[編者按] 5月18日中共中央、國務(wù)院電賀我國海域天然氣水合物試采成功。隨之媒體鋪天蓋地的報道，手機(jī)刷爆了屏幕。那么到底可燃冰是什么？其發(fā)展前景如何？中國在可燃冰研究與開發(fā)的水平所處的位置如何？等等這些問題，筆者將發(fā)表系列文章，以便讓廣大讀者朋友對可燃冰有一個比較清楚的了解。【解讀大熱的可燃冰（1）：可燃冰是什么？它是怎么形成的？】

1.哪里可以找到可燃冰？

上篇文章敘述了可燃冰(天然氣水合物)是什么以及其形成，本篇將就在全球哪些地方可以找到可燃冰進(jìn)行敘述。在一定的壓力與溫度條件下可燃冰才能穩(wěn)定存在。但是，即使在滿足了可容納穩(wěn)定存在的壓力與溫度條件的地方，也不可能保證就有可燃冰。有機(jī)碳的有無對甲烷的生成起著重要作用，而有機(jī)碳并不是全球到處都有分布的。而一個地方如果沒有甲烷存在，就根本談不上有沒有可燃冰(圖1)。

圖1 已采集到樣品或者被證實(shí)的可燃冰分布圖

可燃冰可能是廣泛分布的。根據(jù)地震資料和其它衛(wèi)星遙感技術(shù)，已經(jīng)推測到可燃冰也廣泛分布在次永久凍土帶、大陸斜坡和大陸隆起的沉積物中，但是在深海平原地區(qū)推測可能沒有可燃冰分布。這表明可燃冰的形成不僅受溫度與壓力要求的限制，還受大陸附近的甲烷含量的制約。(來源：Timothy S Collett，USGS)

可燃冰的分布是受穩(wěn)定區(qū)(GHSZ)限制的。圖2就是全球GHSZ預(yù)測厚度分布圖。GHSZ厚度分布圖可以代表可燃冰潛在的分布范圍，但是并不能真實(shí)表明沉積物中可燃冰的含量。

圖2 全球GHSZ預(yù)測厚度分布圖

最厚的穩(wěn)定區(qū)(600-800)主要分布在高緯度地區(qū)(北極和南極地區(qū))，因?yàn)榈撞克疁氐?，這是可燃冰形成必備的條件。GHSZ延伸部分可以分布到大陸邊緣(>500米)，這個地方沉積層序厚，因此在其之下有游離氣聚集。請注意，這種全球GHSZ的定義給出了可燃冰可能存在的上限。(來源：Burwicz et al 2011)

來自Boswell(2011)的熱點(diǎn)圖像給出了不同可燃冰系統(tǒng)組成的概括描述(圖3)。A和B樣品表示大量的可燃冰是在含水合物海洋粘土中形成的。C樣品表示含水合物的海洋沙。D和E樣品代表海底土丘(露頭)和含水合物粘土(細(xì)而分散，成巖性很差)(圖4、5、6、7、8)。

在GHSZ(Milkov and Sassen, 2002)內(nèi)，根據(jù)流體運(yùn)移模式和可燃冰富集程度可以確定和區(qū)分3種主要的可燃冰聚集類型。

圖3 熱點(diǎn)圖像：不同可燃冰系統(tǒng)組成的概括描述。典型的可燃冰藏形態(tài)包括：(A)充滿可燃冰的脈狀網(wǎng)絡(luò)；(B)巨大可燃冰晶體；(C)海洋沙中顆粒充填的可燃冰；(D)巨大海底土丘；(E)海洋粘土中顆粒充填的可燃冰；(F)陸上北極砂/礫巖中顆粒充填的可燃冰。

圖4 A-可燃冰脈狀充填網(wǎng)絡(luò)；B巨型可燃冰晶體

圖5 C –海洋砂中顆粒充填的可燃冰(日本)

圖6 D – 巨型海底土丘(美國墨西哥灣)

圖7 E – 海洋粘土中顆粒充填的可燃冰

圖8 F – 陸上北極地區(qū)砂巖/礫巖中顆粒充填的可燃冰

目前已知可燃冰在陸地和海洋環(huán)境中都有發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)在極地地區(qū)的陸地永久凍土帶以下的沉積物中發(fā)現(xiàn)了可燃冰。而海洋里主要分布在地球外大陸邊緣的沉積物中。在海洋環(huán)境中，開放的海洋下面的沉積物中，幾乎沒有有機(jī)碳沉積，那里生命稀少，因此通常也很少出現(xiàn)可燃冰，即使是溫度與壓力適合可燃冰的形成。海洋沉積物中有機(jī)碳的90%以上是分布在大陸附近的相對較淺水域。在海平面下降到更低的時候，有機(jī)碳就沉積在今天大陸邊緣更遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方，比如現(xiàn)在的大陸斜坡等地方。因此，目前發(fā)現(xiàn)的海洋可燃冰大部分都是位于較遠(yuǎn)處的大陸邊緣或者大陸斜坡的沉積物中，常常與其它烴類的沉積相伴生，比如石油與天然氣(圖9)。

圖9 可燃冰分布環(huán)境示意圖

在北極和海洋環(huán)境中可以形成可燃冰。(來源：Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

此外，在內(nèi)陸湖泊和大海的深水的沉積物中也有可燃冰分布。根據(jù)2009年9月25日國際在線報道，我國在青藏高原也發(fā)現(xiàn)了可燃冰，是世界上第一次在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，也是繼加拿大1992年在北美麥肯齊三角洲、美國2007年在阿拉斯加北坡通過國家計劃鉆探發(fā)現(xiàn)天然氣水合物之后，在陸域通過鉆探獲得天然氣水合物樣品的第三個國家(圖10)。

圖10 青海省天峻縣木里鎮(zhèn)祁連山南麓“可燃冰”鉆探現(xiàn)場

2002年，由日本、加拿大和美國組成的國際聯(lián)合研究隊(duì)在加拿大北極地區(qū)Mallik人類第一次進(jìn)行了短期的生產(chǎn)測試，結(jié)果表明甲烷確實(shí)能夠從可燃冰中開采出來(圖11、12)。與此同時，大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program)正在俄勒岡沿岸海上執(zhí)行的ODP Leg 204，發(fā)現(xiàn)了可燃冰高富集區(qū)域，這就是我們今天稱之為水合物脊(Hydrate Ridge)。幾年以后的2005年，國際大洋鉆探計劃(International Ocean Drilling Program)完成了IODP Leg 311，該項(xiàng)目包括在溫哥華島沿岸海上4個地點(diǎn)進(jìn)行；常規(guī)取芯和高壓取芯。在這個區(qū)域的粗粒沉積物發(fā)現(xiàn)了可燃冰。

圖11 加拿大西北北極地區(qū)的Mallik井位置圖(來源：USGS)

圖12 加拿大西北北極地區(qū)的Mallik井現(xiàn)場圖。(來源：USGS)

圖13 在2008年Mallik地點(diǎn)使用減壓技術(shù)進(jìn)行測試期間天然氣點(diǎn)火情況 (來源：Natural Resources Canada and Japan Oil,Gas,and Metals National Corporation)

在2007年和2008年，日本和加拿大的研究人員又回到了Mallik地點(diǎn)，進(jìn)行了較長時間的生產(chǎn)測試，測試的目的層是接近可燃冰穩(wěn)定區(qū)(MHSZ)底部的含可燃冰層。為期6天的壓力降低測試使得從可燃冰中獲得了穩(wěn)定的、持續(xù)的天然氣流(圖13)。

最近幾年，美國、日本、印度等聯(lián)合開展國際研究，在多個地方取得了令人矚目的成果(圖14、圖15、圖16)。中國在中國南海、韓國在東海(East Sea)等也取得了重大成果。

圖14 JIPLeg II項(xiàng)目在美國墨西哥灣鉆井位置圖。(Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

圖15 印度國家可燃冰計劃鉆探地點(diǎn)圖

圖16 世界各可燃冰計劃分布圖(Timothy SCollett et al，2009)

IODP = Integrated Ocean Drilling Program; UBGH1 = Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition 1; ODP =Ocean Drilling Program; JIP = Joint Industry Project; METI =Ministry ofEconomy, Trade, and Industry; GMGS = Guangzhou Marine Geological Survey; NGHP =India National Gas Hydrate Program.

2.人類何時、怎么發(fā)現(xiàn)可燃冰的？

對于天然氣水合物的研究是困難的，因?yàn)槠湓诘厍虮砻娴臈l件下很快分離了。早在1810年英國化學(xué)家Sir Humphry Davy首次在實(shí)驗(yàn)室制出籠形水合物(Clathrate Hydrate)(圖1)。在其后的一百多年里，一直是研究機(jī)構(gòu)對其研究感興趣，但是科學(xué)家認(rèn)為天然氣水合物在自然界是不可能存在的。

圖17 英國化學(xué)家Sir Humphry Davy，1778年12月17日生于英國康沃爾郡彭贊斯，1829年5月29日卒于瑞士日內(nèi)瓦。(來源：Wikipedia)

然而，直到1930年代天然氣水合物作為油氣管道中工業(yè)災(zāi)害而被人們認(rèn)識的。當(dāng)時，隨著天然氣開始作為燃料被廣泛應(yīng)用并通過管道輸送，一些管道內(nèi)由于出現(xiàn)一種冰的東西堵塞了管道，使得天然氣輸送受阻。后來被證實(shí)這些冰就是天然氣水合物。因此，被認(rèn)為是工業(yè)災(zāi)害。在其被發(fā)現(xiàn)后的幾十年里，研究的重點(diǎn)主要是如何阻止天然氣水合物在管道及相關(guān)設(shè)備內(nèi)形成。

到了1960年代，研究重點(diǎn)開始發(fā)生了變化，這時俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了自然界天然氣水合物自然存在的重大證據(jù)。

圖18 可燃冰發(fā)現(xiàn)者Yuri F. Makogon

1965年，Yuri F. Makogon實(shí)踐證明自然界巖石中有可燃冰，1969年得到蘇聯(lián)正式承認(rèn)并注冊。在其60多年的油氣研究與實(shí)踐生涯中，出版6部可燃冰專著，發(fā)表270多篇科學(xué)論文，擁有27項(xiàng)專利。他1990成為俄羅斯自然科學(xué)院(RANS)正式院士，并擔(dān)任油氣委員會主席。他還是國際石油工程師學(xué)會(SPE)首任主席，并在1991-1993年任SPE俄羅斯分會主席，也是國際SPE會員。(來源：Makogon網(wǎng)站)

1963年，Yuri F. Makogon當(dāng)時居住在前蘇聯(lián)雅庫特自治共和國(現(xiàn)薩哈共和國)西北部，是Moscow Oil-Gas Gubkin Institute石油工程碩士研究生。他參與了Markhinskaya井的鉆井工作，鉆至1800米深度時，井下溫度為3.8°C(圖4)。該井揭示了在1450米深度時地層溫度為0°C的一套巖石，這里永久凍土帶的下限在1200米深左右。Yuri認(rèn)識到這套巖石與可燃冰形成的條件相匹配。他認(rèn)為在如此冰冷的地層中可能存在可燃冰并聚集。他的這個看法受到專家們的嚴(yán)重懷疑，而且這種想法也需要實(shí)踐驗(yàn)證。1965年，Yuri最終通過實(shí)踐證明了可燃冰在多孔隙巖石中可以大量聚集(圖5)。1969年，這個發(fā)現(xiàn)被蘇聯(lián)正式承認(rèn)并登記注冊。今天，Yuri被正式公認(rèn)為是自然界可燃冰的發(fā)現(xiàn)者。

圖19  俄羅斯薩哈共和國位置圖(雅庫特)(來源：Wikipedia)

圖20  Markhinskaya No. 1井溫度-深度記錄曲線(來源： Makogon, 1966)

圖21  Yuri F. Makogon 1966年發(fā)表的論文《Features of NaturalGas Fields Exploitation in Permafrost Zone》

直到1970年代后期至1980年代早期開展的深海鉆探計劃(Deep Sea Drilling Program)等一系列的研究與考察，可燃冰在自然界中廣泛大量的存在才被認(rèn)識與確認(rèn)。1978年，俄羅斯Gazprom VNIIGAZ一個團(tuán)隊(duì)獲得Lake Baikal4底部可燃冰形成的證據(jù)。

不斷增長的能源需求與大家對氣候變化的關(guān)心，使得人們對可燃冰中巨量甲烷的興趣越來越大，人們越來越關(guān)注可燃冰。其結(jié)果使得在過去二十多年里對可燃冰的調(diào)查、研究得以加速，自然環(huán)境下可燃冰科學(xué)發(fā)現(xiàn)的步伐持續(xù)加快，重大發(fā)現(xiàn)接二連三。

圖22   可燃冰發(fā)現(xiàn)與研究的簡單歷程(來源：Frozen Heart)

工業(yè)領(lǐng)域還是將重點(diǎn)放在減輕生產(chǎn)與運(yùn)輸設(shè)施方面形成的有害的可燃冰，開始投資研究這種可燃冰對深水和北極地區(qū)能源開發(fā)造成的災(zāi)害。在學(xué)術(shù)界，通過國家計劃支持，開展對可燃冰基本的物理化學(xué)進(jìn)行研究，開展可燃冰對沉積物的物理性質(zhì)影響進(jìn)行研究等，這些都取得了重大成果。通過這些研究，我們對可燃冰在全球環(huán)境變化過程中所起的作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識，包括自然地質(zhì)災(zāi)害、長期碳循環(huán)和全球氣候變化等(甲烷是一種嚴(yán)重的溫室氣體)。

然而，目前對可燃冰進(jìn)行研究的主要驅(qū)動力是可燃冰作為一種能源資源利用的前景如何。對于世界上能源需求不斷地穩(wěn)步增長，而未來能源供應(yīng)又不確定，這種可燃冰中天然氣資源廣泛而大量地存在不斷激勵著眾多國家加強(qiáng)研究調(diào)查、加大投資。

可燃冰的研究也從最初的單個科學(xué)家個人研究不斷地向多國合作研究轉(zhuǎn)變。因此，政策制定者、商界領(lǐng)袖和普通公民現(xiàn)在都熱衷于討論可燃冰最合適的研究與發(fā)展方向、管理以及資金問題。全球范圍內(nèi)廣泛分布大量的可燃冰引起了眾多的社會與科學(xué)關(guān)注。

截止到目前，可燃冰已經(jīng)在墨西哥灣、北美Cascadia大陸邊緣、黑海、里海、鄂霍次克海、日本海和大西洋南北等海底10到30米厚的淺層沉積物巖芯中采集到。

可燃冰也已經(jīng)在美國海岸更深的海底取得到了，沿著美國和加拿大的Cascadia陸源、中美洲的海溝、秘魯海上、印度海上、中國海上和韓國海上以及日本東西邊緣等更深的等。

美國認(rèn)識到了可燃冰研究的重要性，并根據(jù)協(xié)調(diào)研究機(jī)構(gòu)的需要，國會于2000年5月2日頒布了《2000年天然氣水合物研究與開發(fā)法案》(Public Law 106-193)。該法案呼吁能源部長與聯(lián)邦其它機(jī)構(gòu)一起協(xié)商開展可燃冰研究與開發(fā)計劃。這些聯(lián)邦機(jī)構(gòu)有：國家科學(xué)基金、商務(wù)部國家海洋大氣管理局(NOAA)、國防部海軍研究實(shí)驗(yàn)室、內(nèi)政部礦產(chǎn)管理局和地質(zhì)調(diào)查局等。2005年8月，又對此進(jìn)行了修改補(bǔ)充，增加了土地管理局。

與此同時，日本國際貿(mào)易與產(chǎn)業(yè)省已經(jīng)開始實(shí)施了一個新的可燃冰研究計劃，也就是在南海海溝(Nanjai Trough)開展尋找可燃冰的勘探鉆井項(xiàng)目。這也是目前我們所知道的最早開始的項(xiàng)目。其它國家也先后開展了可燃冰的研究與開發(fā)計劃，比如印度、中國、加拿大和韓國，都開展了大規(guī)模的可燃冰研究與開發(fā)計劃。這些國家積極開展，也導(dǎo)致重要科學(xué)研究與鉆探及生產(chǎn)測試投資大幅度增加。這些項(xiàng)目主要有：

★Ocean Drilling Program Leg 164 (1995)

★Japan NankaiTrough Project (1999～2000)

★Ocean Drilling ProgramLeg 204 (2004)

★Japan Tokai-­‐okito Kumano～nada Project (2004)

★Gulf of Mexico JIP LegI (2005)

★Integrated Ocean Drilling Program Expedition 311 (2005)

★Malaysia Gumusut-­‐Kakap Project(2006)

★India NGHP Expedition 01 (2006)

★China GMGS Expedition 01 (2007)

★Republic oLeg II (2009)

★Republic of Korea UBGH Expedition02(2010)

★MH-­‐21Nankai Trough Pre-­‐Production Expedition(2012～2013)

★Mallik Gas Hydrate Testing Projects (1998/2002/2007～2008)

★Alaska Mount Elbert Stratigraphic Test Well (2007)

★Alaska I?nik Sikumi Methane Hydrate Production Test Well(2011～2012)

請關(guān)注后續(xù)報道：

可燃冰系列（3）——可燃冰在自然界中的作用與角色？

可燃冰系列（4）——可燃冰是潛在的能源資源嗎？

可燃冰系列（5）——全球可燃冰的資源有多少？

可燃冰系列（6）——人類掌握了開采可燃冰的技術(shù)嗎？能夠經(jīng)濟(jì)開采嗎？

可燃冰系列（7）——開采可燃冰對環(huán)境有什么影響？

可燃冰系列（8）——我們真的需要開采可燃冰嗎？

可燃冰系列（9）——可燃冰真的能成為全球能源中的一部分嗎？

可燃冰系列（10）——可燃冰未來展望

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