[科普中國(guó)]-世界三極都有可燃冰的身影

昨天，中國(guó)全球首次海域可燃冰試開(kāi)采成功標(biāo)志著我國(guó)成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了在海域可燃冰試開(kāi)采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家。從1934年可燃冰的意外發(fā)現(xiàn)到昨天試開(kāi)采成功，可燃冰經(jīng)歷了80多年研究和探索。

對(duì)可燃冰的科學(xué)預(yù)見(jiàn)，最早是在試驗(yàn)室里完成的。Debray根據(jù)大量的數(shù)據(jù)總結(jié)出氣體水合物穩(wěn)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(tài)物質(zhì)都有一個(gè)確定的分解壓力，其隨溫度而變化?！睂?duì)于可燃冰而言，可以表述為：“某種可燃?xì)怏w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(guò)20℃，多大的壓力都不能使可燃冰形成?！?/p>

可燃?xì)怏w與水是形成可燃冰的物質(zhì)條件，高壓與低溫是形成可燃冰的物理?xiàng)l件。如甲烷氣水合物的形成過(guò)程就是，水與甲烷充分存在的條件下，在0℃環(huán)境中形成可燃冰只需要3個(gè)大氣壓；或者在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境中形成可燃冰需要的溫度要低于-76℃。目前，人類(lèi)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(chǔ)量豐富：遍布地球三極

地表溫度在冰點(diǎn)上的地區(qū)，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(dá)到-70℃，南極的極端低溫可估計(jì)達(dá)到-91.2℃（是地球上自然存在的最低溫度?。谌龢O的極低溫度也達(dá)到-60℃。這三極，都發(fā)育著常年凍土、萬(wàn)年冰川。而凍土或冰川內(nèi)部，其深部的溫度比表層夏季時(shí)溫度還要低。至于大氣壓，基于上面的認(rèn)識(shí)，海水在200米深時(shí)就可達(dá)到3個(gè)大氣壓，巖石在其深度100米左右時(shí)也能達(dá)到3個(gè)大氣壓！可以預(yù)見(jiàn)，在極地地區(qū)深200米的海域或深100米的陸域，就具備了形成可燃冰物理?xiàng)l件。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，極區(qū)存在著豐富的可燃冰！通過(guò)學(xué)者們對(duì)北極、南極地區(qū)的可燃冰的甲烷資源量進(jìn)行估算，在北極地區(qū)，麥索亞哈氣田資源量達(dá)0.062萬(wàn)億立方米，阿拉斯加北坡為0.71至4.47萬(wàn)億立方米，馬更些-波弗特海為1.0至10萬(wàn)億立方米，普拉德霍灣Eileen地區(qū)為1.0至1.2萬(wàn)億立方米，北極群島地區(qū)則多達(dá)19至620萬(wàn)億立方米；在南極地區(qū)，南設(shè)得蘭陸緣的資源量為2.6萬(wàn)億立方米,南極近海資源量則多達(dá)9.7至16.3萬(wàn)億立方米；在地球第三極，面積僅二百多萬(wàn)平方公里，也已發(fā)現(xiàn)可燃冰的存在。2008年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局已鉆獲可燃冰樣品，隨后進(jìn)行了試開(kāi)采試驗(yàn)，在2011年開(kāi)采出了可燃冰，點(diǎn)燃了天然氣（圖2）！

圖2 祁連山木里地區(qū)水合物試采成功點(diǎn)火 /張永勤 提供

不過(guò)，這些資源量?jī)H是局部地區(qū)的研究成果。要知道，南極大陸面積是1390萬(wàn)平方千米，北極地區(qū)的面積2100萬(wàn)平方米，絕大部分地區(qū)還是人跡罕至的無(wú)人區(qū)，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塔爾的北穹隆氣田，探明的儲(chǔ)量為2.75萬(wàn)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(chǔ)量為8.06萬(wàn)億立方米；我國(guó)聞名于世的蘇里格特大型氣田探明儲(chǔ)量只有0.5萬(wàn)億立方米！我們相信極地的地上冰之下存在著地下冰，并且是可燃冰！

可燃冰分解：造成災(zāi)難性地質(zhì)災(zāi)害

可燃冰不僅有能量意義，其環(huán)境作用也值得重視。因1立方米的甲烷水合物分解后，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(huán)境中會(huì)產(chǎn)生極大的壓力，這可能導(dǎo)致爆炸。

圖3 西伯利亞亞馬爾半島的巨坑 /引自英國(guó)《每日郵報(bào)》

近年，在西伯利亞亞馬爾半島（Yamal）發(fā)現(xiàn)的神秘大坑，其直徑數(shù)十米、深數(shù)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(xué)者認(rèn)為是隕石襲擊導(dǎo)致，也有人認(rèn)為是可燃冰爆炸造成；位于西伯利亞的貝加爾湖，其南部在1912年5月22日發(fā)生的地震，出現(xiàn)了三次水下噴發(fā)，每次噴出了幾俄丈高的水柱和大量的氣體，并導(dǎo)致底棲于深處的貝加爾油魚(yú)和其他魚(yú)類(lèi)大量死亡！1997年，國(guó)際貝加爾湖鉆探項(xiàng)目實(shí)施，發(fā)現(xiàn)了湖底存在大量的可燃冰。據(jù)此，有人推測(cè)地震導(dǎo)致地下壓力釋放降低，可燃冰分解而爆炸而噴出水柱?？梢?jiàn)，可燃冰分解有可能造成災(zāi)難性的地質(zhì)災(zāi)害。

可燃冰分解：造成氣候?yàn)?zāi)害

與引起點(diǎn)狀的地質(zhì)災(zāi)害相比，可燃冰在分解過(guò)程中也向大氣排放溫室氣體，可能影響了區(qū)域氣候的變化，造成氣候?yàn)?zāi)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(qū)以及青藏高原許多湖泊中也發(fā)育了大量的冰凍氣泡（圖4）。

圖4 祁連山木里地區(qū)湖泊中的冰凍氣泡 攝影/郭友釗

碳衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，極地大氣中的甲烷柱濃度相對(duì)較低，可能是低溫環(huán)境中的冰層以及地下可燃層對(duì)地球排氣作用有抑制效應(yīng)有關(guān)。但處于極地的邊緣，在島狀凍土發(fā)育地區(qū)，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?。慌c此同時(shí)，地下的凍土層減薄，可燃冰穩(wěn)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(duì)大氣結(jié)構(gòu)有影響，并左右了暴雨的形成，這導(dǎo)致川西地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害；徐康等人認(rèn)為，近50年來(lái)我國(guó)東部夏季降水量與貝加爾湖地表氣溫年代際變化有關(guān)，而百年以來(lái)貝加爾湖地區(qū)是全球變暖最顯著的地區(qū)，也是可燃冰分解嚴(yán)重的地區(qū)。

第三極的主體位于我國(guó)境內(nèi)，清楚地認(rèn)識(shí)它，是我們義不容辭的責(zé)任。另外，我國(guó)的科學(xué)家也已在南極、北極開(kāi)展調(diào)查研究工作，逐年在積累極地地上冰、地下可燃冰等的科學(xué)資料。未來(lái)，我們相信在能源領(lǐng)域和環(huán)境領(lǐng)域，可燃冰均將有重大的發(fā)現(xiàn)，為人類(lèi)的共同生存與可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)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(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及對(duì)中國(guó)的啟示．《極地研究》，2014年，第26卷第4期。