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漫话可燃冰


□ 于彦,王淑华

  于彦 王淑华

  人们常说“水火不相容”、“冰火两重天”,可是,如果有人告诉你,他能将一块冰点燃,你会相信吗?如果他真的做到了,你会不会以为他是个技艺高超的魔术师?其实,由于可燃冰的发现,人人都能成为这样的魔术师。在能源问题日益触动人们敏感神经的今天;可燃冰的科学发现和研究进展给人类带来了新的美好遐想。

  奇特的“笼形包合物”

  可燃冰也称为天然气水合物或甲烷气水包合物、甲烷水合物、甲烷冰等。可燃冰是一种白色固态结晶物,外形酷似冰,因而被冠以“冰”之名,又因为它可以像固体酒精一样被直接点燃,故而得名“可燃冰”。其实,可燃冰的微观结构完全不同于冰,其分子结构式为CH4.8H2O。它的晶体结构极为奇特,仿佛一只只由若干个水分子搭建而成的精巧的“笼子”,烃类气体分子(通常为甲烷)就“住”在这些“笼子”里。因此,可燃冰也被形象地称为“笼形包合物”。结构迥然不同的液体与气体分子以这种巧妙的形式彼此镶嵌、包容,相互依存,最终竞能以固体的形式存在,令人不禁惊叹大自然的鬼斧神工。

  其实,早在200多年前人类社会还没有大规模开发利用石油资源的时候,人们就开始了对可燃冰这种奇特“冰块”的探索之旅。1810年,英国科学家汉弗莱·戴维在实验室里意外地发现,氯气通入水中后,在ooC以上竟然形成了固体状的“冰块”。依据人们当时所掌握的知识,水和气是不相容的,但是汉弗莱·戴维的实验确凿无误地表明:在一定条件下,水和气能够结合在一起,并形成独立而稳定的冰状晶体。

  汉弗莱·戴维的实验拉开了人类科学认识包括可燃冰在内的气水合物的帷幕。此后,不断有人将各种气体通入水中进行试验,陆续制成了甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、氮、二氧化碳、硫化氢以及氩、氪和氙等气体各自的气水合物。人们已经认识到,只要条件合适,几乎所有气体都可以和水生成类似的“冰块”。遗憾的是,当时这些研究仅仅局限在实验室内,并没有在更大范围内引起足够的重视。

  然而,可燃冰似乎并不像它们的外表那样冷静、沉稳,为了早日登上时代的舞台,它们不惜以一个“麻烦制造者”的形象迫不及待地闯入了人们的生活。1934年,人们在天然气高压管道输送工程中发现,一些奇怪的“冰块”堵塞了输气管道,这些“冰块”不但来路不明而且相当顽固,似乎很难彻底清除。这就是可燃冰,人们由此认识到了可燃冰的重要。不过,当时的研究人员考虑的是如何预测和消除可燃冰,他们孜孜以求的目标是管道里的可燃冰越少越好,最好是没有。

  直到1971年,美国学者在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物时,才正式提出“天然气水合物”(即可燃冰)的概念。此后,随着陆地和深海钻探工作的陆续开展,人们不断获得可燃冰样品,对可燃冰的认识也日益清晰和完整。

  低温高压的形成与保存条件

  目前科学家已经认识到,自然条件下可燃冰的形成主要有两种形式,一种是生物成因,另一种是热成因,也可能由两种成因混合而成。

  生物成因是指在细菌等微生物的作用下,沉积物中含有的碳元素转化为甲烷;在适当的温度和压力作用下,甲烷与水发生作用,转化为气水合物,即可燃冰。生物成因的可燃冰通常具有甲烷浓度高、但空间分布较为分散的特点。

  热成因的可燃冰通常与石油、天然气的形成和运移密切相关。由予板块运动或断层活动,在板块边缘或地层中会不断产生裂缝、空隙等可供气体移动的通道,地层深部的生油母质干酪根因热解而产生的天然气便有机会沿着这些通道上升到洋底表面或陆地上的冻土层附近。在压力作用下,这些天然气与温度很低的海水或冻土层中的水发生作用,便形成了可燃冰。热成因形成的可燃冰一般分布较为集中,饱和度也比较高,而且其底部往往蕴藏着具有工业开采价值的天然气。

  除了要有充足的天然气和水以外,可燃冰的形成还需要一定的温度和压力。环境温度接近O℃时,只需30个大气压的压力便可形成可燃冰;若是在只有一个大气压的环境中,则必须达到-76℃的低温时可燃冰才能够形成。此外,压力越大,形成的可燃冰越不容易分解;在足够大的压力下,可燃冰在18℃时仍能维持稳定。不过这种依靠压力维持的稳定状态也是有极限的,一旦温度超过20℃,再大的压力也无能为力,甲烷气体便会逸出,导致可燃冰分解。

  地球深海底部的温度通常低而稳定,常年保持在2~4℃,水深300米左右处便可达到30个大气压,因此,较深的海底环境便成为形成和保存可燃冰的理想场所。据科学家推断,大约90%的大洋水域可以形成可燃冰,也就是说,可燃冰在海洋水生态圈中应是常见的成分。除了海底,陆地上也有能够形成可燃冰的适宜环境。据研究人员推断,大约30%的陆地具备可燃冰的形成条件,是发现可燃冰的潜在地区。目前人类已经发现的可燃冰主要存在于北极地区的永久冻土带内,以及海底、陆坡、陆基和海沟等广阔海水之下的海底沉积层中,其蕴藏量是相当可观的。

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摘自:大自然 2011年第02期  
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