天然气水合物勘探开发的环境效应

天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双重影响:一是水合物中的甲烷气体通过化学和生物化学以CO2的形式直接或间接释放到大气中；第二，低碳甲烷可以替代多碳化石燃料，减少人为温室气体排放。天然气水合物在自然界中极不稳定，温度和压力条件的微小变化都会引起其分解或生成。在路易斯安那州水深500米以下拍摄了天然气水合物丘陵和山丘。通过对比1992和1993的视频，确定了一个山头的消失和另一个山头的重生。山坡周围持续释放的气流含有69.6%的CH4、6.3%的C2H6、1.7%的C3H8、11.4%的N2、8%的CO2和微量的丁烷、戊烷和氧气。在沉积层中，有机质和CO2在细菌的作用下可以生成大量的甲烷，深海地层也可以将地质历史中埋藏的有机质转化为天然气，在适宜的温度和压力条件下可以形成天然气水合物。相反，当温度升高或压力降低时，天然气水合物会分解，向大气中释放甲烷。由于天然气水合物储量巨大，其甲烷吞吐量也很大；因此，天然气水合物是地圈浅层不稳定的碳库，是全球碳循环的重要环节，在岩石圈、水圈和大气圈之间的碳循环中起着重要作用。

甲烷是一种重要的温室气体，因此天然气水合物释放或吸收甲烷会对全球气候产生重大影响。目前，虽然大气中甲烷的体积浓度仅为CO2的1/200，但其全球变暖潜势指数(GWP)按摩尔计算是CO2的3.7倍，按质量计算是CO2的10倍。在1980 ~ 1990期间，甲烷对温室效应的贡献占12%，而甲烷和其他微量温室气体的总贡献占43%，仅略低于CO2 (57%)。从工业革命前到现在，大气中CO2的浓度增加了25%(从280×10-6增加到350×10-6)，而甲烷的浓度增加了一倍(从0.8×10-6增加到1.7× 65438)。这表明甲烷浓度增加得更快，因此它对温室效应的相对贡献在未来会增加。

甲烷是一种高度活跃的温室气体，它对全球变暖的影响比相当数量的二氧化碳大20倍。更新世时期，全球气候变化(海退)导致陆地和海洋环境中的天然气水合物释放出大量甲烷，进而引起全球气候变化。全球变暖，冰川和冰盖融化，造成海平面上升；海平面的上升引起水下静水压力的增加和天然气水合物的稳定性，而水温的上升起到相反的作用。对于大部分大陆边缘的海底天然气水合物来说，水深大于300 ~ 500 m，海平面的波动和海底水温的变化对天然气水合物都有影响。上述变化也是由于天然气水合物赋存区域纬度不同，天然气水合物稳定变化与不稳定变化的关系不同。据估算，在过去的654.38+00000年中，极地陆架表面温度升高了654.38+00℃以上，温度升高的影响超过了海平面上升的影响，导致大量甲烷释放，年均释放量为5.6× 654.38+009 m3，相当于所有大气甲烷源的654.38+0%。再比如，对约60×104km2的英国大陆架面积的测量表明，每年逃逸到大气中的甲烷量达到12×104t ~ 3.5×106t，占排放到英国的甲烷总量的2% ~ 4%。因此，这种排放在海底天然气水合物广泛分布的海域更加突出，成为天然气水合物开发利用需要提前监测和研究的重要课题。

二、天然气水合物与全球气候变化的关系

天然气水合物不仅是未来能源的巨大载体，也是气候变化的重要因素。现有的研究结果表明，在过去的20万年中，大气中甲烷的含量与地球的温度有着密切的耦合关系(图1-10)，但其原因和机制尚未阐明。据推测，全球气温升高可能是大量天然气水合物不稳定的结果。事实上，仅融化1m3水合物就能释放出多达160 ~ 200m3的甲烷，其中一部分肯定会进入大气。相反，低层大气的变暖会加热海洋，引发更多水合物分解和大气变暖的恶性循环。

图1-10南极沃斯托克冰芯20万年来温度、二氧化碳和甲烷变化记录。

亚洲东海岸的鄂霍次克海大致相当于北海和波罗的海的总面积。鄂霍次克海通常一年中有7个月被冰覆盖，甲烷不断从海底的天然气水合物沉积物中逸出，形成羽流。1991年，俄罗斯科考队检测到冰下水中甲烷浓度为65mL/L，次年夏季冰融化时，该指标仅为0.13mL/L，其余明显逃逸到大气中。这一测量结果清楚地表明，海洋下的甲烷水合物是大气甲烷的一个重要来源。

海平面升降条件下水合物的演化轨迹

在水深变化的情况下，静水压力会随着海平面的变化而变化。水合物的稳定性取决于以下两个因素:①海平面上升或下降的幅度；(2)海底温度的变化对海底沉积物温度变化的影响有多快。一个初始深度一般有一个较低的温度基值，所以上覆水压力高，水温低是产生大量水合物的条件。在浅水中，当水深和压力减小时，温度基值也会增大，因此水合物的稳定性会低于最低稳定条件。因此，在初始深度较浅、水温基值较高的情况下，可能无法生成水合物。

随着水深的增加和水温的降低，水合物的稳定条件分别如图1-11(a)和图1-11(b)所示。相路径的终止点是在B点还是B’点还是B”点取决于海平面下降的程度。当海平面轻微下降时，水合物稳定性曲线上的压力保持不变，因此相路径将在B点结束，然而，当海平面急剧下降时，相路径将穿过水合物稳定性曲线到达B '点，作为天然气和水的混合物，水合物将在B点结束”。另一方面，如图1-11(b)所示，如果海平面稍有上升，停留在原来的A点，(气/水混合物)相图将在B点结束(如图1-11 (b))。当海平面大规模上升时，相图越过B’(如图1-11(b))，可在B点达到水合物形成条件，结束演化历史”(B点代表水合物，不是气/水混合物)。

海平面上升和下降旋回可产生三个相旋回(如图1-11(c)，分别用A、B、C标记)。由于对沉积物的热传导，沉积物温度的调节过程存在时间延迟。任何循环相位路径都是从位置1开始绕逆时针方向旋转，这意味着随着温度响应变慢，将会出现迟滞。在A环(图1-11(c))中，海平面上升和下降超过水合物稳定曲线，所以是一个从气/水混合物-水合物再回到气/水混合物的过程。这个过程发生在海平面第一次上升(从1位置到2位置)，然后沉积物温度下降(从2位置到3位置)，然后海平面下降(从2位置到4位置)，最后沉积物温度上升(从4位置到1位置)。在环B和C中，水合物得以保存(环B ),气体/水混合物始终存在(环C)。

很多学者讨论过天然气水合物对全球气候变化的反馈，在极地和中低纬度是不一样的。在间冰期，全球变暖，冰川和冰盖融化，冻土地层中不稳定的天然气水合物由于温度上升，压力下降，释放出甲烷，产生温室效应，对全球变暖产生正反馈。同时，在中低纬度的边缘海，一方面海水温度的上升会使天然气水合物不稳定，另一方面由于海平面的上升，海底的静水压力增大，会增加天然气水合物的稳定性。由于海水热容量大，底层海水的温升不会很显著，静水压力的影响可能占主导地位，所以总体效果可能是提高天然气水合物的稳定性，对全球变暖产生负反馈。在冰河时期，上述过程都可以逆转。Kvervolden(1988)认为，极地气体水合物的正反馈在现代全球变暖过程中起主导作用，该过程中每年释放的甲烷估计为3×1012g，即全球大气中甲烷增量的1%。一般认为冰期是由米兰科维奇轨道力引起的，但这种机制可以解释冰期旋回的广泛而缓慢的变化，但不能解释冰期的突然终止。Paull等人(1996)用大陆边缘海天然气水合物的负反馈解释了冰期的中止，但这并不能解释中止的突然性。认为只要温度稍微变暖，极地气体水合物的正反馈就能加速这一过程，使冰期突然结束。但是，这种影响会导致天然气水合物中甲烷的不可控释放，以及随之而来的不可控的全球变暖；实际上并没有观察到这种现象。因此，冰河时代的突然终止仍然是一个谜。

图1-11海平面波动条件下水合物的演化轨迹示意图。

许多研究人员认为，大面积的爆炸性甲烷释放会使气候在短时间内发生巨大变化。美国加州大学圣巴巴拉分校的海洋地理学家詹姆斯·P·肯尼特(James P.Kennett)提出了一个假说，即在大约1.5×104a的最后一个冰河时期，灾难性的甲烷释放可能会在短短几十年内引发温度的显著上升。

研究人员还发现了一个更古老的迹象，即天然气水合物释放的甲烷影响了全球气候变化。约5500×104年前古新世末期影响全球气候的化石证据表明，这一时期海洋和陆地温度急剧上升，形成了世界性的温度异常(LPTM =古新世晚期热盛期)，许多生活在海底沉积物上的单细胞有机物种灭绝。微生物的碳同位素成为解释气温快速上升的关键。这一著名的全球温度异常，正如这一时期全球碳同位素变化所显示的那样，伴随着海洋天然气水合物沉积物中极其强烈的甲烷释放。

对于天然气水合物与全球变化的关系，迫切需要深入定量地研究其在全球碳循环中的作用及其对全球变暖、变冷及相应海平面变化的反馈。如上所述，这种反馈的方向和强度可能随纬度而变化，也可能随气候过程而变化；揭示其规律将对理解全球变化，尤其是冰期和间冰期交替的原因具有重要意义。为了研究天然气水合物对碳循环和温室效应的总贡献，需要在实验和模拟的基础上研究反馈机制，准确估算不同环境和条件下天然气水合物释放或吸收的甲烷量，以及穿过水层未被溶解或氧化而到达大气后释放的甲烷量， 从而定量估算在给定的气候变化下，全球天然气水合物释放或吸收的甲烷总量，即中低纬度两种相反效应和极地正反馈效应之和。

三。天然气水合物的地质灾害因素

科学界普遍认为，天然气水合物最终将成为人类未来极具潜力的清洁能源。同时，研究表明，当沉积物中天然气水合物的周围环境条件因各种原因发生变化时，温压平衡将被破坏，导致天然气水合物解体逃逸，可能引发地质灾害或对全球气候变化产生影响。不稳定性的发生与天然气水合物赋存环境条件的变化有着复杂的相互作用关系。天然气水合物的稳定性是由压力、温度和气体共同决定的。在典型的水温变化过程中，纯甲烷水合物的稳定阈值温度开始于约5℃和50Pa的压力(相当于约500m水深)。在混合其他气体，尤其是硫化氢的情况下，稳定范围会显著扩大。在相同温度下，向甲烷和二氧化碳的混合水合物中加入约20%的硫化氢组分，压力将降低约65438±00Pa，或在相同压力下增加约2℃。不同组分的天然气水合物会在不同的温度压力范围内形成。此外，孔隙水的组成和可用性、含气饱和度、寄主岩石可能的催化特性、孔隙度和连续稳定性对沉积物的稳定范围也有重要意义。

海底地质灾害是天然气水合物资源开发研究的重要内容。早在20世纪70年代就认识到天然气水合物与海底滑坡的关系。美国大西洋大陆边缘已测绘出近200处滑坡，被认为是海平面下降、围压降低、分解天然气水合物释放甲烷气体导致边坡失稳。同时，该海域大多数滑坡分布在天然气水合物分布区内或附近，也说明了这一点。其他海域的海台坍塌也与天然气水合物有关(如非洲西南部的大陆坡和海台、挪威大陆边缘、博福特大陆边缘、里海、北巴拿马大陆架和加拿大纽芬兰)。晚更新世海退期间，海平面下降约100m，导致海底压力下降1000 kPa。总压的降低引起了天然气水合物底部的分解，释放出过量的甲烷和水，造成边坡失稳和灾难性后果。研究表明，触发亚马逊海底滑坡有两种不同的机制:①海平面快速下降使天然气水合物不稳定，上覆沉积物滑动；(2)安第斯山脉的冰川消退以及随后亚马逊沉积物涌入大陆坡，导致了因超载造成的海底滑坡。根据冰芯中观测到的大气甲烷含量的变化，前者的解释似乎更合理。海底滑坡的导火索可能是一次小地震，一批河流带来的洪积物，甚至是一次大的风暴潮。一旦滑坡开始，水合物层下的游离气体会沿着裂缝上升，处于亚稳态的水合物也会分解释放出甲烷气体。研究表明，大多数大型滑坡都与天然气水合物的不稳定性有关，或者与坍塌物质在水合物上的“滑行”有关(图1-12)。1929，加拿大纽芬兰海底滑坡造成27人死亡，经济损失巨大；1979年，法国海岸海底滑坡引发的海啸造成11人死亡。因此，在开发利用海底天然气水合物时，应充分考虑和研究海底地质灾害，设计可行的技术方案。

图1-12海洋水合物环境影响综合示意图。

在海洋沉积物中，天然气水合物形成时，能在孔隙中产生胶结作用，使大陆坡带处于明显的稳定状态。当压力和温度条件的变化导致天然气水合物释放时，首先会导致大陆坡带的许多地方不稳定，形成巨大的滑塌块体，滑入深海，深海生态环境将遭受灾难性后果。

根据此前对海底的探测结果，科学家解释说，位于挪威大陆边缘0.8×104a前的约5600m3沉积物从大陆坡上缘向挪威海盆滑动了800km，巨量土壤推动海水引发的海啸造成了毁灭性的后果，可怕的海浪突然吞噬了海岸线。科学家推测，斯托雷加这个极其著名的海底滑坡，很可能是世界著名的天然气水合物释放形成的最大滑坡之一。

1998年夏天，莫斯科希尔绍夫海洋研究所的俄罗斯研究人员在挪威西海岸发现了一个不稳定的水合物矿床。他们认为，海底断层产生的柱状物和水合物的自然分解可以将甲烷缓慢释放到大气中，但这一过程有时更具爆炸性。由挪威特罗姆瑟大学的尤尔根·米纳特(Jurgen Mienert)领导的国际团队最近发现，巴伦支海(就在挪威东北端)的底部有许多类似环形山的巨大凹陷，最大的环形山宽700米，深300米。这些大小不一的陨石坑密集分布在甲烷水合物矿床附近，这清楚地表明发生了灾难性的甲烷爆炸。断层和其他结构证据表明，它们可能发生在最后一个冰河时代的末期。这次喷发可能遵循了用来解释斯托雷加滑坡原因的理论:变暖的海洋使水合物变得不稳定，当它达到某个临界点时，就会像火山一样爆发。

由于水合物含有比自生体积多100多倍的气体，如果遇到断裂等构造作用，就会像瞬间爆炸一样分解，形成密度为0.1kg/m的气/水混合物，在海面上形成强大的水动力流、漩涡和气旋。在这种环境下，船只、飞机和海上钻井设施将很快沉入海底。科学家们意识到，天然气水合物的脆弱性对井位选择、钻井和下套管方案有重要影响，天然气水合物的不稳定性还会对海底管道、电缆等工程设施和施工造成威胁，甚至造成可怕的后果。

根据天然气水合物的稳定温压条件分析，至少在始新世末，即海洋冷水圈(水温< 10℃)形成时就存在了。在此之前，晚白垩世和古新世的底层海水温度估计为7 ~ 10℃，在更深的水中也可能形成薄的天然气水合物层。在适宜条件下形成的天然气水合物填充在沉积层的空隙中，起到阻碍沉积物固结和矿物胶结的作用。当压力降低或温度升高时，天然气水合物稳定深度降低，水合物层底部变得不稳定，释放出远大于水合物体积的甲烷，形成充气层，降低沉积物强度，导致大规模滑坡。渐新世以前没有大冰盖，在有长期低水面的情况下，天然气水合物的不稳定性可能成为海底滑坡和浅层构造变化的一级动力。早始新世末(49.5Ma)和中渐新世(30Ma)曾发生过两次海平面下降事件，均伴有大规模滑坡。新泽西大陆边缘的地震剖面分析表明，早第三纪有四次大的滑坡，都对应于主要的低水位时期。更新世冰期，海平面下降约100m，大陆架和陆坡静水压力下降约1000kPa，使天然气水合物稳定深度降低约20 m..这可能是当时世界大陆边缘大面积滑坡的原因。天然气水合物与海底滑坡之间的可能联系在世界各地都有报道。重新研究大陆边缘的地震剖面和地层资料，分析天然气水合物稳定深度内的浅层构造现象，很可能会找到更多天然气水合物在地质历史中存在的证据。