天然氣水合物的分怖
（法新社巴黎二十八日電） 根據今天公布的一項研究指出，大約六億三千五百萬年前，「甲烷冰」融化加速了全球暖化，這個研究對今日人類所面臨的氣候變遷危機有所啟發。
研究作者認為，甲烷這種會濃重的溫室效應氣體，起初僅少量釋出，然後巨量散發，突然之間結束了地球長久以來的冰河時期。
在「全球冰河」時期，地球全部遭到冰封，冰河蔓延到現今的熱帶地區，甚至可能達到赤道。
冰封世界本身就可以維持凜冽低溫，因為冰構成了明亮的白色外殼，將陽光反射回去，地球表面不會受太陽照射而變得溫暖。
在冰封持續一億五千五百萬年之後，地球開始快速暖化。
地球快速暖化如何發生還存有極大爭議，不過，所有研究學者都同意，暖化永遠改變了地球的天氣系統以及海洋化學結構。
這項研究報告刊行在英國「自然」期刊，美國與澳大利亞的科學家將原因指向「甲烷晶籠」，這是在特定的溫度與壓力下，存在於冰層中富含甲烷的冰，也被稱為甲烷水合物。
研究人員認為，全球冰河時期的冰層開始變得不穩定時，晶籠的壓力被釋放。
晶籠於是開始揮發，釋出甲烷，造成地球些微暖化，然後又融化更多晶籠，並加速、持續暖化，形成一個劇烈循環，也就是科學上的用語「正向回饋」。
甲烷是一種驚人的溫室效應氣體，留住太陽熱力的效率是二氧化碳的三十倍。
領導這項研究的美國加州大學河濱分校地質學家甘迺迪表示，這些證據來自南澳大利亞取樣的數百件沈積物樣本。
他指出，這項發現十分令人憂慮，現今在加拿大、西伯利亞和阿拉斯加凍原，以及低於海平面海洋大陸棚晶籠所釋出甲烷，所形成的正向回饋現象。
數十億噸甲烷目前被鎖在上述這些儲存地點，令人非常擔心的是，只要溫度相對些微上升，就會啟動釋出這些氣體，然後觸發無法停止的暖化循環。
甘迺迪表示：「現在人類對全球暖化所造成的影響，從某個角度來看，我們是以整個地球為實驗室，進行全球氣候系統的研究。」。
天然氣水合物的研究
(Methane) Hydrates），簡稱天然氣水合物，是一種外觀很像冰的白色結晶固體，主要是由水和天然氣在低溫及高壓條件下所形成的固態物。例如，在攝氏 0 度，壓力大於 25 個大氣壓，或者溫度為攝氏零下 10 度，壓力大於 17 個大氣壓的條件下，甲烷氣與水混合即可形成固態水合物。
天然氣水合物是由水分子組成的冰晶結構空隙中包含天然氣分子，為一種籠形包合物。當天然氣由固態水合物中分解或熔解出來時，一立方公尺的天然氣水合物，在標準狀態的溫度及壓力下，可產生大約 0.8 立方公尺的水，及大約 170 立方公尺的天然氣，所解離出來的水及天然氣，會隨著天然氣水合物組成的不同，而有些微的差異。
由於從北極永凍帶及海底地層所發現的天然氣水合物中，包含的氣體以甲烷氣為主，所以又稱為甲烷水合物；另外，因甲烷氣是可燃的氣體，有時候也稱為可燃冰，而有些人則稱天然氣水合物為甲烷水合物。
天然氣與水形成固態水合物的溫度及壓力條件，會隨著天然氣的成分而異，若天然氣含百分之百的甲烷氣時，其形成固態水合物需較大的壓力。若天然氣中除了主要的甲烷之外，還含有乙烷或丙烷等較重的碳氫化合物時，則與水形成水合物所需壓力較小，也就是說較易形成固態水合物。
因為天然氣分子只是被水分子包覆而形成固態晶體，所以，天然氣水合物的氣體分子與水分子之間的結合，並不需要藉由任何化學或離子鍵鍵結，這與一般以庫倫力鍵結所形成的結晶水合物完全不同。為了避免與一般結晶水合物在名稱上發生混淆，有些人採用天然氣水包合物或甲烷氣水包合物的名稱來作區別。
天然氣水合物的發現及分布
天然氣水合物的發現，起源於一九三○年代，當時因為在天然氣的輸氣管線中常含有水分，約在溫度低於攝氏 7 度以及壓力大於 65 個大氣壓的條件下，水分子與天然氣分子形成固態的天然氣水合物，阻礙了天然氣的正常流動及輸送，甚至導致管路及設備毀損，引起石油工業界對於天然氣水合物的注意與研究。只是當時的研究目的，主要是在防止輸氣管線被固態的天然氣水合物阻塞或損壞。
一九六五年，在西西伯利亞的麥蘇亞漢天然氣田中，首次發現含天然氣水合物的地層。後來於一九七○年代，又在美國東岸大西洋中布萊克外脊的海底沉積物裏發現天然氣水合物。在該處的震波反射中，含有擬似海底反射的現象，並且在擬似海底反射上面的地層，發現震波速度異常的現象。所以，史扥（R.D. Stoll）於一九七一年認為擬似海底反射的震波反射現象，是一種天然氣水合物存在的跡象。
一九七四年，北加拿大三角洲地帶的淺部地層，也發現天然氣水合物。因此，有人認為天然氣水合物可能遍布北極圈地區。後來，擬似海底反射在世界各海洋的海底沉積物中陸續發現，例如，北太平洋的白令海域、北極洋的畢佛特海 、北大西洋的西部、臺灣西南海域等。
希聰（B. Hitchon）於一九七四年的研究認為，具有商業開採價值的天然氣水合物地區包括美國阿拉斯加的北極邊坡石油區、 加拿大的麥肯辛三角洲及北極群島、俄羅斯的西西伯利亞北方及薇利亞盆地等。
天然氣水合物對自然環境的影響
當含天然氣水合物地層的溫度或壓力發生改變時，天然氣水合物將由固體變成氣體及液體，而由地層中釋放出，若該地層位於陸緣大陸斜坡，則有可能造成海床崩塌或滑移等地質災害，所伴隨的大量天然氣逸出海床進入水中，甚至進入大氣圈，將對自然環境產生極大的影響。因此，近年來也有不少科學家，致力於天然氣水合物對於全球環境破壞的研究。
由於在西南非陸緣海域的大陸斜坡與隆堆、美國東部大西洋大陸斜坡、挪威陸緣海域，阿拉斯加陸緣蒲福海域等地的海底地層，可能含有天然氣水合物，因此，這些區域的海底崩塌與滑移的地質災害，可能與天然氣水合物的解離作用有關。另外，如裏海及巴拿馬北部遠濱海域的海底泥火山等地質災害，亦與天然氣水合物所分解出的天然氣向上逸散等地質作用有關。
參考資料
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2003_172/9201.10.pdf
找圖一即為結構圖
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。
參考資料
http://cgsweb.moeacgs.gov.tw/Result/Hydrogeo/ch/網頁2.htm
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