你以為可燃冰只在海里有？世界三極都有它的身影

昨天，中國全球首次海域可燃冰試開採成功標誌著我國成為全球第一個實現了在海域可燃冰試開採中獲得連續穩定產氣的國家。從1934年可燃冰的意外發現到昨天試開採成功，可燃冰經歷了80多年研究和探索。

對可燃冰的科學預見，最早是在試驗室里完成的。Debray根據大量的數據總結出氣體水合物穩定的定律：「在給定的溫度下，所有可分解成固體和氣體的固態物質都有一個確定的分解壓力，其隨溫度而變化。」對於可燃冰而言，可以表述為：「某種可燃氣體與水在一定溫度和一定壓力下形成可燃冰。一般隨溫度升高，形成可燃冰所需要的壓力增大；形成可燃冰最高的溫度為20℃，超過20℃，多大的壓力都不能使可燃冰形成。」

可燃氣體與水是形成可燃冰的物質條件，高壓與低溫是形成可燃冰的物理條件。如甲烷氣水合物的形成過程就是，水與甲烷充分存在的條件下，在0℃環境中形成可燃冰只需要3個大氣壓；或者在1個標準大氣壓的環境中形成可燃冰需要的溫度要低於-76℃。目前，人類觀察到地球上最低溫度為-91.2℃，所以在南極大陸上3780米高的富士冰穹上，若有豐富的甲烷氣，可在地表常壓下形成可燃冰。

圖1 地球第三極（作為世界屋脊的青藏高原），/谷歌影像

可燃冰儲量豐富：遍布地球三極

地表溫度在冰點上的地區，集中在地球的三極：北極、南極和第三極。北極的極端低溫可達到-70℃，南極的極端低溫可估計達到-91.2℃（是地球上自然存在的最低溫度！），第三極的極低溫度也達到-60℃。這三極，都發育著常年凍土、萬年冰川。而凍土或冰川內部，其深部的溫度比表層夏季時溫度還要低。至於大氣壓，基於上面的認識，海水在200米深時就可達到3個大氣壓，岩石在其深度100米左右時也能達到3個大氣壓！可以預見，在極地地區深200米的海域或深100米的陸域，就具備了形成可燃冰物理條件。

目前已經發現，極區存在著豐富的可燃冰！通過學者們對北極、南極地區的可燃冰的甲烷資源量進行估算，在北極地區，麥索亞哈氣田資源量達0.062萬億立方米，阿拉斯加北坡為0.71至4.47萬億立方米，馬更些-波弗特海為1.0至10萬億立方米，普拉德霍灣Eileen地區為1.0至1.2萬億立方米，北極群島地區則多達19至620萬億立方米；在南極地區，南設得蘭陸緣的資源量為2.6萬億立方米,南極近海資源量則多達9.7至16.3萬億立方米；在地球第三極，面積僅二百多萬平方公里，也已發現可燃冰的存在。2008年，中國地質調查局已鑽獲可燃冰樣品，隨後進行了試開採試驗，在2011年開採出了可燃冰，點燃了天然氣（圖2）！

圖2 祁連山木里地區水合物試采成功點火 /張永勤 提供

不過，這些資源量僅是局部地區的研究成果。要知道，南極大陸面積是1390萬平方千米，北極地區的面積2100萬平方米，絕大部分地區還是人跡罕至的無人區，還未深入探索研究。

除此以外，世界大型、超大型天然氣礦床也存在著大量的可燃冰資源：世界上海洋中最大的氣田為卡達的北穹隆氣田，探明的儲量為2.75萬億立方米；陸地上最大的氣田為俄羅斯的烏連戈伊氣田，探明儲量為8.06萬億立方米；我國聞名於世的蘇里格特大型氣田探明儲量只有0.5萬億立方米！我們相信極地的地上冰之下存在著地下冰，並且是可燃冰！

可燃冰分解：造成災難性地質災害

可燃冰不僅有能量意義，其環境作用也值得重視。因1立方米的甲烷水合物分解後，可釋放出約164立方米的天然氣，因此隨著體積膨脹，在封閉環境中會產生極大的壓力，這可能導致爆炸。

圖3 西伯利亞亞馬爾半島的巨坑 /引自英國《每日郵報》

近年，在西伯利亞亞馬爾半島（Yamal）發現的神秘大坑，其直徑數十米、深數十米，坑壁陡立，呈圓桶狀，就是可燃冰分解爆炸而成（圖3）；同在西伯利亞的1908年通古斯大爆炸，有學者認為是隕石襲擊導致，也有人認為是可燃冰爆炸造成；位於西伯利亞的貝加爾湖，其南部在1912年5月22日發生的地震，出現了三次水下噴發，每次噴出了幾俄丈高的水柱和大量的氣體，並導致底棲於深處的貝加爾油魚和其他魚類大量死亡！1997年，國際貝加爾湖鑽探項目實施，發現了湖底存在大量的可燃冰。據此，有人推測地震導致地下壓力釋放降低，可燃冰分解而爆炸而噴出水柱。可見，可燃冰分解有可能造成災難性的地質災害。

可燃冰分解：造成氣候災害

與引起點狀的地質災害相比，可燃冰在分解過程中也向大氣排放溫室氣體，可能影響了區域氣候的變化，造成氣候災害。貝加爾湖在冬天形成的美麗的冰凍氣泡，可能就是可燃冰分解排氣的天然記錄。最近，在祁連山木里可燃冰賦存地區以及青藏高原許多湖泊中也發育了大量的冰凍氣泡（圖4）。

圖4 祁連山木里地區湖泊中的冰凍氣泡 攝影/郭友釗

碳衛星觀測發現，極地大氣中的甲烷柱濃度相對較低，可能是低溫環境中的冰層以及地下可燃層對地球排氣作用有抑制效應有關。但處於極地的邊緣，在島狀凍土發育地區，溫度不僅影響到地上的冰層，也影響地下的可燃冰層。溫度升高，雪線海拔升高，冰川退縮，冰蓋面積減少，冰層減薄；與此同時，地下的凍土層減薄，可燃冰穩定帶隨之變薄而分解，向大氣排氣，增加了大氣中溫室氣體的含量。

吳昊等人研究表明，青藏高原東緣甲烷含量對大氣結構有影響，並左右了暴雨的形成，這導致川西地區發生洪澇災害；徐康等人認為，近50年來我國東部夏季降水量與貝加爾湖地表氣溫年代際變化有關，而百年以來貝加爾湖地區是全球變暖最顯著的地區，也是可燃冰分解嚴重的地區。

第三極的主體位於我國境內，清楚地認識它，是我們義不容辭的責任。另外，我國的科學家也已在南極、北極開展調查研究工作，逐年在積累極地地上冰、地下可燃冰等的科學資料。未來，我們相信在能源領域和環境領域，可燃冰均將有重大的發現，為人類的共同生存與可持續發展貢獻著我們的智慧與力量。

參考資料

王平康，祝有海，趙越，等．極地天然氣水合物勘探開發現狀及對中國的啟示．《極地研究》，2014年，第26卷第4期。

出品：科普中國

製作：中國地質圖書館（中國地質調查局科普辦公室）郭友釗 王莉徐夢華

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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