国立先进产业技术研究所 [主席：Ryoji Chubachi]（以下简称“AIST”）能源创造研究部 [研究主任：Hiroaki Hatori] Jun Yoneda，首席研究员，Yusuke Kami，研究小组组长，Norio Tenma，副研究主任，地质信息基础设施中心 [中心主任：Takayuki Sawaki] Sumito Morita 副主任和他的同事们发现了一块在日本海沿岸挖掘出的固体物质。甲烷水合物（由水分子和甲烷分子组成的冰状固体物质）强度（强度）和硬度（刚性）世界上还是第一次。虽然甲烷水合物在低温高压下稳定，但在常温常压下会分解成甲烷气体和水，因此测量天然甲烷水合物的强度和刚性极其困难。 AIST正在开发一种装置，用于评估在保持深海海底水压的同时收集到的甲烷水合物的物理性质，这次，AIST和明治大学合作收集了甲烷水合物。地表甲烷水合物的强度和刚度的实验。迄今为止，尚不清楚表面甲烷水合物的硬度和机械稳定性如何，这种水合物以块状形式存在于深海海底的泥浆中。在考虑地表甲烷水合物的具体回收技术（破碎、破碎、收集等）时，以及在评估甲烷水合物开发过程中海底土壤的机械稳定性时，甲烷水合物的强度和刚性是重要的物理性质。该研究成果有望在深海底资源开发和环境评估方面发挥重要作用。该成果很快将发表在美国地球物理联合会的学术期刊上地球物理研究快报
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| 地表甲烷水合物概念图（左）和压缩测试（右） |
甲烷水合物具有甲烷分子被包裹在水分子构成的“笼子”中的结构，由于温度和压力的关系，已知它存在于永久冻土地区和深海海底。天然甲烷水合物存在于海底数百米的沙隙中。沙层型甲烷水合物地表型甲烷水合物，以块状存在于海底表面，或以结核（颗粒）、透镜体、板状、脉状形式存在于泥浆中。在这两种情况下，分解后产生的甲烷气体都是天然气的主要成分，有望作为下一代能源，迈向低碳社会。为了将甲烷水合物转化为资源，首先原始资源量很重要及其分布。例如，据估计，相当数量的砂层甲烷水合物是日本专属经济区的原生资源，人们对其成为国内资源的期望很高。其次，为了评估开发甲烷水合物时海底地面的稳定性并考虑具体的甲烷水合物回收技术，有必要了解甲烷水合物和海底地面的力学特性（强度和刚性）。然而，由于甲烷水合物在室温和大气压下分解成甲烷气体和水，因此测量其力学性能极其困难。
日本的甲烷水合物研究开发正式开始于2001年经济产业省公布的《日本甲烷水合物开发计划》。上述开发计划主要针对沙层甲烷水合物，但2013年4月内阁批准的《基本海洋计划》首次设定了表层甲烷水合物的资源调查目标。在AIST，我之前曾参与过海底表面甲烷水合物的研究（AIST TODAY 2006 年 4 月号、2007 年 3 月 2 日 AIST 研究结果)作为2013年至2015年经济产业省委托的“国内石油和天然气地质调查/甲烷水合物研究开发项目（甲烷水合物研究开发）”的一部分，进行了地表甲烷水合物的广域分布调查。明治大学受AIST委托，于2015年作为资源调查的一部分进行了这项研究。压力核心后，AIST将接收并分析采集到的压力核心。在AIST作为砂层状甲烷水合物资源回收研究开发的一部分而开发的压力岩心分析技术中，我们应用了一种新技术，在保持深海海底水对表层甲烷水合物的压力的同时获得天然样品的强度和刚度，并评估其基本物理性质，包括机械性质。
本研究使用的天然甲烷水合物是2015年8月至11月在日本海沿岸约900 m深处采集的压力岩心样本（图1中的红点：采样点广域图及周边测深图）。压力核心在保持约10MPa的水压的情况下吊到船上，在不减压的情况下转移到特殊压力容器中，然后运送到AIST北海道中心。在所有这些步骤中，控制温度和压力以满足甲烷水合物的稳定性条件。
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| 图1 本研究中使用的压力核心采样点（红点） |
在实验室中，使用X射线CT设备拍摄直径为50毫米的圆柱形样品，观察甲烷水合物的性质。图2显示了代表性样品的X射线CT截面图像以及从CT图像中提取的仅甲烷水合物的三维观察图像。块状甲烷水合物（图2左），甲烷水合物均匀存在，几乎看不到泥浆混入。根据CT图像计算出的甲烷水合物的体积含量以及下述实验后分解释放的气体量为92%～100%。球状甲烷水合物含有甲烷水合物的泥浆（图2右侧）含有尺寸从几毫米到几厘米不等的板状或块状甲烷水合物块，并且在每个甲烷水合物块内部没有观察到泥浆。在甲烷水合物区域的三维提取图像中，没有观察到甲烷水合物碎片的排列有规律性或偏差，表明甲烷水合物在该样品中是随机沉淀的。该样品中甲烷水合物碎片的体积含量约为20%。
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| 图2 浅表甲烷水合物样品的X射线CT横截面图像和甲烷水合物区域的3D提取图像 |
X射线CT成像后，在海底压力下将样品切成8至10厘米长的试件，并放置在压缩测试装置中。对两个块状甲烷水合物样品和三个含有结核状甲烷水合物的泥浆样品进行了压缩试验。将散装甲烷水合物样品在水压10MPa、温度4℃下进行压缩试验，得到强度3MPa（图3左侧①、②处峰值）、刚度（变形系数）300MPa（图3左侧①、②处原点附近的倾斜度）的结果。这是世界上首次测量天然甲烷水合物的强度和刚性值。该值与-10℃环境下的多晶冰相似，但强度相似，但刚性较低。这表明，虽然具有相似强度的冰表现出“粘性”行为，需要大量变形才能破裂，但甲烷水合物表现出“脆性”行为，只需相对较小的变形量即可破裂。对于结核状含甲烷水合物泥浆，在水压10 MPa、温度4℃下进行压缩试验，根据取样深度再现地层压力状态，其强度和刚度与周围不含甲烷水合物的地面几乎相当（图3③-⑤）。也就是说，体积含量在20%左右的甲烷水合物碎片对泥浆的力学性能没有影响，占剩余的80%。从以上结果可以看出，地表型甲烷水合物集中区内部的大块甲烷水合物部分比周围的泥质地面更坚固、力学更稳定。另一方面，有人认为，在从块状甲烷水合物到含有甲烷水合物的结核状泥浆到周围泥质地面的过渡区域中，周围地面的力学特性占主导地位。这些结果对于考虑地表甲烷水合物的具体回收技术以及评估开发过程中海底土壤的稳定性将是非常重要的知识。
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| 图3 压缩测试结果 |
甲烷水合物有望成为全球低碳社会的下一代能源。另一方面，甲烷水合物所在地层的物理性质往往因地点而异，无法明确确定，因此难以进行技术研究。在考虑目标区域的开发技术时，了解海底地面的强度和刚度仍然很重要。我们将继续利用AIST的压力核心分析技术来揭示未来开发目标的有前途的深海土壤的物理性质，并推进研究，从而提出安全有效的资源回收方法的建议。