天然气水合物－－未来洁净的新能源 　　天然气水合物是由天然气与水分子在高压、低温条件下合成的一种固态类冰结晶物质。在大陆边缘深水沉积物上部数百米中，有巨量的天然气被蕴藏在冰冷的天然气水合物中。世界上天然气水合物中碳总量可能是地球上其它化石燃料中碳总量的两倍。天然气水合物中温室气体甲烷的总量可能是现在大气中甲烷总量的3000 倍。因此，天然气水合物对世界能源和全球气候变化都具有十分重要的意义。 天然气水合物的概念 　　天然气水合物，也称气体水合物（gas hydrate），是由天然气与水分子在高压（>100 大气压或>10MPa）和低温（0～10 ℃）条件下合成的一种固态结晶物质。因天然气中80%～90%的成分是甲烷，故也有人叫天然气水合物为甲烷水合物（methane hydrate 或methane gas hydrate）。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，故也有人叫它"可燃冰"。 　　从化学结构来看，天然气水合物是这样构成的：由水分子搭成象笼子一样的多面体格架，以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件，具有不同的多面体格架。 从物理性质来看，天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、电介常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱和水沉积物，这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。 天然气水合物的发现 　　1810 年，首次在实验室发现天然气水合物。 　　1934 年，前苏联在被堵塞的天然气输气管道里发现了天然气水合物。由于水合物的形成，输气管道被堵塞。这一发现引起前苏联人对天然气水合物的重视。 　　1965 年，前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏，并引起多国科学家的注意。1970 年，前苏联开始对该天然气水合物矿床进行商业开采。 　　1970 年，深海钻探计划（DSDP）在美国东部大陆边缘的布莱克海台实施深海钻探，在海底沉积物取心过程中，发现冰冷的沉积物岩心嘶嘶地冒着气泡，并达数小时。当时的海洋地质学家非常不解。后来才知道，气泡是水合物分解引起的，他们在海底取到的沉积物岩心其实含有水合物。 　　1971 年，美国学者Stoll 等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物，并正式提出"天然气水合物"概念。 　　1974 年，前苏联在黑海1950 米水深处发现了天然气水合物的冰状晶体样品。 　　1979 年，DSDP 第66 和67 航次在墨西哥湾实施深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。 　　1981 年，DSDP计划利用"格罗玛挑战者号"钻探船也从海底取上了3 英尺长的水合物岩心。 　　1992 年，大洋钻探计划（ODP）第146 航次在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 海台取得了天然气水合物岩心。 　　1995 年，ODP 第164 航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探，取得了大量水合物岩心，首次证明该矿藏具有商业开发价值。 　　1997 年，大样钻探计划考察队利用潜水艇在美国南卡罗来纳海上的布莱克海台首次完成了水合物的直接测量和海底观察。同年，ODP 在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区实施了深海钻探，取得了天然气水合物岩心。至此，以美国为首的DSDP 及其后继的ODP 在10 个深海地区发现了大规模天然气水合物聚集：秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡（哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥）、美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的两个海域、阿拉斯加近海和墨西哥湾等海域。 　　1996 年和1999 年期间，德国和美国科学家通过深潜观察和抓斗取样，在美国俄勒冈州岸外Cascadia 海台的海底沉积物中取到嘶嘶冒着气泡的白色水合物块状样品，该水合物块可以被点燃，并发出熊熊的火焰。 　　1998 年，日本通过与加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie 三角洲进行了水合物钻探，在890～952 米深处获得37 米水合物岩心。该钻井深1150 米，是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的口井。 　　1999 年，日本在其静冈县御前崎近海挖掘出外观看起来象湿润雪团一样的天然气水合物。 　　到目前为止，在世界海域内已有60 处直接或间接发现了天然气水合物，其中在18 处钻探岩心中见到天然气水合物，42 处见有天然气水合物的地震标志BSR。 天然气水合物的形成条件与分布规律 　　天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温压条件控制。天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源，必须有低温或高压条件，这决定了它的特殊分布。从目前来看，天然气水合物主要分布在地球上两类地区：一类地区是水深为300 m～4000 m 的海洋，在这里，天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分布于泥质海底，赋存于海底以下0～1500 米的松散沉积层中；另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100～250 米以下极地陆架海，在这里，天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。 　　水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中，水合物要么是以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒，要么是以结核状、团块状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物中，还可能以细脉状、网脉状充填于沉积物的裂隙之中。根据研究，生成天然气水合物的烃类气体主要来自于沉积物中微生物对有机质的分解，个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机质的热分解（如美国东南大陆边缘水合物的部分气源是厚度大于13 公里的卡罗莱纳组）。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。水合物的生成非常迅速，*近德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有水合物生成。但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。 　　从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆（深水海台）和盆地，以及一些内陆海。例如，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海，东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚-俄勒冈岸外海域及秘鲁海槽，大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海，以及非洲西海岸岸外海域、印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等。已有发现说明，海洋天然气水合物主要分布在北半球，且以太平洋边缘海域*多，其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的*佳地区，这里沉积物较发育，有机质丰富，以甲烷为主的烃类气体来源充足，有利于天然气水合物生成。 天然气水合物的调查和研究意义 　　天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灾害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等，并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。 能源 　　天然气水合物作为未来潜在能源，具有分布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点，是地球上尚未开发的未知能库。尽管目前还不具备开采海洋天然气水合物的技术条件，但许多科学家相信它*有希望成?quot;21 世纪*理想的、具有商业开发前景的新能源"。 一、分布广泛 　　 据推算（按T<7℃，P>50 个大气压），世界上占海洋总面积90%的海域具有天然气水合物形成的温压条件；据调查，世界天然气水合物矿藏的面积可达全部海洋面积的30%以上。目前，实际上在所有海洋边缘水深大于300～500m 的大陆斜坡上均已发现了天然气水合物，在一些海洋边缘的深水海台或盆地的浅部地层中也都直接或间接地发现有天然气水合物，在极地冻土带和极地陆架海也发现有天然气水合物，证明世界天然气水合物分布十分广泛。据初步研究，我国东海陆坡和南海陆坡及盆地具备天然气水合物的成矿条件和找矿前景，其中南海西沙海槽、台湾东南陆坡已发现有天然气水合物存在的地球物理标志。 二、资源量巨大 　　 天然气水合物是全球第二大碳储库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为（1.8～2.1）×1016m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2 倍，也就是说，水合物中碳的总量（约为11×1018g）是地球已知化石燃料中碳总量的两倍。即使是针对某一个国家，其海域水合物资源量也是巨大的。例如，美国海域天然气水合物资源量约有5663 亿立方米，其蕴藏的天然气资源量约有92万亿立方米，可以满足美国未来数百年的需要。 三、埋藏浅 　　与常规石油和天然气比较，天然气水合物矿藏埋藏较浅，有利于商业开发。在深海，水合物矿藏赋存于海底以下0～1500 米的沉积层中，而且多数赋存于自表层向下厚数百米（500～800 米）的沉积层中；在加拿大西北Mackenzie 三角洲永冻土带，水合物矿藏赋存于810.1～1102.3 米处，含天然气水合物地层厚111 米。 四、规模大 　　天然气水合物矿层一般厚数十厘米至数百米，分布面积数万到数十万平方公里，单个海域水合物中天然气的资源量可达数万至数百万亿立方米，规模之大，是其它常规天然气气藏无法比拟的。这里可以略举几个例子。美国东部大陆边缘有一个30 海里×100 海里的布莱克海台，其水合物蕴藏的天然气资源量非常巨大，相当于约180 亿吨油当量，按美国目前年消耗量计算，能够满足美国未来105 年的需要；美国南、北卡罗莱纳州岸外还有两个海域，面积相当于罗得岛州，水合物蕴藏的天然气估计有1300 万亿立方英尺，相当于美国1989 年天然气消耗量的70 倍还多。加拿大Vancouver 岛大陆坡的天然气水合物资源量也十分丰富，其蕴藏的天然气估计约10 万亿立方米，按加拿大目前年消耗量计算，可满足加拿大未来200 年的需要；加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区也蕴藏着丰富的水合物资源，其储量是美国布莱克海台的10 倍。日本静冈县御前崎近海水合物蕴藏的天然气储量达7.4 万亿立方米，可满足日本未来140 年的需要。 五、能量密度高 　　天然气水合物的能量密度极高。在标准状态下，水合物分解后气体体积与水体积之比为164:1，也就是说，一个单位体积的水合物分解至少可释放160 个单位体积的甲烷气体。这样的能量密度是常规天然气的2～5 倍，是煤的10 倍。 六、洁净 　　天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷，它比常规天然气含有更少的杂质，燃烧后几乎不产生环境污染物质，因而是未来理想的洁净能源。 气　　候 　　甲烷是一种温室效应极强的温室气体。每分子甲烷蓄热能力是每分子CO2 的27 倍，如以重量计则甲烷的气候增温效应是CO2 的10 倍。在正常情况下，大气中甲烷只占温室气体的15%，其对全球温室效应的影响排在CO2 之后。但是，全球水合物中甲烷量是如此之大，占地球上甲烷总量的99%以上，大约是大气中甲烷量的3000 倍，一旦海水温度或压力发生变化，海底甲烷从水合物中释放，可导致全球气候迅速变暖。地史时期海平面剧烈变化、海底地壳活动都有可能引起海底水合物分解，从而导致甲烷气泄露，并引起全球气候变暖。在地史上，地球上水合物中天然气泄露也不一定全是灾难性的，也可能起着平衡气候的作用。当全球变冷时，因海平面下降而引起海底压力减小，进而导致海洋水合物分解，甲烷释放到大气中，温室效应将阻碍全球变冷趋势，使得气候波动趋于平缓；当海平面上升时，极地水合物因气候变暖而失稳分解，甲烷释放到大气中，导致气候变暖加剧，气候变化失去平衡。但是，一旦人为导致水合物中甲烷气大量泄露，将会引起全球气候迅速变暖，从而灾难性地威胁着人类生存环境。这是人类开发水合物之前必须高度重视的首要问题。 　　水合物中甲烷的释放可能极大地影响人们对过去和未来气候的认识。自然界如何控制水合物？水合物又如何影响环境？目前人们还知道甚少。 灾　　害 　　天然气水合物的生成和分解都有可能产生灾害。主要有以下三种灾害： 一、油气管道堵塞 　　在高纬度永冻土带及极地地区，水合物的生成可以堵塞诸如油井、油气管道等油气生产设施，从而构成灾害。 二、海底滑坡 　　在海底，天然气水合物是极其脆弱的，轻微的温度增加或压力释放都有可能使它失稳而产生分解，从而影响海底沉积物的稳定性，甚至导致海底滑坡。相比而言，水合物稳定带是刚性层，之下是饱和气、水的沉积物塑性层。由于游离天然气聚集于水合物稳定带的底界面，此处形成的压力可能超过孔隙压，使之成为一个脆弱的剪切带。一旦某种因素（如海平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气不当）引起海底压力降低或温度上升，水合物稳定带底界面的水合物将有可能首先分解成天然气和水。其结果是：底界面处沉积物出现液化，气压不断增大，*终使上部的沉积层失稳而产生滑坡。如果巨厚的水合物沉积层滑坡进深海里，水合物可能因压力释放而溶解。 美国地质调查局科学家Bill.Dillon 证实，美国南卡罗莱纳州岸外就有一个年青的海底滑塌地质体。地震资料显示，该滑坡体下部的沉积物中几乎不含水合物。一个可能的机制是：冰期海平面下降导致海底压力下降，水合物稳定带底界面的水合物因压力下降而分解，结果该处半胶结的沉积物带变成充满气体的、无剪切强度的、易滑动的带，*终导致滑坡。这次滑坡可能释放大量的甲烷，导致大气中甲烷含量增加4%（与现在相比）。海底滑坡会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施构成危害。 三、海水毒化 　　一旦海底天然气水合物因突发因素而失稳分解，大量的甲烷气体将进入海水，结果是海水被还原，造成缺氧环境，进而引起海洋生物大量死亡，甚至导致生物绝灭事件发生。地史上不排除这种可能性。 碳通量 　　水合物的分解是碳进入海洋的重要来源。尽管目前我们还不清楚碳通量对海洋化学会产生怎样的影响，但已经知道水合物中碳同位素分馏程度非常高，水合物引起的碳通量任何微小变化都能改变人们对海洋中碳同位素升降的看法。碳同位素是人们早期研究古海洋尤其是古气候的有效工具，今后如再用这种工具，就应充分考虑到水合物可能引起的影响。 海洋军事技术 　　通过试验，人们已经了解到水合物以及水合物胶结沉积物表层的声波速度是较高的，但对水合物胶结沉积物的特殊声学特征还不是很清楚，需要进一步研究。海洋天然气水合物可能对海军使用的声学模型产生影响，并可能造成判断失误。掌握水合物胶结沉积物的特殊声学特征，对声纳仪器的正确运用具有重要意义，美国海军非常重视这一点，并积极参与海洋天然气水合物的声学性质研究。 国内外天然气水合物的研究现状 前苏联 　　前苏联是研究天然气水合物*早的国家。早在20 世纪30 年代，前苏联科学家为了预防和疏通西伯利亚油气管道的堵塞，以保障油气管道的畅通，开始对水合物的结构和形成条件进行研究。从60 年代开始，荷兰、德国、美国才相继开展了天然气水合物结构和热动力学研究。 　　从70 年代开始，前苏联紧跟美国步伐，也在其周围海域和内陆海中开展天然气水合物调查与研究工作。80 年代以来，前苏联通过海底表层取样和地震调查等手段相继在黑海、里海、贝加尔湖、鄂霍茨克海、白令海、千的岛海沟等海域发现了天然气水合物矿藏和矿点并进行了区域评价。即使近期经济比较困难，俄罗斯仍坚持在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行天然气水合物的调查与研究工作。 美国 　　美国则是开展海洋天然气水合物调查*早的国家，至今已耗资近3 亿美元.早在60 年代，美国就在墨西哥湾及东部布莱克海台实施油气地震勘探，首次发现了令人难以理解的拟海底反射层（BSR）。1970 年，美国在布莱克海台实施了深海钻探（DSDP），证实BSR 之上存在天然气水合物，BSR 是由水合物层底部游离天然气引起的反射界面。之后，BSR 作为识别海洋天然气水合物的地震标志，被广泛地用于世界各海域的水合物调查。1979 年和1981 年，美国通过DSDP 在墨西哥湾及布莱克海台再次实施深海钻探，并取得了水合物岩心。1981 年，美国制订了甲烷水合物十年研究计划（1982～1992），投入800 万美元开展了天然气水合物基础知识的调查研究。80 年代中期，美国能源部和Morgentown 能源及技术中心授权地质勘探者协会，对全球24 个地区的海洋天然气水合物赋存控制因素和可采储量进行研究。1989 年以来，美国还进行了气体（甲烷、CO2、甲烷-乙烷-丙烷）水合物的高压低温实验和模拟研究。1991，美国能源部组织召开了"美国国家气体水合物学术讨论会" 。通过这次会议，人们对水合物及其沉积物了解越来越多，并掀起了水合物研究的热潮。1994 年，美国能源部制订了"甲烷水合物研究项目"；1995 年，美国借助ODP 在其东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探，探明天然气水合物资源量为180亿吨油当量。受如此巨大资源量的鼓舞，美国参议院于1998 年通过决议，把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入国家发展的长远计?quot;甲烷水合物研究与资源开发利用"， 每年投入2000 万美元，能源部和美国地质调查局组织有关部门实施，要求2010 年达到计划目标，2015 年进行商业性试采。该计划的主要内容是：资源特征、生产开发、全球变暖（全球碳循环）、安全性和海底稳定性。1999 年7月，在美国盐湖城召开了主题为"气体水合物与未来的挑战"的第三届气体水合物会议，就资源特征、全球气候变化、油气管道堵塞物与海洋水合物工程、生产等专题进行了交流和研讨。到目前为止，美国已经在其东南大陆边缘、俄勒冈外太平洋西北边缘、阿拉斯加北坡、墨西哥湾大陆边缘、密西西比峡谷等海域进行了天然气水合物调查，并绘制了全美海洋天然气水合物的矿藏分布图，评价了各矿区的资源量和开发潜力。 日本 　　日本的海洋天然气水合物工作开展较晚，但发展极为迅速，短短几年就处于水平。1992 年，日本东京召开了第29 届地质大会。在会上，美国能源部的Krason 估计日本南海海槽的BSR 分布范围大约为3.5 万平方公里，认为该海域水合物资源量十分丰富。受此鼓舞，加之日本油气能源短缺，促成日本政府开始关注水合物，各大专院校、科研院所也开始借此契机推动日本政府支持立项研究。1995 年，日本通商产业省资源能源厅石油公团（JNOC）和日本地质调查局联合10 家石油天然气私营企业，设立了"甲烷水合物研究及开发推进初步计划"。该5年计划（1995～1999）的总投资150 亿日元。目的是：通过地球物理勘探，研究水合物物理性质，掌握水合物产地、地质产状及其分布规律，*后通过实施钻探，评价日本岸外甲烷水合物开发潜力和作为非传统能源开发的可行性。具体计划如下：1996 年进行地震调查，编制BSR 分布图；1997 年在南海海槽东部实施导向性钻探；1998 年与加拿大合作，在加拿大北部Mackenzie 三角洲试验钻探，包括2口深井、1 口试验井，钻穿冻土层，获取水合物样品，评估工程技术（主要是取心技术和生产技术），检验新研制的技术装备；1999 年在日本南海海槽东部进行地层钻探，对海洋天然气水合物的潜在资源进行全面评价。该项目得到日本石油勘探有限公司（JAPEX）、美国地质调查局（部分经费由美国能源部资助）、加拿大地质调查局和一些大学的积极参与。1998 年，日本通过高压装置，人工合成了甲烷水合物。2000 年1 月下旬，日本通产省和石油财团宣布，他们在南海海槽水深950米处实施了钻探，在日本静冈县御前崎近海发现了天然气水合物含量高达20%的砂岩层，证明那里存在丰富的天然气水合物资源。计算表明，该海域水合物中蕴藏的天然气储量达7.4 万亿立方米，相当于日本140 年消耗的天然气总量。目前，日本已基本完成了对其周边海域的天然气水合物调查和评价，并圈定了12 块天然气水合物矿集区。在此基础上，日本计划在2010 年进行试生产，开发其领海内的天然气水合物。 加拿大 　　加拿大对其海洋天然气水合物和北极加拿大地区的大陆天然气水合物都非常重视。加拿大地质调查局通过对加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区的调查，估算其蕴藏的水合物资源量是美国布莱克海台的10 倍。1997 年至1999 年，由加拿大地质调查局和温哥华大学的科学家联合组成研究小组，运用单道和多道地震、钻探（1997 年实施了ODP889/890 钻探计划）、地球化学、多波束测量、海底深潜器观测及计算机模拟等手段，对该海域水合物的富聚机制、地质背景及温压条件等进行了深入研究，利用多道地震、测井、垂直地震速度等对水合物富集率进行了评价。研究表明，水合物层位于海底230 米以上，气源主要是生物气。在ODP站位，水合物富集率向下可以达到孔隙的20%；水合物层之下的游离天然气富集率估计不到百分之几。此外，1999 年加拿大还参与了日本南海海槽的水合物钻探。在北极加拿大地区，天然气水合物不仅是未来潜在的巨大能源，而且对该地区传统石油天然气的开采可能构成灾害，也可能是一个巨大的温室气体来源，为此，加拿大近年来加强了北极天然气水合物研究。1998 年，加拿大与日本合作，在其西北Mackenzie 三角洲进行了水合物钻探，并在三轴控制条件下进行了实验研究，测定了水合物的P 波速和抗剪强度。结果表明，含与不含水合物的P 波速差别较大，前者要高的多，剪切强度至少是后者的5 倍。这一成果为地震勘探提供了直接实验依据。 德国 　　德国没有自己的深海，但对水合物的研究非常感兴趣，尤其重视水合物的环境意义。在80 年代后期，德国曾利用"太阳号"调查船与印尼等国合作对西南太平洋海域进行调查，在苏拉威西海发现了水合物的地震标志－－BSR。1998 年度，德国又与俄罗斯合作，开展鄂霍茨克海水合物调查。1998 年至今，德国基尔大学Geomar 研究所对美国俄勒冈州西部大陆边缘卡斯凯迪亚（Cascadia）消减带的水合物海台尤感兴趣，通过德-美Tecflux 合作项目，争取到资金2000 万马克，不仅在该海域做了大量地震调查工作和海底取样工作，而且还研究了水合物形成和失稳的动力学机制，测定了海底甲烷释放速率的趋势变化。在Cascadia 水合物海台，不但发现有水合物矿藏，还发现了水合物泄气窗，泄气窗中有大量甲烷释放。气体中Rn/CH2 值很高，大约每公升50dpm；在局部地区，有铵和硫化物分布，在其它局部地区，甲烷发生氧化作用。为了进一步评价该海域的水合物资源量，ODP第199 航次计划在2001 年10 月9 日至11 月6 日对Cascadia 水合物海台实施钻探。 印度 　　印度对其周边海域的天然气水合物资源十分重视。1995 年，印度地质调查局对其海域进行了有关水合物的地质、地球化学和地震资料的初查与复查。在此基础上，印度科学和工业委员会设立"全国气体水合物研究计划"，计划在1996～2000年由国家投资5600 万美元对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究。迄今为止，印度海域已初步显示出良好的找矿前景。 澳大利亚 　　澳大利亚对其领海的天然气水合物资源也十分重视。通过与法国合作，利用地震反射勘探技术，澳大利亚于1998 年绘制了Tasman 海BSR 的分布范围。在该海域，水合物分布在水深1500～3000 米处，水合物矿藏厚200 米左右，位于海底以下400～600 米，证明该海域天然气水合物资源量巨大。 英国及比利时 　　英国及比利时仅有少数人在做此项工作，但近年来也引起政府的重视。1996年9 月18～20 日在比利时的Gent 大学召开了主题为"世界大陆边缘稳定性、气候变化与气体水合物"的学术会议；1998 年4 月14～15 日在英国Keele 大学也成功地主办了"气体水合物：资源-灾害-成因"学术研讨会。 中国 　　我国对海洋天然气水合物的调查和研究工作刚刚起步。1997 年，中国地质科学院矿床所吴必豪等人完成了"西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研" 课题，认为西太平洋边缘海域，包括我国东海和南海，具备天然气水合物的成藏条件和找矿前景。之后，中国地质调查局广州海洋地质调查中心重新检查了南海北部陆坡区近3 万公里的地震剖面，青岛海洋地质研究所检查了东海陆坡区126 专项实施的地震剖面，发现多处具有天然气水合物矿藏的地震标志－－BSR。俄罗斯专家在对我国东海进行海水气体地球化学的系统调查时，曾在冲绳海槽中段的西部陆坡和钓鱼岛附近海域发现多处甲烷气体异常，台湾海洋大学也在冲绳海槽南端还发现了BSR。1999 年春，以中国科学家为主的ODP184 航次在南海实施钻探，岩心分析显示有天然气水合物存在的氯异常。1999 年10 月，中国地质调查局广州海洋地质调查中心首次在南海西沙海域开展天然气水合物前期调查，在三条共130公里的地震剖面上识别出BSR。这是一个重大突破，说明我国海域也可能有天然气水合物分布。*近，中国地质调查局邀请中国科学院、中国工程院的有关院士、专家和国家有关部门召开了"我国海域天然气水合物资源调查与评价专项可行性报告"论证会，为申请将其列入国家研究开发计划积极做好准备。 　　目前，天然气水合物与深海生物圈一起已经成为大洋钻探的两大新领域。 　　1995 年，ODP 还专为海洋天然气水合物设计了第164 航次。1999 年，科学大洋钻探学术会议筹备委员会把天然气水合物列入21 世纪大洋钻探的14 个主题。2000 年1 月10 日，ODP 在华盛顿举办了大洋钻探系列讨论会，天然气水合物（能源、气候与生物圈的结合点）被作为4 个主题作了重点讨论。由此可见一斑。 天然气水合物调查的技术手段 　　目前，天然气水合物调查的技术手段较多，如地震地球物理探查、电磁探测、流体地球化学探查、海底微地貌勘测、海底视象探查、海底热流探查、海底地质取样、深海钻探等，但这些技术手段都不够成熟，有待进一步探索和完善。 地震地球物理探查 　　对于沉积物中水合物，声波P 波和S 波都很灵敏。对于沉积物中少量的水合物而言，S 波可能比P 波更灵敏。地震调查正是利用了水合物的这一声学特征。地震地球物理探查包括高频共深点法地震探查和高频地震剖面探查。高频地震剖面探查是天然气水合物的主要调查手段。地震地球物理探查可以有多种技术方法，如船载深水高分辨率数字地震方法、船载单道地震方法、大孔径海底地震检波法、垂直地震剖面法等。这些方法的理论依据与声纳技术基本相同。多道地震方法是探测深海天然气水合物的常用技术方法，也是目前*有效的技术方法。它是利用强脉冲声源（如排阵）和许多道接受器探测来自海底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是数字记录、分辨率高、费用高、探测埋深不大。 　　单道地震反射法是美国、加拿大探测深海天然气水合物的技术方法，但不常用。它是利用强脉冲声源（如）和单道接受器探测来自海底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是探测深、分辨率低、费用少。 海底地震检波法是在海底安置大孔径地震检波器，接受来自次海底地质界面的反射信号。垂直地震剖面法是在钻井的不同深度安置地震检波器。这些方法的分辨率很高，费用也很高，主要用来估算天然气水合物的富集率和评价天然气水合物资源量。 流体地球化学探查 　　在海洋环境中，水合物富集区烃类气体的微量渗逸可在海底沉积物、海底和海水中形成烃类异常或其它异常效应。通过对底质沉积样孔隙水（或间隙水）及近海底水样（尤其是富气羽状流）的测试，分析甲烷浓度异常、Cl－含量异常、δ18O 异常、PH 等地球化学指标和富含重氧的菱铁矿等标志矿物，探测与天然气水合物有关的地球化学异常，圈定水合物可能存在的地球化学异常区。 微地貌勘测与海底视象探查 　　通过船载深水多波束技术及海底电视摄像技术，探测海底地形地貌，分析并圈出与水合物可能有关的特殊构造（可视为水合物的地貌标志）的分布范围。 海底热流探查 　　采用海底热流探测技术，测定海底温度，计算地温梯度。目的是：分析水合物成藏条件；反演水合物稳定层底界面的埋深。 海底地质取样与深海钻探 　　地质取样技术是发现水合物的直接手段，也是验证其它方法所得调查成果的必要手段。地质取样技术，包括抓斗取样、重力取样（柱样）、大型重力活塞密封取样等海底浅地层取样技术（深度达10～12m）和深海钻探取心技术。地质取样的另外目的是：分析天然气水合物产状（脉状、团块状、结核状、星点状）及赋存方式；测试水合物中气体成分及其有关成因参数（如C1/（C1+C2）比值、甲烷中δ13C 值、硫化氢的δ34S 值等）；计算水合物的充填率；估算水合物的资源量。 天然气水合物的识别标志 　　天然气水合物可以通过底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过拟海底反射层（BSR）、速度和震幅异常结构、地球化学异常、多波速测深与海底电视摄像等方式间接识别。下面介绍一些间接标志。 地震标志 　　海洋天然气水合物存在的主要地震标志有拟海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度-振幅异常结构（VAMP）。大规模的甲烷水合物聚集可以通过高电阻率（>100 欧米）声波速度、低体积密度等号数进行直接判读。 　　BSR 是地震剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层的反射界面。天然气水合物稳定带之下还常圈闭着大量的游离甲烷气体，从而导致在地震反射剖面上产生BSR。现已证实，BSR 代表的是气体水合物稳定带的基底，其上为固态的水合物层段，声波速率高，其下为游离气或仅为孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震剖面上形成强的负阻抗反射界面。 　　因此，BSR 是由于低渗透率的水合物层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差别引起的。因为水合物层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因此BSR 基本平行于海底，被称为"拟海底反射层"。BSR 除被用来识别天然气水合物的存在和编制水合物分布图外，还被用来判明天然气水合物层的顶底界和产状，计算水合物层深度、厚度和体积。 　　然而，并不是所有的水合物都存在BSR。在平缓的海底，即使有天然气水合物，也不易识别出BSR。BSR 常常出现在斜坡或地形起伏的海域。另外，也并不是所有的BSR 都对应有天然气水合物。在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR。还应注意的是，尽管绝大部分水合物层都位于BSR 之上，但并不是所有的水合物层都位于BSR 之上，这已被深海钻探证明。因此，BSR 不能被作为天然气水合物的标志，应结合其它方法综合判断。 　　近几年，分析和研究地震的速度结构成为该学科领域的前沿。水合物层是高速层，其下饱气或饱水层是低速层。在速度曲线上，BSR 界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。此外，分析振幅结构也可识别天然气水合物。相比而言，水合物层是刚性层，其下饱气或饱水层是塑性层，在振幅曲线上，BSR 界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。这些方法对海底平缓的海域来说，尤其显的重要。 地球化学标志 　　浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高、浅层沉积物孔隙水Cl－含量（或矿化度）和δ18O 异常高、出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为天然气水合物的地球化学标志。 海底地形地貌标志 　　在海洋环境中，水合物富集区烃类气体的渗逸可在海底形成特殊环境和特殊的微地形地貌。天然气水合物的地貌标志主要有泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。在*近几年，德国基尔大学Geomar研究所通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 水合物海台就发现了许多不连续分布、大小在5cm2 左右的水合物泄气窗，泄气窗中甲烷气苗一股一股地渗出，渗气速度为每分钟5 公升。在该渗气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳。 天然气水合物的资源评价 　　要评价某海域天然气水合物的资源量，至少需要知道两个参数：该海域天然气水合物矿藏的体积和富集率（或孔隙充填率）。通过多道地震的BSR 及速度/振幅异常结构分析技术、海底取样和深海钻探技术，可以获得天然气水合物矿藏的分布、深度、厚度、产状，并可计算出体积；通过多道地震、测井、垂直地震速度等方法，可以估算出天然气水合物的富集率。例如，1995 年，ODP 164 航次通过对布莱克海台一系列深海钻孔岩心、地震和测井资料的分析，得出BSR 之上天然气水合物占据沉积物孔隙的2～7%，BSR之下游离天然气占据沉积物孔隙的1%；1997 年，加拿大通过多道地震、测井、垂直地震速度等技术方法，评价了其西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区ODP889/890 站位的富集率（向下达到孔隙的20%）。由于速度对BSR 之下游离天然气不敏感，对其富集率很难作出评价。加拿大人估计该站位的游离天然气富集率不到百分之几。 　　目前，天然气水合物资源量的计算方法主要有两种：地震资料计算法和测井资料计算法。其中，测井资料计算法更准确。 　　经验证明，一般水合物稳定带下部1/3～1/4 处是水合物*密集段，也是*可能提供经济甲烷回收的层段。水合物评价尤应重视水合物的这一层段。 天然气水合物开发技术与环境问题 、未来可能的开发技术 　　天然气水合物资源的开采需要首先把水合物分解，使之释放出天然气，然后回收天然气。目前，日本、美国和印度等国以及一些石油公司已开始做天然气水合物的应用前景与开发技术和风险研究，并探索出三种开发技术方案。 一、热力开采 　　热力开采是采用升温方法使天然气水合物分解，因此也可称其为热激发法或热分解法。升温方法有多种，主要有蒸气注入法、热水注入法、热盐水注入法、火驱法和电磁加热法等。 二、化学剂注入开采 　　这种方法也称阻凝剂注入法。 三、降压开采 　　降压开采是采用减压方法使天然气水合物分解，因此也可称其为减压法。减压方法实施起来比较简单。天然气水合物具有低渗透性特点，是一种很好的非常规盖层，它可能圈闭了天然气藏。可以通过钻井减压，钻井达到BSR 以下后，回收圈闭中的游离天然气，使得水合物层底部气压降低而分解，分解后的气体进入圈闭中。开采水合物层封闭下的游离天然气，对未来提取海洋天然气水合物中甲烷气体来说，可能是一个很理想的办法。 　　通过减压法，前苏联和俄罗斯已成功地开采了西西伯利亚地区永冻土带的天然气水合物。1970 年，前苏联首次在西伯利亚东北部永冻土带的Messoyakha 气田进行水合物矿床商业开采，到1978 年停产。1980 年再次开采，并间歇性地进行到现在。天然气水合物层底部位于地下700～800 米。由于开采常规天然气，水合物层底部压力下降并导致水合物分解，以致天然气源源不断。科学家认为，水合物层是该气田的主要气源层。 　　但是，到目前为止，还没有哪一个国家能够开采海洋天然气水合物。 　　在海洋，天然气水合物层作为非常规盖层，所圈闭的天然气比上覆水合物层中所储集的天然气可能还要多。大部分学者认为，圈闭于水合物层之下的游离天然气的开采要优于和早于水合物层内天然气的开采，因为它的开采只需要常规的海上油气开采技术就够了。 第二、可能带来的环境问题 　　一些国家和科学家担心，开发海洋天然气水合物可能引起不可逆转的环境问题。这种担心不是多余的。因为一旦开发不当，有可能导致海底天然气大量泄露，从而引起全球变暖，也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。这种环境破坏对全球来说可能是灾难性的。即使这些问题不出现，人类利用水合物，必然产生大量CO2，也会导致全球变暖问题。因此，天然气水合物能否真正成为常规油气的替代能源，关键是能否进行安全开发。 　　因此，在我们忙于乐观的同时，必须考虑到环境问题。在海洋水合物开发之前，必须研究它可能带来的环境问题及预防措施。各国政府必须谨慎对待海洋天然气水合物的开发。我们相信，随着科学的高速发展，今后人类是能够作出理智的决定：是否开发水合物。随着技术的高速发展，人类也能够找到开发海洋天然气水合物的理想技术，把可能出现的环境问题降到危害程度。 我国应尽快制订天然气水合物研究开发计划 　　天然气水合物储量巨大，其总量之大足以取代日益枯竭的传统能源。不仅如此，天然气水合物还具有潜在的科学价值。地史时期海平面变化、海底地壳活动以及未来人类开发不当，都有可能导致海底天然气泄露，从而引起全球变暖，也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。因此，对其研究有可能对地质学、环境科学和能源工业等的发展产生深刻影响。这一点已经引起世界上许多国家的高度重视。六十年代以来， 美国、日本、前苏联及俄罗斯、加拿大、英国、挪威、德国、印度、巴西等国家相继投入巨资进行勘测。尤其是近十年来，这些国家对水合物的物化性质、产出条件、分布规律、实验模拟、勘查技术、储量评估、开发工艺、环境影响、经济评价与环境关系等方面进行了不同程度的科学考察和研究，取得了丰硕研究成果，并掀起了水合物研究热潮。美国、日本、印度等国家更将其列入国家研究开发计划，而且预算均在5000 万美元之上。加拿大、英国、巴西、挪威、俄罗斯也在积极开展天然气水合物研究计划，德国、法国、瑞士、韩国、捷克和乌克兰等国则正在酝酿制订自己国家的水合物研究开发计划。 　　在我国管辖海域，尤其是东沙群岛南部、西沙海槽北部、西沙群岛南部和东海陆坡海域可能存在天然气水合物矿藏。我国尚未制订出天然气水合物研究开发计划。上水合物调查研究热潮对我国科技发展既是机遇，也是挑战。我国应以此为契机，应紧跟世界发展的形势，尽快制订出自己的水合物研究开发计划。通过计划实施，查明我国管辖海域天然气水合物的分布和资源量，研究出开发技术，在天然气水合物对深海常规油气安全生产、全球碳循环、全球气候变化、海底稳定性等影响方面的研究取得长足进展，进而使我国在天然气水合物前沿领域能有一席之地。这对提高我国科技水平，对未来实现能源接替、改善能源结构、增强竞争力和维护我国海洋权益，都具有极其重要的意义。

原创作者：南通仪创实验仪器有限公司