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以埋藏于深海海底之下数百米的固体“天然气水合物”为原料，可以提取出作为天然气主要成分的甲烷。下面我们就来了解一下这种受到瞩目的天然气水合物及其开采作业吧。

2013年3月12日，日本宣布在世界上首次成功地从海底之下的新资源“天然气水合物”中提取出甲烷。为了证明这一点，在开采作业进行的6天里，甲烷气体火焰一直在日本爱知县的渥美半岛近海约80公里处的船上熊熊燃烧着。

甲烷（CH₄）是由1个碳原子（C）和4个氢原子（H）结合而成的分子，是“天然气”的主要成分。在日本，天然气被作为燃料广泛用于火力发电厂等。特别是东日本大地震（2011年3月11日）之后，由于核电站停止运营，导致供电不足，不得不通过火力发电来补足，从而使得天然气的进口量不断增加。从海底之下的天然气水合物中成功提取出甲烷，意味着开发天然气的道路前景广阔。

甲烷分子被锁在“笼”中

天然气水合物到底是怎样一种物质呢？水合物（hydrate）是指“含有水的化合物”。因此，天然气水合物就是天然气（主要是甲烷）和水组成的化合物。

乍一看，天然气水合物就像常见的冰块一样，是透明的（有气泡的部分是白色的）块状物。但由于其内部含有甲烷，与火接近时就会释放出甲烷并燃烧。因此，天然气水合物也被称为“可燃冰”。

甲烷分子被装在由水分子组成的“笼子”中，这就是天然气水合物的微观结构。水分子组成的“笼子”有两种形式：一种是正五边形围成的十二面体，另一种是由12个正五边形、2个正六边形围成的十四面体，每个水分子围成的多面体，内部都可储存1个甲烷分子。天然气水合物就是由这两种多面体组合而成，并形成晶体。

这种晶体是一种高效储存甲烷的贮藏库。1立方米的天然气水合物晶体中可提取出的甲烷气体，其体积在常温、常压下，可高达160～170立方米。

天然气水合物的结构是怎样的？

甲烷分子被装在水分子组成的“笼子”中。其中，水分子组成的“笼子”有两种形式。一种是正五边形围成的十二面体，另一种是由12个正五边形、2个正六边形围成的十四面体。左上方的图中显示的是十二面体的结构。两种类型的多面体有序排列，组成结晶构造（如右图所示）。并且，水分子“笼子”中不仅仅含有甲烷分子，有些还含有二氧化碳分子。

温度和压力是非常重要的条件

在甲烷分子和水分子结合成天然气水合物的过程中，“温度”和“压力”必须被限定在特殊的范围内。其中必需的条件，就是“低温”或“高压”，或两者兼有。

比如在海平面附近的环境中，当温度是15℃、压力为1个大气压时，即使甲烷分子和水分子同时存在于同一个地方，也无法形成天然气水合物的结构。然而，当温度仍然保持在15℃、但压力增加到150个大气压后，就可形成稳定的天然气水合物的结构。在海洋中，压力最高的地方就是深海。这就是说，水深越深，那里的环境就更有可能符合天然气水合物存在的条件。

当海水中的盐度为3%、温度为15℃时，要想获得稳定的天然气水合物的结构，就需要约150个大气压。实际上，随着海水的水深变深，海水的温度也会逐渐降低。水温降低时，天然气水合物的结构稳定存在所必需的压力值也会降低。事实上，以日本周边的海区为例，水深约500米（压力约50个大气压）的地方水温在5℃左右。而当水温为5℃时，天然气水合物存在的临界条件为约50个大气压。这就意味着，天然气水合物存在的大致条件，就是深于500米的水下。

只不过，一般情况下，即使满足了温度和压力的条件，也会因为海水中的甲烷不饱和而无法形成天然气水合物。因此，能够形成天然气水合物的场所，就只能是深于500米水深的海底下面。

海底下面的地层有一个很重要的特点，就是越往深处，温度越高，这是由于受到了地热的影响。受这种温度上升的影响，海底之下的天然气水合物能够存在的深度（即天然气水合物能够存在的地层的厚度）是有界限的。这个深度（厚度）的界限数值随着海区具体位置的不同而有着很大差异，它由海底面所处的水深（影响压力）以及地热所导致的温度上升的速度等因素共同决定。在本次甲烷的提取实验获得成功的渥美半岛到志摩半岛一带的海域，海底面的水深约为1000米，天然气水合物得以存在的地层的厚度为海底下300多米。

此外,在温度较低的高纬度地区,陆地的地层下面也存在着天然气水合物，但世界上的大部分天然气水合物还是存在于海底之下。

探索天然气水合物层的下面

对于藏在深海海底之下的天然气水合物，要怎样进行探测呢？

目前，人们探测时利用的是“声波”。在移动的船上，从海平面附近向海底发射强力声波（释放压缩的空气时引起的振动）后，声波会由海底面反射回来。其中，一部分声波穿过海底面到达海底之下，在地层与地层间的交界面上发生反射。设置于海平面的传感器就会捕捉到这些反射波，并对其强度以及返回所用的时间等进行分析，从而推测出海底之下的结构。这种“地震探测法”被广泛应用于探测石油和天然气，以及调查引起地震的断层等。

就像前文讲到的那样，使得海底之下的天然气水合物得以稳定存在的深度是有一定的界限的。比这个界限更深的位置，即使存在有充足的甲烷和水，甲烷也只是以气体的形式存在。也就是说，以这个界限为分界，往上是固体的天然气水合物，再往下就完全是气体了。声波在气体和固体中的传播速度不同，因此才会形成反射面。

位于天然气水合物层下面的反射层被叫做“BSR”（Bottom Simulating Reflector，海底模拟反射层）。这一反射层于20世纪60年代后期在世界各地被科学家观测到，但当时人们还不清楚这是什么东西，因此就起了这样一个名字。其他海底地层的边界或断层并不一定是与海底面平行的，但BSR与此不同，它与周围的地层的边界没有任何关系，一般与海底面平行。如今我们已知道，BSR位于天然气水合物层的最下面，对天然气水合物的探测，就主要以对BSR的探测为中心进行。

掌握资源量，“厚度”信息很必要

到底天然气水合物的储量有多少呢？关于这个问题，现在还无法给出明确的答案。BSR是了解天然气水合物存在地点和面积范围的线索，但其与天然气水合物层的厚度有着什么样的关联，还需要更详细的探究和调查。在考虑实际的资源开采情况时，仅仅存在有BSR是不够的，更重要的是有大量的天然气水合物聚集的“密集带”的存在。

日本“21世纪天然气水合物研究开发计划”（通称MH21）是一个对天然气水合物的调查和开发项目。这个项目确定了BSR的存在，并公布了其中确认存在“密集带”从而表明天然气水合物存在的海域。

其中，科学家们对静冈县至和歌山县附近的海域进行了详细的调查，这里的天然气水合物密集带的总量如果折算成甲烷气体的话，约为5739亿立方米。这个数字，相当于2011年日本液态天然气（LNG）进口量的5.5倍。

本次的甲烷气体开采实验，就是在这一海域的密集带进行的。另外，同一片海域中，密集带之外的区域所含有的天然气水合物的总量，约为5676亿立方米（换算成甲烷气体）。如果进行开采的话，能从蕴藏的总量中开采出多大比例的资源，就取决于能否找到高效的开采方法了。

（本文发表于《科学世界》2013年第11期）