什么是“可燃冰”

我们知道冰是什么，冰是由于水在低温下凝固形成的。那么可燃冰和水又有关系吗？为什么这种冰就可以燃烧呢？

可燃冰其实是一种天然气的水合物，化学式表示为CH4•8H2O，其广泛布于深海沉积物及陆地永久冻土层中，是天然气与水在高压低温状态下形成的一种固体结晶状物体，外表如同冰雪，故被称之为“可燃冰”。这种“可燃的冰块”其主要成分是甲烷，燃烧后能够释放少量的二氧化碳及水，污染比现有的化石能源要小很多，但能量是现有化石能源的数十倍。因此，可燃冰被视为是一种新型的高效清洁能源，也被视为是解决人类能源危机的基本能源样态。

可燃冰

可燃冰作为一种固体状的结晶物质，1778 年被英国化学家普德斯特里首次发现，但是这次科学发现并没有引起人们的重视。其中的原因是多方面的，主要是当时的技术条件不成熟，而且化石能源产业化开采的历史并不长，人们对于这种新的能源形态没有太多的需求与认知。人们的这种认知状态持续到 1960年，当时的苏联在西伯利亚西部冻土区域发现了可燃冰，鉴于当时的国际冷战局势，这一发现立即引起欧美发达国家的关注，并相继开展对可燃冰的研究和勘探工作。截至今天，世界上已有 100 多个国家和地区发现了可燃冰，有 30 多个国家和地区投入了大量的人财物力对其进行研究。

可燃冰的原子结构

可燃冰是如何形成的

“可燃冰”生存的地方是一片严寒，温度在０℃以下，那里的压力经常高达30MPa，相当于一个人要承受三百余个人的重量。为了应对这种极端苛刻环境的挑战，水分子手拉手连在一起，创造一个安全的环境，为它们的核心部分———甲烷等气体筑起一间形状像笼子一样的安全房屋，供其居住，保障天然气水合物的生存和成长。并且，漫长的时间使得天然气水合物早已习惯了苛刻的生活条件，对环境变化十分敏感，当温度升高或压力降低时，天然气所受到的束缚就会被解除，甲烷等气体便会走出卧室，来到广阔的世界，恢复它本来的模样。

单个可燃冰结构

可燃冰形成必须是在低温高压状态下，其温度必须满足在0～10 ℃，超过 20 ℃时易分解；压力需大于 10 MPa，在 0 ℃时，30 个以上标准大气压才可能形成；充足的气、水是必要条件，而一定的空隙结构则是其生长条件。

据勘测研究发现，可燃冰主要存在于冻土地区和海洋环境（深海和浅海环境均有）。 98%在海洋环境，2%在冻土地区。而已发现的可燃冰大多存在于陆地上的永久冻土区及陆地边缘的海底深层砂砾中。就全球而言，可燃冰主要储存于海底之下 0～1500 m的松散沉积岩中。

世界可燃冰发展前景

可燃冰的得到研究重视是在1960年，当时的苏联在西伯利亚西部冻土区域发现了可燃冰，鉴于当时的国际冷战局势，这一发现立即引起欧美发达国家的关注，并相继开展对可燃冰的研究和勘探工作。截至今天，世界上已有 100 多个国家和地区发现了可燃冰，有 30 多个国家和地区投入了大量的人财物力对其进行研究。

国际能源组织（IEA）提供的数据显示，目前全球探明的化石能源其含有的有机碳含量约为 5 万亿吨，而已经探明的可燃冰中含有的有机碳含量约为 10 万亿吨。在陆地区域，大约有 27% ～ 30% 的地域是可以形成可燃冰的潜在区域，在海洋水域中有 90% 以上的区域存在可燃冰。而目前能够探明到的全球可燃冰分布面积仅占海洋区域的 10%、陆地区域的 1% 而已，即使是这样的一部分探明储量，其储量也是当前全球天然气储量的 130 倍。如果未来能够继续勘探，可燃冰的储量及有机碳含量势必是惊人的，据 IEA 估算，仅海洋区域里存在的可燃冰至少能够满足人们按照现在的能源消费模式来使用 1 000 年。

可燃冰分布

全球可燃冰主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本南海海槽、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、韩国郁龙盆地、新西兰北岛，大西洋海域的布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域，东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚—俄勒冈滨外、秘鲁海槽，印度洋的阿曼海湾，北极的巴伦支海和波弗特海，南极的罗斯海和威德尔海以及黑海和里海等。

美国、俄罗斯、加拿大、荷兰、日本、印度等国对可燃冰勘探的目标和范围含盖了几乎所有的海洋陆缘重要潜在区域和高纬度极地永久冻土带及南极大陆陆缘地区，相继将制定的详细发展路线图纳入国家能源中长期发展规划，依靠地震勘探已探明北极地区有大量正在形成的可燃冰。

可燃冰开采所面临的问题

1.勘探技术有待完善

目前还没有一种理论可以科学全面合理地解释可燃冰形成的机理和完整的勘探开发理论体系，钻完井技术处于探索阶段，勘探开发关键技术、输送技术、储存技术等瓶颈需要攻克，高效、经济的商业化开采方法的突破还有很长一段距离。

2.可燃冰开采是否引发温室效应

科学家们研究表明，已探明的全球可燃冰中CH4总量大致是大气中CH4的 3 000~5 000 倍，1%的可燃冰释放出来，与过去人为释放的约 36×10∧8t 的甲烷碳相当。作为短期温室气体，CH4比CO2所产生的温室效应大21倍，其后果将不堪设想。可燃冰矿藏即使微小的破坏，甚至自然破坏，将导致CH4气体大量散失。可燃冰商业化开发，从开采技术出发更重要的是如何保证井底稳定、CH4气体不泄漏、不引发温室效应、不破坏生态环境等一系列的环境问题。

3.可燃冰的环境生物效应

开采相对稳定的海底可燃冰时，释放的流体沿泥火山、构造面或沉积物裂隙向上运移和排放，形成海底冷泉，海底冷泉及其所支持的生态系统将被打破；物质之间的化学反应所引起的泄漏流体、自生矿物的特征和形成以及周围海水环境也将发生改变。

4.开采成本偏高

相对于传统能源，“可燃冰”的开采面临一系列的困难，由于可燃冰本身存在的条件比较恶劣，技术不太成熟，导致开采的成本相对较高，对于可燃冰的开采有待进一步研究。

总结

虽然我国可燃冰的开采技术才刚刚起步，但随着南海试采成功，我国对可燃冰的开采技术也得到了进一步提高，相信在政策法规的不断健全，理论与技术日益改善下，达到可燃冰工业规模与商业化开采将指日可待。同时可燃冰商业化开采面临的开采成本、温室效应、地质灾害、环境效应等问题应谨慎对待。“资源需求”和“环境安全”之间需要统筹考虑，既要保护人类赖以生存的环境，又要让可燃冰资源持续造福子孙。

热爱科学知识的读者欢迎关注本小编

专注分享更多科学知识

科学观世界