广东省海洋与渔业技术推广总站,《海洋与渔业》杂志欢迎您!
 

可燃冰,未来能源之星还是灭世恶魔?

   日期:2020-04-16     来源:星球科学评论    浏览:246    评论:0    
 在遥远的中国南海,一团火焰在燃烧了两个月以后,被人们缓缓熄灭。它是蓝鲸2号海洋钻井平台的排气火炬,来自海底深处的天然气在水幕中化作火光,用这种方式重见天日。这些天然气来源于一种被一些人寄以厚望,但也被另一些人畏之如虎的物质,可燃冰。
 
正在试采可燃冰的蓝鲸1号海上钻井平台 | 2017年,中国首次海底可燃冰试采由“蓝鲸1号”钻井平台执行。出处@图虫创意
 
寄以厚望,是因为可燃冰的储量极为丰富。据粗略估算,它所蕴含的天然气资源可达到已知常规天然气资源量的数十倍;如果按有机碳储量计算,大约是已知煤炭、石油、天然气有机碳总量的2倍。假如能够大规模商业化利用,将会成为未来的能源之星,保障世界的化石燃料安全。
 
全球有机碳储量分布图 | 尽管对有机碳的估算还比较粗糙,但可燃冰仍远远多于常规化石能源。数据源自文献[1]。制图@陈随/星球科学评论
 
畏之如虎,是因为这是一种并不稳定的物质。如果在大规模商业开采中出现意外,可能会造成可燃冰的大规模分解,向海洋释放大量天然气,造成严重的环境灾害——也许会引发人们难以想象的后果。
 
尽管如此,人们依然在向这片尚未被攻克的资源库发动猛攻。世界多国正在积极开展可燃冰开采技术研究,继页岩气革命(后台回复“页岩气”了解更多)后,一场可燃冰革命也正在吹响号角。
 
在这样的时代背景下,如何看待人们对可燃冰复杂而又纠结的心态?这需要从了解什么是可燃冰,和它“劣迹斑斑”的历史说起。
 
海底可燃冰样品 | 采集自印度洋某处的可燃冰样品。图源@USGS/美国地质调查局
 
01
 
可燃冰是什么?它在哪里?

 
可燃冰是一种气体水合物,它看似冰块,洁白而多孔,质地比冰块略软、略轻。它是一种由水分子做牢笼,将气体分子囚禁其内的疏松固体。能够“身陷囹圄”的气体有很多种,如氮气、二氧化碳、甲烷、乙烷等。当被囚禁的气体是以甲烷为主的天然气时,人们就管它叫天然气水合物,俗称可燃冰[2]。
 
可燃冰的两项神奇之处 | 因为可燃冰分解时会释放大量的水,能够带走大量热量,所以可以如左图一般用手托着燃烧;右图是可燃冰“囚笼”的示意图,无数个这样的小笼子彼此连接,就成为固体可燃冰。图源@ worldoceanreview.com
 
形成可燃冰需要四个必备条件:(甲烷)气体、液态水、较低的温度和较高的压力,缺一不可。其中,甲烷要么由泥沙中的生物遗骸腐败产生,要么来自于地下深处天然气藏渗透上来的天然气[2]。
 
可燃冰成因示意图 | 微生物分解有机质残骸产生的甲烷也被称作“生物气”,它和深处天然气藏扩散出来的气体,是形成可燃冰的主要气源。这两种过程都会源源不断产生甲烷,其中微生物产生的生物甲烷更重要一些。制图@陈随/星球科学评论
 
生物遗骸腐败产生甲烷是生活中常见的一种现象,在北国的冬天里格外常见。在封冻的湖塘冰面上,冰块里会形成一连串气泡,这是湖底有机质腐败释放的气体,主要成分是甲烷。它们随着湖水一边冻结一边聚集,在冰层里形成层层叠叠的气泡——凿冰释之可点燃。
 
加拿大班夫国家公园亚伯拉罕湖里的甲烷气泡 | 注意气泡的层叠现象。图源@VCG
 
凿冰点火很危险,请勿自行尝试 | 图源@gifbin.com
 
地下深处天然气藏内的气体渗透至地表时,一般被叫做天然气苗,可以在很多油气田周围找到。里海西岸的阿塞拜疆巴库地区是著名油田,地下丰富的天然气裹挟稀泥巴涌出地表,形成泥火山,遇火可点燃。这样的“无源之火”,也许是该地区在古代成为拜火教圣地之一的原因。
 
阿塞拜疆巴库地区的泥火山群景观 | 即将炸开的气泡里,充斥着可燃气体甲烷。图源@vcg
 
但巴库地区并没有形成可燃冰。自然界里,只有两种地方可以同时满足前述四种条件:数百米深的冻土带地下,或者一两千米左右的深湖/深海底部及泥沙深处。它们的温度和压力恰好使可燃冰能够稳定存在,于是也被称作水合物稳定带[2]。
 
海底和冻土中的“水合物稳定带”示意图 | 红色曲线表示压力,蓝色曲线表示温度。当二者相交时,重叠的区域就是“水合物稳定带”。它们位于特定的深度,具有一定的范围,同时会随着温度和压力的变化而改变范围。图源@grida.no
 
尽管水合物稳定带的分布范围较小,但可燃冰的形态却并不单调。随着可燃冰所在的具体位置不同,它可以呈现出截然不同的样貌[3-5]。有时可以单独存在,为质地纯粹的的块状、丘状,主要出现在海底,相对少见。
 
宏观状态的可燃冰 | 大量甲烷在开放空间里与水结合,可以形成大块的可燃冰,图为在墨西哥湾海底800多米处,由甲烷气泡溢出形成“可燃冰丘”。大量贻贝生活在可燃冰附近,它们的食物是依赖甲烷生存的化能自养微生物。图源@USGS/美国地质调查局
 
海底“可燃冰丘”上采集到的厚层纯净可燃冰 | 由日本明治大学团队在日本海Joetsu盆地的可燃冰丘里采集,总厚度超过五米。图源@明治大学天然气水合物研究所
 
有时则与泥沙混合在一起,呈现出团块状、网脉状的不规则外观。
 
印度洋海底采集的可燃冰 | 2006年印度国家天然气水合物计划一期项目采集的可燃冰样品,可燃冰存在于海底泥沙地层的裂缝里。图源@USGS/美国地质调查局
 
更多的时候,可燃冰以肉眼难以看到的状态,分散储存在泥沙颗粒之间的微小孔隙里。虽不起眼,但有着更大的储量,是目前人们勘探和试采的主要目标。
 
含可燃冰砂砾沉积物样品 | 产自加拿大Mallik冻土试采区的含可燃冰沉积物,深色砾石和砂粒周围的白色物质即为可燃冰,这是孔隙中的可燃冰透露出来的一点颜色。图源@USGS/美国地质调查局
 
总之,这是一种主要储存在“烂泥巴和稀沙子”里的有机碳能源,它的外观和分布位置具有特定的规律。
 
不同产出位置的可燃冰具有不同的赋存状态 | (A/B)海底泥质沉积物中的网脉和团块状(白色物质),(C/E)分散在砂层孔隙中(白色小点),(D)海底的可燃冰丘,被灰色泥沙覆盖,(F)砂砾沉积物中的天然气水合物(白色)。来源@文献[6]
 
从极地冻土到高原冻土,再到深海底部的广大天地间,可燃冰被人们寄以厚望。以目前的认识来看,洁白大块的可燃冰储量可能最少,泥质沉积(烂泥巴)里的分散可燃冰储量可能最大,但不易开采。相对容易开发的,是储存在冻土带地下砂层和海底砂层(稀沙子)孔隙中的分散可燃冰[2,6]。
 
世界可燃冰资源储量示意图 | 最具勘探开发潜力的可燃冰位于砂层里,但总储量相对较小;不易开采的泥层里可能拥有规模最大的可燃冰。海底暴露可燃冰的储量难以估算,因为人类对深海还知之甚少。数据源自文献[6]。制图@陈随/星球科学评论
 
但是,硬币的另一面则隐藏着可燃冰令人生畏的本领。
 
02
 
可燃冰有哪些危险的“本领”?

 
对于人类来说,可燃冰意味着丰富的天然气,是一种有潜在经济效益的化石能源。但对于自然界而言,可燃冰只是一种普通的物质,在碳循环的大链条上不断形成又不断分解,遵循自然规律自生自灭。
 
在自然界,水合物稳定带并非一成不变的特定区域。温度和压力条件的变化会轻易使稳定带的范围发生改变,造成可燃冰自发分解[7-11]。在地球动荡的历史里,大规模的环境变化比比皆是:气候变迁、冰川进退、地震火山、甚至小行星砸到海里这样的事情也经常发生。于是,我们可以找到许多可燃冰自然分解的记录。
 
可燃冰稳定带范围改变造成可燃冰分解的示意图 | 自从末次冰期结束以来,全球范围内发生大规模的冰盖消融、海水升温,使大量的古代可燃冰失稳分解。释放出来的甲烷气体规模巨大,可能加剧全球温度从冰河期进一步回升。图源@文献[10]
 
直觉上,人们会想出一串串气泡不断上浮,最终在海面破裂的画面,这也是关于“可燃冰导致变暖灾难”的最初印象。但能够到达海面并影响到大气的甲烷其实只有不到5%[7,12]。
 
释放出来的甲烷都去了哪里?答案正是布下了三条封锁线的厚重海水。
 
墨西哥海底一处甲烷泄露点的气泡和贻贝 | 深海贻贝常作为深海化能自养生态系统的一部分。图源@NOAA/美国国家海洋和大气管理局
 
(1)围剿甲烷的三道封锁线
 
海底的一些微生物构建起围剿甲烷的第一道封锁线。当可燃冰分解得缓慢而稳定时,特定微生物会利用甲烷作为生命活动的原料,像植物一样为更多的其他生物提供食物,在海底构建起冷泉(cold seep)生态系统——这是一种可以养活一群奇奇怪怪深海生物的化能自养生态系统[7,13]。
 
深海化能自养生态系统与浅海光合作用生态系统示意图 | 和光合作用一样,化能自养作用也是构建生态系统的基石,只不过这是一个“漆黑无光”的生态系统。图源@Maja Sojtaric/CAGE
 
第二道封锁线是深处的海水本身。由于水合物稳定带也包括一定深度的底层海水,所以可燃冰释放出来的部分甲烷可以在海底重新“冻结”——这便是在全球海底许多地点都存在的海底可燃冰丘(丘,mound)。大块、洁白、质地纯粹的可燃冰,便来自这些环境。
 
墨西哥湾的一处海底甲烷释放点 | 墨西哥湾地下富含油气,一部分天然气在海底发生泄漏,冻结成海底的可燃冰。图源@NOAA/美国国家海洋和大气管理局
 
第三道封锁线是溶解在海水里的氧气。绝大多数甲烷气泡大多不能顺利浮上海面,而是会溶解于海水,与水中氧气发生化学反应,转变为二氧化碳和水,最终消失在海水里。
 
就这样,三重封锁线,将海底可燃冰分解释放的绝大多数甲烷都“消灭殆尽”,真正能够浮出海面的甲烷气体少之又少。我们不需要特别担心海底可燃冰开发对大气和气候变暖产生的冲击。但是,消灭了甲烷的海水却会发生变化,而这才是真正值得忧虑的地方。
 
海底甲烷释放和两种消耗机制的示意图 | 绝大部分从海底释放的甲烷会被微生物或海水溶解氧给氧化掉。图源@文献[14]
 
此时,地质研究可以给我们提供一些线索。
 
(2)劣迹斑斑的古代可燃冰爆发
 
在距今1.83亿年前的侏罗纪早期,全球范围内发生过一次严重的大洋缺氧事件(OAE),造成许多海洋生物灭绝。尽管尚存争议,一些科学家认为可能与大规模的海底可燃冰分解有关[15-17]。
 
早侏罗世托阿尔期海洋缺氧事件示意图 | 该事件发生于距今1.83亿年前,造成大量海洋生物灭绝,其中可燃冰快速分解是可能的原因之一。图源@文献[17]
 
在距今约5500万~5600万年前,全球发生过一次非常剧烈的环境突变。在很短的时间里,大气快速升温、海洋出现局部缺氧、大西洋明显酸化等事件相继出现,也被许多科学家认为与海底可燃冰的突然释放有关。但究竟是可燃冰分解引起升温,还是升温引起可燃冰分解,现在仍存争论[18-20]。
 
古近纪“古新世-始新世极热事件”示意图 | 该事件发生于距今0.55-0.56亿年前的古近纪早期,大气和海洋温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。图源@文献[21]
 
在中国试采可燃冰的南海神狐海域,人们发现距今11300-8000年前的海底泥沙有些“缺钙”——碳酸钙的含量明显偏低,这是海水酸化留下的线索之一。在排除了一些其他因素后,它被解释为末次冰期后的升温过程里,可燃冰发生快速分解引起的底层海水酸化[8]。
 
除了改变海水的酸碱性和含氧量,剧烈的可燃冰分解也能改变海底地貌。
 
(3)地貌修改器
 
在挪威大陆和斯瓦尔巴德群岛之间的巴伦支海,科学家发现了令人“密恐”的景象:原本应该被泥沙覆盖得相对平坦的海底,像是爆了一脸青春痘一般,满是疤痕。
 
巴伦支海密集的海底麻坑 | 在巴伦支海的比约恩纳陆架槽边缘,海底有大量的麻坑,这种海底地貌的形成与可燃冰分解有关。图源@文献[9]
 
它们的深度可达10-40米,直径300-400米,更大坑洞的尺寸有600x1000m左右[9,22]。在坑洞周围,海底仍在释放甲烷气泡。密集的气泡在海水里连成一串,在仪器成像里可以看起来就像是千万根火炬。
 
麻坑周围释放的甲烷气泡 | 在巴伦支海海底麻坑周围,仍在排放甲烷气泡,可以通过特殊仪器进行可视化成像。图源@文献[9]
 
一万多年前的末次冰期,巴伦支海地区曾经被厚厚的冰层覆盖,冰层下形成可燃冰稳定带。随着冰盖消融,海底一边升温一边缓慢抬升,可燃冰稳定带的范围发生大幅度变化,原先的可燃冰失稳、分解、释放,大量气体聚集成海底的鼓包(pingo)。
 
鼓包内的气体可能有两种释放途径,要么缓缓释放、海底陷落成坑;要么喷薄而出、海底炸出大坑,变成海底的“密集痘疤”。类似的地貌在全球海洋里广泛存在,中国南海同样有许多类似大坑,例如西沙群岛西南部海域800-1200米深的海底分布有密集的坑洞群,最大的坑直径有3千米左右,深度超过160米[23-24]。根据它们的外观,人们起了一个形象的名字:麻坑。
 
麻坑成因示意图 | 麻坑的形成与可燃冰分解有关,会释放大量甲烷进入海洋,也会有一部分甲烷进入大气。图源@文献[9]
 
在陆地上,人们也在冻土地带发现过类似的现象。2014年,俄罗斯西北部Yamal半岛上,人们在地面上发现了一个大坑,周围有新近被翻出的泥土,甚是奇特。经过科学家的实地考察,发现这是因为地下气体压力过大,冲破土壤导致的一场气体爆发。
 
俄罗斯Yamal半岛2014年气爆坑爆发前后的航拍对比图 | 这种气爆坑的形成源于泥土里的高压气体爆发,可能与可燃冰分解有关,这个坑的直径约为25米。图源@文献[25]
 
类似的现象在北极圈附近的冻土地带并不罕见。2017年5月,一条河道中开始产生鼓包(下图2),到了7月便炸成以一个大坑(下图4),直径达到数十米,并在爆发以后持续释放甲烷气体[26]。
 
俄罗斯Yamal半岛2017年某个气爆坑爆发的航拍对比图 | 这个坑形成于一处河道底部的冻土带,爆发以后坑内蓄水成湖。图源@文献[26]
 
有一种解释认为,这些气爆坑的形成,与冻土地下可燃冰的分解和气体爆发有关[27]。在2014年产生的气爆坑位置,地下60米处可能存在一层可燃冰。或许正是这些可燃冰分解产生了许多无处释放的甲烷气体,它们在冻土里横冲直撞、上涌聚集,最终炸成大坑。
 
俄罗斯Yamal半岛2014年气爆坑的地球物理探测结果 | 图面中的数字表示电阻率值,该研究认为位于地下60米深处的含可燃冰地层引起了气爆。图源@文献[27]
 
高压气体上浮、破坏地层的能力究竟有多强?在挪威斯瓦尔巴德群岛北部的Hinlopen滑坡边缘,一个案例或许可以提供一些线索。人们在这里发现一处被高压天然气破坏、挖掘了将近200米厚的泥沙层。气体在泥沙地层中形成了“管道结构”,一路穿过可燃冰稳定区,至靠近海底的位置才储存起来。这样的机制可以在海底浅层制造不稳定层,具有引发滑坡的潜力[29]。
 
高压天然气穿过近200米厚的海底泥沙 | 上图为人工地震剖面,下图是原理示意。高压气体从可燃冰稳定带下的高压游离气聚集带上涌,破坏、挖掘、穿过蕴含可燃冰的泥沙后,聚集在浅近海底,留下“管状结构”,管道直径约20米。图源@文献[29]
 
但这只是可燃冰分解引起滑坡的一种机制,还有一种机制可能引起更大规模的海底滑坡,甚至引发海啸——那便是由于可燃冰分解引起的地层变形、强度减弱,并最终在坡度适当的地区滑落。
 
由可燃冰分解引发海底滑坡的示意图 | 当可燃冰稳定带底界因为种种原因上移时,会使海底的一层可燃冰分解,一方面释放气体进入海水,另一方面改变泥砂层的力学性质,引起大规模滑坡。图源@grida.no
 
挪威西北部海域的Storegga滑坡是目前已知规模最大的海底滑坡之一,一些科学家认为它与周期性大规模可燃冰分解有关[11,30-32]。最近一次滑坡发生于8200年前,在挪威、冰岛、英国北部等地引发过大规模的海啸灾害,重创了当时生活在北欧沿海地区的古人类聚落[33]。
 
Storegga海底滑坡及其形成的海啸 | Storegga滑坡的产生可能与可燃冰分解有关,这次滑坡引发了规模庞大的海啸,席卷多个国家。图源@文献[34]
 
总结下来,可燃冰分解释放出的甲烷,既可以在海底滋养生灵,也可以引起底层海水酸化和缺氧,引发海洋生物大量死亡甚至灭亡;而它们从地层里释放的方式,轻则可以引起排气鼓包或麻坑,重则破坏地层、引起海底变形或滑坡,严重的滑坡还能制造出滑坡海啸灾害。
 
可燃冰的这些“本领”,为人们开发利用可燃冰带来了不小的麻烦:人为开采是否会造成海底可燃冰的失稳,引起比自然分解速度更快、规模更大的“海底甲烷释放”?
 
这些担忧,恐怕并不是空穴来风。
 
03
 
未来商业开发的不确定性

 
尽管扮演着不安定的角色,但这并没有影响人们将可燃冰作为资源加以利用的冲动。对于可燃冰的研究大约始于上世纪60年代,那时的人们曾认为苏联西伯利亚的Messoyakha气田生产的天然气存在可燃冰分解释放的气体,但该结论尚存争议[35-36]。真正毫无争议的、直接从含可燃冰地层里进行试验性开采,仅有短短18年的历史。
 
人们首先开采的是北极圈内永久冻土带以下的可燃冰,这是2002年及2007年多国合作在加拿大西北部Mallik地区的试采项目,冻土厚度650米左右,含有可燃冰的砂层位于大约1000米深。首次试采海底泥沙中的可燃冰是2013年,位于日本爱知县附近海域,这里的水深约1000米,蕴含可燃冰的砂层位于海底以下300米[37-38]。
 
世界可燃冰开采试验位置分布图 | 迄今为止,确切进行过可燃冰开采试验的地点一共有五个,分别是位于加拿大北部的Mallik项目区(2007-2008年试采),美国阿拉斯加北坡的Hot Ice项目区(2012年试采),二者均为冻土可燃冰区块,且由多国团队合作试采;位于日本爱知县附近南海海槽的爱知海项目区是首次(2013年)和第二次(2017年)海底可燃冰试采位置,由日美合作完成;中国的可燃冰试采由中国团队独立完成。制图@陈随&巩向杰/星球科学评论
 
中国的可燃冰研究启动较晚,于2007年和2009年在南海神狐海域和青海祁连山木里冻土带分别钻遇可燃冰。2011年和2016年,研究人员首先在祁连山冻土区进行了两次陆上可燃冰试采[39-40],分别产气近5天和23天。2017年,中国在南海神狐海域进行了首次海上试采,稳定生产60天,产气30.9万立方米。2019年,中国在南海同一海域完成了第二次试采,试验了水平井在海底软泥沙中的钻探技术,实现稳定生产30天,产气86.14万立方米。
 
目前为止,中国是世界上累计试采可燃冰产气量最多的国家。但在成就的背后,我们也需要对风险和不确定性有清晰的认识。
 
2017年首次可燃冰试采的蓝鲸1号 | 图源@图虫创意
 
可燃冰商业化开采面临的主要问题,正如前文第二节所提,在于会改变泥沙的力学性质,降低泥沙的整体强度,容易引起海底不均匀变形、海底地层垮塌、高压气体喷出甚至滑坡等剧烈破坏现象[41-45]。
 
遗憾的是,人们对于这些风险的认识尚十分粗浅。现阶段的主要研究方法,是使用试采获得的数据进行实验模拟和计算机模拟。然而实验室条件难以代表深海的自然环境,计算机模型也会存在基于不同方法而产生的差异,它们有时甚至会出现完全迥异的结果。
 
例如,2013年日本试采后,一个日本研究团队的计算机模拟显示,6天的试采中,可燃冰发生分解的区域可能达到距离钻井25米的地区;如果继续生产至180天后,可燃冰分解范围可能会扩展至200米范围[43]。但在2017年中国试采后,一支中国研究团队的另一种计算机模拟显示,可燃冰的分解会局限在钻井周围区域,即使两年后也不会超过30米[46]。
 
日本“地球号”海洋钻探船 | 该船是日本进行海洋钻井的主力科考船,参加过多次全球大洋钻探项目。日本两次钻探海底可燃冰,使用的都是这条科考船。图源@JAMSTEC/日本国立海洋科技开发机构
 
类似这样的不确定还有很多,而仅有的几次试采结果,也并不足以打消人们的顾虑。2017年9月,中国首次南海试采结束的2个月后,科研人员来到试采海域展开环境监测。通过对比试采前、试采中和试采后的数据,认为仅在钻井过程中发生了预期内的少量甲烷释放。试采过程中和结束两个月后,未见甲烷泄露、未见海底缺氧,海底也没有发生海水浑浊度的变化,表明没有发生大规模的海底地质变化[47]。
 
中国南海首次可燃冰试采的主要环境监测数据 | 来源@文献[47]
 
这当然是一个好消息,但无论是中国的第一次试采还是日本的两次试采,均未公开海底是否发生变形的数据[48]。在刚刚结束不久的中国第二次海底试采中,人们使用了“未观测到甲烷泄露,未发生地质灾害”这样的字眼,这符合第一次试采后的检测结果,但同时也没有提及是否存在地层变形等方面的情况。
 
也许是没有发生,也许是变化太小没有探测到,但也不能排除这些变化尚未从几百米深处影响到海底。
 
这些变化所需的时间,也是未知数。以2017年俄罗斯Yamal半岛发生在河道里的气爆为例,从发现变形到最终爆发用了两个月,但气体在地下聚集发展了多久,人们则完全没有头绪。在斯瓦尔巴德岛北部的海底泥沙中,高压天然气聚集、破坏地层产生“管道结构”需要多长时间,现在也完全是未知数。
 
中国南海首次可燃冰试采时的火炬 | 图源@文献[47]
 
总之,在关于可燃冰开采引发海底变形的领域,还存在太多的空白,我们并不知道地层变形将如何累积、高压气体是否在地下聚集、何时会开始上涌破坏地层、何时会上升到海底浅层、何种条件会触发滑坡、风险会达到何种规模、滑坡是否会使附近的可燃冰失稳分解等细节。
 
根据一份计算机模拟研究,长期(长达4年以上的水平井开发)可燃冰开采会引起地层变形逐渐积累,并最终可能会发展成大规模海底变形甚至滑坡[49]。因此,一两口井持续一两个月的试采和数据测量,或许并不足以说明问题。
 
而矛盾的是,想要知道这些问题的答案,只能开展时间更长、规模更大的生产实践,甚至在真实的事故里来分析事故的原因。在当下的科学认识水平下,只要开采可燃冰,就意味着要承担很多未知风险;但也只有继续进行开采试验,才能更好地认识风险。这种不可调和的矛盾,会贯穿在整个可燃冰开采的实践里。
 
位于加拿大麦肯齐三角洲的Mallik可燃冰试采现场 | 这里位于北极圈内,极度严寒,阳光穿透大气中的冰晶后呈现出光柱。图源@USGS/美国地质调查局
 
当代海洋正处在表层海水快速酸化和缺氧的背景下[51-55],人为引发可燃冰分解和释放的前景不免令人担心。而且这些研究大多集中在海洋表层,并没有深入考虑海底可燃冰分解造成的深层海水酸化和缺氧问题。由于表层海水与深层海水的大规模交换作用(如温盐环流),最终的情况可能更糟。
 
驱动全球海水大规模交换的温盐环流 | 图源@grida.no
 
海水酸化会影响部分海洋生物碳酸钙外壳的合成,缺氧海水则容易引发大面积生物死亡,二者最终会影响到海洋食物链,并以此影响到人类社会。
 
海洋化学性质的变化如何影响海洋生物? | 许多浮游生物具有钙质外骨骼,酸化的海水不利于生物合成,会严重影响它们的生存,从而危及到整个海洋食物链。图中的生物是翼足类动物,它是一种具有碳酸钙贝壳的软体动物,幼体营浮游生活。研究人员将它的贝壳放在当前认识水平下,与2100年海水酸性和碳酸盐含量相当的水中,45天后贝壳就开始溶解。图源@NOAA/美国国家海洋和大气管理局
 
虽然短期内肯定不会引起大规模生物灭绝,但势必会逐渐改变现有海洋生物的生存格局,从而进一步影响到海洋养殖业和捕捞业,并以这种方式影响人们的餐桌——海洋为人类提供了18%的蛋白质来源,它们不光是各种生猛海鲜,还有以海洋生物作为饲料的家畜家禽。一旦海洋的生态出现问题,人类社会将会发生不小的动荡。
 
夕阳下的渔船 | 可燃冰开采对海洋环境的潜在冲击,会通过复杂的食物链最终影响到每一个人。图源@VCG
 
是的,人们需要关心可燃冰开采对于海洋环境的潜在冲击,这不仅因为对于可燃冰的各种认识仍然过于粗浅,而且暂时还没有很好的监测手段和可靠模型,更因为它也能影响到你我饭桌上的食物,影响到子孙后代的食物。
 
海鲜 | 对于普通人而言,关注可燃冰开采风险,最终会回归到食物安全问题。图源@VCG
 
可燃冰只是地球上存在了亿万年,并将继续存在亿万年的一种物质,是这颗星球生生不息的碳循环发动机中,一个并不起眼的小齿轮。它究竟是未来能源之星,还是将要影响人类社会的魔鬼,决定权其实在于人类。
 
在于人们选择怎样的开发策略,在于保持高度谨慎徐徐图之;在于充分做好风险研判和科研跟进,在于提高从业人员的风险认知水平。
 
也在于整个社会的你我他,能够认识到可燃冰这种物质的风险,和背后尚存的诸多未知。
 
| END |
 
策划撰稿 | 云舞空城
 
视觉设计 |陈随
 
地图设计 |巩向杰
 
图片编辑 | 谢禹涵
 
内容审校 | 张楠
 
封面来源 |图虫创意
 
【本文参考文献】可滑动查看
 
[1] Demirbas A. Methane hydrates as potential energy resource: Part 1–importance, resource and recovery facilities[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(7): 1547-1561.
 
[2] 邹才能, 陶士振, 侯连华, 等. 非常规油气地质学[M]. 北京: 地质出版社, 2014.
 
[3] 郭依群等,南海北部神狐海域高饱和度天然气水合物分布特征,地学前缘,2017,1. 24(4)
 
[4] Wei, J., Fang, Y., Lu, H., Lu, H., Lu, J., Liang, J., & Yang, S. (2018). Distribution and characteristics of natural gas hydrates in the Shenhu Sea Area, South China Sea. Marine and Petroleum Geology.
 
[5] 刘昌岭, 业渝光, 孟庆国, et al. 南海神狐海域天然气水合物样品的基本特征*[J]. 热带海洋学报, 2013, 31(5):1-5.
 
[6] Boswell R, Hancock S, Yamamoto K, et al. Natural Gas Hydrates: Status of Potential as an Energy Resource[M]//Future Energy. Elsevier, 2020: 111-131.
 
[7] 陈忠, 颜文, 陈木宏, et al. 海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展[J]. 地球科学进展, 2006, 21(4):394-400.
 
[8] 叶黎明, 初凤友, 葛倩, et al. 新仙女木末期南海北部天然气水合物分解事件[J]. 地球科学:中国地质大学学报, 2013, 038(006):1299-1308.
 
[9] Andreassen, K. (2017). Massive blowout craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor. Science, 356(6341), 948–953.
 
[10] Crémière A, Lepland A, Chand S, et al. Timescales of methane seepage on the Norwegian margin following collapse of the Scandinavian Ice Sheet[J]. Nature communications, 2016, 7: 11509.
 
[11] 鲁晓兵, 张旭辉, 王淑云. 天然气水合物开采相关的安全性研究进展[J]. 中国科学(物理学 力学 天文学), 049(003):3-33.
 
[12] 魏合龙, 孙治雷, 王利波, et al. 天然气水合物系统的环境效应[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2016, 036(001):1-13.
 
[13] Mazzini A, Svensen H, Hovland M, et al. Comparison and implications from strikingly different authigenic carbonates in a Nyegga complex pockmark, G11, Norwegian Sea[J]. Marine Geology, 2006, 231(1-4): 89-102.
 
[14] James R H, Bousquet P, Bussmann I, et al. Effects of climate change on methane emissions from seafloor sediments in the Arctic Ocean: A review[J]. Limnology and oceanography, 2016, 61(S1): S283-S299.
 
[15] Beerling D J, Lomas M R, Gröcke D R. On the nature of methane gas-hydrate dissociation during the Toarcian and Aptian oceanic anoxic events[J]. American Journal of Science, 2002, 302(1): 28-49.
 
[16] Hesselbo S P, Gröcke D R, Jenkyns H C, et al. Massive dissociation of gas hydrate during a Jurassic oceanic anoxic event[J]. Nature, 2000, 406(6794): 392-395.
 
[17] Them T R, Gill B C, Caruthers A H, et al. Thallium isotopes reveal protracted anoxia during the Toarcian (Early Jurassic) associated with volcanism, carbon burial, and mass extinction[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(26): 6596-6601.
 
[18] Leon‐Rodriguez, L., and G. R. Dickens (2010), Constraints on ocean acidification associated with rapid and massive carbon injections: The early Paleogene record at ocean drilling program site 1215, equatorial Pacific Ocean, Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 298( 3–4), 409– 420,
 
[19] Sluijs A, Brinkhuis H, Schouten S, et al. Environmental precursors to rapid light carbon injection at the Palaeocene/Eocene boundary[J]. Nature, 2007, 450(7173): 1218-1221.
 
[20] Pagani, M., K. Caldeira, D. Archer, and J. C. Zachos (2006), Atmosphere: An ancient carbon mystery, Science, 314( 5805), 1556– 1557.
 
[21] Svensen, H. Bubbles from the deep. Nature 483, 413–415 (2012). https://doi.org/10.1038/483413a
 
[22] Solheim, A., (1993). Gas-related sea floor craters in the Barents Sea. Geo Marine Letters, 13(4), 235–243.
 
[23] 罗敏. 南海西沙西南海底麻坑区生物地球化学过程、麻坑活动性以及麻坑形成时间研究[D]. 中国科学院研究生院(广州地球化学研究所), 2015.
 
[24] Sun Q, Wu S, Hovland M, et al. The morphologies and genesis of mega-pockmarks near the Xisha Uplift, South China Sea[J]. Marine and Petroleum Geology, 2011, 28(6): 1146-1156.
 
[25] Buldovicz S N, Khilimonyuk V Z, Bychkov A Y, et al. Cryovolcanism on the Earth: Origin of a spectacular crater in the Yamal peninsula (Russia)[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 1-6.
 
[26] Bogoyavlensky V I, Sizov O S, Mazharov A V, et al. Earth degassing in the Arctic: remote and field studies of the Seyakha catastrophic gas blowout on the Yamal Peninsula[J]. The Arctic: Ecology and Economy, 2019, 1(33): 88-105.
 
[27] Olenchenko V V, Sinitsky A I, Antonov E Y, et al. Results of geophysical surveys of the area of “Yamal crater”, the new geological structure[J]. Kriosfera Zemli, 2015, 19: 84-95.
 
[29] Elger J, Berndt C, Rüpke L, et al. Submarine slope failures due to pipe structure formation[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 1-6.
 
[30] Brown H E, Holbrook W S, Hornbach M J, et al. Slide structure and role of gas hydrate at the northern boundary of the Storegga Slide, offshore Norway[J]. Marine geology, 2006, 229(3-4): 179-186.
 
[31] Mienert J, Vanneste M, Bünz S, et al. Ocean warming and gas hydrate stability on the mid-Norwegian margin at the Storegga Slide[J]. Marine and Petroleum Geology, 2005, 22(1-2): 233-244.
 
[32] Solheim A, Berg K, Forsberg C F, et al. The Storegga Slide complex: repetitive large scale sliding with similar cause and development[J]. Marine and Petroleum Geology, 2005, 22(1-2): 97-107.
 
[33] Bondevik S, Mangerud J, Dawson S, et al. Record‐breaking height for 8000‐year‐old tsunami in the North Atlantic[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 2003, 84(31): 289-293.
 
[34] Weninger B, Schulting R, Bradtmöller M, et al. The catastrophic final flooding of Doggerland by the Storegga Slide tsunami[J]. documenta Praehistorica, 2008, 35: 1-24.
 
[35] Makogon Y F, Omelchenko R Y. Commercial gas production from Messoyakha deposit in hydrate conditions[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2013, 11: 1-6.
 
[36] Collett T S, Ginsburg G D. Gas hydrates in the Messoyakha gas field of the West Siberian Basin-a re-examination of the geologic evidence[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 1998, 8(01).
 
[37] Konno Y, Fujii T, Sato A, et al. Key findings of the world’s first offshore methane hydrate production test off the coast of Japan: Toward future commercial production[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(3): 2607-2616.
 
[38] Yamamoto K, Wang X X, Tamaki M, et al. The second offshore production of methane hydrate in the Nankai Trough and gas production behavior from a heterogeneous methane hydrate reservoir[J]. RSC advances, 2019, 9(45): 25987-26013.
 
[39] 祝有海, 张永勤, 文怀军, et al. 青海祁连山冻土区发现天然气水合物[J]. 地质学报, 2009(11):240-249.
 
[40] 王平康, 祝有海, 卢振权, et al. 青海祁连山冻土区天然气水合物研究进展综述[J]. 中国科学:物理学力学天文学, 2019(3).
 
[41] 张旭辉, 鲁晓兵, 王淑云, et al. 天然气水合物快速加热分解导致地层破坏的实验[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011(01):161-168.
 
[42] 李栋梁, 王哲, 吴起, et al. 天然气水合物储层力学特性研究进展[J]. 新能源进展, 2019, 7(01):42-51.
 
[43] Konno Y, Fujii T, Sato A, et al. Key findings of the world’s first offshore methane hydrate production test off the coast of Japan: Toward future commercial production[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(3): 2607-2616.
 
[44] 吴起, 卢静生, 李栋梁, et al. 降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究[J]. 岩土力学, 039(012):4508-4516.
 
[45] Wang Y, Feng J C, Li X S, et al. Methane hydrate decomposition and sediment deformation in unconfined sediment with different types of concentrated hydrate accumulations by innovative experimental system[J]. Applied energy, 2018, 226: 916-923.
 
[46] Chen L, Feng Y, Okajima J, et al. Production behavior and numerical analysis for 2017 methane hydrate extraction test of Shenhu, South China Sea[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018, 53: 55-66.
 
[47] Li J, Ye J, Qin X, et al. The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea[J]. China Geology, 2018, 1(1): 5-16.
 
[48] Maslin M, Owen M, Betts R, et al. Gas hydrates: Past and future geohazard?[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2010, 368(1919): 2369-2393.
 
[49] Song B, Cheng Y, Yan C, et al. Seafloor subsidence response and submarine slope stability evaluation in response to hydrate dissociation[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2019, 65: 197-211.
 
[50] 孙可明, 王婷婷, 翟诚, et al. 天然气水合物加热分解储层变形破坏规律研究[J]. 特种油气藏, 2017, 024(5):91-96.
 
[51] Bollmann M. World ocean review: living with the oceans[J]. 2010.
 
[52] Laffoley D, Baxter J M. Ocean Deoxygenation–Everyone’s Problem: Causes, Impacts, Consequences and Solutions[J]. 2018.
 
[53] IPCC, 2019: Summary for Policymakers. In: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, V. Masson-Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E. Poloczanska, K. Mintenbeck, M. Nicolai, A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N. Weyer (eds.)]. In press.
 
[54] Oschlies A, Brandt P, Stramma L, et al. Drivers and mechanisms of ocean deoxygenation[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(7): 467-473.
 
[55] Schmidtko S, Stramma L, Visbeck M. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades[J]. Nature, 2017, 542(7641): 335-339.
 
[56] 孙翔. 考虑水合物分解影响的沉积物力学行为数值模拟研究[D]. 大连理工大学, 2017.
 
[57] Wan Y, Wu N, Hu G, et al. Reservoir stability in the process of natural gas hydrate production by depressurization in the shenhu area of the south China sea[J]. Natural Gas Industry B, 2018, 5(6): 631-643.
 
[58] Yang X, Guo L, Zhou L, et al. Study of mechanism and theoretical model of seabed destruction caused by gas hydrate dissociation[J]. Marine Georesources & Geotechnology, 2019: 1-11.
 
[59] Sultan N, Cochonat P, Foucher J P, et al. Effect of gas hydrates dissociation on seafloor slope stability[M]//Submarine mass movements and their consequences. Springer, Dordrecht, 2003: 103-111.
 
 
更多>同类资讯
0相关评论

关于我们 | 网站声明 |
主办:广东省海洋与渔业技术推广总站    承办:《海洋与渔业》杂志社    技术支持:中聚网络
地址:广州市南沙区东涌镇大稳村广东海洋与水产高科技园(市南路东涌路段4号) 邮编:511453
粤ICP备19092787号-1

海洋与渔业官方微信