海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展
天然气水合物研究历程及发展趋势新
天然气水合物研究历程及发展趋势摘要综合国内外关于天然气水合物的研究，概述其从发现、初步研究到深入研究的历程，总结了各阶段国内外天然气水合物研究的成果和进展。
从1810年发现天然气水合物以来，世界各地的科学家对气水化合物的类型和物化性质、自然赋存条件和成藏条件、资源评价、勘探开发手段等进行了广泛而卓有成效的研究。
总结世界各国天然气水合物的研究现状并指出了其发展趋势。
研究表明我国的许多海区具有天然气水合物形成的条件，希望2020年能够进行商业开采。
关键词：天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体，常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在，广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中。
目前各国科学家对全球天然气水合物的资源量较为一致的评价为2×1016m3，是剩余天然气储量的136倍(1·56×1 014 m3)，如果将此储量折算为地球上的有机碳资源，它将占总资源的一半以上。
1国外天然气水合物的研究现状由于当前化石燃料(包括煤、石油与天然气)，特别是其中的石油和天然气能源的短缺，使人们对天然气水合物这种高效潜在能源格外关注，自20世纪90年代以来，世界各国对潜力巨大的新型能源—天然气水合物的研究做了大量投入，已经取得了重大进展。
1995年，美国在海上钻井平台(简称ODP)第164航次中，率先在布莱克海脊布设了3口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。
美国参议院委员会在1998年5月一致通过1418号议案—“天然气水合物研究与资源开发计划”。
把天然气水合物资源作为国家发展的战略能源列入长远计划，决定批准用于天然气水合物资源研究开发的每年投入为2 000万美元，计划到2015年实现商业性开采。
2002年4月，在圣彼德堡召开的国际海洋矿产会议上，美国地质调查局的W·J·Wintres展示的天然气水合物和沉积物检验实验室装置(简称GHASTLI)代表了当前天然气水合物模拟实验的最高水平，正在进行的是自然界和实验室形成的天然气水合物-沉积物的物理性质的研究。
海洋天然气水合物形成及分解过程研究现状
海洋天然气水合物形成及分解过程研究现状蒋乐乐;汤思瑶;陈琉欣;周亿;唐向春【摘要】天然气水合物具有分布范围广、成藏浅、储量大、能量密度高、燃烧清洁等优点,是21世纪最具开发前景的重要能源.本文对国内外天然气水合物形成相平衡实验及主要预测模型(vdW-P模型、Chen-Guo模型、Klaudia模型)及分解过程动力学模型(Kim-Bishnoi模型、Jamaluddin模型、Komai模型)进行了比较分析.指出今后研究中需将气体组成、沉积物孔大小分布、界面张力、盐离子种类和浓度等因素的影响考虑到水合物相平衡模型中;并开展温度场对海底沉积物中水合物分解过程影响的研究.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2017(045)001【总页数】4页(P9-11,46)【关键词】天然气水合物;相平衡;分解;模型【作者】蒋乐乐;汤思瑶;陈琉欣;周亿;唐向春【作者单位】西南石油大学化学化工学院, 四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院, 四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院, 四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院, 四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院, 四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】P744.4天然气水合物是水和CH4以及少量的C2H4、C2H6、C3H8、H2S等气体分子在低温高压条件下混合形成的一种固态笼形晶体结构物质[1]。
通常1 m3的天然气水合物分解后可释放出164 m3的甲烷气体和0.8 m3的水。
据潜在气体国际联合会(PGC)初步统计全球已探明天然气水合物储量超过7.6×1018 m3，约是煤、石油和天然气等常规化石能源碳含量总和的两倍[2]。
作为21世纪潜在的高效清洁新能源之一，天然气水合物资源的规模化开采已成为各国关注的热点。
美国、加拿大、德国、日本和韩国等已先后制定了水合物勘探计划，尤其是日本后来居上，在海洋水合物开发领域的探查、研究和前期的实验研究工作均处于世界领先地位，并已于2013年3月在其东南部海域进行了天然气水合物试采，在世界上首次从海域天然气水合物藏中分离出甲烷气体[3]。
天然气水合物开发技术的研究
天然气水合物开发技术的研究引言天然气水合物是一种在海洋沉积物中广泛存在的天然气形式，其是一种结晶态的混合物，包括天然气（甲烷、乙烷等）和水分子。
天然气水合物在存储方面具有巨大的优势，仅在海洋上就蕴藏了数量庞大的储量。
由于其能源密度高、清洁、环保等优良特性，广受人们赞誉。
然而，目前天然气水合物的开发利用技术尚不成熟，存在着诸多难题和挑战。
本文将从天然气水合物开发技术的角度，来阐述其研究现状和未来趋势。
一、天然气水合物开发技术现状1. 采集技术现有天然气水合物采集技术主要包括钻探、热水注入和气体置换法等。
其中，热水注入法是目前应用最为广泛的采集方法，其主要原理为利用高压高温下的热水，将水合物释放出来。
2. 运输技术天然气水合物是通过管道、船舶等方式进行输送的。
其中，珠海深浅水运输队列技术、靠泊岸边LNG转移技术和浮式生产储运装置技术都是应用广泛的输送技术。
3. 加工技术天然气水合物加工技术可分为两种，一种是从水合物中提取气体进行加工；另一种是将水合物直接转化成甲烷气。
目前，水合物加工技术还面临着研究不充分和高成本等问题。
二、存在的问题1. 采集技术方面：采集设备难以耐受海洋环境下的腐蚀和压力，对于深海开采技术尚不成熟。
2. 运输技术方面：运输管道和设备的设计以应对极端天气和海洋环境的能力不足。
3. 加工技术方面：天然气水合物提取技术存在能耗和成本较高的问题，加工方法尚不成熟。
三、未来趋势天然气水合物的开采难度较大，目前尚需进一步研究和开发，得出更加有效和经济的开采技术。
预计未来几年，天然气水合物开采技术将面临以下几方面的挑战和临床：1. 从海底中开采天然气水合物需要克服的技术难题是如何在极端高压、低温的环境中进行作业和采集？2. 在遥远的钻机，如何保障人员的生命安全和精神状态？3. 现有的天然气水合物开采技术具有较高的能耗和成本，如何缓解开采成本上涨的压力？4. 如何将天然气水合物开采技术转化为现实生产力，推进能源领域的可持续发展？总结天然气水合物的勘探、开采、加工利用技术等均面临较大的难度及挑战，应立足于推广研究，成为可靠且经济的能源途径，其价值远远超出了其困难和挑战。
天然气水合物研究进展与开发技术概述
未来发展方向
未来发展方向
随着科技的不断进步，天然气水合物的研究和开发将迎来更多的发展机遇。 未来，天然气水合物的研究将更加深入，涉及的领域将更加广泛。在开发技术方 面，将会发展更加环保、高效、低成本的技术，如微生物法、化学试剂法和纳米 技术等。同时，加强天然气水合物全产业链的研发和优化，推动其在能源、化工、 制冷、航空航天等领域的应用。
研究进展
研究进展
天然气水合物是指在一定条件下，甲烷等气体分子与水分子形成的笼形化合 物。其形成和稳定主要受温度、压力、气体成分和盐度等多种因素影响。近年来， 随着地球科学、地质工程、能源工程等领域的发展，人们对天然气水合物的研究 逐步深入。
研究进展
目前，全球范围内天然气水合物的研究主要集中在以下几个方面：（1）形成 机理与分布规律；（2）物理性质与化学性质；（3）开采技术与经济性；（4） 环境影响与安全性。尽管取得了许多重要成果，但仍存在许多挑战，如天然气水 合物的稳定性和开采过程中的环境风险等。
天然气水合物储运技术的研究现状
2、高效开采技术研究：针对天然气水合物的开采，研究者们开发出了一系列 新型的高效开采技术，如水平井技术、多分支井技术等，大大提高了开采效率。
天然气水合物储运技术的研究现状
3、储运安全技术研究：针对天然气水合物储运过程中的安全问题，研究者们 通过模拟和分析不同情况下的风险因素，提出了一系列有效的安全防技术概述
天然气水合物储运技术概述
天然气水合物，又称可燃冰，是由天然气（主要是甲烷）与水在高压、低温 条件下形成的笼形结晶化合物。由于其储存量大、燃烧清洁、开采成本低等优势， 被视为一种具有巨大潜力的能源。然而，这种化合物的非稳定性以及难以运输的 问题，一直是阻碍其开发利用的主要难题。因此，天然气水合物的储运技术成为 近年来研究的热点和难点。
研究甲烷水合物的储藏与开发
研究甲烷水合物的储藏与开发近年来，随着人类对能源需求的不断增长，传统的化石能源越来越受到限制。
同时，环保意识的不断加强，推动着人类寻找更为清洁、可再生的能源形式。
在这种背景下，甲烷水合物成为了备受关注的能源储藏和开发方式。
甲烷水合物是一种天然气化合物，其主要成分是甲烷、水和其他气体。
它通常存在于海底深处海域或高海拔区域的寒冷环境中，是一种常规天然气的非常规类型，以其高密度、高稳定性和高热值而备受追捧。
目前，全球已经发现的甲烷水合物储量极其巨大，远超传统天然气储量。
尤其是像中西伯利亚平原和日本南海等地区，甲烷水合物的储量更是数万亿立方米。
因此，对于甲烷水合物的储藏和开发越来越受到关注。
对于甲烷水合物的储藏，需要具备一定的地质条件。
首先是需要有足够丰富的甲烷来源，其次是需要有高压、低温、高盐度的环境，这种环境只有在深海海底或高海拔空气中才能得到满足。
此外，要进行甲烷水合物的储藏，还需要对储层地质结构和水合物层的分布、稳定性等进行深入研究，以确定合适的储藏方案。
而甲烷水合物的开发也面临着很多挑战。
首先是稳定性问题，甲烷水合物如果在过程中失去稳定性，则会释放出大量甲烷，导致环境污染和安全问题。
其次是技术问题，如何保证提取甲烷水合物的效率和安全性是一个需要解决的难题。
此外，还需要规划好甲烷水合物的开采量和开采速度，以避免造成过度开采和对环境的不良影响。
近年来，全球各地都在积极探索甲烷水合物的储藏和开发。
日本、加拿大、美国等国家都在进行相关研究，并在海底实施水合物储层采集试验。
同时，我国也在南海等区域进行协同探测、样品采集，以推进甲烷水合物的开发。
作为一种具有广泛应用前景的清洁能源形式，甲烷水合物的储藏与开发已成为全球范围内的重要课题。
在未来，通过不断的技术创新和合理开发方式的制定，相信甲烷水合物将为人类提供更为可靠、清洁的能源来源，为打造更加美好的未来贡献力量。
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。
海底天然气水合物上覆层甲烷气体运移过程模拟
海底天然气水合物上覆层甲烷气体运移过程模拟向世焜;孙洪广;常爱莲【摘要】文章基于有限元的方法,建立了涉及多场耦合等复杂问题的气体运移模型,并且研究了不同工况下甲烷气体的性质及其渗透量的变化.模拟结果表明:致密的上覆层具有封闭性,当存在裂隙等通道时气体运移量会急剧增大;考虑应力-渗流耦合作用后,沉积层会发生变形,导致介质的渗透性降低,甲烷气体的运移受到阻滞,渗流速度减小,得到更加符合实际情况的模拟结果,为天然气水合物的实际开采奠定理论基础.%Based on the finite element method, the gas migration model involving complex problems such as multi-field coupling is established, and the properties and permeability of methane gas under different working conditions are studied. Numerical simulation results show that the dense overlying layers is closed, and the gas migration will increase sharply when there are cracks and other channels. The sedimentary layer will deform under stress -permeation coupling, which will cause the permeability of the medium to decrease. The migration of methane gas is blocked and the seepage velocity is reduced, resulting in more realistic simulation results, which lays the theoretical foundation for actual mining.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2018(036)007【总页数】7页(P977-983)【关键词】天然气水合物;气体运移;渗透量【作者】向世焜;孙洪广;常爱莲【作者单位】河海大学力学与材料学院水文水资源与水利工程国家重点实验室,江苏南京 211100;河海大学力学与材料学院水文水资源与水利工程国家重点实验室,江苏南京 211100;河海大学力学与材料学院水文水资源与水利工程国家重点实验室,江苏南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TK6;TE890 前言随着社会的快速发展，人们对煤、石油、天然气等能源的需求量越来越大，由此造成了化石能源短缺，因此，急需寻找新的能源来代替化石能源。
天然气水合物
天然气水合物开发现状及研究进展天然气水合物（NGH），也称气体水合物，是由天然气与水分子在高压（＞10MPa）和低温（0～10℃）条件下合成的一种固态结晶物质。
因天然气水合物中80%～90%的成分是甲烷，故也称甲烷水合物。
天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，可以象酒精块一样被点燃，所以，也有人叫它“可燃冰”。
一、天然气水合物的形成条件及分布天然气水合物的形成有三个基本条件，缺一不可。
首先温度不能太高；第二压力要足够大，但不需太大；0℃时，30个大气压以上就可生成；第三，地底要有气源。
天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。
一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在于水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。
这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。
深海钻探发现，天然气水合物以冰状或更多地以水合物胶结的火山灰和细砂产出,其时代为晚中新世—晚上新世。
天然气水合物与火山灰或火山砂共存,暗示了其形成与火山喷发有某种联系。
天然气水合物形成于低温高压条件下,分布限于极地地区,深海地区及深水湖泊中。
在极地地区天然气水合物通常与大陆和大陆架上的永冻沉积物有关；在海洋里，天然气水合物主要分布于外大陆边缘和洋岛的周围，水深超过大约300 m。
天然气水合物的稳定温度为1～21.1℃,分布的最大下限深度不超过海底下2000m[2]。
深海钻探已经表明天然气水合物既可以产于被动大陆边缘,也可产于活动大陆边缘。
但大多数天然气水合物样品来自于活动边缘[2]。
据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。
绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。
在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。
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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。
本文综述了近年来甲烷的排放方式、氧化与转换、归宿和沉积及记录等方面的研究成果,对开展南海天然气水合物在哪里、有多少、剩多少的研究具有一定的科学意义。
2 天然气水合物汇聚与释放2.1 水合物汇聚天然气水合物出现在寒冷的高纬极区、大陆冻土带(<0℃)和海底温度低(4～6℃)、压力高(>3 MPa)、水深大于300～500m的沉积物中。
天然气水合物的汇聚(gas hydrate accumulati on)和含量不受气体成因控制而是受气体来源控制,与地质构造或地层圈闭有关,但起关键作用的是进入沉积物的流体(气和水)。
根据流体迁移模式和稳定带中水合物含量,水合物汇聚可分为3种类型[4]:构造型汇聚、地层型汇聚和复合型汇聚。
一般而言,构造型水合物汇聚出现在热解成因气、生物成因气、混合气沿断层面、泥火山及其它地质构造快速运移到水合物稳定带的区域,控制因素为流体通道的形状、流动速率、气体组成、温度场[4,5]。
其特征是气流量高(high gas flux),水合物 收稿日期:2005209205;修回日期:2006202221.3基金项目:国家自然科学基金项目“南海自然铝的成因及其对寻找油气、天然气水合物的指示意义”(编号:40406011);国家863计划青年基金项目“南海某些特征自生矿物的形成机理对水合物、油气探查的敏感性研究”(编号:2004AA616090)资助. 作者简介:陈忠(19702),男,云南石屏县人,副研究员,主要从事海洋矿物学与资源环境研究.E2ma il:chzhs outh@scsi 以板状、结核状、冰球状、厚脉状或充填状产出,在海底常产生冷泉系统,形成化能自养生物群落和自生碳酸盐沉积。
这种形式的水合物容易发生快速分解和大量排放,但若有深源气持续、快速供应,在沉积环境恢复到水合物稳定的温度、压力范围内,甲烷和水又能形成新的天然气水合物[6]。
构造型汇聚的水合物密度高、采收率高、开发和生产成本低,具有较大的潜在资源远景,是商业开采的首选区。
地层型汇聚是水合物汇聚的主要形式,广泛出现在平流作用较低或扩散作用为主的沉积物中,是原地产生的生物成因气及缓慢来源于更深的热解成因气在相对透水层中结晶形成,主要控制因素为相对透水层的形状、流体运移过程[4,5]。
其特征是气流量低,水合物以小晶体形式在沉积物孔隙间产出,也可见结核状或板状晶体。
地层型汇聚水合物一般不易形成高含量的水合物,因此采收率低,开发和生产成本高,但有时在相对透水的粗粒沉积层中能汇聚成高含量的水合物,具有开采价值。
复合型汇聚水合物出现在相对透水层中,气能够从深部沿断裂或泥底辟快速供应,浅部断层和活动泥火山可作为流体通道,水合物产出在未延伸到海底表面的断层或裂隙中[4,5]。
复合型汇聚的水合物分解和排放对全球气候变化有一定影响作用,但其经济价值需要慎重考虑。
2.2 水合物溶解和分解甲烷在海洋中的存在形式与甲烷含量、温度和压力有关,主要以固体水合物、游离甲烷气和溶解甲烷形式存在,不同相态间可相互转变。
当温度、压力或外界环境变化破坏了天然气水合物稳定边界条件时,水合物溶解(diss oluti on)到海水中,但形不成气泡,或分解(diss ociati on)成甲烷气和水,甲烷气以气泡形式向上排放[7]。
水合物溶解发生在水合物本身稳定但未饱和的海水中,溶解过程与NaCl、CaS O4・2H2O在水中溶解相似,主要由于外因(如存在水)不稳定引起,相反过程是甲烷水合物在过饱和时析出[7]。
水合物溶解度随温度增加而增大,随盐度和压力增加而减小,温度对溶解的影响比压力对溶解的影响敏感[8]。
水合物分解成水和甲烷气是水合物自身不稳定引起的,分解过程与冰融化过程相似,可以发生在沉积物中或水体中,与水是否存在无关,但水存在会加快水合物分解速度。
水合物分解受温度、压力和甲烷含量影响,相反过程是甲烷气和水结晶成水合物[7]。
甲烷气在上升穿越水体的过程中,在气泡和水合物界面处会出现短暂的水合物再形成现象[9]。
水合物溶解和分解是两个不同的过程,控制水合物溶解的动力学因素是物质转换,而控制水合物分解的则是热转换。
由于热转换速率大于物质转换速率,因此水合物分解过程比溶解过程要快得多。
海洋环境中水合物分解和溶解过程都存在。
研究表明,当海水水深大于537m时,甲烷水合物是内部稳定但外部不稳定,水合物主要发生溶解而不是分解。
由于水合物溶解相对较慢,若上升水合物的溶解速率为0.2～0.3μm/s,则半径5mm的水合物要完全溶解,需要穿过1800m的水体,因此大量出露在海底的甲烷水合物能保存很多年[7]。
相反,水合物分解则相对较快,一旦水合物上升到内在不稳定的深度,水合物快速分解成水和甲烷气,产生气泡柱(羽),可能演变为甲烷引发的海洋喷发(methane2 driven oceanic erup ti on)[10,11],成为大量甲烷进入大气的主要途径。
2.3 甲烷释放方式天然气水合物的稳定由化学潜能(chem ical po2 tential)控制,而分解受温度、压力、甲烷含量和水的活动性影响。
根据压力减少和温度降低快慢不同,水合物分解可分为渐进式或爆发式[12],在地质历史演变中,大部分水合物是缓慢释放而不是突然大规模排放的。
研究表明,沉积物中甲烷流体/气向上运移的方式主要有3种:①在沉积物中广泛分布的分散式运移;②沿沉积物裂隙和断层面的中心式运移;③海底滑坡或坍塌引发的大规模快速排放。
分散式运移是甲烷向上排放的主要形式,出现在稳定而透水性较均匀的沉积体中。
水合物稳定条件遭破坏的过程缓慢但持续,单位区域内甲烷通量一般很小,但由于分布区域很大,流体/气总排放量可能非常大。
分散式运移在沉积物表层一般不形成排放口或特征地貌,也不存在热异常以及可观察到的生物指标,而重要指标是广泛分布和存在的指示水合物稳定域基底的似海底反射(BSR)[13]。
甲烷中心式运移的主要特征是在接近排放口附近沉积物中存在与硫酸盐和甲烷有关的大量生物热(bi other m s)、特征蛤类(unique cla m)与管状蠕虫(tube wor m)[14]、海底表面具有麻坑(pockmarks)、海底穹顶(seabed domes)、泥底辟(mud diap irs)并广泛发育碳酸盐和硫化物沉积[15]。
中心式运移是甲烷气的重要排放方式,甲烷通量一般较大,对环境可造成一定的影响。
一旦喷口位置确定,流体/气的通量即可精确测定,此外利用沉积物、孔隙水、水合物的593第4期 陈 忠等:海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展 地球化学数据可计算甲烷的储量及追踪甲烷的可能来源。
甲烷大规模快速排放是由于海平面突然快速下降、强烈的构造活动、地震等引发的大陆坡坍塌,或海底下水合物压力过高而沿构造裂隙快速透涌引发的。
在很短时间内大规模地被分解和排放的局部汇聚的水合物或甲烷气体,可直接进入大气中参与甲烷循环,其对全球气候的影响程度与排放前水合物或甲烷气含量和分布密切相关[16]。
水合物释放的气体运移过程通常要经过4个阶段[17]:①在水合物中或上覆沉积物的喷口处形成气泡;②气泡与可能的杂质相互作用;③气泡轻快地穿过水体;④气和水体通过气泡界面发生交换。
3 甲烷转化与产物3.1 缺氧甲烷氧化与产物缺氧甲烷氧化(Anaer obic Oxidati on of Methane, AOM)是缺氧海洋沉积物或水体中重要的细菌生态过程,参与反应的细菌主要是甲烷氧化古菌(CH42 oxidizing archaea)和硫酸盐还原菌(Sulfate2Reducing Bacteria,SRB)[18],沉积物的有机质含量是影响缺氧甲烷氧化的重要因素。
进入到沉积物中的氧化剂主要有O2、NO-3、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和S O2-4,按照热力学顺序被细菌用来氧化有机物,即S O2-4最后被消耗。
当氧化剂被消耗后,有机质分解并产生甲烷。
硫酸盐还原转变为甲烷生成的区域被认为是硫酸盐—甲烷转换带,即缺氧甲烷氧化带,其深度与沉积物的有机质含量呈反比。
影响缺氧甲烷氧化的因素包括:沉积物有机质含量、甲烷供应量、硫酸盐供给、温度—压力、沉积物孔效率以及矿物组成[19]。
在扩散为主的海洋沉积物中,有机质含量和甲烷供应量是影响缺氧甲烷氧化的主要因素。
在缺氧甲烷氧化带,深部向上运移的甲烷首先遇到S O2-4,发生缺氧甲烷反应:CH4+S O2-4→HCO-3+HS-+H2O,增加了孔隙水碱度,有利于碳酸盐矿物沉淀[20]:Ca2++2HCO-3→CaCO3(s)+CO2+H2O。
如果在缺氧甲烷氧化带,存在不稳定的Fe3O4,其被硫酸盐细菌还原并与HS-反应形成黄铁矿[21]:Fe3O4+6H++2HS-→2Fe2++4H2O+ FeS2(s)。