海洋天然气水合物元素地球化学行为模拟实验研究

发布时间：2020-09-15 21:21

　　天然气水合物(Gas Hydrates)是21世纪一种重要的潜在能源,主要分布于大陆边缘的海底沉积物和大陆上的永久冻土带中。然而由于天然气水合物的不稳定性以及其中含有大量的甲烷,也使它成为地质灾害和全球气候变化的诱发因素。对天然气水合物的基础性研究,尤其是天然气水合物实验室模拟研究非常必要。在实验室模拟天然气水合物的生成环境,探索水合物的生成机制不仅花费资金少、风险低,而且极具理论价值。目前取得的关于天然气水合物的元素地球化学数据,大部分是来源于天然气水合物区域的沉积物或沉积物岩芯中的孔隙水,在取样过程中天然气水合物大部分已分解,所以不能如实的反映水合物层的真实情况。加之对水合物生成过程中元素地球化学行为的模拟实验,现阶段研究成果还比较少,研究的程度亦不够深入。因此我们想通过实验模拟手段来研究由于水合物的形成而引起的离子浓度变化以及氢、氧同位素分馏特征。本文为此设计了一套实验流程,提出了直接测定天然气水合物生成过程中海水中元素变化的实验方法,探讨了不同影响因素(温度、压力、振动、过滤方式和沉积物颗粒大小等)对实验结果的影响,选择了最佳实验条件。在两种体系下(天然海水—甲烷体系和沉积物—天然海水—甲烷体系)对天然气水合物形成过程中离子浓度的变化进行了初步研究,结果表明,水合物形成过程中由于排盐作用的影响,离子浓度都有不同程度的增高,但只有K~+、Sr~(2+)和Cr~-离子能较好地反映由水合物排盐作用引起的溶液浓度变化,因此我们认为,K~+、Sr~(2+)和Cr~-离子在孔隙水中的浓度异常是指示天然气水合物存在的重要标志。在沉积物—天然海水—甲烷体系中,通过对六种不同粒度的沉积物中离子浓度在水合物反应前后变化的研究,我们发现沉积物粒度太大或太小都不利于水合物的生成。在天然海水—甲烷体系中,我们通过对水合物生成前后溶液中的Cl~-离子浓度和氢、氧同位素成分的分析,研究了天然气水合物形成过程中氢、氧同位素的分馏情况。实验测定了氢、氧同位素的分馏系数,证明了氢、氧重同位素易于富集在水合物中。结合世界各地富含天然气水合物沉积层孔隙水的同位素组
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2005
【中图分类】：P744.4
【部分图文】：

天然气水合物,甲烷水合物,颜色,气体分子

2.1天然气水合物的概念及其性质天然气水合物(GasHydrat)e是一种由水分子和气体分子组成的似冰状笼形化合物I’]5ll，其外形如冰晶状，通常呈白色(图2一1和图2一2)，它广泛分布于大陆边缘海底沉积物和永久冻土层中6]I。它的分子式可以用M·n(H20)来表示，其化学成分不稳定，式中M表示“客”气体分子，n表示水合系数[7]。在这种冰状的结晶体中，甲烷(CH4)、乙烷(CZH6)、丙烷(C3H。)、异丁烷、常态丁烷、氮(NZ)、二氧化碳(C02)和硫化氢(HZS)等“客”气体分子充填于水分子结晶骨架结构的空穴中，它们在低温高压(0℃>T<l0℃，P>lOMPa)的条件下通过范德华力(、乞nde:waal)s稳定地相互结合在一起8]l。由于天然气水合物中通常含有大量的甲烷或其它碳氢气体分子，因此极易燃烧，所以有人称它为“可燃冰”

甲烷系,浅绿色,红色区域,内压力

图4一l实验13(天然海水一甲烷系)中温度、压力随时间的变化图(蓝色线:釜内压力;绿色线:液相温度;浅绿色线:气相温度;红色区域:增温波动)图4一2实验18(沉积物一天然海水一甲烷体系)中温度、压力随时间的变化图(蓝色线:釜内压力;绿色线:液相温度;浅绿色线:气相温度;红色区域:增温波动)4.1.2压力对天然气水合物形成的影响在天然气水合物形成过程中，随着反应的进行釜内压力会逐渐降低，这种降压是分阶段的。裘俊红等[7l]给出了典型的甲烷水合物(纯水一甲烷体系)生成

浅绿色,红色区域,内压力,中温

海洋天然气水合物元素地球化学行为模拟实验研究图4一l实验13(天然海水一甲烷系)中温度、压力随时间的变化图(蓝色线:釜内压力;绿色线:液相温度;浅绿色线:气相温度;红色区域:增温波动)图4一2实验18(沉积物一天然海水一甲烷体系)中温度、压力随时间的变化图(蓝色线:釜内压力;绿色线:液相温度;浅绿色线:气相温度;红色区域:增温波动)4.1.2压力对天然气水合物形成的影响在天然气水合物形成过程中，随着反应的进行釜内压力会逐渐降低，这种降压是分阶段的。裘俊红等[7l]给出了典型的甲烷水合物(纯水一甲烷体系)生成

【引证文献】