形成可燃冰，天然氣歷經“劫難”而重生

文／賴洪飛

可燃冰，學名為天然氣水合物，是一種由天然氣分子和水分子在低溫高壓條件下形成的白色固體物質，由于其外表像冰，遇火可燃燒，因此得名。作為一種未來最有潛力接替化石燃料的清潔能源，可燃冰深受人們的青睞和追捧。可燃冰中的可燃物質主要是甲烷分子，含量一般在85%以上，也含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等大分子天然氣組分，其含量一般低于5%。

埋藏在地層深處的有機物質在熱的作用下生成的天然氣分子，是形成可燃冰最為重要的氣體來源。然而，這些在深部地層生成的天然氣分子并不能完好無缺地進入可燃冰礦體中，在它們形成可燃冰之前，都必須歷經類似“合成工廠→高速公路→改造加工廠→倉庫”的生產與加工流程，可謂歷經“劫難”而重生。

合成工廠：天然氣初次生成的場所

在海洋里生活的各種生物體在死亡后會緩慢沉降到海底，沉降過程中會遭到細菌等微生物的蠶食與分解。但是有一部分生物遺體由于被沉積物快速掩埋而阻斷了微生物的進一步分解，最終以有機質的形式被保存下來。在熱的作用下，這些有機質會發生熱降解作用從而生成大量的天然氣分子，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷分子等。地球科學家們把地層中能夠生成或者已經生成過天然氣的巖石稱之為“氣源灶”。氣源灶一般具有比較高的有機質含量（一般大于0.5%），達到天然氣生成溫度條件（通常大于120℃）兩個特點。氣源灶類似于一個“合成工廠”，其中的有機質在“灶火”加熱烘烤下生成一系列天然氣分子。

高速公路：天然氣向上運移的路徑

不斷生成的天然氣分子會使氣源灶內的壓力逐漸增加。當氣源灶內部的壓力大于外部壓力時，天然氣分子就會跑出氣源灶，在浮力作用下沿著巖石孔隙不斷向上方的地層擴散。當然，如果存在捷徑，比如類似于“高速公路”的斷裂體系，天然氣分子就會優先選擇從這條“高速公路”跑到上方的地層中。

改造加工廠：天然氣“浴火重生”的場所

海底沉積物中并非一片死寂，各種各樣的微生物群體居住在其中并繁忙地工作著，然而它們大都不能在超過80℃的環境中生存。當天然氣分子沿著“高速公路”向上跑到微生物繁殖和工作的場所，也就是溫度小于80℃的地層時，會迎來它們的“劫難”——被天然氣降解菌當作食物“吃掉”。這些降解菌也比較“挑食”，按照它們的喜好程度，就會先吃掉丙烷分子，然后是丁烷分子、戊烷分子，接著是乙烷分子，最后實在沒有食物了才會吃甲烷分子。當然，這些降解菌吃飽后也需要排泄，釋放出二氧化碳和氫氣等小分子物質。更有意思的是，還有一類叫做產甲烷古菌的微生物，它們不把天然氣分子當作食物，相反地喜歡吃降解菌生成的二氧化碳和氫氣，飽吃一頓后排放出甲烷分子。不同的是，上述氣源灶中生成的甲烷是有機質受熱降解生成的，屬于熱解成因；而這些甲烷分子由產甲烷古菌生成，屬于生物成因。在產甲烷古菌的努力下，這些來自氣源灶的熱解成因天然氣大分子（乙烷、丙烷、丁烷和戊烷）又要以生物成因甲烷分子的身份獲得了“重生”。

倉庫：天然氣儲集形成可燃冰礦體

在合適的溫度和壓力條件下，天然氣分子和水可以結合形成籠子狀的晶體結構，也就是水合物晶體。水合物晶體具有I型、II型和H型三種籠狀結構，其中I型籠子只能關“體型瘦小”的甲烷和乙烷分子，而II型和H型籠子除了可以關甲烷和乙烷分子外，還可以關“體型粗大”的丙烷、丁烷和戊烷等天然氣分子。無數水合物晶體聚集堆積在一起，便形成了水合物礦體。

天然氣降解菌和產甲烷古菌共同改造天然氣分子生成的生物成因甲烷，以及沒有被改造的熱成因甲烷、乙烷等天然氣分子，在浮力作用下繼續沿著氣煙囪通道向海底運移，抵達了有利于水合物形成的地層中，最終形成了甲烷水合物礦體，即可燃冰礦體。

天然氣在形成前要歷經“合成工廠→高速公路→改造加工廠→倉庫”流程（圖片由作者提供）