海底甲烷水合物溶解和分解辨析及其地质意义lw_79
海底新能源—天然气水合物又称为甲烷水合物
海底新能源—天然氣水合物(又稱為甲烷水合物)一、前言近年來天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)的研究與開發受到重視，由於天然氣水合物所解離出的甲烷氣體可直接應用於目前的各種發電設備、運輸工具及生活所需，乃被認為可能成為本世紀的一種新能源。
亞洲名列已開發國家的日本，屬於天然資源缺乏而需仰賴大量能源進口之國家，因此非常積極探勘與準備開發周邊海域所蘊藏的天然氣水合物，其研究進度為亞洲國家之首，值得台灣在開拓自給能源政策擬定之參考二、天然氣水合物介紹天然氣水合物為冰霜狀的白色結晶固體，其主要成分是天然氣和水，於低溫高壓的情況下所形成的固態水合物。
在大自然所發現的天然氣水合物，其包含的氣體以甲烷為主，佔有99%以上，因此又稱為甲烷水合物(Methane Hydrate)。
天然氣水合物可以直接點火燃燒，形成冰火共存燃燒的情形，因此也被稱為可燃冰。
天然氣水合物形成的條件會因為其氣體成分而異，一般在溫度攝氏零下10度及壓力高於17個大氣壓的條件下，水分子形成冰晶籠狀結構，將甲烷氣體分子包覆在中間形成所謂的天然氣水合物（鄧瑞彬、林再興，2003）。
由於天然氣水合物的組成僅是水分子包覆所形成的結晶體，天然氣水合物中的氣體分子並非以離子鍵或化學鍵連結的方式與水分子結合，在溫度及壓力變動時，天然氣可輕易從固態水合物中分解出來。
在標準狀態下，1立方公尺的天然氣水合物，約可分解出0.8立方公尺的水及約164立方公尺的天然氣(Kvenvolden, 1999)。
自然界最早發現天然氣水合物是在北極圈附近的永凍層，而在近期許多國家的海洋探測計畫中，發現在世界各地陸緣的海洋沉積層也含有大量的天然氣水合物。
外觀類似冰塊的天然氣水合物，在溫度低、壓力高的地質環境下蘊藏於海床沉積層的孔隙中，此沉積層為一不透水層，在適合條件下，沉積層下方可能存有游離天然氣。
由於固態的天然氣水合物與氣態的游離天然氣其密度差異大，二者間界面會形成強反射面，即所謂的海底仿擬反射，是搜尋天然氣水合物存在的重要徵兆之一。
冰点以下甲烷水合物的合成和分解实验研究的开题报告
冰点以下甲烷水合物的合成和分解实验研究的开题报告一、研究背景甲烷水合物是一种在深海沉积物或寒带湖泊沉积物中广泛存在的天然气水合物。
它是由甲烷分子和水分子结合而成的晶体，由于其高能量密度和可再生性，对于人类能源问题具有重要意义。
然而，甲烷水合物在常温常压下是一种不稳定的物质，一旦温度或压力条件发生改变，很容易发生分解和气态甲烷释放。
因此，研究甲烷水合物的合成和分解规律对于了解其在自然界中的形成和分布以及在能源领域的应用具有重要意义。
二、研究内容本研究将通过室内实验模拟甲烷水合物在冰点以下的形成和分解过程。
具体研究内容包括：1. 合成甲烷水合物：通过在高压下将甲烷气体和水混合，然后降温至冰点以下，观察甲烷水合物的形成过程。
2. 分解甲烷水合物：通过在常温常压下加热甲烷水合物，观察其分解过程，并测量释放甲烷气体的数量。
3. 影响甲烷水合物形成和分解的因素：对不同压力、温度、水合物成分等条件下的甲烷水合物形成和分解过程进行比较研究，寻找影响其形成和分解的关键因素。
三、研究方法本研究将通过高压装置、恒温恒湿箱、热重分析仪、气相色谱仪等实验设备开展实验研究。
具体步骤包括：1. 准备甲烷气体和蒸馏水，并利用高压装置将其混合起来。
2. 将混合物降温至冰点以下，观察甲烷水合物的形成过程，并用恒温恒湿箱控制温度和湿度。
3. 在常温常压下，将合成的甲烷水合物加热至一定温度，观察其分解过程，并用热重分析仪和气相色谱仪测量释放的甲烷气体的数量和结构。
4. 基于实验结果，比较不同压力、温度、水合物成分等条件下的甲烷水合物形成和分解，分析影响其形成和分解的关键因素。
四、研究意义本研究将通过室内实验模拟甲烷水合物的合成和分解过程，揭示其形成和分解的规律和影响因素。
这对于了解甲烷水合物在自然界中的分布和形成机制，以及在能源开发中的应用具有重要意义。
同时，本研究还可为进一步研究和开发甲烷水合物提供实验依据和理论基础。
海底气体水合物中菌成甲烷氧化作用对生命极限环境的意义
海底气体水合物中菌成甲烷氧化作用对生命极限环境的意义Sassen,R;王宏斌
【期刊名称】《海洋地质》
【年(卷),期】1998(000)003
【摘要】本次研究运用调查潜水器采集的热成碳氢气体样品，位于墨西哥湾大陆坡。
水深约在５４０ｍ的化以能自养群落的火山口和气体水合物丘，研究区具体渐高压特征（温度平均为７℃，压力约５４００ｋＰａ）ＩＩ型结构气体水合物丰富，气体水合物样品的三种同位素特征指示了该水合物束缚甲烷（ＣＨ４）的细菌氧化作用，以下三种情形和形成报体水合物的火山喷气有关；（１）甲烷束缚甲烷富＾１３Ｃ相当于３．８‰ＰＤＢ（皮狄组美洲拟箭石标准
【总页数】5页(P76-80)
【作者】Sassen,R;王宏斌
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P734.43
【相关文献】
1.海岸带沉积物环境中甲烷代谢菌的富集培养及混合菌群分析 [J], 于丽波;姜丽晶;汤熙翔
2.综合利用多分量地震属性、新岩石物理模型和现场数据来估计墨西哥湾深水近海底地层中的气体水合物浓度阶段 [J], 李丽青（译）
3.卡斯卡迪亚古陆会聚边缘赋存水合物海岭中的碳酸盐—海底近表气体水合物沉积
标志 [J], GerhardBohrmann;陆红锋;等
4.气体水合物中甲烷的地球化学特征 [J], 蔡峰
5.海底天然气水合物中细菌的甲烷氧化作用：其对极端环境中生命的意义 [J], Sassen,R;蔡峰
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海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展
第21卷第4期2006年4月地球科学进展ADVANCES I N E ART H SC I ENCEVol.21 No.4Ap r.,2006文章编号:100128166(2006)0420394207海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展陈 忠1,2,颜 文1,2,陈木宏1,王淑红1,2,肖尚斌1,陆 钧1,杨华平1,2(1.中国科学院南海海洋研究所,广东 广州,510301;2.中国科学院广州天然气水合物研究中心,广东 广州,510301)摘 要:综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。
天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关,其溶解受物质转换控制,分解则受热转换控制。
水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。
缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。
天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为:①重新形成天然气水合物;②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积;③与氧发生氧化后转变为CO2;④直接排放进入到大气中。
沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。
关 键 词:天然气水合物;溶解和分解;运移方式;缺氧甲烷氧化与耗氧甲烷氧化;归宿与沉积中图分类号:P74 文献标识码:A1 引 言天然气水合物广泛分布在大陆汇聚边缘、离散边缘或海岭的沉积物中。
目前估算的海洋沉积天然气水合物的储量为(1～5)×1015m3甲烷(约500～2500Gt甲烷碳)[1],被视为是未来潜在的天然气资源、全球气候变化驱动因子以及海底地质灾害的潜在因素。
甲烷是继CO2之后第二大重要温室气体,在大气中的停留间约为7.9年,对全球气候变暖影响的潜力是CO2潜力的25倍[3]。
海洋沉积的甲烷碳占海洋溶解无机碳的25%,约是大气甲烷碳的104倍[4],数百万年来曾引发剧烈的气候变化事件和生态环境事件。
因此研究天然气水合物释放和甲烷归宿,对研究水合物的环境效应、碳的生物地球化学循环及全球气候变化具有重要意义。
甲烷水合物在海洋环境中的形成与稳定性研究
甲烷水合物在海洋环境中的形成与稳定性研究甲烷水合物被称为“地球富集的天然气”或“冰火”，是由水和天然气分子（主要是甲烷分子）组成的化合物，是一种特殊的结晶体，其存在于寒带和深海沉积物中，被认为是未来可再生能源的重要来源之一，但同时也是一种严重的温室气体。
随着全球能源需求的不断增加，甲烷水合物的研究日渐重要，其形成与稳定性研究也成为了科学界的热点。
一、甲烷水合物的形成甲烷水合物是在极寒和高压的条件下形成的，其形成过程可以分为两类：天然形成和实验室合成。
1. 天然形成甲烷水合物主要分布在深海沉积物和孔隙水中，是由寒带海洋底部的冰冻沉积物经过长时间的自然作用形成的。
当海水中的温度降低到零度以下时，海底的自然气体开始缓慢地向水中释放，同时，水与气达到平衡时，会形成分布广泛的甲烷水合物。
此外，甲烷水合物的形成还与地球的构造有关。
地球上的深部存在着大量的甲烷，当地球板块运动或火山喷发时，甲烷被带到海水中，与水形成甲烷水合物。
2. 实验室合成为了研究甲烷水合物的结构和稳定性等问题，科学家进行了许多实验室合成。
实验室制备甲烷水合物需要模拟深海环境，包括较低的温度和高压。
当水与甲烷混合后，通过调节温度和压力，便可制得甲烷水合物。
二、甲烷水合物的稳定性甲烷水合物的稳定性并不是一成不变的，其稳定性受到多种因素的影响，包括温度、压力、环境和化学因素等。
下面分别介绍这些因素的影响。
1. 温度温度是影响甲烷水合物稳定性最重要的因素之一，当温度升高时，甲烷水合物将分解为水和甲烷。
因此，甲烷水合物的稳定性随温度的升高而降低。
2. 压力除了温度，压力也是影响甲烷水合物稳定性的重要因素。
在高压下，甲烷分子很容易进入水中，形成甲烷水合物。
当压力降低时，甲烷分子将逐渐从水中释放出来，甲烷水合物的稳定性也将降低。
3. 环境甲烷水合物的稳定性还受到环境因素的影响。
例如，在海洋中，水温和盐度变化都会影响甲烷水合物的稳定性。
此外，沉积物的类型和分布也会对甲烷水合物的稳定性产生影响。
甲烷水合物
甲烷水合物科技名词定义中文名称：甲烷水合物英文名称:methane hydrate定义：以甲烷为主要成分的天然气水合物。
应用学科：海洋科技（一级学科）：海洋科学（二级学科）；海洋地质学、海洋地球物理学、海洋地理学和河口海岸学（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片甲烷水合物球棍模型甲烷水合物（methane hydrates）作为替代能源的行动。
甲烷水合物也称“可燃冰”，是甲烷气体和水分子形成的笼状结晶，将二者分离，就能获得普通的天然气。
这种外面看起来像冰一样的物质是在高压低温条件卜•形成的，也就是说，它通常存在于人陆架海底地层以及地球两极的永久冻结带。
目录简介发现形成储藏储存量联手勘测双刃剑开采利用展开编辑本段简介甲烷水合物，即可燃冰。
其化学式为CH4・XH2O“可燃冰”是未来洁净的新能源。
它的主要成分是甲烷分子与水分子。
它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿，而且密切相关。
埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中，厌气性细菌把有机质分解，最后形成石油和天然气（石油气）。
其中许多天然气又被包进水分子中，在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。
这是因为天然气有个特殊性能，它和水可以在温度2〜5摄氏度内结晶，这个结晶就是“可燃冰”。
因为主要成分是甲烷，因此也常称为“甲烷水合物”。
在常温常压下它会分解成水与甲烷,“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。
“可燃冰”外表上看它像冰霜，从微观上看其分子结构就像一个一个“笼子”，由若干水分子组成一个笼子，每个笼子里“关” 一个气体分子。
目前，可燃冰主要分布在东、西太平洋和大西洋西部边缘，是一种极具发展潜力的新能源，但由于开采困难，海底可燃冰至今仍原封不动地保存在海底和永久冻土层内。
编辑本段发现早在1778年英国化学家普得斯特里就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强。
1934年, 人们在油气管道和加工设备中发现了冰状固体堵塞现象，这些固体不是冰，就是人们现在说的可燃冰。
南海海泥中甲烷水合物的形貌及赋存特性
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期南海海泥中甲烷水合物的形貌及赋存特性张凯1，2，3，吕秋楠1，2，3，李刚1，2，3，李小森1，2，3，莫家媚1，2，3（1 中国科学院天然气水合物重点实验室，中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东 广州 510640；3 中国科学院大学，北京 100049）摘要：水合物表观形貌受水合物的生长方式影响，能够反映水合物在沉积物中的分布以及与沉积物的空间关系，进而对含水合物沉积物的物理特性产生影响。
本文通过在实际钻采的南海神狐海域水深2713m 的海泥中生成甲烷水合物，利用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM ）和能谱仪（EDS ）对合成水合物的微观形貌、元素组成进行表征。
结果表明，与冰相比，纯水体系下的甲烷水合物形貌单一且容易分解。
纯水体系生成的水合物与海泥体系生成的水合物形貌相似，均呈颗粒胶结状，微量纳米级别的颗粒冰分布在表面。
元素分析表明相较于纯水体系，海泥中生成的水合物C 元素含量更高，水合物笼子占有率也越高。
海泥中含有微量的C 元素，通过C 元素含量增加及C 、Si 比提高确定了表面颗粒胶结状为水合物。
本研究为辨别沉积物中的水合物提供了新思路，为研究水合物的表观形貌及赋存提供了重要方法。
关键词：海泥；甲烷；水合物；表面形貌；扫描电镜和能谱仪中图分类号：TE3 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）07-3865-10Morphology and occurrence characteristics of methane hydrates in themud of the South China SeaZHANG Kai 1，2，3，LYU Qiunan 1，2，3，LI Gang 1，2，3，LI Xiaosen 1，2，3，MO Jiamei 1，2，3(1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2 Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research andDevelopment, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: Hydrate surface morphology was affected by hydrate growth patterns, as well as can reflect distribution in sediments and the spatial relationship with sediments, thereby affecting the physical properties of hydrate-bearing sediments. Methane hydrate was synthesized in the device by using the actual drilled marine mud in the Shenhu sea of South China Sea at a depth of 2713m as sediment. Cryo-scanning electron microscopy (Cryo-SEM) and energy spectrometry (EDS) were used to characterize the microscopic morphology and elemental composition of the synthesized hydrates. The results showed that the methane hydrate in the pure water system was homogeneous and easily decomposed compared to ice. The hydrates formed in the pure water system and in the marine mud were similar in morphology, both of which were in the form of granular colloid, with trace amounts of nanoscale particle ice distributed on the研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1623收稿日期：2022-09-05；修改稿日期：2022-10-09。
低温条件下甲烷水合物生成与分解特性研究的开题报告
低温条件下甲烷水合物生成与分解特性研究的开题
报告
一、研究背景
甲烷水合物是一种重要的冰洞沉积物，其在海底的分布十分广泛。
甲烷水合物具有高储气量、高能量密度等特点，在未来的能源领域具有广阔的应用前景。
然而，由于甲烷水合物在常温常压下稳定性较低，易于解离，因此其开发利用面临着很大的困难。
因此，从甲烷水合物生成与分解特性方面进行研究，对于推动甲烷水合物的开发利用具有重要意义。
二、研究目的
本研究旨在探讨甲烷水合物在低温条件下的生成与分解特性，包括以下几个方面：
1.低温条件下甲烷水合物生成机理；
2.不同温度、压力下甲烷水合物的稳定性评价；
3.低温条件下甲烷水合物分解机理；
4.影响甲烷水合物生成与分解的因素分析。
三、研究方法
本研究采用实验研究方法，主要包括以下步骤：
1.准备实验条件：确保实验室温度、湿度、压力等条件符合要求；
2.装置实验设备：选择恰当的装置实验设备进行实验，如选择不同类型的高压反应釜、恒温恒湿控制台等；
3.实验操作：按照所制定的实验方案进行实验操作，包括控制实验参数、记录实验结果等操作；
4.数据处理：对所得实验数据进行分析，评估甲烷水合物的生成与分解能力等。
四、研究意义
本研究的意义在于深入了解甲烷水合物的生成与分解特性，为开发利用甲烷水合物提供科学依据。
同时，通过研究甲烷水合物的生成与分解机理，可以为温室气体减排提供新思路。
本研究结果对于探索低温化学反应机理和理解全球气候环境变化等方面也具有重要意义。
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天然气水合物收稿日期:2007205231;修回日期:20072072041基金项目:国家自然科学基金项目(编号:40472156);教育部厦门大学“211”工程和“985”二期工程资助项目联合资助.作者简介:雷怀彦(19602),男,陕西咸阳人,教授,博士生导师,主要从事海洋、油气和环境等地质研究工作.E -ma il :lhy @xm u .edu .cn .海底甲烷水合物溶解和分解辨析及其地质意义雷怀彦1,2,官宝聪1,龚承林1,刘建辉1,黄 磊1(1.厦门大学海洋与环境学院近海海洋环境国家重点实验室,福建厦门361005;2.中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心,甘肃兰州730000)摘要:甲烷水合物的溶解和分解过程是甲烷水合物成藏的关键科学问题,同时也是造成环境灾害事件的重要因素。
近年来,在阅读甲烷水合物相关文献中发现有些作者对甲烷水合物溶解和分解的复杂动力学过程产生了一些混淆,并由此可能对甲烷水合物的成藏机理及其对环境气候变化影响的认识造成偏差。
基于前人的大量研究成果,并结合作者多年对甲烷水合物形成和分解动力学过程的系统研究,认为海底存在一种甲烷气体的动态存储与排泄平衡作用,甲烷水合物的溶解和分解是海底甲烷气的主要排泄方式,也是甲烷水合物失稳后的2种不同的重要过程,同时,海底甲烷气的排泄量、运移方式和排放速率都与甲烷水合物成藏与否密切相关,因此深入认识甲烷水合物溶解和分解过程的控制机理,对海底甲烷水合物形成机制、成藏过程的研究和对全球碳循环、气候变化的评估有着重要的科学意义。
关键词:甲烷水合物;溶解;分解;动力学中图分类号:T E 122 文献标识码:A 文章编号:167221926(2007)0420584204 在海洋地质环境中,甲烷主要以甲烷水合物、甲烷气泡和溶解甲烷气3种形式存在[123]。
海底甲烷水合物藏是全球排烃作用的表现形式和结果之一。
一方面,由于甲烷水合物对环境变化的敏感性,许多学者都认识到甲烷水合物与全球气候变化之间的密切关系。
当海底温度、压力等条件发生变化时,甲烷水合物藏的稳定性遭到破坏,造成甲烷水合物持续发生分解或溶解,继而导致沉积物胶结强度和坡体稳定性的降低,引起海底滑坡,同时释放出大量甲烷气体进入海水,对海底生物多样性的保持构成威胁,甚至升入大气,引起全球气候变化,而且甲烷气体的逸出还会对全球碳循环系统的碳总量和碳同位素特征产生影响。
另一方面,全球气候变化反过来又可影响甲烷从海底逸出速率的变化和在沉积物、海水中传输速率的变化。
海底甲烷水合物的溶解和分解是海底甲烷气的主要排泄方式,二者是甲烷水合物失稳后发生的2种不同过程,溶解、分解的速率及其数量都会影响甲烷水合物的成藏过程。
因此深入了解甲烷水合物溶解和分解的动力学过程及其影响因素,对海底甲烷水合物形成机制和成藏过程研究,对全球碳循环和气候变化评估有着重要的科学意义。
1 海洋中甲烷水合物的不稳定性甲烷的溶解度可以表示为温度(T )和压力(P )的函数[4]。
有关研究表明,恒温4℃的纯水体系中甲烷水合物的稳定压力为4.31M Pa ,即表示当压力大于4131M Pa 之后,甲烷的溶解度会受到甲烷水合物形成的限制。
图1是根据布莱克海台海底温度和压力剖面绘制的甲烷—海水—甲烷水合物系统相图[526]。
图中左纵坐标的短虚线表示海底的深度(2775m ),实曲线表示相边界,虚曲线表示孔隙水中甲烷在未发生任何质量迁移条件下甲烷浓度的2个可能剖面(即包括被溶解的甲烷、水合物中的甲烷和游离甲烷气)[7]。
由于甲烷水合物形成后会限制甲烷的溶解度,因此在某一指定深度甲烷溶解度所对应的压力要小于甲烷水合物的稳定压力或该深度的静水压力。
在海洋环境中,甲烷水合物的不稳定性表现为2第18卷第4期2007年8月 天然气地球科学NA TU RAL GA S GEO SC IENCE V o l .18N o.4A ug . 2007图1 海洋环境中的甲烷—海水—甲烷水合物系统[526]种形式:一种是直接溶解于海水中不产生甲烷气泡;另一种是分解为甲烷气体和水。
甲烷水合物的溶解与分解是2个不同的过程,与溶解(disso lu ti on)相对应的是沉淀(p reci p itati on),与分解(dissociat2i on)相对应的是浓缩(conden sati on)。
一方面,甲烷水合物在其稳定存在的温压条件下,如果它在海水中的溶解度不饱和,就会发生溶解(类似于N aC l或CaSO4・2H2O等晶体溶解于水中),该过程是因为外部相(海水)的存在而产生的,所以称之为甲烷水合物的外部不稳定性。
与海水中甲烷水合物的溶解过程相反的是甲烷水合物的沉淀聚集过程,当海水中甲烷浓度达到过饱和时就会凝结形成甲烷水合物。
另一方面,当甲烷水合物所处的稳定温压条件遭到破坏时,其内部结构就会变得不稳定,从而引起分解生成甲烷气体和水。
甲烷水合物的分解过程类似于冰的融化,只是由于甲烷水合物分解存在滞后效应,使得甲烷水合物分解速率比冰的融化速率要慢得多,并且水的存在与否对甲烷水合物的分解速率也有较大影响。
由此可知,即使在不考虑其他外部相存在的条件下,甲烷水合物也是不稳定的,所以通常将这种不稳定性称为内部不稳定性。
研究表明,不论是在海水中还是在海底沉积层中,甲烷水合物的分解都是由于温度压力条件的变化而引起的,而溶解是受甲烷溶解度控制的。
同时,在甲烷水合物的分解区域(图1上部水深小于530m 区域),其控制因素是传热而不是传质,并且从分解相界面上升的甲烷气泡会加速液体对流,进而加快分解速率[8]。
2 海底甲烷水合物溶解及其地质意义甲烷水合物发生溶解有2个必备条件:一是存在质量传递(包括扩散性和对流性质量传递);二是存在界面(气 液相界面、甲烷水合物 液相界面)反应。
换句话说,就是甲烷水合物的溶解速率既受到质量传递的控制,也受界面反应的控制,或同时受到二者的共同控制[9214]。
由于不同溶质在水中的扩散系数(D)差别不大(约为10-9m2 s)[15],而扩散系数(D)正是控制质量传递速率的关键因素,可推断甲烷水合物溶解过程中的质量传递速率也相差无几,因此甲烷水合物的溶解是由界面反应还是由质量传递来控制,主要取决于界面反应速率的大小。
界面反应速率受晶体的化学键强度的控制。
如果晶体键较弱容易被破坏,那么界面的反应速率就较快,溶解就受质量传递的控制;反之,如果晶体键较强不容易被破坏,那么界面反应速率就较慢,溶解就会受到界面反应速率的控制。
图2是甲烷水合物溶解浓度剖面示意图,其中C 表示正在溶解的甲烷水合物浓度[16]。
图2中将甲烷水合物的溶解划分为3种情况:①质量传递控制溶解速率(图2中虚线),这种情况下界面反应速率图2 甲烷水合物溶解浓度剖面比质量传递速率快得多,在甲烷水合物 液相界面处于一种不稳定的平衡状态,因而搅动液相能够加快溶解速率,加速溶解;②界面反应控制溶解速率,在这种情况下界面反应速率要比质量传递速率更慢,液相中的甲烷水合物浓度保持恒定,即不存在浓度梯度(图2中水平实线),而甲烷水合物 液相界面处于完全不饱和状态,此时搅动液相不会使溶解速率增大;③二者共同控制溶解速率,甲烷水合物浓度剖面介于虚线与水平实线之间。
以布莱克海台为例来计算甲烷水合物的溶解速率,用来说明甲烷水合物溶解对环境及甲烷水合物是否成藏的地质意义。
假设质量传递中只存在扩散作用,而忽略对流作用的影响,则可依据下式计算甲烷水合物溶解的扩散距离X[11]585N o.4 雷怀彦等:海底甲烷水合物溶解和分解辨析及其地质意义 X=2ΑD t(1)对扩散距离X进行求导,得到甲烷水合物的扩散溶解速率求解方程V D=d X d t=-d a d t=ΑD t(2)式中,t表示时间;Α表示甲烷水合物块体的有效半径;已知布莱克海台海底温度为277.15K,在此温度下系数Α=5.3×10-3,甲烷水合物的扩散系数D=1.09×10-9m2 s,代入(2)式中求得甲烷水合物的扩散溶解速率V D为0.10mm d或2mm a,由此可知扩散溶解非常缓慢。
以上得出的扩散溶解速率是甲烷水合物溶解速率的最小值。
实际上,海底大块甲烷水合物的溶解主要是通过对流来完成的,既有由海水密度差所引起的自由对流,也有由洋流引起的被动对流。
通常被动对流要比自由对流强度大得多,将自由对流忽略不计,则甲烷水合物对流溶解速率可以表示如下[12,17] V C=0.03Βc D2 3u4 5(Λ Θ)-7 15l-1 5(3)式中,布莱克海台海水温度T为277.15K条件下,浓度系数Βc=9.4×10-3;u表示海水的流动速度,为0.03m s;Λ表示海水的粘度,为1.67×10-3;Θ表示海水的密度,为1.03g c m2;长度标尺l为1000m,由此计算出甲烷水合物对流溶解速率V C 仅为2.28×103Λm s或72mm a,也就是说,如果一块100m厚的甲烷水合物层只发生溶解的话,它能够存在1000多年,说明甲烷水合物溶解是相当缓慢的。
3 海底甲烷水合物分解及其地质意义甲烷水合物分解是涉及气相、液相和水合物相的复杂动力学过程。
甲烷水合物的分解发生在固体表面,而不是固体内部,分解过程为吸热过程。
水合物的分解过程包括:①水合物粒子表面笼形主体晶格的破裂;②粒子收缩,客体分子从表面解析逸出。
研究发现甲烷水合物分解产生的水会在其表面形成一层薄薄的液膜,这层液膜对传热产生阻碍,因此认为甲烷水合物分解是一个受界面传热控制的过程。
研究发现甲烷水合物分解过程产生的水会直接被甲烷气携带离开,认为甲烷水合物分解可看作是一个移动界面的消融过程。
海底甲烷水合物块体在上升过程中,其分解起始于静水压力小于甲烷水合物稳定压力,或水温高于甲烷水合物稳定温度的深度,即当海水温度(T∞)和甲烷水合物稳定温度(T0)差值大于0的时侯,甲烷水合物开始分解。
根据Zhang Y和Xu Z[18]研究可知,在布莱克海台的甲烷水合物从530m水深处开始发生分解,此处海水温度为279.36K,∃T= T∞-T0=0。
当甲烷水合物上升时,水温T∞增加,压力减小,所以稳定温度T0就也随之降低,其结果就是使得T∞-T0之差越来越大,从而加速甲烷水合物的分解。
假设布莱克海台海水的温度梯度为0.03K m,可求得海水的表面温度T∞=295.15K,据计算发现当甲烷水合物上升了大约0.6m后(从起始点530m开始),出现甲烷水合物分解速率等于溶解速率(图3虚线与实线的交接点),随着甲烷水合物的进一步上升,分解速率变得越来越大。
图3 不同体积甲烷水合物的溶解与分解速率曲线从图3中可知,海水中甲烷水合物在上升过程发生溶解或分解时,甲烷水合物颗粒大小可表示为深度的函数。