没有了煤和石油，我们用什么？——--潜在的新能源天然气水合物，本文主要内容关键词为：水合物论文,新能源论文,天然气论文,没有了论文,石油论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
自20世纪60年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的物质，在地质上称之为天然气水合物.由于其主要成份为甲烷，因此又称之为甲烷水合物.
天然气水合物首先是由英国学者汉弗莱·戴维于1810年在实验室合成，至20世纪60年代，俄罗斯西西伯利亚冻土带中的麦索亚哈气田首次发现了在自然界中的天然气水合物，而海洋沉积物中的天然气水合物则是在20世纪70年代发现的.到目前为止，世界各地天然气水合物发现地已达86处，包括中国南海的西沙海槽和东海的冲绳海槽.据估计，全球天然气水合物中的总碳量大约相当于地球上所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）总碳量的2倍.在标准温度-压力条件下，1立方米完全饱和的甲烷水合物可以释放出164立方米的甲烷.其能源密度是煤和黑色页岩的10倍，天然气的2-5倍，因此它是一种新型高效能源.正是由于其具有分布广、储量巨大、埋藏浅等特点，自80年代以来，许多国家如俄、美、加、德、荷、日、巴西、印度等国政府都在天然气水合物调查研究方面给予了高度重视，并从能源储备战略角度考虑，纷纷制定了长远发展规划和实施计划.一个深入开展天然气水合物调查研究的热潮正在全球兴起.
奇妙的结构
据室内模拟实验和已发现天然气水合物地区的分析，低温和一定的高压条件是天然气水合物形成的基本条件.分析表明，天然气水合物是一种由水分子和天然气分子组成的结晶状固态化合物，结晶体类似于冰的结构，呈紧密的格子构架排列，其中天然气分子做为“客体”充填于水分子结晶格架的笼子中（图1），两者在低温和一定的压力下形成了固态.作为“客体”的天然气分子种类很多，可以是CH[，4]等烃类分子，也可以是CO[，2]、N[，2]或H[，2]S等.在自然界中，最常见的“客体”分子是甲烷，所以又称之谓甲烷水合物.
图1 天然气水合物的分子结构
天然气水合物在沉积物中呈分散状、层状或块状产出，其颜色随其分子结构的不同而有白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色等多种颜色，其内部结构有三种类型，Ⅰ型为多角十二面体结构，Ⅱ型为多角十四面体结构，H型为多角十六面体结构.从Ⅰ型→Ⅱ型→H型，其“笼状”分子结构可容纳的天然气分子的直径逐渐增大，据报道，Ⅰ型天然气水合物在自然界分布最广（图2）.
图2 天然气水合物的结构类型
（从左到右分别为Ⅰ型、Ⅱ型和H型）
天然气水合物形成的另一个基本条件是需要充足的气源.从广义上讲，有机成因和无机成因的天然气均可以作为天然气水合物形成的气源.其中，有机成因气包括生物气、石油的热解气和裂解气；无机成因气主要为幔源气、岩浆岩气、变质岩气和无机盐类分解气.当前一些国外学者很强调其气源为生物成因气，即在低温（小于75℃）还原环境下，厌氧细菌对沉积物有机质进行生物化学降解而形成的富含甲烷的气体，亦称为细菌气或生物气.但目前国内外很多学者对这种观点持怀疑态度，而提出多种成因气源的观点.
可以看出，天然气水合物与石油天然气的形成条件有较大差异，其中温度、压力场和气源是天然气水合物形成的主要条件.因此，就其自然界的分布而言可以有两种类型.一种是极地天然气水合物分布区，即高纬度区的永久冻土带或大陆架上的永久冻土带，它们主要是在低温和较低压力条件下形成的.已发现的极地天然气水合物主要分布于北极圈内，例如加拿大北部、阿拉斯加和俄罗斯西伯利亚北部的永久冻土带.另一种类型则是广泛分布于海洋中的海底天然气水合物，主要蕴藏于大陆边缘水深较大的大陆坡、海山、边缘海深水盆地以及内陆海中（图3）.虽然海底天然气水合物与极地天然气水合物相比其形成的环境温度较高（一般在10℃以下），但由于深水造成较高的压力（10Mpa以上），足以达到天然气水合物形成的温压条件和热动力学平衡，并形成广泛分布的海底天然气水合物稳定区域（HSZ）.由于海洋的面积大于永久冻土带的面积，而且气源供给更为充分，因此海底天然气水合物的资源总量大于极地天然气水合物资源量，这也是世界各国竞相开展海洋天然气水合物调查评价的原因之一.
图3 全球天然气水合物的分布
（据，Kvenvolden，1993）
●推断的天然气水合物分布区
◆已在岩心或沉积物中发现了水合物的地区
■陆地上天然气水合物分布区
四种问题亟待解决
不容置疑，天然气水合物是一种高效燃料，因此，水合物可能成为未来人类的重要能源.对此科学家们一致的看法是：地球上水合物之总量可能超过化石能源（煤和石油）总量的二倍.但客观地说，由于目前国际上关于海洋天然气水合物的勘探尚处于探索阶段，还没有进行工业化开采，因此人们对天然气水合物的成因机理、勘探技术，资源评估方法和开发认识还远远不够.并且，不少科学家对其前景产生了一些疑问：
天然气水合物的成因类型.主要是讨论天然气水合物形成的气源问题，这个问题非常重要.因为只有充足的气源供给才能形成大于化石能源（煤和石油天然气）资源量的天然气水合物矿藏.
天然气水合物地球物理特征及其地震响应.主要是讨论天然气水合物的识别技术问题.
资源远景潜力评价问题.国外学者得出的“地球上水合物之总量可能超过化石能源（煤和石油）总量的二倍”是一种乐观的战略估算，但这种结论缺乏像石油天然气评价那样成熟的技术和大量的勘探开发实际资料做为资源估算的基础.研究天然气水合物成因机理和分布规律并求准资源评价参数是这种潜在能源远景预测的关键问题.
天然气水合物的环境效应.天然气水合物一般分布于海底至海底之下1000米的浅部地层中，因此，它的存在对海底沉积物起到了固结和稳定作用.但当海平面变化、构造运动和地震活动或人工开采时，会造成天然气水合物的分解并逸出大量甲烷气，破坏了海底的稳定性，会引发海底滑坡，浊流等地质灾害和温室效应.因此，人们在关注天然气水合物作为巨大能源的同时，应研究其环境效应.
各国政府积极应对
由于当前化石燃料（包括煤、石油与天然气）特别是石油和天然气能源的短缺，和对天然气水合物这种高效潜在能源的期盼，自20世纪90年代以来，各国政府在天然气水合物前期调查基础上，加快了对其调查评价的步伐和资金投入.
美国参议院1998年5月批准每年投入为2000万美元用于天然气水合物资源研究开发，要求能源部到2015年前进行商业性开采.
1995年日本专门成立了甲烷水合物开发促进委员会，在五年内投入150亿日元，并于1997年与美、加合作在阿拉斯加打了一口示范井，1999年在日本南海海槽打了一口地层勘探井.据称近十年来，日本对其南海海槽和鄂霍茨克海海域的初步勘探研究表明，上述海域的天然气水合物资源量可满足日本100年的能源消耗.
印度政府五年计划（1996-2000年）投入5600万美元，在其东、西部近海的孟加拉湾和阿拉伯海开展天然气水合物的调查研究工作.
进入90年代以来，我国对天然气水合物的研究已从收集整理国外资料转入海上实际区域调查阶段.并开展东海和南海陆坡区的天然气水合物的调查评价，已发现了大面积分布的天然气水合物可能存在的地球物理标志，同时也加强了海洋天然气水合物评价的高新技术的研究，1999-2000年广州海洋地质调查局在南海西沙海槽进行了以寻找天然气水合物为目的的高分辨率多道地震地球物理调查.2001年，青岛海洋地质研究所和上海海洋石油局也开展了东海陆坡的海上调查，发现了有水合物存在的地球物理和地球化学异常.同时，青岛海洋地质研究所已建立了有自主知识产权的天然气水合物实验室，并成功地合成了天然气水合物.在野外调查的同时，国内研究水合物的学者相继举行多次学术讨论会，以期从理论上搞清天然气水合物的成因机理和分布规律.这样我国已走出了对这种新能源科学研究的关键一步.
无疑，天然气水合物是21世纪潜在的能源，作为一种新兴的非常规能源，人们应抱着科学的态度去认识它.目前它的资源前景和与之相关的问题同在，但相信在不久的将来，人们会做出科学的评价.