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可燃冰,未來能源之星還是滅世惡魔?(一)

發布時間:2020年04月14日
來源:星球科學評論公眾號(2020-04-14)

遙遠的中國南海,一團火焰在燃燒了兩個月以后,被人們緩緩熄滅。它是藍鯨2號海洋鉆井平臺的排氣火炬,來自海底深處的天然氣在水幕中化作火光,用這種方式重見天日。這些天然氣來源于一種被一些人寄以厚望,但也被另一些人畏之如虎的物質,可燃冰


正在試采可燃冰的藍鯨1號海上鉆井平臺 | 2017年,中國首次海底可燃冰試采由“藍鯨1號”鉆井平臺執行。出處@圖蟲創意


寄以厚望,是因為可燃冰的儲量極為豐富。據粗略估算,它所蘊含的天然氣資源可達到已知常規天然氣資源量的數十倍;如果按有機碳儲量計算,大約是已知煤炭、石油、天然氣有機碳總量的2倍。假如能夠大規模商業化利用,將會成為未來的能源之星,保障世界的化石燃料安全。

 

全球有機碳儲量分布圖 | 盡管對有機碳的估算還比較粗糙,但可燃冰仍遠遠多于常規化石能源。數據源自文獻[1]。制圖@陳隨/星球科學評論

 

畏之如虎,是因為這是一種并不穩定的物質。如果在大規模商業開采中出現意外,可能會造成可燃冰的大規模分解,向海洋釋放大量天然氣,造成嚴重的環境災害——也許會引發人們難以想象的后果。盡管如此,人們依然在向這片尚未被攻克的資源庫發動猛攻。世界多國正在積極開展可燃冰開采技術研究,繼頁巖氣革命(后臺回復“頁巖氣”了解更多)后,一場可燃冰革命也正在吹響號角

在這樣的時代背景下,如何看待人們對可燃冰復雜而又糾結的心態?這需要從了解什么是可燃冰,和它劣跡斑斑”的歷史說起。


海底可燃冰樣品 | 采集自印度洋某處的可燃冰樣品。圖源@USGS/美國地質調查局

 

 01 可燃冰是什么?它在哪里?


可燃冰是一種氣體水合物,它看似冰塊,潔白而多孔,質地比冰塊略軟、略輕。它是一種由水分子做牢籠,將氣體分子囚禁其內的疏松固體。能夠“身陷囹圄”的氣體有很多種,如氮氣、二氧化碳、甲烷、乙烷等。當被囚禁的氣體是以甲烷為主的天然氣時,人們就管它叫天然氣水合物,俗稱可燃冰[2]。

 

可燃冰的兩項神奇之處 | 因為可燃冰分解時會釋放大量的水,能夠帶走大量熱量,所以可以如左圖一般用手托著燃燒;右圖是可燃冰“囚籠”的示意圖,無數個這樣的小籠子彼此連接,就成為固體可燃冰。圖源@ worldoceanreview.com

 

形成可燃冰需要四個必備條件:(甲烷)氣體、液態水、較低的溫度和較高的壓力,缺一不可。其中,甲烷要么由泥沙中的生物遺骸腐敗產生,要么來自于地下深處天然氣藏滲透上來的天然氣[2]

 

可燃冰成因示意圖 | 微生物分解有機質殘骸產生的甲烷也被稱作“生物氣”,它和深處天然氣藏擴散出來的氣體,是形成可燃冰的主要氣源。這兩種過程都會源源不斷產生甲烷,其中微生物產生的生物甲烷更重要一些。制圖@陳隨/星球科學評論

 

生物遺骸腐敗產生甲烷是生活中常見的一種現象,在北國的冬天里格外常見。在封凍的湖塘冰面上,冰塊里會形成一連串氣泡,這是湖底有機質腐敗釋放的氣體,主要成分是甲烷。它們隨著湖水一邊凍結一邊聚集,在冰層里形成層層疊疊的氣泡——鑿冰釋之可點燃。

 

加拿大班夫國家公園亞伯拉罕湖里的甲烷氣泡 | 注意氣泡的層疊現象。圖源@VCG

 

鑿冰點火很危險,請勿自行嘗試 | 圖源@gifbin.com

 

地下深處天然氣藏內的氣體滲透至地表時,一般被叫做天然氣苗,可以在很多油氣田周圍找到。里海西岸的阿塞拜疆巴庫地區是著名油田,地下豐富的天然氣裹挾稀泥巴涌出地表,形成泥火山,遇火可點燃。這樣的“無源之火”,也許是該地區在古代成為拜火教圣地之一的原因。

 

阿塞拜疆巴庫地區的泥火山群景觀 | 即將炸開的氣泡里,充斥著可燃氣體甲烷。圖源@vcg

 

但巴庫地區并沒有形成可燃冰。自然界里,只有兩種地方可以同時滿足前述四種條件:數百米深的凍土帶地下,或者一兩千米左右的深湖/深海底部及泥沙深處。它們的溫度和壓力恰好使可燃冰能夠穩定存在,于是也被稱作水合物穩定帶[2]

 

海底和凍土中的“水合物穩定帶”示意圖 | 紅色曲線表示壓力,藍色曲線表示溫度。當二者相交時,重疊的區域就是“水合物穩定帶”。它們位于特定的深度,具有一定的范圍,同時會隨著溫度和壓力的變化而改變范圍。圖源@grida.no

 

盡管水合物穩定帶的分布范圍較小,但可燃冰的形態卻并不單調。隨著可燃冰所在的具體位置不同,它可以呈現出截然不同的樣貌[3-5]有時可以單獨存在,為質地純粹的的塊狀、丘狀,主要出現在海底,相對少見。

 

宏觀狀態的可燃冰 | 大量甲烷在開放空間里與水結合,可以形成大塊的可燃冰,圖為在墨西哥灣海底800多米處,由甲烷氣泡溢出形成“可燃冰丘”。大量貽貝生活在可燃冰附近,它們的食物是依賴甲烷生存的化能自養微生物。圖源@USGS/美國地質調查局

 

海底“可燃冰丘”上采集到的厚層純凈可燃冰 | 由日本明治大學團隊在日本海Joetsu盆地的可燃冰丘里采集,總厚度超過五米。圖源@明治大學天然氣水合物研究所

 

有時則與泥沙混合在一起,呈現出團塊狀、網脈狀的不規則外觀。

 

印度洋海底采集的可燃冰 | 2006年印度國家天然氣水合物計劃一期項目采集的可燃冰樣品,可燃冰存在于海底泥沙地層的裂縫里。圖源@USGS/美國地質調查局

 

更多的時候,可燃冰以肉眼難以看到的狀態,分散儲存在泥沙顆粒之間的微小孔隙里。雖不起眼,但有著更大的儲量,是目前人們勘探和試采的主要目標。

 

含可燃冰砂礫沉積物樣品 | 產自加拿大Mallik凍土試采區的含可燃冰沉積物,深色礫石和砂粒周圍的白色物質即為可燃冰,這是孔隙中的可燃冰透露出來的一點顏色。圖源@USGS/美國地質調查局

 

總之,這是一種主要儲存在“爛泥巴和稀沙子”里的有機碳能源,它的外觀和分布位置具有特定的規律。


不同產出位置的可燃冰具有不同的賦存狀態 | (A/B)海底泥質沉積物中的網脈和團塊狀(白色物質),(C/E)分散在砂層孔隙中(白色小點),(D)海底的可燃冰丘,被灰色泥沙覆蓋,(F)砂礫沉積物中的天然氣水合物(白色)。來源@文獻[6]

從極地凍土到高原凍土,再到深海底部的廣大天地間,可燃冰被人們寄以厚望。以目前的認識來看,潔白大塊的可燃冰儲量可能最少,泥質沉積(爛泥巴)里的分散可燃冰儲量可能最大,但不易開采。相對容易開發的,是儲存在凍土帶地下砂層和海底砂層(稀沙子)孔隙中的分散可燃冰[2,6]


世界可燃冰資源儲量示意圖 | 最具勘探開發潛力的可燃冰位于砂層里,但總儲量相對較小;不易開采的泥層里可能擁有規模最大的可燃冰。海底暴露可燃冰的儲量難以估算,因為人類對深海還知之甚少。數據源自文獻[6]。制圖@陳隨/星球科學評論 

但是,硬幣的另一面則隱藏著可燃冰令人生畏的本領。

 

 02 可燃冰有哪些危險的“本領”?

對于人類來說,可燃冰意味著豐富的天然氣,是一種有潛在經濟效益的化石能源。但對于自然界而言,可燃冰只是一種普通的物質,在碳循環的大鏈條上不斷形成又不斷分解,遵循自然規律自生自滅。
在自然界,水合物穩定帶并非一成不變的特定區域。溫度和壓力條件的變化會輕易使穩定帶的范圍發生改變,造成可燃冰自發分解[7-11]。在地球動蕩的歷史里,大規模的環境變化比比皆是:氣候變遷、冰川進退、地震火山、甚至小行星砸到海里這樣的事情也經常發生。于是,我們可以找到許多可燃冰自然分解的記錄。

 

可燃冰穩定帶范圍改變造成可燃冰分解的示意圖 | 自從末次冰期結束以來,全球范圍內發生大規模的冰蓋消融、海水升溫,使大量的古代可燃冰失穩分解。釋放出來的甲烷氣體規模巨大,可能加劇全球溫度從冰河期進一步回升。圖源@文獻[10]

 

直覺上,人們會想出一串串氣泡不斷上浮,最終在海面破裂的畫面,這也是關于可燃冰導致變暖災難”的最初印象。但能夠到達海面并影響到大氣的甲烷其實只有不到5%[7,12]釋放出來的甲烷都去了哪里?答案正是布下了三條封鎖線的厚重海水。

 

墨西哥海底一處甲烷泄露點的氣泡和貽貝 | 深海貽貝常作為深海化能自養生態系統的一部分。圖源@NOAA/美國國家海洋和大氣管理局

 

1)圍剿甲烷的三道封鎖線

 

海底的一些微生物構建起圍剿甲烷的第一道封鎖線。當可燃冰分解得緩慢而穩定時,特定微生物會利用甲烷作為生命活動的原料,像植物一樣為更多的其他生物提供食物,在海底構建起冷泉(cold seep)生態系統——這是一種可以養活一群奇奇怪怪深海生物的化能自養生態系統[7,13]


深海化能自養生態系統與淺海光合作用生態系統示意圖 | 和光合作用一樣,化能自養作用也是構建生態系統的基石,只不過這是一個“漆黑無光”的生態系統。圖源@Maja Sojtaric/CAGE

第二道封鎖線是深處的海水本身。由于水合物穩定帶也包括一定深度的底層海水,所以可燃冰釋放出來的部分甲烷可以在海底重新“凍結”——這便是在全球海底許多地點都存在的海底可燃冰丘(丘,mound)。大塊、潔白、質地純粹的可燃冰,便來自這些環境。

 

墨西哥灣的一處海底甲烷釋放點 | 墨西哥灣地下富含油氣,一部分天然氣在海底發生泄漏,凍結成海底的可燃冰。圖源@NOAA/美國國家海洋和大氣管理局
第三道封鎖線是溶解在海水里的氧氣。絕大多數甲烷氣泡大多不能順利浮上海面,而是會溶解于海水,與水中氧氣發生化學反應,轉變為二氧化碳和水,最終消失在海水里。就這樣,三重封鎖線,將海底可燃冰分解釋放的絕大多數甲烷都“消滅殆盡”,真正能夠浮出海面的甲烷氣體少之又少。我們不需要特別擔心海底可燃冰開發對大氣和氣候變暖產生的沖擊。但是,消滅了甲烷的海水卻會發生變化,而這才是真正值得憂慮的地方。

 

海底甲烷釋放和兩種消耗機制的示意圖 | 絕大部分從海底釋放的甲烷會被微生物或海水溶解氧給氧化掉。圖源@文獻[14]

 

此時,地質研究可以給我們提供一些線索。
(2)劣跡斑斑的古代可燃冰爆發
在距今1.83億年前的侏羅紀早期,全球范圍內發生過一次嚴重的大洋缺氧事件(OAE),造成許多海洋生物滅絕。盡管尚存爭議,一些科學家認為可能與大規模的海底可燃冰分解有關[15-17]。

早侏羅世托阿爾期海洋缺氧事件示意圖 | 該事件發生于距今1.83億年前,造成大量海洋生物滅絕,其中可燃冰快速分解是可能的原因之一。圖源@文獻[17]

在距今約5500萬~5600萬年前,全球發生過一次非常劇烈的環境突變。在很短的時間里,大氣快速升溫、海洋出現局部缺氧、大西洋明顯酸化等事件相繼出現,也被許多科學家認為與海底可燃冰的突然釋放有關。但究竟是可燃冰分解引起升溫,還是升溫引起可燃冰分解,現在仍存爭論[18-20]

 

古近紀“古新世-始新世極熱事件”示意圖 | 該事件發生于距今0.55-0.56億年前的古近紀早期,大氣和海洋溫度快速升高然后回落,其中可燃冰快速分解是可能的原因之一。圖源@文獻[21]

 

在中國試采可燃冰的南海神狐海域,人們發現距今11300-8000年前的海底泥沙有些“缺鈣”——碳酸鈣的含量明顯偏低,這是海水酸化留下的線索之一。在排除了一些其他因素后,它被解釋為末次冰期后的升溫過程里,可燃冰發生快速分解引起的底層海水酸化[8]

除了改變海水的酸堿性和含氧量,劇烈的可燃冰分解也能改變海底地貌。
(3)地貌修改器
在挪威大陸和斯瓦爾巴德群島之間的巴倫支海,科學家發現了令人“密恐”的景象:原本應該被泥沙覆蓋得相對平坦的海底,像是爆了一臉青春痘一般,滿是疤痕

 

巴倫支海密集的海底麻坑 | 在巴倫支海的比約恩納陸架槽邊緣,海底有大量的麻坑,這種海底地貌的形成與可燃冰分解有關。圖源@文獻[9]

 

它們的深度可達10-40米,直徑300-400米,更大坑洞的尺寸有600x1000m左右[9,22]。在坑洞周圍,海底仍在釋放甲烷氣泡。密集的氣泡在海水里連成一串,在儀器成像里可以看起來就像是千萬根火炬


麻坑周圍釋放的甲烷氣泡 | 在巴倫支海海底麻坑周圍,仍在排放甲烷氣泡,可以通過特殊儀器進行可視化成像。圖源@文獻[9]

一萬多年前的末次冰期,巴倫支海地區曾經被厚厚的冰層覆蓋,冰層下形成可燃冰穩定帶。隨著冰蓋消融,海底一邊升溫一邊緩慢抬升,可燃冰穩定帶的范圍發生大幅度變化,原先的可燃冰失穩、分解、釋放,大量氣體聚集成海底的鼓包pingo)。

鼓包內的氣體可能有兩種釋放途徑,要么緩緩釋放、海底陷落成坑;要么噴薄而出、海底炸出大坑,變成海底的密集痘疤”。類似的地貌在全球海洋里廣泛存在,中國南海同樣有許多類似大坑,例如西沙群島西南部海域800-1200米深的海底分布有密集的坑洞群,最大的坑直徑有3千米左右,深度超過160米[23-24]。根據它們的外觀,人們起了一個形象的名字:麻坑



麻坑成因示意圖 | 麻坑的形成與可燃冰分解有關,會釋放大量甲烷進入海洋,也會有一部分甲烷進入大氣。圖源@文獻[9]

在陸地上,人們也在凍土地帶發現過類似的現象。2014年,俄羅斯西北部Yamal半島上,人們在地面上發現了一個大坑,周圍有新近被翻出的泥土,甚是奇特。經過科學家的實地考察,發現這是因為地下氣體壓力過大,沖破土壤導致的一場氣體爆發。

 

俄羅斯Yamal半島2014年氣爆坑爆發前后的航拍對比圖 | 這種氣爆坑的形成源于泥土里的高壓氣體爆發,可能與可燃冰分解有關,這個坑的直徑約為25米。圖源@文獻[25]

 

類似的現象在北極圈附近的凍土地帶并不罕見。2017年5月,一條河道中開始產生鼓包(下圖2),到了7月便炸成以一個大坑(下圖4),直徑達到數十米,并在爆發以后持續釋放甲烷氣體[26]

 

俄羅斯Yamal半島2017年某個氣爆坑爆發的航拍對比圖 | 這個坑形成于一處河道底部的凍土帶,爆發以后坑內蓄水成湖。圖源@文獻[26]

 

有一種解釋認為,這些氣爆坑的形成,與凍土地下可燃冰的分解和氣體爆發有關[27]。在2014年產生的氣爆坑位置,地下60米處可能存在一層可燃冰。或許正是這些可燃冰分解產生了許多無處釋放的甲烷氣體,它們在凍土里橫沖直撞、上涌聚集,最終炸成大坑。


俄羅斯Yamal半島2014年氣爆坑的地球物理探測結果 | 圖面中的數字表示電阻率值,該研究認為位于地下60米深處的含可燃冰地層引起了氣爆。圖源@文獻[27]

高壓氣體上浮、破壞地層的能力究竟有多強?在挪威斯瓦爾巴德群島北部的Hinlopen滑坡邊緣,一個案例或許可以提供一些線索。人們在這里發現一處被高壓天然氣破壞、挖掘了將近200米厚的泥沙層。氣體在泥沙地層中形成了管道結構”,一路穿過可燃冰穩定區,至靠近海底的位置才儲存起來。這樣的機制可以在海底淺層制造不穩定層,具有引發滑坡的潛力[29]

 

高壓天然氣穿過近200米厚的海底泥沙 | 上圖為人工地震剖面,下圖是原理示意。高壓氣體從可燃冰穩定帶下的高壓游離氣聚集帶上涌,破壞、挖掘、穿過蘊含可燃冰的泥沙后,聚集在淺近海底,留下“管狀結構”,管道直徑約20米。圖源@文獻[29]

 

但這只是可燃冰分解引起滑坡的一種機制,還有一種機制可能引起更大規模的海底滑坡,甚至引發海嘯——那便是由于可燃冰分解引起的地層變形、強度減弱,并最終在坡度適當的地區滑落。

 

由可燃冰分解引發海底滑坡的示意圖 | 當可燃冰穩定帶底界因為種種原因上移時,會使海底的一層可燃冰分解,一方面釋放氣體進入海水,另一方面改變泥砂層的力學性質,引起大規模滑坡。圖源@grida.no

 

挪威西北部海域的Storegga滑坡是目前已知規模最大的海底滑坡之一,一些科學家認為它與周期性大規模可燃冰分解有關[11,30-32]。最近一次滑坡發生于8200年前,在挪威、冰島、英國北部等地引發過大規模的海嘯災害,重創了當時生活在北歐沿海地區的古人類聚落[33]

 

Storegga海底滑坡及其形成的海嘯 | Storegga滑坡的產生可能與可燃冰分解有關,這次滑坡引發了規模龐大的海嘯,席卷多個國家。圖源@文獻[34]

 

總結下來,可燃冰分解釋放出的甲烷,既可以在海底滋養生靈,也可以引起底層海水酸化和缺氧,引發海洋生物大量死亡甚至滅亡;而它們從地層里釋放的方式,輕則可以引起排氣鼓包或麻坑,重則破壞地層、引起海底變形或滑坡,嚴重的滑坡還能制造出滑坡海嘯災害。可燃冰的這些“本領”,為人們開發利用可燃冰帶來了不小的麻煩:人為開采是否會造成海底可燃冰的失穩,引起比自然分解速度更快、規模更大的“海底甲烷釋放”?
這些擔憂,恐怕并不是空穴來風。

[責任編輯:dc]

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