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可燃冰,未來能源之星還是滅世惡魔?(二)

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

 03 未來商業開發的不確定性


管扮演著不安定的角色,但這并沒有影響人們將可燃冰作為資源加以利用的沖動。對于可燃冰的研究大約始于上世紀60年代,那時的人們曾認為蘇聯西伯利亞的Messoyakha氣田生產的天然氣存在可燃冰分解釋放的氣體,但該結論尚存爭議[35-36]。真正毫無爭議的、直接從含可燃冰地層里進行試驗性開采,僅有短短18年的歷史

人們首先開采的是北極圈內永久凍土帶以下的可燃冰,這是2002年及2007年多國合作在加拿大西北部Mallik地區的試采項目,凍土厚度650米左右,含有可燃冰的砂層位于大約1000米深。首次試采海底泥沙中的可燃冰2013年,位于日本愛知縣附近海域,這里的水深約1000米,蘊含可燃冰的砂層位于海底以下300米[37-38]


世界可燃冰開采試驗位置分布圖 | 迄今為止,確切進行過可燃冰開采試驗的地點一共有五個,分別是位于加拿大北部的Mallik項目區(2007-2008年試采),美國阿拉斯加北坡的Hot Ice項目區(2012年試采),二者均為凍土可燃冰區塊,且由多國團隊合作試采;位于日本愛知縣附近南海海槽的愛知海項目區是首次(2013年)和第二次(2017年)海底可燃冰試采位置,由日美合作完成;中國的可燃冰試采由中國團隊獨立完成。制圖@陳隨&鞏向杰/星球科學評論
中國的可燃冰研究啟動較晚,于2007年和2009年在南海神狐海域青海祁連山木里凍土帶分別鉆遇可燃冰。2011年和2016年,研究人員首先在祁連山凍土區進行了兩次陸上可燃冰試采[39-40],分別產氣近5天和23天。2017年,中國在南海神狐海域進行了首次海上試采,穩定生產60天,產氣30.9萬立方米。2019年,中國在南海同一海域完成了第二次試采,試驗了水平井在海底軟泥沙中的鉆探技術,實現穩定生產30天,產氣86.14萬立方米。
目前為止,中國是世界上累計試采可燃冰產氣量最多的國家。但在成就的背后,我們也需要對風險和不確定性有清晰的認識。

 

2017年首次可燃冰試采的藍鯨1號 | 圖源@圖蟲創意

 

可燃冰商業化開采面臨的主要問題,正如前文第二節所提,在于會改變泥沙的力學性質,降低泥沙的整體強度,容易引起海底不均勻變形、海底地層垮塌、高壓氣體噴出甚至滑坡等劇烈破壞現象[41-45]。遺憾的是,人們對于這些風險的認識尚十分粗淺。現階段的主要研究方法,是使用試采獲得的數據進行實驗模擬和計算機模擬。然而實驗室條件難以代表深海的自然環境,計算機模型也會存在基于不同方法而產生的差異,它們有時甚至會出現完全迥異的結果。例如,2013年日本試采后,一個日本研究團隊的計算機模擬顯示,6天的試采中,可燃冰發生分解的區域可能達到距離鉆井25米的地區;如果繼續生產至180天后,可燃冰分解范圍可能會擴展至200米范圍[43]。但在2017年中國試采后,一支中國研究團隊的另一種計算機模擬顯示,可燃冰的分解會局限在鉆井周圍區域,即使兩年后也不會超過30米[46]

 

日本“地球號”海洋鉆探船 | 該船是日本進行海洋鉆井的主力科考船,參加過多次全球大洋鉆探項目。日本兩次鉆探海底可燃冰,使用的都是這條科考船。圖源@JAMSTEC/日本國立海洋科技開發機構

 

類似這樣的不確定還有很多,而僅有的幾次試采結果,也并不足以打消人們的顧慮。2017年9月,中國首次南海試采結束的2個月后,科研人員來到試采海域展開環境監測。通過對比試采前、試采中和試采后的數據,認為僅在鉆井過程中發生了預期內的少量甲烷釋放。試采過程中和結束兩個月后,未見甲烷泄露、未見海底缺氧,海底也沒有發生海水渾濁度的變化,表明沒有發生大規模的海底地質變化[47]

 

中國南海首次可燃冰試采的主要環境監測數據 | 來源@文獻[47]

 

這當然是一個好消息,但無論是中國的第一次試采還是日本的兩次試采,均未公開海底是否發生變形的數據[48]。在剛剛結束不久的中國第二次海底試采中,人們使用了未觀測到甲烷泄露,未發生地質災害”這樣的字眼,這符合第一次試采后的檢測結果,但同時也沒有提及是否存在地層變形等方面的情況。

也許是沒有發生,也許是變化太小沒有探測到,但也不能排除這些變化尚未從幾百米深處影響到海底。這些變化所需的時間,也是未知數。2017年俄羅斯Yamal半島發生在河道里的氣爆為例,從發現變形到最終爆發用了兩個月,但氣體在地下聚集發展了多久,人們則完全沒有頭緒。在斯瓦爾巴德島北部的海底泥沙中,高壓天然氣聚集、破壞地層產生“管道結構”需要多長時間,現在也完全是未知數。

 

中國南海首次可燃冰試采時的火炬 | 圖源@文獻[47]

 

總之,在關于可燃冰開采引發海底變形的領域,還存在太多的空白,我們并不知道地層變形將如何累積、高壓氣體是否在地下聚集、何時會開始上涌破壞地層、何時會上升到海底淺層、何種條件會觸發滑坡、風險會達到何種規模、滑坡是否會使附近的可燃冰失穩分解等細節。根據一份計算機模擬研究,長期(長達4年以上的水平井開發)可燃冰開采會引起地層變形逐漸積累,并最終可能會發展成大規模海底變形甚至滑坡[49]因此,一兩口井持續一兩個月的試采和數據測量,或許并不足以說明問題。而矛盾的是,想要知道這些問題的答案,只能開展時間更長、規模更大的生產實踐,甚至在真實的事故里來分析事故的原因。在當下的科學認識水平下,只要開采可燃冰,就意味著要承擔很多未知風險;但也只有繼續進行開采試驗,才能更好地認識風險。這種不可調和的矛盾,會貫穿在整個可燃冰開采的實踐里

 

位于加拿大麥肯齊三角洲的Mallik可燃冰試采現場 | 這里位于北極圈內,極度嚴寒,陽光穿透大氣中的冰晶后呈現出光柱。圖源@USGS/美國地質調查局

 

當代海洋正處在表層海水快速酸化和缺氧的背景下[51-55],人為引發可燃冰分解和釋放的前景不免令人擔心。而且這些研究大多集中在海洋表層,并沒有深入考慮海底可燃冰分解造成的深層海水酸化和缺氧問題。由于表層海水與深層海水的大規模交換作用(如溫鹽環流),最終的情況可能更糟。

 

驅動全球海水大規模交換的溫鹽環流 | 圖源@grida.no

 

海水酸化會影響部分海洋生物碳酸鈣外殼的合成,缺氧海水則容易引發大面積生物死亡,二者最終會影響到海洋食物鏈,并以此影響到人類社會。


海洋化學性質的變化如何影響海洋生物? | 許多浮游生物具有鈣質外骨骼,酸化的海水不利于生物合成,會嚴重影響它們的生存,從而危及到整個海洋食物鏈。圖中的生物是翼足類動物,它是一種具有碳酸鈣貝殼的軟體動物,幼體營浮游生活。研究人員將它的貝殼放在當前認識水平下,與2100年海水酸性和碳酸鹽含量相當的水中,45天后貝殼就開始溶解。圖源@NOAA/美國國家海洋和大氣管理局

雖然短期內肯定不會引起大規模生物滅絕,但勢必會逐漸改變現有海洋生物的生存格局,從而進一步影響到海洋養殖業和捕撈業,并以這種方式影響人們的餐桌——海洋為人類提供了18%的蛋白質來源,它們不光是各種生猛海鮮,還有以海洋生物作為飼料的家畜家禽。一旦海洋的生態出現問題,人類社會將會發生不小的動蕩。

 

夕陽下的漁船 | 可燃冰開采對海洋環境的潛在沖擊,會通過復雜的食物鏈最終影響到每一個人。圖源@VCG

 

是的,人們需要關心可燃冰開采對于海洋環境的潛在沖擊,這不僅因為對于可燃冰的各種認識仍然過于粗淺,而且暫時還沒有很好的監測手段和可靠模型,更因為它也能影響到你我飯桌上的食物,影響到子孫后代的食物。

海鮮 | 對于普通人而言,關注可燃冰開采風險,最終會回歸到食物安全問題。圖源@VCG
可燃冰只是地球上存在了億萬年,并將繼續存在億萬年的一種物質,是這顆星球生生不息的碳循環發動機中,一個并不起眼的小齒輪。它究竟是未來能源之星,還是將要影響人類社會的魔鬼,決定權其實在于人類。在于人們選擇怎樣的開發策略,在于保持高度謹慎徐徐圖之;在于充分做好風險研判和科研跟進,在于提高從業人員的風險認知水平。也在于整個社會的你我他,能夠認識到可燃冰這種物質的風險,和背后尚存的諸多未知。

[責任編輯:dc]

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