它是一種“冰”，卻可以燃燒，成為全世界追捧的新型綠色能源。這種神奇的物質(zhì)就是天然氣水合物，俗稱“可燃冰”。今年5月我國在南海神狐海域首次試采可燃冰成功，舉世矚目。前不久，國務(wù)院正式批準(zhǔn)天然氣水合物為我國第173個(gè)礦種。

但是，可燃冰深藏于具有低溫、高壓環(huán)境的海底或者陸地上的高緯度凍土帶，其成藏理論與基礎(chǔ)物化性質(zhì)不清楚，開采難度大、成本高。坐落于福州南路的中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所為探究可燃冰的成藏過程與演化規(guī)律，組建了模擬實(shí)驗(yàn)室，默默耕耘了17年，還原了可燃冰生成與釋放的“前生后世”，成為我國可燃冰勘探開發(fā)的重要科技支撐。

每小時(shí)拍攝1000張片子記錄可燃冰的生成

青島海地所的天然氣水合物實(shí)驗(yàn)室始建于2000年，比國家天然氣水合物資源調(diào)查項(xiàng)目的實(shí)施還稍微早一些。以此為依托，2012年5月，國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批建設(shè)。經(jīng)過十多年的努力，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了一批水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置，最早在國內(nèi)人工合成了可燃冰。

記者走進(jìn)其中一間水合物CT實(shí)驗(yàn)室，研究生李晨安正在將一個(gè)直徑只有大約2厘米的柱狀物放入大型工業(yè)CT機(jī)內(nèi)。他告訴記者，這個(gè)柱狀物叫“反應(yīng)釜”，里面裝著的就是從南海海底取得的沉積物，沉積物內(nèi)有大量的有孔蟲殼體。

“有孔蟲死后留下的殼體在海底的泥沙中形成很多細(xì)小的縫隙，甲烷氣體滲入這些縫隙，在低溫、高壓作用下，就有可能慢慢結(jié)晶變成可燃冰。”李晨安解釋說，他們把反應(yīng)釜放入CT機(jī)，注入海水溶液和甲烷氣體，將CT機(jī)內(nèi)的溫度控制在2-4攝氏度、初始?jí)毫刂圃诖蠹s6兆帕，就相當(dāng)于創(chuàng)建了一個(gè)非常接近于海底溫度、壓力條件的環(huán)境，然后等待可燃冰的生成。

據(jù)了解，這臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備是納米級(jí)的CT，分辨率能夠達(dá)到10微米的精確度。當(dāng)反應(yīng)釜放置一段時(shí)間后，設(shè)備對(duì)其進(jìn)行三維掃描，大約每66分鐘就能拍攝1000多張圖片，采集的數(shù)據(jù)在電腦上進(jìn)行可燃冰生成過程的模擬重建。

記者通過電腦上放大幾千倍的圖片連續(xù)播放，能清楚地看到可燃冰集腋成裘的演化過程。“大約一兩個(gè)月，反應(yīng)釜里的可燃冰飽和度就能達(dá)到70%-80%。”據(jù)李晨安介紹，除了觀察可燃冰的生成，技術(shù)人員也會(huì)故意改變反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力，去探究可燃冰分解需要的外部條件臨界值。

自主研發(fā)反應(yīng)釜給可燃冰做全面“體檢”

就像醫(yī)院里的查體設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室為可燃冰準(zhǔn)備了CT實(shí)驗(yàn)室，也準(zhǔn)備了核磁共振實(shí)驗(yàn)室。研究團(tuán)隊(duì)的孟慶國博士拿出一個(gè)直徑7毫米的、長1厘米左右的小試管，告訴記者這就是他們實(shí)驗(yàn)中的“核心裝置”。

原來，這個(gè)不起眼的小家伙是用來封裝可燃冰樣品的專用氧化鋯轉(zhuǎn)子。實(shí)驗(yàn)人員將研磨至粉狀的水合物樣品填充至轉(zhuǎn)子中，蓋上轉(zhuǎn)子帽后，將轉(zhuǎn)子在低溫液氮保護(hù)下轉(zhuǎn)移接近磁體并放入導(dǎo)管中，利用液氮?dú)饣a(chǎn)生的氣流讓轉(zhuǎn)子在設(shè)備內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過水分子磁共振信號(hào)對(duì)可燃冰的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。

“可燃冰在自然界當(dāng)中有多種類型，我們實(shí)驗(yàn)室里的這些設(shè)備和醫(yī)院里的查體設(shè)備是一個(gè)道理，其實(shí)就是對(duì)可燃冰進(jìn)行‘體檢’，觀察它由自由水到固態(tài)水的變化過程，探究它在形成狀態(tài)、分解狀態(tài)下各種溫度、壓力值的變化。”孟慶國說。

此前，國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉昌嶺研究員接受采訪時(shí)有一個(gè)形象的比喻：可燃冰是由水分子與氣體分子在特定條件下結(jié)合而成的，其中水分子就像各種大小不同的“籠子”，每個(gè)“籠子”只能容納一個(gè)氣體分子，不同數(shù)量的“籠子”就組成了水合物的基本晶格，而水合物具體生成了哪種晶體結(jié)構(gòu)主要由氣體分子決定。

“微觀研究是基礎(chǔ)，天然氣水合物研究的許多科學(xué)問題需要從微觀層面來解答，例如水合物的成核、聚集與成藏受何因素控制？水合物在沉積物孔隙或裂隙中飽和度多少？如何分布？這些科學(xué)問題的回答，迫切需要有微觀測試技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析測試和直接觀測。”因此，青島海地所自2006年以來引進(jìn)了激光拉曼光譜儀、X-CT、核磁共振、低溫掃描電鏡、高壓差示掃描量熱儀等大型儀器，具備了水合物晶體學(xué)、譜學(xué)、熱學(xué)、形態(tài)學(xué)及地化參數(shù)的測試能力。值得一提的是，在這些引進(jìn)設(shè)備中專門添加的反應(yīng)釜，全部由青島海地所自主研發(fā)設(shè)計(jì)。

為我國可燃冰勘探開發(fā)提供“神助攻”

據(jù)了解，我國可燃冰資源相當(dāng)豐富，主要分布在南海海域和青藏高原凍土帶。經(jīng)過大約15年的調(diào)查和評(píng)價(jià)，南海海域預(yù)計(jì)有740多億噸油當(dāng)量的可燃冰，青藏地區(qū)又發(fā)現(xiàn)了350億噸油當(dāng)量的可燃冰，而未探明的資源可能還有很多。

可燃冰的資源勘探、評(píng)價(jià)、開采都需要大量的基礎(chǔ)參數(shù)，而海上勘查與鉆探成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，獲得這些參數(shù)的難度大。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模仿天然氣水合物的生成環(huán)境條件，研發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)與探測技術(shù)，是獲得水合物儲(chǔ)層基本物性參數(shù)最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段。

目前，天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要分為四大學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)與測試技術(shù)，天然氣水合物成藏過程與演化，天然氣水合物資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)，天然氣水合物開發(fā)利用與環(huán)境效應(yīng)，擁有國際先進(jìn)的分析測試儀器10臺(tái)套，自主研制有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置20臺(tái)套，具備了從室內(nèi)模擬、技術(shù)研發(fā)到海域天然氣水合物資源勘查與評(píng)價(jià)、開采及環(huán)境效應(yīng)研究與實(shí)施的能力。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M與測試，青島海地所為我國南海和陸域祁連山鉆獲的天然氣水合物鑒定提供了重要依據(jù)。

（青島日?qǐng)?bào)/青島觀/青報(bào)網(wǎng)記者 王娉 通訊員 張淑勝）

[責(zé)任編輯：楊凡、彭芳]

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