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科学、探索、好奇
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01
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
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
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
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
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
02
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]
注:末次冰期是于第四纪的更新世内发生的最近一次冰河时期。末次冰期约于11万年前开始,于前9600-9700年完结。于这段期间,曾出现几次冰川的前进及消退,最盛期发生于约1.8万年前。一般而言,全球冷却及冰川前进的模式相似,但也有局部的分野,这使得很难以大洲来比较。末次冰期有时又会被称为"末冰河时期",不过这并不正确,因为冰河时期应指大部份地球被大冰原覆盖的一段较长时期。另一方面,冰期是指冰河时期内间冰期之间较寒冷的时期。故此,末次冰期的终末并非末冰河时期的终末。末次冰期约于1.25万年前完结,而末冰河时期并未到来,只有很少证据指向几百万年前的冰期-间冰期循环已完结。
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
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]
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]。
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]
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。
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]
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]
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、压裂了将近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
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
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。
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
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]
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。
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。
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。
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
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背景简介:文章2020年4月14日发表于微信公众号 星球科学评论 (可燃冰,未来能源之星还是灭世恶魔?),风云之声获授权转载。 责任编辑:杨娜
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