些低溫、常出現(xiàn)冰的區(qū)域才可能出現(xiàn)，但后來發(fā)現(xiàn)在地球上許多海洋洋底的沉積物底下也含有大批的蘊(yùn)藏量。
甲烷氣水包合物在海洋淺水生態(tài)圈中是常見的成分，他們通常出現(xiàn)在深層的沉淀物結(jié)構(gòu)中，或是在海床處露出。甲烷氣水包合物據(jù)推測是因地理斷層深處的氣體遷移，以及沉淀、結(jié)晶等作用，于上升的氣體流與海洋深處的冷水接觸所形成。
在高壓下，甲烷氣水包合物在 18 °C 的溫度下仍能維持穩(wěn)定。一般的甲烷氣水化合物組成為 1 穆爾的甲烷及每 5.75 穆爾的水，然而這個比例取決于多少的甲烷分子「嵌入」水晶格各種不同的包覆結(jié)構(gòu)中。據(jù)觀測的密度大約在 0.9 g/cm³。一公升的甲烷氣水包合物固體，平均來講，包含 168 公升的甲烷氣體（在標(biāo)準(zhǔn)溫度／壓力(STP)下）。
甲烷形成一種結(jié)構(gòu)一型水合物，其每單位晶胞內(nèi)有兩個十二面體（20 個端點因此有 20 個水分子）和六個四面體(tetrakaidecahedral)（24 個水分子）的水籠結(jié)構(gòu)。其水合值 （hydratation value）20 可由 MAS NMR 來求得。[1] 甲烷氣水包合物頻譜于 275 K 和 3.1 MPa 下記錄，顯示出每個籠形都反映出峰值，且氣態(tài)的甲烷也有個別的峰值。

甲烷冰(可燃冰)天然存量
已確定與推測中可能有甲烷冰蘊(yùn)藏的大陸棚海域。資料來源：USGS甲烷氣水包合物受限于淺層的巖石圈內(nèi)（即 < 2000 m 深）。此外，發(fā)現(xiàn)在一些必要條件下，惟獨(dú)在極地大陸的 沉積巖，其表面溫度低于 0 °C，或是在水深超過 300 m ，深層水溫大約 2 °C 的海洋沉積物底下。大陸區(qū)域的蘊(yùn)藏量已確定位在西伯利亞和阿拉斯加 800 m 深的砂巖和泥巖床中。海生型態(tài)的礦床似乎分布于整個大陸棚（如圖），且可能出現(xiàn)于沉積物的底下或是沉積物與海水接觸的表面。他們甚至可能涵蓋更大量的氣態(tài)甲烷。
海洋生成
有兩種不同種類的海洋存量。最常見的絕大多數(shù)（> 99%）都是甲烷包覆于結(jié)構(gòu)一型的包合物，而且一般都在沉淀物的深處才能發(fā)現(xiàn)。在此結(jié)構(gòu)下，甲烷中的碳同位素較輕（δ13C  < -60‰），因此指出其是微生物由 CO2 的氧化還原作用而來。這些位于深處礦床的包合物，一般認(rèn)為應(yīng)該是從微生物產(chǎn)生的甲烷環(huán)境中原處形成，因為這些包合物與四周溶解的甲烷其 δ13C 值是相似的。
這些礦床座落于中深度范圍的區(qū)域內(nèi)，大約 300-500 m 厚的沉積物中（稱作氣水化合物穩(wěn)定帶(Gas Hydrate Stability Zone)或 GHSZ），且該處共存著溶于孔隙水的甲烷。在這區(qū)域之下，甲烷只會以溶解型態(tài)存在，并隨著沉積物表層的距離而濃度逐漸遞減。而在這之上，甲烷是氣態(tài)的。在大西洋大陸脊的布雷克海脊，GHSZ 在 190 m 的深度開始延伸至450 m 處，并于該點達(dá)到氣態(tài)的相平衡。測量結(jié)果指出，甲烷在 GHSZ 的體積占了 0-9% ，而在氣態(tài)區(qū)域占了大約 12% 的體積。
在接近沉積物表層所發(fā)現(xiàn)較少見的第二種結(jié)構(gòu)中，某些樣本有較高比例的碳?xì)浠衔镩L鏈（<99% 甲烷）包含于結(jié)構(gòu)二型的包合物中。其甲烷的碳同位素較重（δ13C 為 -29 至 - 57 ‰），據(jù)推斷是由沉積物深處的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)熱分解后形成甲烷而往上遷移而成。此種類型的礦床在墨西哥灣和里海等海域出現(xiàn)。
某些礦床具有介于微生物生成和熱生成類型的特性，因此預(yù)估會出現(xiàn)兩種混合的型態(tài)。
氣水化合物的甲烷主要由缺氧環(huán)境下有機(jī)物質(zhì)的細(xì)菌分解。在沉積物最上方幾公分的有機(jī)物質(zhì)會先被好氧細(xì)菌所分解，產(chǎn)生 CO2，并從沉積物中釋放進(jìn)水團(tuán)中。在此區(qū)域的好氧細(xì)菌活動中，硫酸鹽會被轉(zhuǎn)變成硫化物。若沉淀率很低（< 1 公分／千年）、有機(jī)碳成分很低（<1%），且含氧量充足時，好氧細(xì)菌會耗光所有沉積物中的有機(jī)物質(zhì)。但該處的沉淀率和有機(jī)碳成分都很高，沉積物中的孔隙水僅在幾公分深的地方是缺氧態(tài)的，而甲烷會經(jīng)由厭氧細(xì)菌產(chǎn)生。此類甲烷的生成是更為復(fù)雜的程序，需要各個種類的細(xì)菌活動、一個還原環(huán)境（Eh -350 to -450 mV），且環(huán)境 pH 值需介于 6 至 8 之間。在某些海域（例如墨西哥灣）包合物中的甲烷至少會有部份是由有機(jī)物質(zhì)的熱分解所產(chǎn)生，但大多是從石油分解而成。[4] 包合物中的甲烷一般會具有細(xì)菌性的同位素特征，以及很高的 δ13C 值（-40 to -100‰），平均大約是 -65 ‰ 。[5] 在固態(tài)包合物地帶的下方處，沉積物里的大量甲烷可能以氣泡的方式釋放出來。
在給定的地點內(nèi)判定該處是否含有包合物，大多可以透過觀測「海底仿擬反射」（Bottom Simulating Reflector，或稱BSR）分布，以震測反射（seismic reflection）的方式來掃描洋底沉積物與包合物穩(wěn)定帶之間的接口處，因而可觀測出一般沉積物和那些蘊(yùn)藏包合物沉積物之間的密度差異。

甲烷冰(可燃冰)蘊(yùn)藏量
海洋生成的甲烷包合物，蘊(yùn)藏量鮮為人知。自從 1960 至 1970 年代，包合物首次發(fā)現(xiàn)可能存在海洋中的那段時期，其預(yù)估的蘊(yùn)藏量就每十年以數(shù)量級的概估速度遞減[9]。曾經(jīng)預(yù)估過的蘊(yùn)藏量（高達(dá) 3×1018 m³[10]）是建構(gòu)在假設(shè)包合物非常稠密地散布在整片深海海床上。然而，隨著我們對包合物化學(xué)和沉積學(xué)等知識進(jìn)一步的了解，發(fā)現(xiàn)水合物只會在某個狹窄范圍內(nèi)（大陸棚）的深度下形成，以及某些地點的深度范圍內(nèi)才會存在（10-30%部分的 GHSZ 區(qū)），而且通常是在低濃度（體積的0.9-1.5%）的地點。最新的估計強(qiáng)制采用直接取樣的方式，指出全球含量介于 1×1015 和 5×1015 m³ 之間[9]。這個預(yù)估結(jié)果，對應(yīng)出大約 500 至 2500 個十億噸單位的碳 (Gt C)，比預(yù)估所有礦物燃料的 5000 Gt C數(shù)量還少，但整體上卻超過所預(yù)估其它天然氣來源的約 230 Gt C[9][11]。在北極圈的永凍地帶，其儲藏量預(yù)估可達(dá)約 400 Gt C[12]，但在南極區(qū)域并未估出可能的蘊(yùn)藏量。這些是很大的數(shù)字。相較于大氣中的總碳數(shù)也才大約 700 個 Gt C[13]。
這些近代的估計結(jié)果，與當(dāng)初人們以為包合物為礦物燃料來源時（MacDonald 1990, Kvenvolden 1998）所提出的 10,000 to 11,000 Gt C （2×1016 m³），數(shù)量上明顯的要少。
包合物藏量的縮減，并未使其失去經(jīng)濟(jì)價值，但縮減的整體含量和多數(shù)產(chǎn)地明顯過低的采集密度[9]，的確指出僅限某些地區(qū)的包合物礦床才能提供經(jīng)濟(jì)上的實質(zhì)價值。

甲烷冰(可燃冰)的商業(yè)用途
沉淀物生成的甲烷水合物含量可能還包含了 2 至 10 倍的目前已知的傳統(tǒng)天然氣量。這代表它是未來很有潛力的重要礦物燃料來源。然而，在大多數(shù)的礦床地點很可能都過于分散而不利于經(jīng)濟(jì)開采[9]。另外面臨經(jīng)濟(jì)開采的問題還有：偵測可實行的儲藏區(qū)、以及從水合物礦床開采甲烷氣體的技術(shù)開發(fā)。在日本，已進(jìn)行一項研發(fā)計劃，預(yù)計要在2016年進(jìn)行商業(yè)規(guī)模的開采[14]。2006 年八月，中國大陸宣布計劃，耗資 8000 萬元（1000 萬美元）在未來的十年內(nèi)研究天然氣水化合物[15]。而另一個富潛力的經(jīng)濟(jì)儲藏區(qū)于墨西哥灣，可能更包含了大約 1010 m3 的甲烷資源。

甲烷包合物與氣候變化
甲烷是一種很強(qiáng)的溫室氣體，盡管它在大氣中的生命周期大約 12 年，但 20 年后所產(chǎn)生全球暖化潛勢（Global Warming Potential; GWP）值可達(dá) 62 甚至 100 年后仍有 21 的數(shù)值（IPCC, 1996; Berner and Berner, 1996; vanLoon and Duffy, 2000）。在甲烷包合物礦床內(nèi)，大量的天然氣從中瞬間釋放的現(xiàn)象，有科學(xué)家們假設(shè)這會導(dǎo)致像過去和未來可能發(fā)生的氣候變化。與此現(xiàn)象相關(guān)的事件有二迭紀(jì)／三迭紀(jì)滅絕事件（Permian-Triassic extinction event），以及古／始新世極暖時期（Paleocene-Eocene Thermal Maximum ）。

天然氣水合物 (NGH) 與 液化天然氣 (LNG) 的運(yùn)送方法
由于甲烷包合物比液化天然氣還能夠在較高的溫度下（−20 vs −162 °C）保持穩(wěn)定，因此有些人想到，也許藉由航運(yùn)船只（專門運(yùn)送的液態(tài)瓦斯運(yùn)輸船）運(yùn)送時，可以將天然氣轉(zhuǎn)換成包合物態(tài)而不是液態(tài)。而且依此方式，由天然氣制造天然氣水合物并不用像制造液態(tài)天然氣那樣需要在末端建置大型工廠。

參考資料:維基百科