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天然气水合物与全球气候变化的关系

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天然气 水合物 全球 气候变化 关系
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第37卷第1012年10月 环境科学与管理 CⅢ01.37 0 00章编号:1674012)10然气水合物与全球气候变化的关系 孙关琴,王通其,付萍 (厦门地震勘测研究中心,福建厦门361025) 摘要:天然气水合物是一种广泛地存在于海底沉积物和陆地高纬度永久冻土带中的矿物,含碳量超过全球所 有其他来源有机碳的总和。然而天然气水合物在自然界极不稳定,温压条件的微小变化都会引起其分解而释 放出甲烷气体。一般情况下,释放出的甲烷大部分可能会被氧化成溶解在海水中,进入大气中的量不足 以对气候产生影响。只有在发生巨变事件的情况下,如海底犬规模的沉积物滑塌,才会将大量的甲烷带到海面 并释放到大气中,从而对全球气候和环境产生严重的影响。因此,在开发利用天然气水合物之前,必须有超前 的防范措施,以防止或尽可能减少天然气水合物对环境造成的不良影响。 关键词:天然气水合物;甲烷;全球气候;全球变化 中图分类号:献标识码:A u 61025,as a in a of is in a of of of be to he of is to as to in it is a of be up to to an on be to or US by 然气水合物(一种类似冰状结 晶矿物,其中烃类和非烃类气体通过氢键连接在水 分子的致密格架中。它通用的分子式可用M· (H O) 表示,其化学成分不稳定,式中的气体分子,即客体分子 j。气体成分以甲烷为 主,可含乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳和硫化氢,当 其中甲烷含量超过气体总量的99.9%时可称为甲 烷水合物。自80年代以来,科学家们已注意到水合 物是对全球气候变化十分敏感并有明显反馈作用的 收稿日期:2012—07—27 作者简介:孙美琴(1976一),女,博士,工程师,主要从事海洋沉积环 境研究工作。 通讯联系人:孙美琴 ·80· 一个重要环境因素。时至今日,天然气水合物与全 球气候变化关系的研究已成为全球变化研究中一个 活跃的前沿课题。 1 天然气水合物的稳定性 天然气水合物稳定带取决于温度、压力和气体 成分 ,因此水合物在陆地上分布于温度足够低的 高纬度永久冻土带,海洋中赋存于水深大于300 500 m、温度4℃一6℃和较高压力(>3 沉 积物中。水合物出现的深度取决于当地的地温梯 度,最低限约为海底以下2 000 。在此深度之 下,甲烷气体又变为稳定形式,水合物层并可成为下 面游离甲烷气的圈闭带 J。 万方数据第37卷第012年10月 孙美琴等·天然气水合物与全球气候变化的关系 7 0 0012 许多研究者对全球天然气水合物中的甲烷蕴藏 量进行了估算。由于基础资料和估算方法的不同, 以及目前对天然气水合物贮存条件和规律认识的局 限性,估算数字相差几个数量级。基于所有的估计 值,000)提出了一个中间值为21× 10 1蕴藏量,在标准状态下相当于11 000 烷碳 。大多数人也公认这个估计值是比较合 理的,即储存在天然气水合物中的有机碳约是当前 已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)总 含碳量的2倍。除了呈无机或有机状态分散于沉积 物或岩石中的碳外,它超过全球所有其他来源的有 机碳的总和。 综上所述,可得出以下结论:一,水合物一般形 成于接近甲烷水合物/甲烷/水相边界的条件下,这 就意味着水合物对温度的影响是非常敏感的。二, 水合物分解释放出甲烷气会导致陆坡大规模的沉积 物滑塌。三,水合物中含有大量的甲烷,一旦发生大 规模分解,将在很大程度上会对环境带来严重的 后果 2天然气水合物分解与海底滑坡 由于水合物形成于接近甲烷/水相边界条件下, 所以温度和压力的微小变化都可能导致水合物的分 解和灾害性的后果。例如,海平面降低或底水温度 升高就会导致水合物的分解,并在其稳定带的基底 产生一个流体层,从而导致海底斜坡带的滑塌 。 天然气水合物引发海底滑坡最著名的例子是挪威海 岸的也是世界上最大的海底滑 坡体之一,其范围从挪威西海岸一直延伸至冰岛南 部。据研究,它由三个时期的主要滑 坡构成,第一次发生在30 0 移了3 900 沉积物,第二、三次发生在约6 了1 700 积物。究后认为,至 少所触发的。另外,在地中海西部盆发现了一个巨大的浊积体,据年代测定为22 时间对应于末次冰期海平面最低时 期,表明此浊积体是海平面降低导致水合物不稳定 而分解的结果 J。美国大西洋大陆斜 坡上的,他们发现大部分的岩芯缺少14 5 序列,并认为这与末次冰期期问因天然气水合物 分解而引发的多次坍塌事件相关。对非洲沿岸、加 利福尼亚北部沿岸、南美亚马逊河冲积扇、新西兰、 日本海南部和地中海东部等地滑坡体的研究也都表 明,天然气水合物的分解是引发海底滑坡的原因之 一。这些事件的发生导致向大气释放了大量的甲 烷,对气候产生了深远的影响。 3 天然气水合物与全球变化 3.1 天然气水合物是大气中甲烷的一种来源 当温度升高或压力降低时会造成天然气水合 物分解释放体,标准条件下1 合物可 释放出164 m 体。甲烷是一种重要的温室 气体,在大气中含量仅次于其温室效应潜力 是同等重量20倍;同时它还是温室气体 水蒸气的潜在来源。天然气水合物中所含 大气中所含6.9×10 m。)的3 000倍, 一旦失稳分解将对全球气候和海洋环境及生态产 生巨大影响 。虽然目前大气中甲烷的体积浓度 仅为度的5%e,但对温室效应的贡献却占 15%。从工业革命前到现在,大气中浓度 提高了25%(由体积含量280×10 到350× 10 ),而甲烷浓度则翻了一番(由0.8×10 到 1.7×10 ),平均年增长率为0.9%。这说明甲烷 浓度提高得更快,因此它对温室效应的相对贡献 今后可能还会增大。 现在越来越多的证据表明,水合物在地史中某 些重要时期是大气中甲烷的主要来源,如侏罗系 (183 “J,白垩 纪(120 j,最近晚 古新世增温事件(55.5 H 和第四纪 四个间冰期 。在早期氧事件中释放到大气中的甲烷量估计约为1 500 700 ,在t J,第四 纪的每一个间冰期水合物释放的超过了1 999) 引估算目前大气中约4%的 可能是由于受白垩纪/第三纪事件的影响,是 布莱克海台地区的水合物中放到大气中造 成的。 据000)研究¨ ,底水温度2℃~ 3.5~足以造成沉积 .81· 万方数据第37卷第10期 2012年1美琴等·天然气水合物与全球气候变化的关系 7 O 0012 物滑塌,导致水合物分解释放大量的水体和 大气中。但是998)末3 出仅仅 这样多的甲烷碳突然释放不会引起冰川的消失,还 需相应伴随海洋循环系统的变化和大气中 度的增加才行。 3.2地史上大气中甲烷的浓度 通过分析冰芯中俘获的甲烷浓度,可以研究地 史上大气中甲烷浓度的古变化。资料表明,在过去 的110 件是同步的 。根据新仙女木冰期末(1.6 候突变的研究,进一步证实了气 候变暖和大气中甲烷浓度的明显增加相一致 。 起初认为,气候开始变暖后的前3烷的增加 是由于湿地中甲烷的释放造成的,但是,高的甲烷浓度与刚开始 变暖时相对应,然后缓慢上升到高峰区后其浓度才 急剧下降 。因此可以断定,最初高的甲烷浓度是 由于陆坡大量沉积物滑塌,造成甲烷脉冲式地释放 到大气中,从而导致大气温度的急剧上升,它可能会 持续不到十年的时间,但是这个温度的上升使得湿 地变暖,由此导致湿地中二次向大气释放。 由此可见,大气变暖是由两个过程引起的。 另一方面,极地冰芯也显示大气中甲烷浓度大 幅度变化与第四纪千年、十年尺度气候周期旋回有 关,间冰期和间冰段最初的几十年气温急剧变暖与 大气中甲烷浓度快速增长相一致¨ 。先前的一个 假说中,认为甲烷量的增加与热带湿地降水增多,导 致甲烷生成作用加强有关 ,但是在海平面较低的 时期里,湿地不太可能形成足够多的甲烷以解释大 气甲烷的快速增长率。这说明,大气中甲烷浓度的 快速增长,最可能是由于水合物的大规模分解而脉 冲式地向大气释放了甲烷。 3.3天然气水合物对全球气候变化的反馈 许多作者讨论了天然气水合物对全球气候变化 的反馈,这种反馈在极地和中低纬度地带不 同 。在间冰期,全球变暖,极地冰川和冰盖融 化,极地冻土带地层中的天然气水合物由于温度升 高和压力降低而不稳定,分解释放人大气 圈,产生温室效应,对全球变暖产生正反馈。同时, 在中低纬度带的陆缘海,一方面海水温度上升促进 ·82· 了水合物的不稳定性,另一方面由于海平面上升,海 底静水压力增大,又使天然气水合物的稳定性增高。 由于海水的热容量大,底层海水的升温不会有明显 变化,静水压力的影响可能占主导地位,故总的效应 可能是使天然气水合物的稳定性增高,对全球变暖 产生负反馈。 在冰期,上述过程则反向进行。极地冻土带内 的天然气水合物变得更加稳定;在中低纬度带的陆 缘海,海平面的下降导致作用在天然气水合物上的 静水压力减小,从而使天然气水合物变得不稳定,释 放出大量的人大气圈,使全球气候变暖,触 发了冰川消融。所以,在冰期,一方面全球气候寒 冷,另一方面,海洋区天然气水合物中甲烷的排放使 气候变暖。总体来说,极地的天然气水合物对全球 气候变化有正反馈,而中低纬度陆缘海的天然气水 合物对全球气候变化可能有负反馈;但目前对这两 种相反作用的影响还缺乏定量的估计。为,现代全球变暖过程中,极地天然气水 合物的正反馈起着主导作用。另外2001)[261已经用模型演示了在当今的条件下(海 底温度为310 年内海底温度有一个4~,将不会对全球气候有很大的影响。 3.4水合物向大气释放甲烷的潜能 现在关键的问题是:释放到海水中的甲烷究 竟有多少进入到了大气中。以前的研究大多忽略 了海底天然气水合物分解释放的强烈氧化 作用和其在海水中的溶解度。观测与研究表明, 天然气水合物分解释放人大气圈主要与 海水中的溶解度、氧化作用、上升流等因素 有关。在海底到达水面的过程中,氧化作 用和海水对溶解作用都会使其减少;而上 升流的活动则有助于其释放出的人大气 圈。995)近测定了较高的甲烷浓度。然而由于微生物的 氧化作用,在水深300 水中的甲 烷浓度减少了98%,因此降低了甲烷输向大气流 量的50倍 j。地 质时期里,水体中水合物会慢慢的排泄通过 微生物和化学过程被氧化成只有极少量的 入到大气中。 甲烷在海水中发生快速氧化的观点是方数据第37卷第1012年美琴等·天然气水合物与全球气候变化的关系 7 O 0012 等 提出来的。由于微生物的氧化作 用而在水深900 体的甲烷氧化速 率是4.8~16.1×10 /天,相当于甲烷在海洋中的 残留时间是2~8个月。999) 指出,在 相反地,在开阔的海洋中,甲烷的残留时间具有非常 大的时间范围,如在北大西洋是几年到几百年 。 在稳定状态条件下,释放到水体中的大部分 由于水合物的分解形成的,在到达海面之前 就会被氧化。但是巨变事件,如大规模的沉积物滑 塌,会引起相当大范围的水体扰动。在这种情况下, 较高比例的可能会带到海面并且释放到大 气中。最近在到很多体积达1 水合物样品漂浮在海面 上 ,就有力地支持了这一观点,说明大气 呈瞬间脉冲式释放,这类事件会对全球气候变化产 生重要的影响。 虽然目前还没有充足的证据判断,地质历史上 释放到大气中的甲烷数量究竟有多少,但学术界对 于地史上某些特定时期、特定事件(如海平面的降 低和全球变暖等)导致的天然气水合物大规模分 解,从而释放出气候变暖的认识是一致的。 这种过程要么中和了全球气候变冷的程度,使气候 的波动趋于稳定,例如大约15 000 烷气体释放,使地球的上一个冰期在很短的时间 内突然结束 ;要么这种天然气水合物的分解加剧 了气候变暖的趋势,使气候变得更不稳定,可能造成 全球气温急剧性地上升。 4 结语 天然气水合物是一种具有巨大潜力的新型能 源,同时也是气候变化的一个重要因素和一种潜在 的地质灾害,但是它不可能作为全球气候变化的一 个主要因素。因为水合物分解出的甲烷大部分可能 会被氧化成溶解在海水中,进入大气中的量 不足以对气候产生明显影响,只有在发生巨变事件 的情况下,如大规模的沉积物滑塌,引起相当大范围 的水体扰动,才可将大量的甲烷带到海面并释放到 大气中,从而对全球气候和环境产生严重的影响。 因此,在开发利用天然气水合物之前,必须有超前的 防范措施,以防止或尽可能减少天然气水合物对环 境造成的不良影响。近年来,天然气水合物与全球 变化关系的研究日益受到重视。但这些研究主要停 留在定性层次上,如何定量地准确评价天然气水合 物与全球变化的关系,仍然是有待进一步解决的问 题。以下工作将成为今后这方面研究的重点:(1) 准确评价全球气候变化对天然气水合物分解的影 响;(2)模拟从天然气水合物中释放出的甲烷气体 对气候的影响;(3)定量评估地质历史上从天然气 水合物中释放到大气中的甲烷量;(4)依据现代和 地史上蕴藏的天然气水合物数据,建立其与全球气 候变化关系模型。 参考文献: [1] D.]. 998. 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