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第四十六章 可燃冰(上)

根据那时候的潜在气体联合会(pgc,1981)估计的数据,永久冻土区天然气水合物资源量为1.4x1013~3.4x1016m3,包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6x1018m3。但是,大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少有1x1013t,约是当前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)中碳含量总和的2倍。由于天然气水合物的非渗透性,常常可以作为其下层游离天然气的封盖层。因而,加上汽水合物下层的游离气体量这种估计还可能会大些。如果能证明这些预计属实的话,天然气水合物将成为一种未来丰富的重要能源。

甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内(即<2000m深)。发现在一些必要条件下,惟独在极地大陆的沉积岩,其表面温度低于0°c,或是在水深超过300m,深层水温大约2°c的海洋沉积物底下。大陆区域的蕴藏量已确定位在西伯利亚和阿拉斯加800m深的砂岩和泥岩床中。海生型态的矿床似乎分布于整个大陆棚,且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的表面。他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷。

全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大,很快就会枯竭。科学家的评价结果表明,仅在海底区域,可燃冰的分布面积就达4000万平方公里,占地球海洋总面积的1/4。2011年,世界上已发现的可燃冰分布区多达116处,其矿层之厚、规模之大,是常规天然气田无法相比的。科学家估计,海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。

能量对比下来,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍,更重要的是燃烧后不产生任何残渣,避免了最让人们头疼的污染问题。科学家们如获至宝,把可燃冰称作“属于未来的能源”。

可燃冰这种宝贝可是来之不易,它的诞生至少要满足三个条件:第一是温度不能太高,如果温度高于20c,它就会“烟消云散”,所以,海底的温度最适合可燃冰的形成;第二是压力要足够大,海底越深压力就越大,可燃冰也就越稳定;第三是要有甲烷气源,海底古生物尸体的沉积物,被细菌分解后会产生甲烷。所以,可燃冰在世界各大洋中均有分布。中国东海、南海都有相当数量分布。

沉淀物生成的甲烷水合物含量可能还包含了2至10倍的已知的传统天然气量。这代表它是未来很有潜力的重要矿物燃料来源。然而,在大多数的矿床地点很可能都过于分散而不利于经济开采。另外面临经济开采的问题还有:侦测可采行的储藏区、以及从水合物矿床开采甲烷气体的技术开发。在当时的日本,早已进行一项研发计划,还预计要在2016年进行商业规模的开采。

它的形成方式分为两种:

有两种不同种类的海洋存量。最常见的绝大多数(>99%)都是甲烷包覆于结构一型的包合物,而且一般都在沉淀物的深处才能发现。在此结构下,甲烷中的碳同位素较轻(δ13c<-60‰),因此指出其是微生物由co2的氧化还原作用而来。这些位于深处矿床的包合物,一般认为应该是从微生物产生的甲烷环境中原处形成,因为这些包合物与四周溶解的甲烷其δ13c值是相似的。

这些矿床坐落于中深度范围的区域内,大约300-500m厚的沉积物中(称作气水化合物稳定带(gashydratestabilityzone)或ghsz),且该处共存著溶于孔隙水的甲烷。在这区域之下,甲烷只会以溶解型态存在,并随着沉积物表层的距离而浓度逐渐递减。而在这之上,甲烷是气态的。在大西洋大陆脊的布雷克海脊,ghsz在190m的深度开始延伸至450m处,并于该点达到气态的相平衡。测量结果指出,甲烷在ghsz的体积占了0-9%,而在气态区域占了大约12%的体积。

在接近沉积物表层所发现较少见的第二种结构中,某些样本有较高比例的碳氢化合物长链(<99%甲烷)包含于结构二型的包合物中。其甲烷的碳同位素较重(δ13c为-29至-57‰),据推断是由沉积物深处的有机物质,经热分解后形成甲烷而往上迁移而成。此种类型的矿床在墨西哥湾和里海等海域出现。

由于某些矿床具有介于微生物生成和热生成类型的特性,因此预估会出现两种混合的型态。

气水化合物的甲烷主要由缺氧环境下有机物质的细菌分解。在沉积物最上方几厘米的有机物质会先被好氧细菌所分解,产生co2,并从沉积物中释放进水团中。在此区域的好氧细菌活动中,硫酸盐会被转变成硫化物。若沉淀率很低(<1厘米/千年)、有机碳成分很低(<1%),且含氧量充足时,好氧细菌会耗光所有沉积物中的有机物质。但该处的沉淀率和有机碳成分都很高,沉积物中的孔隙水仅在几厘米深的地方是缺氧态的,而甲烷会经由厌氧细菌产生。此类甲烷的生成是更为复杂的程序,需要各个种类的细菌活动、一个还原环境(eh-350to-450mv),且环境ph值需介于6至8之间。在某些海域(例如墨西哥湾)包合物中的甲烷至少会有部份是由有机物质的热分解所产生,但大多是从石油分解而成。包合物中的甲烷一般会具有细菌性的同位素特征,以及很高的δ13c值(-40to-100‰),平均大约是-65‰。在固态包合物地带的下方处,沉积物里的大量甲烷可能以气泡的方式释放出来。

在给定的地点内判定该处是否含有包合物,大多可以透过观测“海底仿拟反射”(bottomsimulatingreflector,或称bsr)分布,以震测反射(seismicreflection)的方式来扫描洋底沉积物与包合物稳定带之间的接口处,因而可观测出一般沉积物和那些蕴藏包合物沉积物之间的密度差异。

科技不发达的年代,海洋生成的甲烷包合物,蕴藏量鲜为人知。自从1960至1970年代,包合物首次发现可能存在海洋中的那段时期,其预估的蕴藏量就每十年以数量级的概估速度递减。曾经预估过的蕴藏量(高达3x1018m3)是建构在假设包合物非常稠密地散布在整片深海海床上。然而,随着我们对包合物化学和沉积学等知识进一步的了解,发现水合物只会在某个狭窄范围内(大陆棚)的深度下形成,以及某些地点的深度范围内才会存在(10-30%部分的ghsz区),而且通常是在低浓度(体积的0.9-1.5%)的地点。最新的估计强制采用直接取样的方式,指出全球含量介于1x1015和5x1015m3之间。这个预估结果,对应出大约500至2500个十亿吨单位的碳(gtc),比预估所有矿物燃料的5000gtc数量还少,但整体上却超过所预估其他天然气来源的约230gtc。在北极圈的永冻地带,其储藏量预估可达约400gtc[13],但在南极区域并未估出可能的蕴藏量。这些是很大的数字。相较于大气中的总碳数也才大约700个gtc。

这些近代的估计结果,与当初人们以为包合物为矿物燃料来源时(macdonald1990,kvenvolden1998)所提出的10,000to11,000gtc(2x1016m3),数量上明显的要少。包合物藏量的缩减,并未使其失去经济价值,但缩减的整体含量和多数产地明显过低的采集密度,的确指出仅限某些地区的包合物矿床才能提供经济上的实质价值。

大陆生成

在大陆岩石内的甲烷包合物会受限在深度800m以上的砂岩或粉沙岩岩床中。采样结果指出,这些包合物以热力或微生物分解气体的混合方式形成,其中较重的碳氢化合物之后才会选择性地被分解。这类的型态存在于阿拉斯加和西伯利亚。

储量比地球上石油的总储量还大几百倍。这些可然冰都蕴藏在全球各地的450米深的海床上,表面看起来,很象干冰,实际却能燃烧。在美东南沿海水下2700平方米面积的水化物中,含有足够供应美国70多年的可燃冰。其储量预计是常规储量的2.6倍,如果全部开发利用,可使用100年左右。中国地质大学(武汉)和中南石油局第五物探大队在藏北高原羌塘盆地开展的大规模地球物理勘探成果表明:继塔里木盆地后,西藏地区很有可能成为中国21世纪第二个石油资源战略接替区。

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