可燃冰的地震成因与机理

岳中琦

可燃冰（Methane hydrate）是固体形态的水晶格（冰H₂O）中包含气态甲烷（CH₄）。它们在海洋大陆架海底数百米深的沉积物内和陆地冻土带数百米深的沉降岩内发现了。由于地球表面大陆架和冻土带的面积巨大，人们根据很有限的勘探资料来推算，可燃冰的蕴藏量极其丰富。

但是，可燃冰是如何形成的呢？

这个问题可能值得深入研究探讨。正确的成因与机理可指导和预测可燃冰的开采与利用。

根据中国能源信息网http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/www.qh.xinhua.org/2009-11/03/content_18125948.htm，关于可燃冰的成因，目前主要有以下两种观点。

第一种观点认为，可燃冰中的甲烷最初來源于海底有机物质和细菌。海底有很多动植物的残骸，这些残骸烂腐烂时产生细菌，细菌排出甲烷，当正好具备高压和低温的条件时，细菌产生的甲烷气体就被锁进水合物中。

第二种观点则认为，地壳运动和地质断层中的天然气释出，在遇到适当的高压和低温的条件时，便形成了可燃冰。

上述两种可燃冰成因观点的机理存在不少疑问。

第一个疑问是，据报道称，可燃冰中的甲烷主要由缺氧环境下有机物质的细菌分解形成。但是，有机物质的细菌分解也一定要形成二氧化碳CO₂等其它气体的。在垃圾填埋场，有机物质一般要产生45%-60%的甲烷和40%-60%的二氧化碳。二氧化碳比甲烷分子体积大、比重也更重，应该更容易在冰中或泥土中保存。为什么可燃冰仅有甲烷，而二氧化碳CO₂等其它气体存在量极少或没有呢？有人认为，二氧化碳也可转化为甲烷。但是，这种转化是如何进行的呢？

第二个疑问是，在标准大气压（0.1MPa）下，水结冰的凝固温度是摄氏0度，释放热量3.35×10⁵J/kg。随着压强的增加到20MPa，水结冰的凝固温度缓慢降低，到达摄氏零下2度以内。因此，海底或冻土带的数百米深处沉降物（岩）如何能够把水变成冰呢？水结冰释放的热能到哪里去了呢？低温冰封的有机物质如何能够进行细菌分解生物化学反应呢？这些化学反应怎能够不产生热能，将冰融化成水或水蒸汽呢？进一步地，随着地下深度的增大，地下岩土体的温度是增大的。一般调查研究结论都是深度每增大100米，地温增高摄氏1到3度。大陆架海床附近海水的温度一般在摄氏零度以上。在大陆架海床下部500米深沉积物的温度应该有5到15摄氏度。因此，地下深处摄氏零度以下低温环境是如何形成的呢？它又是如何长期保存的呢？

大陆架海底沉积物中存在可燃冰应该已经是不用争论的事实。它们的自然成因也是不用争论的事实。它们生成条件应该至少有四条：充足纯净的甲烷、充足纯净的水、低于摄氏零度温度和高压强环境。

在此，根据极高压甲烷气制造地震理论假说，我可以给出以下的第三种可燃冰成因观点。它就是本文主题，可燃冰的地震成因与机理。仅供参考与探讨。

在这些发现和推论存在可燃冰的地区，地震可能是经常发生的。造成地震的极高压甲烷气体，可快速地沿着深部断裂带、不整合面、地层面等岩土体不连续界（孔隙和渗透系数大的通道）上升到达较为浅部饱水软弱泥土层。由于这些饱水软弱泥土层的渗透系数小、渗透能力低、可以大变形、抗断裂韧度大，它们就可以把部分快速运移来的甲烷气体捕获、包裹、储存。

在另一方面，高速运移来的甲烷气体在快速运移过程中需要因为地层围压的降低而膨胀，这个快速运移和膨胀过程应该难以从四周岩土体吸取获得热能，应该是一种甲烷气体的绝热降温膨胀过程。甲烷气体的温度可以降低到摄氏零下。如下图所示，压强300MPa、温度摄氏200度的极高压甲烷气体，经过绝热降压到15MPa，温度下降的一种定量估计。可见，在压强降低到27.6MPa时，温度变成为摄氏零度（A点）。在压强降低到25.0MPa时，温度变成为摄氏零下-6.4度。在压强降低到20.0MPa时，温度变成为摄氏零下-19.8度。

这样，被捕获、包裹和储存在饱水柔软沉积土体中的很冷（温度摄氏零下）的甲烷气体就会向四周饱水软土沉降层吸热，导致沉积层中的土与水降温。水比土容易放热降温，形成冰体，而不断包裹了甲烷气体。这形成冰包裹甲烷气的可燃冰。随着时间的推移、地震次数的增多、绝热降压甲烷气增多，甲烷膨胀吸热可不断地把与外界没有热交换的、压强相对稳态的地下地层沉积物（岩）逐渐降温，使得水结冰。不断往复，这种可燃冰的物质（质量）也就越来越多。

这第三种可燃冰成因观点与机理，或许可解释了可燃冰生成的四个条件。造成地震的气体是相当纯净的甲烷，气体质量也很大和充足。快速膨胀低温的甲烷气体再吸热，使得包裹它们分子的四周土体中液态水释放热量，而形成包裹甲烷气体的冰。这样，在温度和压强相对稳定的海底沉积物层或冻土带深部的沉积岩层中，这些可燃冰可以保存，且不断增多和增厚。

这里仅仅给出了这种地震造成可燃冰的可能性。这个成因还需要进一步研究，建立物理力学模型定量计算和验证。

自然形成的可燃冰，在大陆架海底沉积物和冻土地带沉积岩层中，广泛存在，这应该已经是不用争论的事实。如果换一个角度思考，根据上述第三种解释，这个可燃冰事实，也可能给极高压甲烷气体制造地震理论和假说提供了一个证据。

2017年5月22日21:00写成于港大602办公室