天然气水合物,是由“气”和“水”在自然条件下形成的一类似冰状的物质。气可以分为可燃气体（如甲烷、乙烷、氯气、硫化氢、磷化氢等）和不可燃气体（如二氧化碳、氮气、氩气等）。

可燃气体形成的水合物,遇火即燃烧,俗称可燃冰。可燃气体中的甲烷是沼气、煤层气、天然气的主要成分,具有重要的能源意义和工业价值。因此,狭义而言,可燃冰指的是甲烷水合物。

自1811年在实验室发现气体水合物以来,科学家对天然气水合物资源量的认识逐年深入而精确。全球天然气水合物资源量估算为2.1×10¹⁶立方米,这一数据已在国际科学界达成共识,它是全球煤、石油和天然气等常规化石能源资源总量的2倍,其新能源的意义引起各国政府与科学家的高度重视。但对天然气水合物的资源量也存在不同的估算,它可能是公认值的100倍,也可能是公认值的百分之一,二者相差悬殊。前苏联西西伯利亚麦索雅哈含天然气水合物油气田的开发与利用的实际价值较大。美国东部大陆边缘布莱克海台天然气水合物蕴藏量不少于12.1×10¹²~37.7×10¹²立方米,足以供美国使用一百年。日本东南部海域资源量约为20.56×10¹²~142.3×10¹²立方米,可供目前能源资源短缺的日本使用千年。这些案例足以证明天然气水合物对地球、对人类的重要意义。

天然气水合物极可能是百宝箱,也很可能是潘多拉魔盒。二氧化碳是温室气体,甲烷也是温室气体,其造成的温室效应是二氧化碳的22~25倍,若大量排放到大气里,足以助纣为虐,造成气候系统的紊乱,风调雨顺、五谷丰登将成为幻想。自然界中,天然气水合物自然分解引起灾害发生的实例不乏存在。近几年西伯利亚亚马尔半岛出现的数个神秘的大坑,均是由甲烷水合物爆炸引起。1986年8月22日喀麦隆尼欧斯湖的毒气导致1 746人以及大量动物死亡的事件,是因湖中二氧化碳水合物突然分解,导致二氧化碳气体覆盖家园,进而引起窒息造成的。但这些只是肉眼可见的宏观突发性事件。自然界中,天然气水合物处于无时无刻的合成中,同样也在悄无声息的分解中,它们是全球碳循环的一部分。

循环,即意味着无休无止。其过程不仅是和风细雨式的渐变,也可能是急风暴雨式的灾变。但何时渐变,何时灾变,控制因素又有哪些,人类能否影响其过程等问题,都处于四顾茫然之中。

天然气水合物可能是一把双刃剑,还未出鞘就已令人类不安的一把双刃剑。认清天然气水合物的本来面目,无疑能为人类社会可持续发展作出重要贡献。

科学的名词术语,有人提出,有人翻译。提出者属原创,是领路人,是首席;翻译者是传播者,是追随者,也是贡献者。

有关天然气水合物,最早是英文“Gas Hydrate”,出现在1811年。那年,英国学者汉弗莱·戴维和他的助手迈克尔·法拉第把氯气压入冷水中,结果出现气“消了”、水“冻了”的现象。与之对应的汉语“气体水合物”一词,可能最早出现在1982年贺承祖的文章中。两者相差近二百年！这或许反映了西方科学与中国科学出现的世纪之差。

“气体”换作“天然气”,即在自然条件下能否形成天然气水合物的认识,则始于1934年,已是实验室研究气体水合物一百年之后。那年,美国学者E. G. Hammerschmidt找到了输气管道中的“麻烦制造者”——把管道堵塞得紧紧的“冰”。经化学分析,管道中的“冰”不再是水冻成的“冰”,而是可燃冰。而且,这位“麻烦制造者”并非到处找“麻烦”,它多在高山地区、深海地区出现。为什么?就是因为那里自然条件下温度低。温度低、压力大,是实验室中合成气体水合物的必要条件。那么,离开油气管道,或者油气管道之外的自然界,是否也具有形成可燃冰的可能性呢?1948年,前苏联学者斯特里佐夫（I. N. Strizhov）给出了有力的回答：能！他从理论上推测,自然界的多年冻土层中温度低、压力大,其条件可能形成“天然气水合物”！1982年,贺承祖的中文文章也提到了“天然气水合物”。“天然气水合物”名词的出现,中外文的时间差似乎缩短到了几十年。

在“气-水相平衡”理论的指导下,各国的科学家开始注意本土是否存在“天然气水合物”。理论上,天然气水合物形成的外因是低温高压,具备此条件的地区,称为“天然气水合物稳定带”,海洋随深度增加水温降低、压力增大,水面之下300米即进入天然气水合物稳定带;陆地随纬度或者海拔高程的增加,气温降低,地温也降低,随之出现不断增厚的冻土（或寒土）,60~70米厚的冻土层（或寒土）之下就有可能出现数百米至上千米厚的天然气水合物稳定带。总之,海洋、南极圈、北极圈、青藏高原,约占地球表面积的80%,都可能是天然气水合物的稳定带。另一方面,天然气水合物形成的内因是存在足够量的天然气。天然气中的不可燃气体如二氧化碳等,多由地幔中来,主要是从陆地火山口或者海底火山口中喷出,或从深大断裂带中逃逸而出;可燃气体如甲烷,则主要从地壳埋藏不太深的有机质中来,由岩石、土壤、水中的碳经微生物分解而成（生物气）,或经加热裂解而成（热解气）。而火山口、深大断裂带或者含有机质的岩石、土壤及水,并不是在地壳处处都有的,其分布非常局限。稳定带中会生产大量天然气的地区,被称为“天然气水合物赋存带”。估算赋存带的面积远远小于稳定带,或许只有稳定带的几分之一。进一步讲,形成1 立方米的可燃冰,大概需要164 立方米的甲烷;形成具有一定规模而有工业价值的天然气水合物矿藏,则一定在一个能够产生大量气体的局部地区。因此又估计,具有工业意义的天然气水合物矿藏,应该是在赋存带中进行“众里寻她”,应该是在稳定带中“大海捞针”！

但人类还是捞到了！1971年,美国学者提出“gas hydrate bodies”（水合物矿体,水合物矿藏）概念。1979年美国主导的国际深海钻探计划（DSDP）在墨西哥湾开钻,从海底获得91.24米厚的天然气水合物岩心,首次证实了海洋中存在具有很高经济价值的天然气水合物矿藏。2007年,中国在南海北部斜坡开钻,也发现了我国海底183~225 米以下存在天然气水合物矿藏。在大陆冻土区,除前苏联在1968年发现了麦索雅哈气田存在天然气水合物矿藏外,美国于1972年在阿拉斯加北部获得天然气水合物岩心;加拿大1974年、1993年在马更些三角洲发现了天然气水合物矿藏。2008年,中国在青藏高原木里地区也发现了天然气水合物矿藏,这将中外首次发现天然气水合物矿体的时间缩短到半个世纪。

开发天然气水合物矿藏是人类的共同梦想。2002年春天,美国、日本、加拿大、德国和印度等国的科学家合作对马更些三角洲的天然气水合物矿藏进行了开采试验,他们钻了深井,并往井深1 200米处注入了约80℃的泥浆,结果在井口收集到了甲烷气体,初试获得成功。2011年,中国也在木里地区对天然气水合物矿藏进行开采试验,并在井口点燃了火焰。两次成功试验,中外时间差缩短到了10年。

承担国际义务,承办国际学术会议,在某种意义上代表着该国的研究水平、学术地位,在天然气水合物领域也是如此。1993年,第一届国际天然气水合物会议在美国纽约召开,它是天然气水合物的研究与开发走向新时期的历史性标志。2014年,第八届国际天然气水合物会议在中国北京召开,这标志着中国在天然气水合物领域的研究与开发已迎头赶上,将与国际同行共同行动,共同进步,共谋人类福祉。

从天然气水合物形成所必需的天然气、水、温度、压力等要素分析,其形成需要海洋的大部分区域水深超300米且具有构成稳定带的条件。但从板块构造理论观察,年轻的洋底多由玄武岩等岩浆岩组成,基本不含有机质。而与地幔联系密切的洋中脊、海沟、转换断层等部位可能出现大量的以二氧化碳为主的地幔气涌出,与大陆联系密切的大陆斜坡带具有丰富的有机质来源,可由微生物分解成甲烷,它们可形成天然气水合物的赋存带。勘探结果也表明,目前在海洋中发现的147处天然气水合物产地或者异常点,绝大部分分布在大陆斜坡带上。

有学者估计,99%的天然气水合物储藏在海洋中,陆地上仅约占1%。1%,微乎其微,似乎不值得太多关注,但科学家并不这样看。2001年,刘广志院士发表的文章《关注青藏铁路沿线的天然气水合物》就认为：“陆缘海边的天然气水合物开采起来十分困难,目前还没有成熟的勘探和开发的技术方法,一旦出了井喷事故,就会造成海水气化,发生海啸船翻。”“在高寒长年永冻层中也存在着天然气水合物,而且开采起来比在海边开采要安全得多,容易得多。”

当然,从能源开采利用的角度而言,我们不能不顾及陆域的天然气水合物。若就天然气水合物的稳定带而言,我国管辖海域广阔,其中渤海、黄海、东海平均水深较浅不足以形成稳定带;南海粗略可认为属稳定带。而我国有三片多年冻土：一小片在新疆阿勒泰山脉北坡,另一小片在北大兴岭和小兴安岭,另外一大片就是青藏高原,总面积达到215万平方千米。因此,我国海与陆的天然气水合物稳定带相当,从查清能源资源家底而言,理应海陆兼顾。

另一方面,海洋环境中气温、水温变化幅度小,占地球总面积71%的海洋是地球气候系统的“稳压器”,而陆地环境气温、地温变化幅度大。因此,天然气水合物在海洋中的赋存较为稳定,在陆地的赋存则较为不稳定。海洋中天然气水合物的分解,还可由不少于300米厚的海水层作为缓冲带,排出的甲烷还可溶解在水中或者由微生物分解消耗,只有小部分排入大气中;但陆地上天然气水合物的失稳分解,排出的甲烷进入大气,将与二氧化碳混合,成为左右气候变化的主要因素。陆地环境下天然气水合物的合成与分解,对全球气候变化的影响力可能远大于海洋环境下的天然气水合物。因此,科学家怎能不关心陆地上的天然气水合物呢！

全球能构成天然气水合物稳定带的多年冻土总面积约为3 725万平方千米,主要分布在南极圈、北极圈和青藏高原。我国境内的阿勒泰山脉、北大兴安岭、小兴安岭处于北极圈欧亚冻土带的南缘,又拥有青藏高原的大部分地区,具有得天独厚的优势,是研究天然气水合物对全球气候影响的最佳地区。

国际上对碳排放有着共识并制订成《巴黎气候协议》。2016年9月,G20会议召开前夕,我国国家主席习近平与美国总统奥巴马一同向联合国秘书长潘基文交存各自国家的《巴黎气候协定》批准文书。在这一背景下,无论是从清洁能源开发利用角度,还是从影响气候变化重要因素的研究监控角度,直面研究天然气水合物这个新领域,不仅具有经济价值,还有一定的环境意义。

天然气水合物发现简史

1811年,英国学者Humphrey Davy首次发现氯气水合物,并于次年命名“气体水合物”一词。

1888年,法国学者Villard在实验室合成了甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等的水合物。

1934年,美国学者E. G. Hammerschmidt发现输气管道中形成的天然气水合物。

1948年,前苏联学者斯特里佐夫（I. N. Strizhov）从理论上推测自然界的多年冻土层中可能存在天

然气水合物矿藏。

1968年,前苏联在西西伯利亚发现包含天然气水合物矿藏的麦索雅哈气田。

1970年,国际深海钻探计划（DSDP）在美国东部大陆边缘的布莱克海台发现天然气水合物。

1971年,前苏联从麦索雅哈气田含天然气水合物层中开采天然气。

1972年,美国在阿拉斯加北部高纬度地区多年冻土层中发现天然气水合物。

1974年,加拿大的马更些三角洲发现天然气水合物。

1979年,国际深海钻探计划（DSDP）在墨西哥湾首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。

1982年,我国学者贺承祖发表题名为《气体水合物生成温度的下降与阻止剂水溶液冰点的下降之关 系》的论文。

1993年,加拿大地质调查局在马更些三角洲发现天然气水合物。

1998年,高纬度地区多年冻土带研究天然气水合物的第一口井在加拿大西北Mackenzie三角洲开钻。

1996年,原地质矿产部设立《西太平洋气体水合物找矿前景与勘查方法的调研》项目。

1997年,陈汉宗、周蒂发表《天然气水合物与全球变化研究》一文。

1998年,姚伯初发表《南海北部陆缘天然气水合物初探》一文;吴必豪、马开义发表《气体水合物——

未来新能源》一文;何拥军、文凤英发表《海洋天然气水合物的研究现状与意义》一文。

1999年,中国科学院兰州冰川冻土研究所徐学祖、程国栋等人发表《青藏高原多年冻土区天然气

水合物的研究前景与建议》的论文。

2001年,刘广志发表题为《关注青藏铁路沿线的天然气水合物》的文章,建议将陆域冻土区天然

气水合物列入国土资源大调查计划。

2002年,中国地质调查局开始组织《青藏高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究》

（2002年）《我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查》（2004年）《青藏铁路

沿线天然气水合物遥感识别标志研究》（2004年）《陆地永久冻土天然气水合物钻探技

术研究》（2005年）等项目的实施工作。

2002年,加拿大马更些冻土区天然气水合物试验性开采获得成功。

2007年,中国地质调查局在深海钻获天然气水合物实物样品。

2008年,中国地质调查局在中低纬度冻土区的木里盆地钻获天然气水合物实物样品。

2011年,中国地质调查局在青海省祁连山木里盆地试开采天然气水合物。

2014年,第八届国际天然气水合物会议在中国北京成功举行。

2015年,初步估算祁连山木里盆地三露天调查区天然气水合物地质控制储量为213.85万立方米,

相当于常规小型天然气田,尚无经济价值。

卢海龙 北京大学讲席教授、博士。自1995年以来一直从事天然气水合物有关研究,研究内容涉及天然气水合物的勘查和开发利用、实验室分析测试、实验模拟、数值模拟,等等。他在野外调查、开发利用以及基础研究等方面取得了显著成果。2015年当选为“李四光学者”。

苏 新 中国地质大学（北京）海洋学院教授、博士。主要从事海洋微体古生物和地层学、古海洋学,天然气气水合物调查相关的沉积学、冷泉生物和微生物学,洋中脊多金属硫化物调查相关的地质基础研究。主持或参加国家及部级项目60多项,其中“973”项目2项,国家自然科学基金项目5项。 发表相关论文70多篇。获省部级科学技术奖或科技成果奖等多项奖项。

天然气水合物因其巨大储量,作为一种潜在的能源受到广泛关注。特别是2013年3月日本在南海海槽进行的世界首次海域天然气水合物开发试验中获得日产2万方的气体成果后,对天然气水合物的工业化开发已经提上了日程。值得注意的是,虽然与微生物作用有关的生物成因气对水合物的形成起到了至关重要作用,而深部来源的热成因气的作用也不可忽视。这样,如何利用天然气水合物与深部热成因气的关系来寻找深部油气,就成为一个值得关注的方向。天然气水合物和深部油气共探,不但可以提高经费的使用效率,更可能开发出新的深部油气调查技术,应该在以后的天然气水合物调查研究中予以重视。

我国前期在祁连山的水合物钻探取得了重大突破,揭示了水合物发育于侏罗系含煤地层这样一个十分独特的水合物油气系统,具有重要的资源、科学和环境意义。国内外十多年来的研究表明,水合物在地层中的形成和分布,除了温度、压力和气源条件之外,地质条件（沉积、构造等）也是重要的控制因素。我国陆域天然气水合物的勘查面临3个主要的困难：其一,缺乏成熟的地球物理（如海洋中BSR方法）勘查方法;其二,前期基础地质调查薄弱,青藏高原冻土地区前期基础地质调查薄弱,构造和地层复杂;其三,气源和冻土的环境复杂,导致调查或钻探预测的困难。今后需要继续重视找矿方法、基础地质调查与研究方面的工作并加大投入力度。

方 慧 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所油气与深部物探研究室主任、教授级高工、博士。主要从事冻土区天然气水合物勘探技术研究,现任国家“863”计划主题项目“冻土带天然气水合物综合勘查技术”首席科学家及国家“127”专项工作项目“陆域天然气水合物勘查技术研究与集成”负责人。

我国自在祁连山地区发现天然气水合物之后,就更加重视冻土区天然气水合物勘探技术实验研究工作,但是迄今为止,仍未建立起有效的地球物理、地球化学勘探技术体系。其原因主要有：其一,与海洋和极地地区的天然气水合物产区相比,青藏高原拥有十分复杂、独特的地理、地质环境,天然气水合物成藏条件、分布规律尚不明了,使实验研究工作带有一定的盲目性;其二,木里地区天然气水合物矿体规模小、分布零散、含量低,其矿体的空间尺度及与围岩之间的物性差异不足以造成地球物理场产生明显变化,给实验研究工作带来不少困难;其三,天然气水合物的物性特征、地球物理信号精细处理分析技术等基础研究工作薄弱,制约了勘探技术的突破。在今后的工作中,应进一步解放思想,坚持直接找矿和间接找矿两条线并重的指导思路,加强与天然气水合物相关的地质、地球物理、地球化学的基础研究,适当增加勘探实验工作,早日实现陆域天然气水合物的找矿突破。

张永勤 中国地质科学院勘探技术研究所深部钻探室主任、二级教授。一直从事地质矿产钻探技术、钻探设备、工程施工管理、海洋及陆域冻土天然气水合物钻探取样钻具及施工技术研究。自2008年以来,一直在青藏高原从事陆域冻土天然气水合物野外勘探工作。

地质调查及钻探取样已经证实,地球上陆域永久冻土区确实存在着天然气水合物资源。从目前发现的赋存条件及状态看,陆域天然气水合物主要存在于低温高压环境;从发现的地点看,陆域冻土区水合物都与已有的油气资源或煤层气资源伴生。如前苏联麦索雅哈水合物发现区、加拿大北极圈的马更些水合物发现区、美国阿拉斯加北坡水合物发现区、中国祁连山水合物发现区,等等。因此,在未来的陆域冻土区天然气水合物资源调查活动中,首先要注重形成天然气水合物物源的探测与发现,其次是寻找形成天然气水合物的外部因素,即形成的温度、压力条件。由于陆域冻土天然气水合物形成外部因素与海洋天然气水合物的外部因素有一定差别,陆域冻土区天然气水合物形成的外部因素主要是低温,而海洋水合物形成的外部因素主要是高压。目前在海洋天然气水合物调查评价方面,具有一定的识别标志和探测依据,而陆域冻土区天然气水合物调查还没有明显标志和依据。为了加速陆域冻土区天然气水合物调查评价进度,除应加速冻土区天然气水合物识别标志的研究外,还应进一步增加钻探取样验证工作,再就是加速天然气水合物物源的调查。三者的有机结合是未来陆域冻土区天然气水合物调查发现的必然趋势。