可燃冰是怎么形成的原因是什么
可燃冰是怎么形成的原因是什么
可燃冰是分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類(lèi)冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，形成可燃冰需要一定的條件，今天小編就給大家介紹可燃冰形成的原因，希望對(duì)大家有幫助!
可燃冰的形成原因
海洋生成
有兩種不同種類(lèi)的海洋存量。最常見(jiàn)的絕大多數(shù)(> 99%)都是甲烷包覆于結(jié)構(gòu)一型的包合物，而且一般都在沉淀物的深處才能發(fā)現(xiàn)。在此結(jié)構(gòu)下，甲烷中的碳同位素較輕(δ13C < -60‰)，因此指出其是微生物由CO2的氧化還原作用而來(lái)。這些位于深處礦床的包合物，一般認(rèn)為應(yīng)該是從微生物產(chǎn)生的甲烷環(huán)境中原處形成，因?yàn)檫@些包合物與四周溶解的甲烷其δ13C值是相似的。
這些礦床坐落于中深度范圍的區(qū)域內(nèi)，大約300-500m厚的沉積物中(稱(chēng)作氣水化合物穩(wěn)定帶(GasHydrate Stability Zone)或 GHSZ)，且該處共存著溶于孔隙水的甲烷。在這區(qū)域之下，甲烷只會(huì)以溶解型態(tài)存在，并隨著沉積物表層的距離而濃度逐漸遞減。而在這之上，甲烷是氣態(tài)的。在大西洋大陸脊的布雷克海脊，GHSZ在190m的深度開(kāi)始延伸至450m處，并于該點(diǎn)達(dá)到氣態(tài)的相平衡。測(cè)量結(jié)果指出，甲烷在GHSZ的體積占了0-9% ，而在氣態(tài)區(qū)域占了大約12%的體積。
在接近沉積物表層所發(fā)現(xiàn)較少見(jiàn)的第二種結(jié)構(gòu)中，某些樣本有較高比例的碳?xì)浠衔镩L(zhǎng)鏈(<99% 甲烷)包含于結(jié)構(gòu)二型的包合物中。其甲烷的碳同位素較重(δ13C 為 -29 至 -57 ‰)，據(jù)推斷是由沉積物深處的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)熱分解后形成甲烷而往上遷移而成。此種類(lèi)型的礦床在墨西哥灣和里海等海域出現(xiàn)。
某些礦床具有介于微生物生成和熱生成類(lèi)型的特性，因此預(yù)估會(huì)出現(xiàn)兩種混合的型態(tài)。
氣水化合物的甲烷主要由缺氧環(huán)境下有機(jī)物質(zhì)的細(xì)菌分解。在沉積物最上方幾厘米的有機(jī)物質(zhì)會(huì)先被好氧細(xì)菌所分解，產(chǎn)生CO2，并從沉積物中釋放進(jìn)水團(tuán)中。在此區(qū)域的好氧細(xì)菌活動(dòng)中，硫酸鹽會(huì)被轉(zhuǎn)變成硫化物。若沉淀率很低(<1厘米/千年)、有機(jī)碳成分很低(<1%)，且含氧量充足時(shí)，好氧細(xì)菌會(huì)耗光所有沉積物中的有機(jī)物質(zhì)。但該處的沉淀率和有機(jī)碳成分都很高，沉積物中的孔隙水僅在幾厘米深的地方是缺氧態(tài)的，而甲烷會(huì)經(jīng)由厭氧細(xì)菌產(chǎn)生。此類(lèi)甲烷的生成是更為復(fù)雜的程序，需要各個(gè)種類(lèi)的細(xì)菌活動(dòng)、一個(gè)還原環(huán)境(Eh -350 to -450 mV)，且環(huán)境pH 值需介于6至8之間。在某些海域(例如墨西哥灣)包合物中的甲烷至少會(huì)有部份是由有機(jī)物質(zhì)的熱分解所產(chǎn)生，但大多是從石油分解而成。包合物中的甲烷一般會(huì)具有細(xì)菌性的同位素特征，以及很高的 δ13C 值(-40 to -100‰)，平均大約是-65‰。在固態(tài)包合物地帶的下方處，沉積物里的大量甲烷可能以氣泡的方式釋放出來(lái)。
在給定的地點(diǎn)內(nèi)判定該處是否含有包合物，大多可以透過(guò)觀測(cè)“海底仿擬反射”(BottomSimulatingReflector，或稱(chēng)BSR)分布，以震測(cè)反射(seismicreflection)的方式來(lái)掃描洋底沉積物與包合物穩(wěn)定帶之間的接口處，因而可觀測(cè)出一般沉積物和那些蘊(yùn)藏包合物沉積物之間的密度差異。
海洋生成的甲烷包合物，蘊(yùn)藏量鮮為人知。自從1960至1970年代，包合物首次發(fā)現(xiàn)可能存在海洋中的那段時(shí)期，其預(yù)估的蘊(yùn)藏量就每十年以數(shù)量級(jí)的概估速度遞減。曾經(jīng)預(yù)估過(guò)的蘊(yùn)藏量(高達(dá)3×1018m³)是建構(gòu)在假設(shè)包合物非常稠密地散布在整片深海海床上。然而，隨著我們對(duì)包合物化學(xué)和沉積學(xué)等知識(shí)進(jìn)一步的了解，發(fā)現(xiàn)水合物只會(huì)在某個(gè)狹窄范圍內(nèi)(大陸棚)的深度下形成，以及某些地點(diǎn)的深度范圍內(nèi)才會(huì)存在(10-30%部分的 GHSZ 區(qū))，而且通常是在低濃度(體積的0.9-1.5%)的地點(diǎn)。最新的估計(jì)強(qiáng)制采用直接取樣的方式，指出全球含量介于 1×1015 和 5×1015 m³ 之間。這個(gè)預(yù)估結(jié)果，對(duì)應(yīng)出大約500至2500個(gè)十億噸單位的碳 (Gt C)，比預(yù)估所有礦物燃料的5000GtC數(shù)量還少，但整體上卻超過(guò)所預(yù)估其他天然氣來(lái)源的約230Gt C。在北極圈的永凍地帶，其儲(chǔ)藏量預(yù)估可達(dá)約400Gt C，但在南極區(qū)域并未估出可能的蘊(yùn)藏量。這些是很大的數(shù)字。相較于大氣中的總碳數(shù)也才大約700個(gè)Gt C。
這些近代的估計(jì)結(jié)果，與當(dāng)初人們以為包合物為礦物燃料來(lái)源時(shí)(MacDonald 1990,Kvenvolden 1998)所提出的10,000to11,000 Gt C (2×1016 m³)，數(shù)量上明顯的要少。包合物藏量的縮減，并未使其失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但縮減的整體含量和多數(shù)產(chǎn)地明顯過(guò)低的采集密度，的確指出僅限某些地區(qū)的包合物礦床才能提供經(jīng)濟(jì)上的實(shí)質(zhì)價(jià)值。
大陸生成
在大陸巖石內(nèi)的甲烷包合物會(huì)受限在深度800m以上的砂巖或粉沙巖巖床中。采樣結(jié)果指出，這些包合物以熱力或微生物分解氣體的混合方式形成，其中較重的碳?xì)浠衔镏蟛艜?huì)選擇性地被分解。這類(lèi)的型態(tài)存在于阿拉斯加和西伯利亞。
儲(chǔ)量比地球上石油的總儲(chǔ)量還大幾百倍。這些可然冰都蘊(yùn)藏在全球各地的450米深的海床上，表面看起來(lái)，很象干冰，實(shí)際卻能燃燒。在美東南沿海水下2700平方米面積的水化物中，含有足夠供應(yīng)美國(guó)70多年的可燃冰。其儲(chǔ)量預(yù)計(jì)是常規(guī)儲(chǔ)量的2.6倍，如果全部開(kāi)發(fā)利用，可使用100年左右。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)和中南石油局第五物探大隊(duì)在藏北高原羌塘盆地開(kāi)展的大規(guī)模地球物理勘探成果表明：繼塔里木盆地后，西藏地區(qū)很有可能成為中國(guó)21世紀(jì)第二個(gè)石油資源戰(zhàn)略接替區(qū)。
可燃冰的組成結(jié)構(gòu)
天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡(jiǎn)稱(chēng)Gas Hydrate)，也稱(chēng)為可燃冰、甲烷水合物、甲烷冰、天然氣水合物、“籠形包合物”(Clathrate)，分子式為：CH4·nH2O，現(xiàn)已證實(shí)分子式為CH4·8H2O。。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱(chēng)作“可燃冰”(英譯為：Flammable ice)或者“固體瓦斯”和“氣冰”。形成天然氣水合物有三個(gè)基本條件：溫度、壓力和原材料。
天然氣水合物是一種白色固體物質(zhì)，有極強(qiáng)的燃燒力，主要由水分子和烴類(lèi)氣體分子(主要是甲烷)組成，它是在一定條件(合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等)下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時(shí)組成的類(lèi)冰的、非化學(xué)計(jì)量的、籠形結(jié)晶化合物(碳的電負(fù)性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構(gòu)成籠狀結(jié)構(gòu))。一旦溫度升高或壓強(qiáng)降低，甲烷氣則會(huì)逸出，固體水合物便趨于崩解。
“天然氣水合物”，是天然氣在0℃和30個(gè)大氣壓的作用下結(jié)晶而成的“冰塊”。“冰塊”里甲烷占80%～99.9%，可直接點(diǎn)燃。可用mCH4·nH2O來(lái)表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)(也就是水分子數(shù))。組成天然氣的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要?dú)怏w為甲烷，對(duì)甲烷分子含量超過(guò)99%的天然氣水合物通常稱(chēng)為甲烷水合物(Methane Hydrate)。每單位晶胞內(nèi)有兩個(gè)十二面體(20 個(gè)端點(diǎn)因此有 20 個(gè)水分子)和六個(gè)十四面體(tetrakaidecahedral)(24 個(gè)水分子)的水籠結(jié)構(gòu)。其水合值(hydratation value)20 可由 MAS NMR 來(lái)求得。 甲烷氣水包合物頻譜于 275 K 和 3.1 MPa下記錄，顯示出每個(gè)籠形都反映出峰值，且氣態(tài)的甲烷也有個(gè)別的峰值。
可燃冰的理化性質(zhì)
天然氣水合物燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何殘?jiān)廴颈让?、石油、天然氣都要小得多?立方米可燃冰可轉(zhuǎn)化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。開(kāi)采時(shí)只需將固體的“天然氣水合物”升溫減壓就可釋放出大量的甲烷氣體。
天然氣水合物在海洋淺水生態(tài)圈，通常出現(xiàn)在深層的沉淀物結(jié)構(gòu)中，或是在海床處露出。甲烷氣水包合物據(jù)推測(cè)是因地理斷層深處的氣體遷移，以及沉淀、結(jié)晶等作用，于上升的氣體流與海洋深處的冷水接觸所形成。
在高壓下，甲烷氣水包合物在 18 °C 的溫度下仍能維持穩(wěn)定。一般的甲烷氣水化合物組成為 1摩爾的甲烷及每 5.75 摩爾的水，然而這個(gè)比例取決于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各種不同的包覆結(jié)構(gòu)中。據(jù)觀測(cè)的密度大約在 0.9 g/cm³。一升的甲烷氣水包合物固體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，平均包含 168 升的甲烷氣體。
1立方米的可燃冰可在常溫常壓下釋放164立方米的天然氣及0.8立方米的淡水)所以固體狀的天然氣水合物往往分布于水深大于 300 米 以上的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴(lài)巨厚水層的壓力來(lái)維持其固體狀態(tài)，其分布可以從海底到海底之下 1000 米 的范圍以?xún)?nèi)，再往深處則由于地溫升高其固體狀態(tài)遭到破壞而難以存在。
天然氣水合物從物理性質(zhì)來(lái)看，天然氣水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系數(shù)、電解常數(shù)和熱傳導(dǎo)率均低于冰。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高于含氣沉積物和飽和水沉積物，中子孔隙度低于飽和水沉積物，這些差別是物探方法識(shí)別天然氣水合物的理論基礎(chǔ)。此外，天然氣水合物的毛細(xì)管孔隙壓力較高。
可燃冰燃燒方程式為：
CH4·8 H2O+ 2 O2== CO2+ 10 H2O(反應(yīng)條件為“點(diǎn)燃”)
可燃冰分子結(jié)構(gòu)就像一個(gè)一個(gè)由若干水分子組成的籠子。
形成可燃冰有三個(gè)基本條件：溫度、壓力和原材料。
首先，低溫?？扇急?—10℃時(shí)生成，超過(guò)20℃便會(huì)分解。海底溫度一般保持在2—4℃左右;
其次，高壓?？扇急?℃時(shí)，只需30個(gè)大氣壓即可生成，而以海洋的深度，30個(gè)大氣壓很容易保證，并且氣壓越大，水合物就越不容易分解。
最后，充足的氣源。海底的有機(jī)物沉淀，其中豐富的碳經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化，可產(chǎn)生充足的氣源。海底的地層是多孔介質(zhì)，在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下，可燃冰晶體就會(huì)在介質(zhì)的空隙間中生成。
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