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可燃冰,未来能源之星还是灭世恶魔?(一)

发布时间:2020年04月14日
来源:星球科学评论公众号(2020-04-14)

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。

[责任编辑:dc]

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