天然气水合物是什么 可燃冰是如何形成的

可燃冰，学名为天然气水合物，是一种由天然气分子和水分子在低温高压条件下形成的白色固体物质，由于其外表像冰，遇火可燃烧，因此得名。作为一种未来最有潜力接替化石燃料的清洁能源，可燃冰深受人们的青睐和追捧。可燃冰中的可燃物质主要是甲烷分子，含量一般在85%以上，也含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等大分子天然气组分，其含量一般低于5%。

埋藏在地层深处的有机物质在热的作用下生成的天然气分子，是形成可燃冰最为重要的气体来源。然而，这些在深部地层生成的天然气分子并不能完好无缺地进入可燃冰矿体中，在它们形成可燃冰之前，都必须历经类似“合成工厂→高速公路→改造加工厂→仓库”的生产与加工流程，可谓历经“劫难”而重生。

合成工厂：天然气初次生成的场所

在海洋里生活的各种生物体在死亡后会缓慢沉降到海底，沉降过程中会遭到细菌等微生物的蚕食与分解。但是有一部分生物遗体由于被沉积物快速掩埋而阻断了微生物的进一步分解，最终以有机质的形式被保存下来。在热的作用下，这些有机质会发生热降解作用从而生成大量的天然气分子，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷分子等。地球科学家们把地层中能够生成或者已经生成过天然气的岩石称之为“气源灶”。气源灶一般具有比较高的有机质含量(一般大于0.5%)，达到天然气生成温度条件(通常大于120℃)两个特点。气源灶类似于一个“合成工厂”，其中的有机质在“灶火”加热烘烤下生成一系列天然气分子。

高速公路：天然气向上运移的路径

不断生成的天然气分子会使气源灶内的压力逐渐增加。当气源灶内部的压力大于外部压力时，天然气分子就会跑出气源灶，在浮力作用下沿着岩石孔隙不断向上方的地层扩散。当然，如果存在捷径，比如类似于“高速公路”的断裂体系，天然气分子就会优先选择从这条“高速公路”跑到上方的地层中。

改造加工厂：天然气“浴火重生”的场所

海底沉积物中并非一片死寂，各种各样的微生物群体居住在其中并繁忙地工作着，然而它们大都不能在超过80℃的环境中生存。当天然气分子沿着“高速公路”向上跑到微生物繁殖和工作的场所，也就是温度小于80℃的地层时，会迎来它们的“劫难”——被天然气降解菌当作食物“吃掉”。这些降解菌也比较“挑食”，按照它们的喜好程度，就会先吃掉丙烷分子，然后是丁烷分子、戊烷分子，接着是乙烷分子，最后实在没有食物了才会吃甲烷分子。当然，这些降解菌吃饱后也需要排泄，释放出二氧化碳和氢气等小分子物质。更有意思的是，还有一类叫做产甲烷古菌的微生物，它们不把天然气分子当作食物，相反地喜欢吃降解菌生成的二氧化碳和氢气，饱吃一顿后排放出甲烷分子。不同的是，上述气源灶中生成的甲烷是有机质受热降解生成的，属于热解成因;而这些甲烷分子由产甲烷古菌生成，属于生物成因。在产甲烷古菌的努力下，这些来自气源灶的热解成因天然气大分子(乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)又要以生物成因甲烷分子的身份获得了“重生”。

仓库：天然气储集形成可燃冰矿体

在合适的温度和压力条件下，天然气分子和水可以结合形成笼子状的晶体结构，也就是水合物晶体。水合物晶体具有I型、II型和H型三种笼状结构，其中I型笼子只能关“体型瘦小”的甲烷和乙烷分子，而II型和H型笼子除了可以关甲烷和乙烷分子外，还可以关“体型粗大”的丙烷、丁烷和戊烷等天然气分子。无数水合物晶体聚集堆积在一起，便形成了水合物矿体。

天然气降解菌和产甲烷古菌共同改造天然气分子生成的生物成因甲烷，以及没有被改造的热成因甲烷、乙烷等天然气分子，在浮力作用下继续沿着气烟囱通道向海底运移，抵达了有利于水合物形成的地层中，最终形成了甲烷水合物矿体，即可燃冰矿体。

[作者系南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项研究人员]