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关于天然气水合物开采引发海底滑坡思考 　　摘 要:为了安全地开采天然气水合物,需研究开采前后其赋存地层受力和环境变化。天然气水合物因开采引起的状态变化使原地层受力减弱,地层环境也变得恶劣,极易引起海洋地质灾害―海底滑坡的发生。 　　关键词:天然气水合物 状态变化 海底滑坡 　　中图分类号:P62文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-106-02 　　 　　1引言 　　天然气水合物(gas hydrates)是由水分子和气体分子组成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物,因其中的气体多以甲烷为主(90%),故也被称为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅白色晶体,其外貌极像冰雪或固体酒精点火即可燃烧。因此有人称其为 “可燃冰”、 “固体瓦斯”。 　　在标准状态下,单位体积的水合物最多可分解产生164单位体积的甲烷气体,因而是一种重要的潜在能源。天然气水合物因其在资源、环境和全球变化中的重要意义引起世界许多国家的高度重视,成为当代地球科学和能源研究的一大热点。 　　截止到目前,天然气水合物已经在世界大陆冻土带及海洋区域多处直接或间接地探测到天然气水合物。而且,较为广泛分布于陆架外缘陆坡和陆隆沉积物中,天然气水合物层主要集中在距海底300~2000m深的沉积物中 。2007年4~6月,中国地质调查局首次组织实施南海天然气水合物钻探工程,在神狐海区(白云凹陷)进行钻探并取得天然气水合物样品 。2009年6月,在青藏高原海拔4000多米的祁连山南缘,成功钻获“可燃冰”样品;2010年3月,有关专家对中国科学院广州天然气水合物研究中心先期完成的“青海省天然气水合物勘探开发方案研究报告”进行了审查,确定指出青海省多年冻土区具备较好的“可燃冰”找矿前景。 　　2天然气水合物的物理特性 　　天然气水合物一种笼形结构晶体,在低温条件下比冰更稳定,在大陆边缘冻土带和深海沉积地层中均发现了天然气水合物。20世纪30年代初,天然气水合物作为天然气工业管道运输中的一种危害而被发现。从20世纪60年代开始,它才被作为一种新的能源得到系统的研究。目前,研究纯水合物的物理特性的成果较多,也有较多的岩石物性测量数据(见表 1),普遍认为,纯水合物有诸多性质与冰相似或相近。研???表明,天然气水合物主要有两种结构:I型结构,为五角十二面体和十四面体组合,气体分子量较小;II型结构,为五角十二面体和十六面体的组合,碳氢气体分子量较大。除此两种主要结构外还有一种H型结构,气体多为大分子,如异戊烯 。 　　天然气水合物的基本形成条件是高压低温环境并保证有足够的烃类气体及水分在此环境下反应形成气体水合物。通常水合物存在于松散沉积物中,岩性多为泥质胶结的粉砂岩、粉细砂岩,成藏深度不大,成岩性差,胶结程度度低,结构十分疏松。恰是由于再高压低温环境下水合物以结冰的固体形态赋存于这些沉积物底层的孔隙中起到了有效的胶结作用,改变了疏松地层的物理特性,尤其是在岩石纵波、横波速度,密度、泊松比方面的影响显著,反之,地层环境对水合物形成也有影响:在自然条件下,粗粒沉积物更加有利于水合物的富集。赵群等 通过模拟天然气水合物的岩石物理特性模型试验研究发现,沉积物胶结初期只增加体积模量,温度继续降低,剩余水开始冻结,使颗粒胶结在一起,极大地增加了剪切模量,从而改变沉积物原有的岩石物理特性。 　　3天然气水合物引起的海底滑坡 　　虽然目前国内对水合物做了大量的研究,但水合物在沉积物中赋存对底层特性的改变和分解渗流特性及力学性质的基础数据非常缺乏,水合物性质与沉积物地层环境的相互影响研究仍不够深入。从而极大地限制了水合物勘探、开采的研究进程。 　　天然气水合物是以结冰的固体状态存在于地层孔隙中,并对沉积物地层起到了胶结强化的作用。开采天然气水合物使其分解势必会改变地层现状,而其严重的后果之一就是海底滑坡-----大量含水的碎屑体,在水层压力和重力驱动下向斜坡下方的整体运移,其形成过程就是海底应力对土体一个复杂的触发裂离和运动的过程?T。海底滑坡除其本身的危害外,另一重大隐患就是极易引发海啸。陈自生?U研究认为,即使发生强烈地震,如果没有引起地壳中半径数十米以上的大范围快速变化,也同样不会发生大的地震海啸。这就是为什么海底滑坡有这么大的危害。海底滑坡体的坡度平缓,只要存在平缓的临空面,即满足了其对地形条件的需求,一般在5度以下甚至不到1度的平缓斜坡都可能发生海底滑坡。而天然气水合物分解所引发的海底滑坡还需考虑更多方面的因素。 　　在天然气水合物赋存的地层中,水合物由原来的固体状态分解成为气体和水,改变了原地层的结构和组成。水合物以固体状态存在时,将沉积物颗粒胶结在一起,使原来较为疏松的结构变得致密,增强了地层的内聚力和摩擦角;当水合物再次分解,气体