冻土退化对我国冻土带天然气水合物的影响

收藏

编号:20161015115335153    类型:共享资源    大小:1.47MB    格式:PDF    上传时间:2016-10-15
  
1
下载币
关 键 词:
冻土 退化 我国 天然气 水合物 影响
资源描述:

U, E, 100083 of in a of of of to in a H4 be in of we to to s 土退化对我国冻土带天然气水合物的影响 庞守吉,苏新,何浩,赵倩,娄汉林  中国地质大学(北京)海洋学院,北京,中国,100083 摘   要: 分布于多年冻土区的天然气水合物的形成与多年冻土热状态、多年冻土厚度有着密切的关系。因为全球气候转暖、降水、地下径流作用、冻土自身的性质、植被、沼泽的覆盖及人类活动的影响等因素,我国的多年冻土正遭受不同程度的退化。一旦多年冻土发生退化,多年冻土底板变浅,多年冻土减薄,温度升高可能导致天然气水合物分解,从而导致大量 产生的温室效应对全球而言将是不可估量的。所以,我们在憧憬着对这种新能源开发利用的同时,也需要辨证的想办法来避免其可能带来的灾难。 关键词:天然气水合物;冻土;退化;稳定性 1 引言 天然气水合物( 在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物,俗称“可燃冰”,因其中的气体成分主要为甲烷,故又称甲烷水合物( 天然气水合物能量密度高,在理想状况下, 1 64 .8 而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富,天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中,估计全球天然气水合物中的碳储量为 2×1016 当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上[1,2]。  分布于多年冻土区的天然气水合物的形成与多年冻土热状态、多年冻土厚度有着密切的关系。目前在多年冻土区已经发现有大量的天然气水合物,如加拿大马更些三角洲、美国阿拉斯加北坡、俄罗斯西伯利亚及我国祁连山冻土区[3  但随着全球变暖趋势的加重,导致北极地区永冻土融化,可能使埋藏地下的 而大大加快全球变暖进程。一旦地下 导致的温室效应相当于同等重量 0倍[7]。而如今大面积的冻土退化[8其带来的可能影响不得不引起我们的重视。 2 我国多年冻土带及水合物分布情况  我国是世界上第三冻土大国,多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭,处于欧亚大陆多年冻土南缘,平面分布随纬度呈带状分布,即越往纬度高的地方冻土面积越大,厚度越厚;高海拔多年冻土主要分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马地调项目:中国地质调查局“青藏高原冻土带天然气水合物调查评价”项目(编号:1212010818055 )资助。 1308of 011 3011)978 2011 拉雅山,以及东部某些山地,如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等,高海拔多年冻土形成与存在,受当地海拔高度的控制[12]。其中,在青藏高原和大兴安岭地区的多年冻土面积达 06 国土总面积的 13]。前人研究成果已经显示,青藏高原冻土区具备较好的天然气水合物形成条件,并有可能形成天然气水合物[14 陈多福等[19]认为,青藏高原多年冻土区具备天然气水合物形成条件,且可能具有丰富的蕴藏量,014有海等[16]依据祁连山木里地区的实测气体组分,结合年平均地温、地温梯度和冻土层厚度等资料,计算了祁连山冻土区天然气水合物形成的热力学条件,结果表明祁连山木里地区也基本具备天然气水合物的形成条件。 2008 至 2009 年间,中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区施工“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”,在祁连山冻土区成功钻获天然气水合物实物样品,笔者也有幸参加了次此项目。这是我国冻土区首次发现天然气水合物,同时也是世界中低纬度高山冻土区首次发现天然气水合物,具有重要的科学意义和经济意义[6]。祁连山冻土区发现的天然气水合物,其晶体呈白色或乳白色,混有泥浆时为烟灰色,点火能直接燃烧(图 1),燃烧时间长短不一,最长可持续到 1 上。 同时,赵省民等[20]在我国漠河地区通过钻探发现,漠河盆地西部具有利于天然气水合物形成的多年冻土和地温梯度及充足气源,而且具有烃类气体持续供给的运移系统,同时具有水合物成藏所需的圈闭及其中的储层和封盖条件。显示出该区域天然气水合物形成的良好条件及巨大成藏潜力。 3 我国多年冻土退化状况  多年冻土的本质是地层中的水分冻结对岩土性状的一种改变,是一个状态变量。所以狭义上的多年冻土退化是一个与冻结状态对应的概念,即指多年冻结层的消融和消失,是“质变”过程;同时,多年冻土是地面热量支出大于收入长期积累的结果,多年冻土状态与外界气温存在一个动态平衡关系,如果不考虑多年冻土对气温响应的滞后,理论上只要气候变暖,出现不利于多年冻土保存的情况,从广义上讲其就处于退化状态,是“量变向质变”的发展过程。 根据赵云云等[21]的研究,多年冻土退化的原因主 . of a. b. of  1. 祁连山冻土区天然气水合物实物样品及其点火燃烧现象  要包括以下几个方面:( 1)全球气候转暖。温度上升趋势与冻土退化幅度相呼应;(2 )降水因素。在雨季的间歇期,处于高温阶段,蒸发量很大,土壤容易干旱。因此,在降水期内,大气降水和地表水给予地下水充足的水量补给,同时也伴随着水热交换,从而引起冻结层上界慢慢消融、退化。( 3)地下径流作用。地下水对多年冻土层起加温作用,导致高原多年冻土在平面上分布的连续性变差和厚度减薄,并对多年冻土的形成和演化有极大的影响。(4 )冻土自身的性质。岩土成分和性质主要是通过其热物理性质和含水量来影响冻土的发育。坚硬岩石的导热系数一般大于第四纪松散层的导热系数。所以,在其他条件等同情况下,坚硬岩石中冻土层厚度是松散层中的 。在岛状冻土区,岩性和含水量对冻土岛的生存起决定作用,土颗粒越细表面能越大,其持水能力越强,一般细颗粒地层要比粗颗粒结构的地层含水量大。在相同的气候条件下,潮湿的细粒土在冬季散失的热量大,融化时所消耗的热量就会更大。冻土的导热系数大于融土的导热系数,冻土的热融量小于融土的热融量,冻结速度要比融化速度和深度大。因此,潮湿细粒土的季节融化或冻结速度要比粗粒小。(5 )植被、沼泽的覆盖。植被处于大气和岩石圈之间,参与它们之间的热of 011 3011)978 2011 量交换, 热量条件的变化必然要影响多年冻土;沼泽化草甸土壤通气不良、温度较低、微生物活动较弱等,有利于多年冻土的保温。因此,植被、沼泽能够减小进入土层的热量,起到降温作用。(6 ))人类活动的影响。随着经济能源的开发、公路和铁路的修建、草场资源的不合理利用等,对冻土退化有促进作用。因此,人类活动的影响已成为多年冻土退化不可忽视的因素。 藏高原冻土退化情况 近 20 年来青藏高原冻土分布的表现是,多年冻土在不断萎缩、季节冻土不断增加[22]。冻土相对面积减少 约  应的季节冻土面积增加 于季节冻土面积增大、多年冻土萎缩、冻土下界上升、冻土温度上升、季节冻结时间缩短、冻土深度变浅等一系列的退化问题,使冻土控制植被成为适应寒旱生境的年轻植物区系、冻土中的大厚度区域性隔水层及其活动层对水资源的调节作用等特殊生态环境功能减弱,影响工程建筑稳定性的冻胀、融沉地质功能增强,从而加速了高寒草场的退化和地表水资源的减少,引发出更多的冻土区工程地质问题[23]。而青藏高原连续多年冻土区内某些融区的出现,特别是深埋藏多年冻土层的发现[24],说明这种情况不是偶然的。地面温度的突变升温可能来自地面状况的改变,如植被的破坏、动水被覆盖等,青藏公路沥青路面铺设以后下覆多年冻土的变化是可以检测到的最好证明[25,26];也可能来自气温的突变,如在十几米深度处发现古冻土上限[27]。 国东北部地区冻土退化情况 据何瑞霞等[10]的介绍,目前,东北北部多年冻土呈区域性退化状态,它是全新世小冰期以来冻土退化的继续和加强,冻土退化主要表现在以下几个方面:(1 )冻土南界北移,总面积减小。根据 1991间年平均地温的平均值及其与多年冻土南界的统计及半经验关系,东北冻土南界已显著北移,幅度可达50、小兴安岭多年冻土面积由 20 世纪 70年代的 105 105 面积减少了约 35%[27]。(2 )活动层加深、局地冻土岛消失。小兴安岭某林业局曾做过调查,20 世纪 50年代,该区管辖范围内冻土岛占全区面积的 80 年代冻土岛几乎消失[13]。大兴安岭地区 1986动层厚度逐年增加,观测区阴坡下部融深增加 25 坡下部融深增加 85 地下伏冻土融深增加 66 层土壤年平均温度由 增至 [28]。( 3)冻土温度升高、厚度减薄、稳定性降低。人为活动频繁的地段对冻土环境的破坏极为严重,导致局部地段冻土地温升高相当明显,退化强度加大。与 100 a 前相比,在东北地区现代多年冻土区内,融区范围在扩大。季节融化层底面平均温度在近 10 a 来增高了 1 ℃以上。在季节冻土区,近 40 7%的测站季节冻结层的平均温度在上升,升幅可达 [29]。冻土退化也导致冻土的热稳定类型变化,融区扩展和一些对气候变暖敏感的冰缘作用如热喀斯特作用和热融滑塌的增强。 由此可见,气温并非是影响多年冻土的唯一因素,就某一局地来说,除气温因素之外,地形、地面状况、地层性质、雪盖等都显著影响多年冻土存续和状态[12],有时局地因素甚至在小的时间尺度和空间尺度内对多年冻土的影响占主导作用[30],这决定了多年冻土分布的复杂性,同时也导致多年冻土在退化过程中非同步和同幅,使问题复杂化。然而相比多年冻土变化的时间尺度,人类监测其变化的时间几乎是其中的一瞬,多年冻土的历史分布变化可以从某些冰缘构造(如冰楔假形、砂楔、古冻胀丘遗迹、地层中的冻融挠曲等)中判读[31],而其退化的过程和方式则很少留有可资参考的证据。 4 冻土带天然气水合物受冻土退化的影响 对于多年冻土区天然气水合物的形成,最重要的因素是地热梯度、气体组分、孔隙流体盐度、孔隙压力等,其中地热梯度和气体组分最为重要。这两个因素决定了多年冻土区天然气水合物形成的温压条件和储藏量[32]。地热梯度越小,那么天然气水合物可以在更大深度的地质环境条件下形成;气体组分决定了天然气水合物的相平衡状态,比如甲烷水合物形成时的温压条件要比丙烷水合物形成条件苛刻得多[33]。多年冻土区天然气水合物的形成需要充足的烃类气源、地下水、适合的温度和压力 4 个基本条件。烃类气源和地下水也许与多年冻土无关;但温度和压力条件与多年冻土有密切的关系,受到了多年冻土热状态、多年冻土厚度以及多年冻土层下地热梯度等的控制和影响[32,34]。 图 2 给出了多年冻土区天然气水合物稳定带的示意图。由图可知,多年冻土地温梯度与多年冻土层下地热梯度与气水合物的相平衡边界共同构成了天然气1310of 011 3011)978 2011 水合物的稳定带,灰色区域内为天然气水合物的稳定带,理论上天然气水合物均可以在这一区域内形成。多年冻土地温梯度越小,多年冻土厚度越大,温度和压力条件就越有利于形成天然气水合物,其稳定带厚度也越大。由于多年冻土底板处温度为 0 ℃,所以多年冻土底板深度越大,多年冻土层下天然水合物稳定带的下界深度越大。一旦多年冻土发生退化,多年冻土底板变浅,多年冻土减薄,温度升高可能导致气水合物分解。 . of 5]图 2. 多年冻土与天然气水合物关系示意图[35]而面临当前冻土退化的现状,我们不能不深思。据预测, 未来 50 年青藏高原气温可能上升 ,按年增温 的情形, 50 年后的冻土面积比现在要缩小约 100 年后减少约 9]。这将直接影响水合物分布的热力学稳定性,很可能导致水合物层发生分解,水合物顶界上升,水合物稳定区及厚度逐渐缩小[36]。  虽然 [37]采用数值方法,通过模拟地表在经历冰期、间冰期以及未来气候变化条件下的地温剖面,来揭示陆地天然气水合物的发育过程和形成历史。结果表明,在深厚多年冻土地区,薄层天然气水合物在整个间冰期一直存在,在当前的间冰期自然结束以前,未来的气候变暖不会显著改变天然气水合物的稳定状态。但冻土的退化及气温的上升已是事实,由于多年冻土是一种对气候和人类活动极为敏感的不稳定地质体,气候转暖导致北半球多年冻土退化[7]。研究结果显示,过去几十年来阿拉斯加北坡多年冻土温度升高了 2[38,39],马更些三角洲北部多年冻土20m 深处温度升高了 1 ℃[40],西伯利亚盆地多年冻土温度发生了显著的升温[41],青藏高原多年冻土温度普遍升高[42,43]。多年冻土退化必然造成甲烷气水合物分解并释放 ,对全球气候转暖产生重要影响。 4]认为水合物的形成与分解对全球气候变化具有调节作用。有证据显示始新世末、早白垩世、晚侏罗世、早侏罗世等时段大量甲烷气水合物分解并释放 5 ]指出极地多年冻土区甲烷水合物对气候转暖更为敏感,阿拉斯加冰盖下部,如果仅释放 1%,将对全球气候产生重大影响。 5 结论 目前,在加拿大马更些三角洲、美国阿拉斯加北坡、俄罗斯西伯利亚及我国祁连山冻土区都已经发现有大量的天然气水合物,冻土区天然气水合物的形成与多年冻土热状态、多年冻土厚度有着密切的关系。而由于全球气候转暖、降水、地下径流作用、冻土自身的性质、植被、沼泽的覆盖及人类活动的影响等一系列因素,多年冻土正处于退化过程中。一旦多年冻土发生退化,多年冻土底板变浅,多年冻土减薄,温度升高可能导致天然气水合物分解,从而导致大量产生的温室效应对全球而言将是不可估量的。虽然对冻土退化的过程和方式现在还不甚了解,但如何减缓冻土层的退化、合理开发利用冻土区天然气水合物以及避免天然气水合物的分解给全球气候带来灾难性变化将是以后研究的主题。 考文献)  [1] K A of on C] // 1999, 96: 3420[2] Y F S A T Y 1J]. 2007, 56: 14[3] T S C].  D J M C]. of 1993, 715: 247[4] T S S R C].  D C]. 2000, 43[5] S R  T S   C].  R T T S  C].  1999, 544: 31[6] et in il   2009, 83(11): 17621311of 011 3011)978 2011 祝有海,张永勤,文怀军,等 . 青海祁连山冻土区发现天然气水合物[J]. 地质学报,2009,83(11):1762[7] K A J]. 1993, 31: 173. [8]  P,  G,  J, et C] J T G J J J ∥C]. 1990: 41[9] i, of of in 0 00 J]. 2004, 34(6): 528南卓铜,李述训,程国栋 . 未来 50与 100]. 中国科学 D 辑: 地球科学,2004 ,34 (6 ):528[10] e, et in J]. 2009, 31(5): 829何瑞霞,金会军,常晓丽,等 . 东北北部多年冻土的退化现状及原因分析[J]. 冰川冻土,2009,31(5 ):829[11] u, u, et of on J]. 2009, 39(11): 1570吴吉春,盛煜,吴青柏,等. 青藏高原多年冻土退化过程及方式[J]. 中国科学 D 辑:地球科学, 2009, 39( 11):1570[12] D]. 2007. 陈博. 中国冻土时空变化特征及其与东亚气候的关系[D]. 北京:中国科学院大气物理研究所,2007. [13] M]. 2000. 周幼吾,郭东信,邱国庆,等 . 中国冻土[M]. 北京:科学出版社,2000. [14] of J]. 2004, 37(4): 33刘怀山,韩晓丽. 西藏羌塘盆地天然气水合物地球物理特征识别与预测[J]. 西北地质,2004 ,37(4 ):33[15] u, u, et J]. 2006, 25(1 29吴青柏,蒋观利,蒲毅彬,等 . 青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系[J]. 地质通报,2006,25 (1 29[16] of in of J]. 2006, 25(1 58祝有海,刘亚玲,张永勤 . 祁连山多年冻土区天然气水合物的形成条件[J]. 地质通报,2006 ,25(158[17] u, u, et of in J]. 2007, 26(8): 1029卢振权,吴必豪,饶竹,等. 青藏铁路沿线多年冻土区天然气水合物的地质、地球化学异常. 地质通报, 2007, 26(8 ):1029[18] i, in of J].   2009, 31(2): 13坚润堂,李峰,王造成. 青藏高原冻土区活动带天然气水合物异常特征[J]. 西南石油大学学报(自然科学版),2009. ,31(2 ):13[19] of J]. . ( 2005, 48(1): 165陈多福,王茂春,夏斌. 青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测[J]. 地球物理学报,2005 , 48( 1):165[20] i, et J]. 2011, 85(9): 1536赵省民,邓坚,李锦平,等. 漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究[J]. 地质学报,2011 ,85 (9 ):1536[21] of J]. 2009, 31(6):10赵云云,赵其华 . 黄河源头多年冻土退化原因及变化趋势[J]. 人民黄河, 2009,31(6 ):10- 12. [22] i, et J]. 2007, 27(3): 337张国胜,李林,汪青春,等. 青海高原冻土退化驱动因素的定量辨识[J]. 地理科学,2007,27(3 ):337[23] u. on of of C]. 1982: 70德文,徐学祖. 试论我国多年冻土平面分布类型的区划指标 [C]. 中国地理学会冰川冻土学术会议论文选集(冻土学)[C]. 北京:科学出版社,1982:70[24] in J]. 1991, 13(2): 132王绍令,罗祥瑞,郭鹏飞. 青藏高原东部冻土分布特征[J]. 冰川冻土,1991 ,13(2 ):132[25] et in of on J]. 2002, 12(8):839盛煜,刘永智,张建明,等. 青藏公路多年冻土路基内的热状况[J]. 自然科学进展,2002,12(8 ):839[26] u, J]. 2002, 32(6): 514吴青柏,施  斌,刘永智 . 青藏公路沿线多年冻土与公路相互作用研究[J]. 中国科学 D 辑: 地球科学 , 2002,32 (6 ):514[27] et of of in J]. 2006, 26(2): 198金会军,赵  林,王绍令,等 . 青藏高原中、东部全新世以来多年冻土演化及寒区环境变化 [J]. 第四纪研究,2006 , 26(2 ):198[28] a, u. of of in of J]. 2003, 11(1):114那平山,张明如,徐树林 . 大兴安岭林区湿地生态水环境失调机理探析[J]. 中国生态农业学报,2003,11 (1 ):114[29] u, et J]. 2003, 3: 32石剑,王育光,杜春英,等. 黑龙江省多年冻土分布特征[J]. 黑龙江气象. 2003,3 :32[30] Y L M T of in to J]. 2007,

展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:冻土退化对我国冻土带天然气水合物的影响
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-53244.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开