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存在於海洋底層的可燃冰-水合甲 2009/7/31 下午 10:57:01
發 表 自:鮪魚肚
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例如甲烷冰
以下摘自網路
認識甲烷水合物
存在於海洋底層的可燃冰-水合甲烷,是天然氣和水結合在一起的固體化合物,外形與冰相似。由於含有大量甲烷等可燃氣體,因此極易燃燒。水合甲烷一方面是人類未來能源的新希望,但另一方面也可能為人類帶來一些危機。大量從海底冒出的甲烷除了會啟動全球氣候暖化的機制之外,也能夠摧毀原本穩定的海底地層,而在近海可能引起大陸架坍塌。因此,將來當人類計劃開採這些可燃冰礦的同時,也必須考慮到水合甲烷可能帶來的危險。
 
認識甲烷水合物
 
天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。
 
甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。
 
甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。
 
(一)結晶構造與物理特性
 
甲烷水合物之結晶構造有下列三種:1.結晶構造I (sI):水分子以體心立方緊密排列方式構成的結晶構造,屬立方晶系(等軸晶系)。一般賦存於海域沉積物的氣水合物多以此種結晶構造產出,所包住的氣體分子需小於丙烷,通常以甲烷、二氧化碳或硫化氫為主;由於這些氣體組成與有機質經微生物作用產生之氣體產物的組成相近,故部分學者認為海域沉積物中甲烷水合物的氣體來源主要源自微生物作用。2.結晶構造II (sII):水分子以金剛石結構之面心立方最密堆積而成的結晶構造,亦屬立方晶系。此結構所形成的空隙較大,可容納半徑介於乙烷至戊烷大小的油氣分子,這些氣體組成與來自有機物經熱分解作用產生的氣體組成相近,故一般認為烷氫類氣體源自產油或煉油環境下或是源自熱分解作用而形成的氣水合物多以此種結構晶出。3.結晶構造H(sH):水分子以六方最密堆積方式所構成的結晶構造,屬六方晶系。此結構形成的籠狀空隙更大,大小甚至足以容納石油精與汽油分子。
 
甲烷水合物的基本構造單元,是由水分子(氫氧原子)組成的五角十二面體籠狀構造物,其頂點即為氧原子的位置,各點的連結線代表氫鍵(圖一)。此等水分子所形成的籠狀構造空隙(cavity)之幾何圖形以五角十二面體(pentagonal dodecahedron)表示,代表符號為512。這些五角十二面體籠狀構造若以共用一稜邊(sharing edges)的結合方式,進行體心立方緊密堆積,即可形成結晶構造I;如果以共用一面(sharing faces)的結合方式,進行面心立方最密堆積,即可形成結晶構造II;若是進行六方最密堆積,即可形成結晶構造H。
 
上述三種由五角十二面體構造單元依不同排列方式所成的結晶構造中,將產生新的籠狀構造空隙,這些空隙均比512籠狀構造空隙為大。結晶構造I中,所產生大型籠狀構造空隙之幾何圖形為五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron),以51262符號表示;結晶構造II中,所產生大型籠狀構造空隙為五角十二面六角四面體(hexakaidecahedron),以51264符號表示;結晶構造H中,所產生的大型籠狀構造空隙為五角十二面六角八面體(icosahedron),以51268符號表示,所產生的中型籠狀構造空隙為四角三面五角六面六角三面體(irregular dodecahedron),以435663符號表示(圖一)。不同結晶構造的甲烷水合物,所形成的晶胞(unit cell)之空隙大小與幾何關係亦不同(表一)。
 
每個籠狀構造空隙,最多只能容納一個氣體分子。結晶構造I的晶胞中,理論上是每46個水分子構成的籠狀結構,最多可包住8個氣體分子,其理論化學式以2[512]6[51262]46H2O表示,代表2個氣體分子被包合於512籠狀構造空隙中,另外6個氣體分子則被包合於51262籠狀構造空隙中。同理,結晶構造II的氣水合物之理論化學式為16[512]8[51264]136H2O,代表每136個水分子構成的籠狀晶格中,最多有16個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,8個氣體分子被包於51264籠狀構造空隙。結晶構造H的氣水合物之理論化學式為3[512]2[435663]1[51268]34H2O,代表每34個水分子構成的籠狀結構,最多有3個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,2個氣體分子則被包合於435663籠狀構造空隙,1個氣體分子被包於51268籠狀構造空隙。
 
晶體的物理與化學性質,基本上受控於其結晶構造(如原子組合排列與鍵結方式)、化學組成及構造瑕疵的分布。表二為甲烷水合物與冰的基本物理特性之簡單比較。
 
(二)生成控制因素
 
生成甲烷水合物的控制因素主要有溫度、壓力及成分等三要素。圖二為甲烷與純水二成分系統的平衡相圖。當有其他雜質加入此二成分平衡系統中,將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界發生向左或向右偏移的現象;例如系統中加入鹽(NaCl)或氮氣(N2),將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界往左偏移,導致甲烷水合物生成溫壓範圍將縮小;如果加入二氧化碳、乙烷、丙烷、硫化氫等成分,則該相界會往右偏移,此時甲烷水合物生成溫壓範圍將擴大,亦即在相同壓力條件下,甲烷水合物生成的溫度範圍變大。
 
結合地溫梯度與水溫梯度的資料於甲烷與純水二成分系統的相圖可得知,永凍層之沉積物,形成甲烷水合物的上限深度約為150公尺深,且溫度需在攝氏零度以下(圖三A);陸緣海域沉積物產出甲烷水合物的海水深度至少需在300-500公尺以上,其溫度需在攝氏零度附近(圖三B)。圖三中的甲烷水合物穩定帶,代表沉積層賦存有甲烷水合物的深度範圍,極區永凍層之陸域甲烷水合物的賦存位置最深約在2000公尺以內,而海域甲烷水合物賦存位置最深約在海床下1000公尺以內。當溫壓條件超甲烷水合物穩定帶底部的相界,則不會有氣水合物的生成,或者原已生成的氣水合物將會解離(dissociation)產生水及甲烷氣。
 
甲烷水合物是一種將甲烷等烷氫類氣體富集於似冰晶結構的籠形包合物,一單位體積的甲烷水合物,在標準溫壓條件下可解離釋出約150單位體積的甲烷氣;此外,甲烷氣對於海水的溶解度甚低,標準溫壓條件下,1000莫耳的水分子只能溶解0.045莫耳的甲烷分子。因此,甲烷水合物的形成,除了需要有低溫高壓的環境條件外,尚必須有相當大量的甲烷來源,方能使得甲烷溶於水中的量遠超過其正常溶解度,而形成甲烷水合物。
 
(三)地理分布與產狀
 
受限於溫度、壓力、水與氣體分子組成、及需要大量甲烷氣供應源等生成控制因素,甲烷水合物的分布多侷限於極區(polar regions)與深海區(deep oceanic regions)等沉積速率快且富含有機質沉積物之地區。在極區,甲烷水合物多賦存於陸域與陸棚淺海區的永凍層中;在深海區,甲烷水合物多產於陸緣外側且海底水溫溫度低的大陸斜坡與隆堆沉積物中。依照賦存位置來分類,則可分為陸域及海域甲烷水合物二類。
 
利用岩心或氣體樣品、海底仿擬反射、電測、海底氣體噴柱、岩心孔隙水的氯離子濃度異常等地球物理、地球化學及地質學之分析資料,可以探知或推測具有甲烷水合物賦存徵兆之位置與分布情形。依據Kvenvolden and Lorenson (2001) 的資料彙整顯示,目前全球已探知賦存有甲烷水合物的地區增加到77處(圖四),其中35處在太平洋(P1-P35),3處在印度洋(I1-I3),19處在大西洋(A1-A19),3處在北極海(N1-N3),4處在南極洲(S1-S4),5處在大陸內海或湖泊區域,8處在陸域(C1-C8);目前已有19處甲烷水合物賦存區已確實採到甲烷水合物標本。
 
海域沉積物中甲烷水合物之產狀主要受控於沉積物的粒徑大小。一般而言,粗粒沉積物中氣水合物多產於沉積物顆粒的間隙中,而在細粒沉積物中,甲烷水合物多以團塊狀、薄層狀或透鏡狀產出。觀察深海鑽探所採得含甲烷水合物之岩心,發現其產狀主要有分散狀(disseminated)、薄層狀、團塊狀、厚層塊狀等類型,其顏色多呈白色、淡黃色、琥珀色或暗褐色等。
 
(四)甲烷來源
 
一般認為甲烷氣的形成主要源自有機作用與無機作用二種,目前比較接受源自有機作用的想法。有機作用產生甲烷氣的主要機制有微生物作用或熱分解作用二種。
 
微生物作用,主要是藉由甲烷母質(methanogens)微生物的新陳代謝(metabolism),將沉積物中有機質分解並轉化產生甲烷,故又稱為甲烷母質作用(methanogenesis)。甲烷母質屬於厭氧性菌類,必須生活在缺氧性與還原的環境中,其適存溫度為4 ~ 55 ℃。有機質經由甲烷母質菌蝕後的新陳代謝,即可產生甲烷氣,其中主要的生化反應有二氧化碳的還原作用(4H2O+CO2→CH4+2H2O)與醋酸鹽類的發酵(fermentation)作用(CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-)二種。海洋環境中,甲烷母質菌蝕有機質產生甲烷的新陳代謝機制以二氧化碳的還原作用為主,在湖泊等淡水環境下則以醋酸鹽類的發酵作用為主。
 
源自熱分解作用的甲烷,係有機質隨著沉積物被深埋後,經由高溫的分解作用而產生甲烷。初期受熱分解的階段,主要產物為石油與甲烷及其他較重的碳氫化合物;當溫度高達120℃以上的成熟階段,熱分解作用的最終產物則以甲烷氣為主。
 
由於母源區中有機質的碳與氫同位素組成及不同生成機制的分化作用,將造成不同來源與生成機制的甲烷之碳與氫同位素組成會有明顯差異。例如微生物作用產生的甲烷,在淡水環境中主要藉由醋酸鹽類發酵反應而產生,其甲烷之δ13C (‰) 值介於-65 ~ -50,δ2H(‰)值介於-400 ~ -250,而在海水環境下,甲烷主要源自二氧化碳還原反應,其δ13C值介於-110 ~ -60,δ2H(‰)值介於-250 ~ -170;而源自於熱分解作用的甲烷,其δ13C值則介於-25 ~ -60 。此外,由微生物作用或熱分解作用所形成的烷氫類產物之組成比例亦會不同,藉由甲烷(C1)對乙烷(C2)與丙烷(C3)總和之比值變化,亦可區分甲烷的來源機制。表三為源自微生物作用或熱分解作用所產生烷氫類產物的比值及其甲烷所含之碳與氫同位素組成的變異範圍。
 
一般而言,源自於微生物作用的甲烷,其δ13C值小於-60,且甲烷在烷氫類氣體的組成大於99% 。由美國東南、北加州、祕魯、墨西哥灣、瓜地馬拉等遠濱海域地區所採回甲烷水合物及含甲烷水合物的沉積物岩樣之烷氫類氣體組成及甲烷中碳同位素δ13C的分析結果顯示,絕大部分的甲烷水合物所含之甲烷係源自微生物作用。此結果與目前所探知的油氣層或天然氣層之甲烷來源為80%源自熱分解作用而20%來自微生物作用的現象正好相反。
 
甲烷水合物的探測及開採
 
(一)探測方法
 
1.震測(海底仿擬反射的測繪)
 
利用海域震測調查技術,常發現在有大量沉積物堆積的陸緣海床下數百公尺處,有近乎平行海床地形面的反射面,稱為海底仿擬反射(bottom simulating reflector; 簡稱BSR)。
 
海底仿擬反射的形成,一般認為係因沉積層中有甲烷水合物的生成,使得地層物性趨於均質化而無明顯反射訊號(反白現象),震波在此層中的傳播速度也變得較快,當底部下方封存有天然氣層,震波傳播速度在天然氣層中變得較慢,則在甲烷水合物穩定帶底部界面上形成高阻抗對比,造成強反射現象,即為海底仿擬反射(圖五)。海底仿擬反射訊號與海底反射形貌類似但相位相反,其反射係數呈現負值,代表該反射面的上覆層為高速層(含固相的氣水合物),下層為低速層(含氣相的天然氣)。
 
海底仿擬反射的深度與相圖中理論推估的氣水合物穩定帶底部深度相近,可指示甲烷水合物生成的最大深度。海底仿擬反射與海床面大致平行,主要是受地溫梯度的影響(再深則溫度高於氣水合物穩定帶的溫度)。隨著水深增加,海底仿擬反射距海床表面的深度有增加的現象,此乃由於壓力增高,甲烷水合物的生成溫度亦增高(圖二),當水深越深壓力越大,甲烷水合物穩定帶的層厚可能增加所致。
 
海底仿擬反射的形成,代表甲烷水合物基底下有足量的游離天然氣層賦存,導致聲波傳播速度驟降且位相相反所致,但是在無明顯海底仿擬反射現象的海域沉積物中,是否也可能有甲烷水合物的賦存?海洋鑽探計劃164航次(ODP leg 164)在布雷克海脊(Blake Ridge)鑽探結果已證實,在沒有海底仿擬反射的情況下,沉積層中仍可能有氣水合物的賦存。因此,如果只以海底仿擬反射分布的調查,極可能錯估甲烷水合物賦存區之實際分布面積。
 
2.鑽探及電測
 
利用地質鑽探是獲得各項地質資料最直接有效的方法,尤其若能採得甲烷水合物岩心,更可直接量測甲烷水合物賦存層的各項物理與化學性質,以精確評估甲烷水合物的儲量評估,惟此法所需之工程費用相當昂貴且費時。
 
目前纜線電測應用在甲烷水合物探測研究的項目,主要有井徑電測、伽瑪射線電測、自然電位電測、電阻係數電測、聲波電測、中子電測等。甲烷水合物賦存層具有高電阻係數、高聲波傳播速度、高孔隙率及高氣泥比之特性,由此可指示甲烷水合物實際賦存之深度範圍。此外,透過電測資料的解釋,可提供甲烷水合物賦存量評估的基本依據,更可結合震測資料的解釋與分析,作為未來進行全球甲烷水合物探勘與評估的重要方法。
 
3.岩心的物理與化學性質檢測
 
甲烷水合物的解離及氣體解壓膨脹均屬於吸熱反應,若岩心中含有甲烷水合物,則岩心溫度會降低。甲烷水合物的晶出,會將氯、鈉等鹵素離子排出晶格外,使得水分子鹽度近乎零,故岩心中若含有甲烷水合物,其解離後產生的水混入孔隙水中,將使得孔隙水的氯離子濃度降低;同理,甲烷水合物水分子的18O同位素組成高於週遭孔隙水分子,當岩心中甲烷水合物解離產出的水混入周圍的孔隙水,將導致孔隙水的18O 同位素組成增高。由這些物理或化學的異常現象,均可指示甲烷水合物的存在。
 
4.海床表徵:
 
利用水下攝影或側掃聲納等技術來觀測海床表徵,如氣體噴柱(gas plume)、泥火山(mud volcanoes)、隆錐(cones)、煙柱(chimneys)、泥隆堆(mound)、碳酸鹽類隆堆、甲烷水合物隆堆、及特有的微生物群(如Bacterial Mat、Tube Worms、Bathymodiolid Mussels、Lucinid-Vesycomyid Clams)等現象,均可直接或間接指示有甲烷水合物的賦存。
 
(二)甲烷氣儲量估算
甲烷水合物所含甲烷氣的儲量之計算式如下:
V=A´Z´Φ´H´E
上式中,V為甲烷水合物之甲烷氣的推估儲量,係指甲烷水合物在標準溫壓下解離產生的甲烷氣總量。A為甲烷水合物賦存層的分布面積;海域地區通常以海底仿擬反射的分布面積為主要依據,陸域地區則依據井測資料所得甲烷水合物生成所需的地溫梯度之分布情形來推估。Z為甲烷水合物穩定帶的平均層厚;理論上甲烷水合物穩定帶底部位置與海底仿擬反射的深度應一致,但實際上甲烷水合物的賦存厚度,仍需結合海水溫度梯度、地溫梯度、沉積物中孔隙水的化學組成及甲烷水合物的平衡相圖等資料來推定。Φ代表沉積物中的平均孔隙率,可由岩心的實測資料及周圍的地質調查資料來作判定。H為沉積物孔隙中的甲烷水合物之平均填充率;甲烷水合物在沉積層中孔隙之填充率的變異性極大,通常係依據岩心實測資料、井測資料(如電阻值變化)、孔隙水氯離子濃度變化、震測資料(速度變化)等分析結果來作推估。E代表甲烷水合物的容積倍率,即1單位體積的甲烷水合物,在0℃及1大氣壓的標準溫壓下可解離釋出的甲烷總單位體積倍率;如以結晶構造I甲烷水合物之籠狀空隙有90%為甲烷分子所填充來計算,一單位體積的甲烷水合物,標準溫壓條件下可解離產生約150單位體積的甲烷氣。
 
由於所依據或假設的因子不一致,各學者推測所得結果之差異相當大。雖然目前對於全球甲烷水合物之甲烷儲量計算,多屬臆測性的推估,然而所有推算結果均顯示海域甲烷水合物之甲烷儲量約為陸域者的100倍以上;全球甲烷水合物的甲烷儲量,保守估計至少有20 ´ 1015 m3 (表四)。
 
(三)開採方法
 
甲烷水合物的開發,並非將地表下的甲烷水合物開採到地表後再讓它解離以取得甲烷,而是利用溫度、壓力、及溶質與溶劑等效應來改變甲烷水合物-甲烷氣之共存相界平衡關係,使得地表下甲烷水合物能先行解離產生甲烷氣,再將甲烷氣導引到地表而加以開發與利用。目前開採技術的理論模式主要有熱激發法、化學試劑激發法及減壓法等三種。
 
1.熱激發法 (thermal stimulation):將蒸氣或熱水等熱液由地表泵送到地表下甲烷水合物賦存層中,利用升溫效應使甲烷水合物的溫度高於解離溫度而產生甲烷氣與水。此法已成功地應用於陸域永凍層甲烷水合物的開採。惟甲烷水合物的解離熱高達54.2 kJ/mol,且海域甲烷水合物穩定帶所處的壓力較高,相對的其解離溫度亦較高,導致由地表泵送的熱液溫度必須很高,方能使地表下的甲烷水合物之溫度高於解離溫度而解離,使得此法的成本將大幅增高而不適用於海域甲烷水合物之大規模的長期開發。
 
2.化學試劑激發法(inhibitor stimulation):將鹽水(brines)或海水、甲醇與二氧化碳等溶劑與溶質泵送至甲烷水合物賦存層中,利用這些溶劑與溶質的效應降低甲烷水合物的解離平衡溫度,以促進解離反應而產生甲烷氣,再將甲烷氣導引至地表。此法對於促進甲烷水合物解離反應的速率較熱激發法為慢,但所需的熱源成本則較低。惟此法仍不適用於海域氣水合物之開發,因為海域環境的高壓效應使得所加入的溶劑與溶質以促進甲烷水合物解離的效應不彰,如要達到預期效果則所需成本勢必大幅增高。
 
3.減壓法(depressurization):利用位於甲烷水合物下方平衡共存的游離氣層或先行以熱激發法或化學試劑法促使甲烷水合物解離產生甲烷氣囊(gas pocket),當該氣層或氣囊的甲烷氣被引導到地表,該氣層或氣囊的壓力將會降低,此降壓效應可促使位於氣-固相平衡共存的甲烷水合物發生解離而釋出甲烷,直到氣體壓力恢復到原有氣-固相平衡的壓力值,若能持續控制此氣層或氣囊的壓力變化,即可進行甲烷水合物的開發。由於不需持續泵入熱液或化學試劑來促進甲烷水合物的解離,所需開採成本較低,此法比較可能適用於海域甲烷水合物的開發。
 
二十一世紀之潛在能源資源
 
甲烷水合物廣泛分布於全球的永凍層及陸緣海域,全球27%凍源區的陸域及90%的陸緣海域沉積物中,均可能有甲烷水合物的賦存。保守估計,目前全球甲烷水合物之甲烷總儲量至少有20 ´ 1015 m3,換算為有機碳含量(甲烷碳)則至少有1´1019 g的蘊藏量,約為目前已知化石燃料等能源資源之有機碳總儲量的2倍。
 
依據地球有機碳循環圖的賦存模式,若將賦存於地球內部之分散有機碳(dispersed carbon)總儲量(20´1022 g)不列入計算,則由地球中(含空氣圈及水圈)其他各有機碳儲存區的儲量分布情形可知(圖六),全球甲烷水合物的有機碳儲量大於其他各儲存區有機碳儲量之總和。
 
比較傳統化石燃料與甲烷水合物所產生甲烷氣的能源密度(energy density)-每單位體積的能源礦產所產生的甲烷體積,甲烷水合物的甲烷能源密度是傳統甲烷氣田的2-5倍以上,是非傳統甲烷氣來源如煤、油田、油頁岩等的10倍以上。此外,甲烷氣是一種十分潔淨的能源,其溫室氣體中的SOx排放量為零;NOx的排放量只有燃煤的20-37 %,燃油的33-50 %;CO2的排放量只有燃煤的57 %,燃油的67%。
 
甲烷水合物具有上述的許多優勢,如果能突破現有探採與開發利用技術的瓶頸,勢將成為二十一世紀最重要的能源資源之一。此外,在適當的地質條件下,甲烷水合物亦可成為油氣田封閉構造中的蓋層(cap rock)。其封閉構造的可能模式如圖七所示。圖七A與C分別為構造因素或貫入體所造成背斜狀或穹窿狀構造封閉,圖七B則為類似不整合面的地層封閉構造。此模式的基本假設,係將含甲烷水合物的沉積層視為不透水蓋層,使得由地下深處往上移棲的甲烷氣能積聚於此蓋層下方形成天然氣田。如果能將此氣田引導至地表加以開發與利用,則此氣層的氣體壓力將會降低,而減壓結果將導致蓋層與氣層平衡共存的甲烷水合物發生解離產生甲烷氣與水,以維持固相-氣相的二相平衡關係;此情況下,甲烷水合物既是蓋層也將是甲烷氣的另一來源層。
 
甲烷水合物分布範圍廣且儲量豐,保守估計全球甲烷水合物賦存的甲烷碳量達1019 g以上,為目前已知全球化石燃料碳量總儲量的兩倍,此外甲烷水合物產生甲烷的能源密度高於其他化石燃料能源礦產品的數倍以上,甲烷氣又是十分潔淨的能源,因此,甲烷水合物是二十一世紀的潛在且重要的能源資源。目前歐、美、日等許多國家已投入許多人力與經費,來進行甲烷水合物的基礎研究及探採開發的技術研究,為能有效開發與利用甲烷水合物這項豐富的天然資源預作準備。
 
台灣所擁有的天然資源並不多,尤其能源資源更是短缺,絕大部分係仰賴進口。台灣周圍陸緣海域除西南海域已證實有甲烷水合物外,其它的大陸斜坡與隆堆地區賦存有甲烷水合物的可能性亦極高。建議政府決策單位未來能重視且支持甲烷水合物這項能源資源的基礎與探採開發技術之研究,迎頭趕上歐、美、日等國的研發能力,在二十一世紀能同步開發海域甲烷水合物作為天然氣的新資源,作為國家能源發展與規劃及海域資源永續經營之依據。
 
甲烷的身世
 
近年來全球暖化的議題討論熱烈,通常我們談到溫室效應的時候,第一個聯想到的就是二氧化碳,不過現在也有研究指出,甲烷對於氣候也有顯著的影響。
 
甲烷跟二氧化碳呢,是一樣都是大氣裡面的一個溫室效應氣體,這兩個氣體的濃度也是目前我們所觀測到,在大氣裡面濃度最高的兩個溫室效應氣體。因此呢,我們可以說這兩個氣體事實上,是對我們的氣候的改變扮演一個非常重要的一個角色。
 
甲烷是僅次於二氧化碳,第二大的溫室氣體,捕捉熱能的能力是二氧化碳的24倍,所幸在大氣中只能維持較短的年份,大約是12年左右,這也是甲烷造成全球暖化只有佔20%的原因。另外像是二氧化氮和一氧化碳這種有害氣體,在大氣中會和氫氧根結合而轉換成其它的分子。這個時候如果有大量的甲烷氣體,氫氧根就會轉而和甲烷結合,增加了二氧化氮和一氧化碳的濃度,後果就是減低大氣原本自行清除污染物的能力。
 
自然和人為,都有形成甲烷污染源的原因。在溼地氾濫又缺氧的土壤中,包括湖泊、沼澤、農田等地帶,厭氧細菌會將有機物質分解產生甲烷,在這樣的環境下,若是增加二氧化碳的量,將會提供更多有機物質提供細菌促使甲烷釋出。另外像是牛、羊這些動物的腸道也會產生甲烷,透過打嗝和排氣,排放到大氣當中,根據聯合國糧農組織的說法,牲畜所排放出來的溫室氣體,甚至比汽車還要多。
 
來自於植物的排放也會釋放出甲烷,這是我們之前完全想像不到的,連森林也會產生甲烷,所以這方面的研究,事實上還有很多的不確定的因素存在。我們還必須作更多的觀測以及研究,才能夠知道說來自於自然界裡面的不同的這個生態的過程,它們對於甲烷濃度在大氣候裡面的貢獻。
 
人類現在正積極找出減量甲烷的方法,不論是替換牧草種類,還是讓牛隻服用減少打嗝的藥丸,甚至改變農地的耕種方式,對於降低環境的殺傷力,都是不錯的開始。
 
北極海底數百萬噸甲烷入大氣 地球安全面臨威脅 分類:全球暖化景況Global Warming2008/09/25 01:51 
據英國《獨立報》9月23日報道,科學家們首次發現,北極地區海床底部數百萬噸的甲烷正緩慢地釋放到大氣中,要知道甲烷這種氣體藴藏的能量是二氧化碳所含能量的二十倍,它的大量涌入大氣將給地球安全帶來嚴重威脅。
 
  《獨立報》指出這是由于北極地區的氣候日漸暖化,其永久性凍結地帶逐漸融化,導致沉積在海底的大量甲烷慢慢浮出水面,該報已經對科學家們的初步發現做了詳細報道。在科學家看來甲烷的地下存儲量非常重要。 他們認為,甲烷突然釋放是過去全球迅
 
速升温、氣候發生戲劇性變化的罪魁禍手,它甚至可導致某些物種的大量滅絶。科學家們曾搭乘 “雅各布”號沿俄羅斯北部海岸進行實地考察,結果在西伯利亞大陸架幾千平方英裏的地方發現了幾個甲烷密集地區,部分地區的甲烷濃度到達了正常值的一百倍。
 
  此前研究人員已經注意到海面上泛起的氣體泡沫,它們是通過海底“甲烷烟囱”冒上來的。研究人員對此確信無疑:過去海底永久凍土層曾象“蓋子”一様阻止了甲烷的外逸,但如今這個永久凍土層已經融化掉,“蓋子”的作用已經喪失,致使甲烷氣體輕而易舉地從上個冰紀前形成的海底沉積地冒出來。
 
  為此研究人員發出警告,甲烷的外逸很可能與北極地區近幾年來氣候迅速變暖有關。甲烷的威力是二氧化碳的二十多倍,為此許多科學家擔心,甲烷外逸會加速全球暖化,大氣中甲烷含量增多會導致氣温進一步升高,結果造成更多的永久性凍結帶融化,進一步導致更多甲烷外逸。
 
  據統計,北極地下甲烷的存儲量比全球煤炭中甲烷的總儲量還多,所以當該地區暖化速度超過了地球上其它地方時,人們便對其甲烷儲量的穩定性倍加關注了。瑞典斯德哥爾摩大學的古斯塔夫松博士是此次俄羅斯北部海岸考察的負責人之一,他在回復俄羅斯‘雅各布’號船員的來信中描述了甲烷釋放的規模。他寫道:“昨天和今晚我們都在忙着做甲烷的抽様調查,終于告一段落。現在又找到了一個甲烷外逸嚴重的地區。我們在早先發現甲烷的地方已經發現溶解的甲烷含量增多了。昨天我們得到了第一個證明,現場發現的甲烷釋放速度極快,還没等溶解到水中便隨氣泡浮出海面直升空中。我們使用地震相關儀器對這些”甲烷烟囱“進行了測試并在回聲測深儀上做了記録。
 
  一些地方甲烷的濃度達到了正常值的一百倍。這些异常現象出現在東西伯利亞海域和拉普帖夫海域,面積達數萬平方公裏,其甲烷總量達到數百萬噸。現在無人知道遼闊的東西伯利亞大陸架還存在着多少這様的地區。
 
  人們通常認為,西伯利亞大陸架海底沉積物上面的這個永久凍結‘蓋’應該將沉積在淺水域的甲烷保存好。在這個無法接近的地區甲烷的外逸量越來越大,這表明永久凍結蓋正在被穿透,結果造成甲烷泄漏,永久凍結帶現在已布滿小洞。我們已經發現海面上甲烷的含量在增多,海面下甚至更多。很顯然其來源在海底。”
  美國地球物理學會正准備刊登這些初步發現,該研究一直受到俄羅斯科學院遠東分院的Igor Semiletov的指導。自從1994年以來他先後組織了10次遠征去拉普捷夫海探險。在二十世紀九十年代他没有察覺到甲烷釋放量的增加,但2003年以來,他做出了甲烷‘高濃度地區’越來越多的報告, ‘雅各布’號上的高靈敏度儀器已經證實了這些甲烷‘高濃度地區’的存在。
 
  為什麽現在甲烷從北極地區釋放出來,為什麽陸地上永久凍結帶會大量融化并導致西伯利亞河水暖水量的增加,Semiletov博士指出了導致這些結果的原因。近幾十年來整個北極地區的平均氣温升高了4攝氏度,被夏季海冰覆蓋的北冰洋面積在戲劇化地减少。許多科學家擔心海冰的减少會加速暖化趨勢,這是因為廣闊海洋吸收的熱量要多于覆蓋冰的海洋洋面。當然我們并不想看到全球暖化帶來的惡果,科學家們正在努力研究出對策來避免甲烷大爆發給地球人類帶來的威脅。
 
甲烷來源
 
一般認為甲烷氣的形成主要源自有機作用與無機作用二種,目前比較接受源自有機作用的想法。有機作用產生甲烷氣的主要機制有微生物作用或熱分解作用二種。
 
微生物作用,主要是藉由甲烷母質(methanogens)微生物的新陳代謝(metabolism),將沉積物中有機質分解並轉化產生甲烷,故又稱為甲烷母質作用(methanogenesis)。甲烷母質屬於厭氧性菌類,必須生活在缺氧性與還原的環境中,其適存溫度為4 ~ 55 ℃。有機質經由甲烷母質菌蝕後的新陳代謝,即可產生甲烷氣,其中主要的生化反應有二氧化碳的還原作用(4H2O+CO2→CH4+2H2O)與醋酸鹽類的發酵(fermentation)作用(CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-)二種。海洋環境中,甲烷母質菌蝕有機質產生甲烷的新陳代謝機制以二氧化碳的還原作用為主,在湖泊等淡水環境下則以醋酸鹽類的發酵作用為主。
 
源自熱分解作用的甲烷,係有機質隨著沉積物被深埋後,經由高溫的分解作用而產生甲烷。初期受熱分解的階段,主要產物為石油與甲烷及其他較重的碳氫化合物;當溫度高達120℃以上的成熟階段,熱分解作用的最終產物則以甲烷氣為主。
 
以上資訊擷錄自下述網站,
http://www.moeacgs.gov.tw/Result/Hydrogeo/ch/目錄頁.htm
 
 
 
北極海底藏甲烷定時炸彈或加劇全球變暖 
2009-03-25 23:30:18
 
科學家憂慮,甲烷的釋放會導致全球氣溫升高,加劇全球變暖,並造成惡性循環。在歷史上,甲烷的突然大量釋放曾導致物種的大規模滅絕!
 
  本報綜合報道 科學家最新研究發現,全球變暖導致北極海底冰凍層開始融化,而冰凍層融化正導致更多比二氧化碳厲害20倍的溫室氣體──甲烷被釋放出來,會大大加劇全球變暖的速度,從而導致更多甲烷被釋放,而在地球歷史上,甲烷的突然大量釋放曾導致物種的大規模滅絕!
 
  這一令人震驚的消息23日率先被一英國媒體披露出來。媒體驚呼,北極埋著一顆“甲烷定時炸彈”!
 
  冰凍層解凍釋放甲烷
 
  目前,一艘載有多國科學家的俄羅斯科考船正在北極進行環境考察,這艘科考船已經沿著俄羅斯北部海岸行走了一圈。參與這一研究的科學家發現,全球變暖影響北極的程度已超出了人們的想象。
 
  隨著北極海底永久冰凍層的解凍,數以百萬噸計的甲烷正在被釋放到大氣中,由于在導致溫室效應方面,甲烷的破壞性是二氧化碳的20倍。所以科學家擔心,北極海底甲烷的釋放將大大加重地球上本已經十分嚴重的溫室效應。
 
  物種將大規模滅絕?  
 
    科學家認為,甲烷在大氣中的含量至關重要,因為甲烷氣體的突然大量釋放在地球歷史上曾造成過全球溫度的突然升高、氣候的急劇變化甚至是物種的大規模滅絕。
 
  最近幾天來,科考船上的研究者多次看到甲烷氣泡不斷順著“甲烷通道”冒出北極海面。
 
  科學家認為,上一個冰紀形成的永久冰凍層,本來是充當防止氣體從海面逃逸的“蓋子”,而如今,隨著冰凍層的解凍,蓋子已經捂不住海底氣體的外逸。
 
  全球變暖的惡性循環
 
  科學家檢測到,在覆蓋西伯利亞大陸架方圓上萬英里的地區,大氣中的甲烷濃度非常高,有時達到平常值的100倍。
 
  據科學家估計,北極冰層下儲存的甲烷比全球煤炭儲藏總量中的碳還要多。由于目前北極變暖的速度超過了其他地方的速度,科學家十分擔心這些海底甲烷的穩定性。
 
  鑒于甲烷在導致溫室效應方面的破壞性是二氧化碳的20倍,科學家憂慮,甲烷的釋放會導致全球氣溫升高,加劇全球變暖,而這一過程又會導致更多甲烷被釋放,從而進一步加劇全球變暖,造成惡性循環。
 
  領導這次北極探險的瑞典科學家奧爾簡‧古斯塔夫森已將這一情況寫入北極地區考察報告──《2008西伯利亞大陸架國際研究》,即將由美國地球物理學協會發表。
 
  近幾十年來,北極地區平均溫度上升了4攝氏度,北冰洋冰層融化速度加快,冰層在大量消失。
 
  相關資料
 
  地球上的甲烷
 
  本報綜合報道 甲烷是最簡單的有機化合物,是一種沒有顏色、沒有氣味、極難溶于水的可燃性氣體,比空氣輕。甲烷和空氣形成適當比例的混合物,遇火花會發生爆炸。
 
  植物和落葉都產生甲烷,而生成量隨著溫度和日照的增強而增加。另外,植物產生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。由于歷史的原因,大量甲烷聚集在北極冰層下,像一個蓋子一樣蓋住甲烷,令其不再參與大氣循環。
 
  跟二氧化碳一樣,從工業革命開始,大氣中的甲烷濃度開始大量增加。人類活動包括石油和天然氣的鑽探以及農業等加劇了甲烷在大氣中的含量。
 
  過去10年間,大氣中的甲烷濃度沒有增加,有分析稱,可能歸功于俄羅斯石油鑽探技術的改善。但是,去年,科學家發現全球甲烷濃度出現10年來的首次增加,而且今年有進一步增加的跡象。
 
  好消息是,甲烷可以很快被環境分解,平均12年就可以被分解完,而同量的二氧化碳的分解需要100年。壞消息是,人類目前並不清楚北極冰蓋下的甲烷儲藏會給地球帶來什麼。科學家擔心,其造成全球變暖的程度將大大超過預期。
大家對本文的回應
共計11則
記得很久以前大愛台有一集的"呼叫妙博士"有介紹過,
內容恨淺顯易懂~
張惠禎 2011/4/28 上午 10:00:17
dear Lee flower:
這是一本小說。很好看。
有興趣的話你可以到圖書館借來看喔!
鮪魚肚 2009/8/15 下午 07:32:53
dear miny
甲烷
就是天然氣
或沼氣
由細菌分解有機物而產生
在有水與低溫與高壓等條件下
會與水分子固化成像冰一樣的東西
就稱為水合甲烷
鮪魚肚 2009/8/15 下午 07:27:55
這本是小說?還是化學課本?
看不懂耶?……
Lee flower 2009/8/6 下午 02:39:51
「甲烷」到底是什麼?
可不可以用白話一點的說明,
Miny 2009/8/6 下午 02:24:57
好長的內容.....
真的是有看沒有懂ㄋㄟ~ 化學都這麼難嗎?
獨角仙 2009/8/5 下午 10:16:00
背景知識
十分重要
不是難
而是陌生與不熟悉
鮪魚肚 2009/8/4 上午 09:08:34
看起來非常詳細.....
但是有看沒有懂ㄋㄟ~ 化學都這麼難嗎?
小痞子 2009/8/3 上午 09:29:23
這本書真的很有學識,不錯看,但看得頭很痛!......
熱帶魚 2009/8/3 上午 09:04:34
這是真的嗎
科學家認為,甲烷在大氣中的含量至關重要,因為甲烷氣體的突然大量釋放在地球歷史上曾造成過全球溫度的突然升高、氣候的急劇變化甚至是物種的大規模滅絕
佩瑜 2009/8/1 下午 07:28:16
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討論標題: Re:存在於海洋底層的可燃冰-水合甲
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