天然气水合物的环境效应

・综　述・

BulletinofMineralogy,PetrologyandGeochemistry

Vol.23No.2,2004Apr.

天然气水合物的环境效应

王淑红1,宋海斌2,颜　文1

1.中国科学院南海海洋研究所和广州地球化学研究所边缘海地质重点实验室,广州510301;

2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100101

摘　要:天然气水合物是近些年来发现的一种新型超级洁净能源,因其在能源勘探、海底灾害环境和全球气候变化研究中的重要性而日益引起世界各国的高度重视。本文综述了天然气水合物在形成、分解过程中的加剧全球气候变暖、海底灾害和影响海洋生物等环境效应;指出将地质历史时期的重大事件与天然气水合物产生的这些环境效应结合将成为今后的主要研究方向。

关　键　词:天然气水合物;环境效应;全球气候变化;海底地质灾害中图分类号:P618113　　　文献标识码:A　　　文章编号:100722802(2004)0220160206

　　随着社会经济的快速发展,全球资源日益减少,能源供需矛盾日趋紧张,环境和资源问题已成为21世纪的主要议题。近年来,天然气水合物成为开发新能源的焦点,各国都在争先研究和开发。

天然气水合物(NaturalGasHydrate,简称GasHydrate),又称笼形化合物(Clathrate)。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类冰、非化学计量、笼形结晶化合物。天然气水合物的主要成分为甲烷;甲烷含量大于99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物[1～9]。天然气水合物主要分布于极地永久冻土带、海洋坡、水下高地、边缘海和内陆海,尤其是与泥火山、底辟构造以及大型构造断裂有关的地质环境[10]。

天然气水合物的开发利用涉及两个方面的问题:从资源方面考虑,这一资源储量巨大,能够满足人类未来清洁能源的需求;从环境方面考虑,作为温室气体甲烷的最大载体,它的开发利用又可能是引发全球气候变化和海底地质灾害的重要因素。因此,必须有超前的防范措施,以防止其对环境造成的不良影响[4]。天然气水合物的环境效应已日益引起世界各国的高度重视[11～14]。

下面我们从全球气候变化、海底地质灾害和海洋生态三个方面分析天然气水合物的环境效应。(1)天然气水合物与全球气候变化:天然气水合

收稿日期:2003211206收到,2004201206改回

物存在于地壳浅层(小于2000m),储量巨大,当遇到环境变化时,温度的升降、压力的变化、海平面变化、沉积盆地的升降、上覆沉积物的增厚、构造活动、流体活动等都会影响天然气水合物层的稳定性,甚至导致天然气水合物层的破坏,释放出天然气,并最终进入大气圈[10]。

天然气水合物的主要成分是温室气体CH4[15]、CO2等,而目前进入平流层的温室气体中人为源(360×1012g/a)与自然源(150×1012g/a)相比占有

更大的通量[16,17]。20世纪60年代到1983年的测定表明,大气中的甲烷正以每年1%的速度增长[18～22]。冰芯中的气体分析表明,在最后一次冰期、间冰期的转换过程中,空气中的甲烷浓度变化接近两倍,即从350×10-9增加到650×10-9(体积浓度)[23～26]。存在于地壳浅层的天然气水合物含有巨大数量的甲烷(1015～1017m3atSTP)[27],至少是大气中甲烷总量的3000倍。据报道,1mol甲烷对全球气候变暖产生的影响是相同量二氧化碳的3.7倍,如以重量计则为10倍[28],且甲烷氧化产物CO2也是一种重要的温室气体,对全球环境有重大影响。甲烷水合物的分解可能产生气态甲烷并增加海水中溶解态甲烷的浓度,甲烷将从过饱和的海水进入大气。使大气中的甲烷浓度随甲烷水合物的分解而增加。因此,存在于地壳浅表层的天然气水合物稳定与否,对全球大气组分变化造成巨大的冲击,影响到

基金项目:中国科学院南海海洋所创新领域前沿项目(lyqy200312)资助,级科研院所社会公益研究专项资金项目(2001D1A50041)资助

),女,在读博士生,海洋环境地球化学专业1E2mail:wshhsbq@scsio1ac1cn1第一作者简介:王淑红(1977—

矿物岩石地球化学通报

161

全球气候变化的走势。

从地史看,全球气候变化与天然气水合物释放甲烷有关[29,30]。人们十分关心在全球气候变暖后,从天然气水合物中释放的额外的甲烷进入大气后产生的后果[31,34]。基于天然气水合物储集层的尺度和甲烷中同位素的组成,推断边缘浅地质储集层中的天然气水合物可以释放大量甲烷,进入海洋后可能会改变海洋中溶解碳的组成,或大气中甲烷浓度[35～37]。天然气水合物中释放的甲烷在古新世末增温事件(LPTM)中起了重要作用[38]。目前已在始新世末[39]、早白垩世[40]、晚侏罗世[41]、早侏罗世[42]等时段发现了天然气水合物大量分解,释放CH4导致全球升温的确切证据。已有人用甲烷水合物快速释放产生甲烷来解释早侏罗世沉积[42]、晚侏罗世沉积[41]及古新世海洋和碳酸盐成分

]13

中[36～43δC的负偏移现象。古新世晚期,强烈的

18

火山活动释放的CO2导致全球变暖,通过有孔虫δ

[44]

O值估计海洋温度大约增高7℃。相对于全球

美国、俄罗斯、加拿大等国学者已经报导了钻探过程

中产生的不可控制的气体释放、管道堵塞、油井喷发、火灾、灾难性的井位下陷、气体渗漏到海洋表层等灾害事件[52～56]。

天然气水合物的环境效应在海洋地质灾害中主要表现于两个方面:自然分解引起的地质灾害与钻井引起水合物分解造成的环境破坏。前者研究得较多[57～59]。目前较为一致的认识是,海平面升降、地震和海啸导致水合物分解;而水合物分解产生的滑塌、滑坡和浊流则可能进一步引发新的地震和海[60]

啸。天然气水合物的分解还可使海底沉积物的力学性质减弱,引发海底滑坡、塌陷,甚至海啸等自然灾害,对海底电缆、通讯光缆、钻井平台、采油设备等工程设施造成威胁或破坏,甚至波及沿岸的建筑物,危害航行安全和人民的生命财产[26]。

海底滑坡是一种常见的地质灾害[58]。天然气水合物形成与分解过程或其他的一些因素都会引起沉积物发生变化,影响沉积物的强度;而天然气水合物与其分解产物间存在着巨大的体积差异,因此当受到其他地质因子触发,发生大面积的天然气水合物层破坏,将导致灾害性事件。虽然天然气水合物会产生严重的地质灾害,但对实际问题的证明却是有限的。许多学者尝试把边缘一些大型滑坡与天然气水合物分解失稳联系起来[35,58,59,61,62]。末次冰期某些水合物分布区的巨大滑坡可能解释了为什么冰芯记录中突然出现几倍于当时大气中的甲烷含量。已知最大的海底滑坡是挪威边缘的Storrega滑坡。它留下290km长的谷头陡壁断崖,向下陆坡延伸逾800km,运移了5000km3的物质;其中首次滑塌可能释放了5×1012kg甲烷[63]。B.П.查寥夫指出,百慕大三角区域内发生的灾难都与天然气水合物有直接联系[]。

(3)天然气水合物与海洋生态:海洋生物大都需从海水中吸取氧气,以维持生命活动。但是,很多因素都会导致海水中氧气含量的减少,进而影响海洋生物的活动,甚至造成海洋生物灭绝。在诸多的影响因素中,天然气水合物的分解是导致冰期中止和生物灭绝的主要因素,而海洋缺氧是海洋生物灭绝的直接原因。

天然气水合物的分解引起全球气候变化,必将制约着动物、植物的生长演化。研究表明,海洋缺氧是导致海洋生物灭绝的直接原因。Kats[31]等认为海底沉积物中的天然气水合物分解释放出游离状的

气候的变暖,大量的海洋天然气水合物降解释放巨大数量的甲烷进入空气和海洋。由于甲烷中的13C被

13

耗尽,海洋δC值下降了2‰～3‰PDB[36]。E1G1Nisbet[45]将现今的全球变暖与13500a前最近的一个主要冰期结束时天然气水合物中甲烷的释放相联系,指出在全球温暖期,极地天然气水合物分解并释放出甲烷进入大气圈,导致全球环境进一步变暖。K1A1Kvenvolden测量出阿拉斯加冰盖下甲烷的浓度比大气中的平均浓度高6～28倍,他估计仅仅释放了天然气水合物中甲烷的1%[46],除了震动导致的地质的和大气的影响之外,也有板块碰撞后快速的全球大爆发的证据[47,48]。M1D1Max等[49]认为晚白垩世的甲烷气体在板块碰撞后可能突然从海底释放,至少部分的引起了全球大爆发并对海洋2空气系统的破坏产生了作用。

全球气候变化与天然气水合物释放甲烷的有关证据还有海平面的变化[50]。研究表明,深海沉积物的地球化学、冰芯和其它地质指示物证明过去气候的快速变化与大气中的温室气体浓度密切有关[39,51]。最后一次冰期的结束与天然气水合物储集层中释放的大量甲烷有关,或者说后者对最后一次冰期的结束作出了极大的贡献[45]。

(2)天然气水合物与海底地质灾害:人类正在不断认识天然气水合物资源,并拟在不久的将来进行开采,而由此产生的海底地质灾害也在不断增加。

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王淑红等/天然气水合物的环境效应

CH4气泡进入水体,并与海水中的溶解氧发生化学

反应,导致氧浓度降低。水体温度增高、溶解氧降低及其他一些变化,导致许多深海物种死亡或暂时消失。赵省民[60]认为,水合物分解引起的地质灾害也会导致海底生态环境恶化而殃及海洋生物。松本良认为,地史时期生物的大规模灭绝可能与此有关,这一观点已得到一些学者的赞同[65]。Matsumoto[66]

13

和G1Dickens等[36]根据海洋碳酸盐中δC强烈的负偏移指出,天然气水合物的大量分解已经引起了古新世末期全球变暖、海洋缺氧、生物灭绝。K1Kaiho等[67]认为,水合物释放的额外的甲烷一方面加速了全球变暖,另一方面消耗了海洋中的氧气

和硫,导致了海洋缺氧,使深海有孔虫减少了30%～50%。D1M1Raup和Jr1Sepkoski[68]指出,Frasni2an/Famennian边界事件是显生宙时期5个主要生物灭绝事件之一。这个边界记录了物种多样性的大量减少[69,70]。二叠纪/三叠纪(P/T)生物灭绝事件是显生宙一次最大的灾难。到目前为止,各国学者已经提出了很多种机制解释P/T边界事件,包括海洋缺氧[71]或深海CO2的产生[72]、温室效应[73]、火山作用[74]、天然气水合物中大尺度的甲烷释放及影响[75～78]。

综上所述,以图1所示归纳天然气水合物的整体环境效应。

图1　天然气水合物环境效应示意图[42]

Fig.1　Diagramshowingtheenvironmentaleffectsofnaturalgashydrate[42]

　　天然气水合物作为21世纪的重要能源地位已

受到广泛认可和关注,然而,作为一个重要的气候致变因子,其赋存状况及其行为规律对全球气候的影响仍不容忽视。如何将地质历史时期的重大事件与环境效应结合是我们面临的问题。参考文献(Reference):

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EnvironmentalEffectsofNaturalGasHydrate

WANGShu2hong1,SONGHai2bin2,YANWen1

1.KeyLaboratoryofMarginalSeaGeology,SouthChinaSeaInstituteofOceanology&Guangzhou

InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China;

2.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Abstract:Gashydrateisanewresourcediscoveredinrecentyears.Manycountriesarepayingattentiontoitbecauseitisimportantinenergysourcesexploration,submarinehazard,localenvironment,andglobalclimatechange.Thispapersummarizedenvironmentaleffectsofthegashydrateontheglobalwarming,submarinehazards,andorganismresponseduringitsformation,decompositionandexploitation.Itwillbethemainresearchfieldhowtocombinetheimportanteventshappenedingeologicalhistorywiththeseenvironmentaleffectsofgashydrate.

Keywords:gashydrate;environmenteffect;globalclimatechange;submarinegeologicalhazard