原創(chuàng) 星球科學(xué)評(píng)論 星球科學(xué)評(píng)論

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在遙遠(yuǎn)的中國(guó)南海，一團(tuán)火焰在燃燒了兩個(gè)月以后，被人們緩緩熄滅。它是藍(lán)鯨2號(hào)海洋鉆井平臺(tái)的排氣火炬，來(lái)自海底深處的天然氣在水幕中化作火光，用這種方式重見天日。這些天然氣來(lái)源于一種被一些人寄以厚望，但也被另一些人畏之如虎的物質(zhì)，可燃冰。

正在試采可燃冰的藍(lán)鯨1號(hào)海上鉆井平臺(tái) | 2017年，中國(guó)首次海底可燃冰試采由“藍(lán)鯨1號(hào)”鉆井平臺(tái)執(zhí)行。出處@圖蟲創(chuàng)意

寄以厚望，是因?yàn)榭扇急膬?chǔ)量極為豐富。據(jù)粗略估算，它所蘊(yùn)含的天然氣資源可達(dá)到已知常規(guī)天然氣資源量的數(shù)十倍；如果按有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算，大約是已知煤炭、石油、天然氣有機(jī)碳總量的2倍。假如能夠大規(guī)模商業(yè)化利用，將會(huì)成為未來(lái)的能源之星，保障世界的化石燃料安全。

全球有機(jī)碳儲(chǔ)量分布圖 | 盡管對(duì)有機(jī)碳的估算還比較粗糙，但可燃冰仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于常規(guī)化石能源。數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[1]。制圖@陳隨/星球科學(xué)評(píng)論

畏之如虎，是因?yàn)檫@是一種并不穩(wěn)定的物質(zhì)。如果在大規(guī)模商業(yè)開采中出現(xiàn)意外，可能會(huì)造成可燃冰的大規(guī)模分解，向海洋釋放大量天然氣，造成嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害——也許會(huì)引發(fā)人們難以想象的后果。

盡管如此，人們依然在向這片尚未被攻克的資源庫(kù)發(fā)動(dòng)猛攻。世界多國(guó)正在積極開展可燃冰開采技術(shù)研究，繼頁(yè)巖氣革命（后臺(tái)回復(fù)“頁(yè)巖氣”了解更多）后，一場(chǎng)可燃冰革命也正在吹響號(hào)角。

在這樣的時(shí)代背景下，如何看待人們對(duì)可燃冰復(fù)雜而又糾結(jié)的心態(tài)？這需要從了解什么是可燃冰，和它“劣跡斑斑”的歷史說(shuō)起。

海底可燃冰樣品 | 采集自印度洋某處的可燃冰樣品。圖源@USGS/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

01

可燃冰是什么？它在哪里？

可燃冰是一種氣體水合物，它看似冰塊，潔白而多孔，質(zhì)地比冰塊略軟、略輕。它是一種由水分子做牢籠，將氣體分子囚禁其內(nèi)的疏松固體。能夠“身陷囹圄”的氣體有很多種，如氮?dú)狻⒍趸肌⒓淄椤⒁彝榈取．?dāng)被囚禁的氣體是以甲烷為主的天然氣時(shí)，人們就管它叫天然氣水合物，俗稱可燃冰[2]。

可燃冰的兩項(xiàng)神奇之處 | 因?yàn)榭扇急纸鈺r(shí)會(huì)釋放大量的水，能夠帶走大量熱量，所以可以如左圖一般用手托著燃燒；右圖是可燃冰“囚籠”的示意圖，無(wú)數(shù)個(gè)這樣的小籠子彼此連接，就成為固體可燃冰。圖源@ worldoceanreview.com

形成可燃冰需要四個(gè)必備條件：（甲烷）氣體、液態(tài)水、較低的溫度和較高的壓力，缺一不可。其中，甲烷要么由泥沙中的生物遺骸腐敗產(chǎn)生，要么來(lái)自于地下深處天然氣藏滲透上來(lái)的天然氣[2]。

可燃冰成因示意圖 | 微生物分解有機(jī)質(zhì)殘骸產(chǎn)生的甲烷也被稱作“生物氣”，它和深處天然氣藏?cái)U(kuò)散出來(lái)的氣體，是形成可燃冰的主要?dú)庠础＿@兩種過程都會(huì)源源不斷產(chǎn)生甲烷，其中微生物產(chǎn)生的生物甲烷更重要一些。制圖@陳隨/星球科學(xué)評(píng)論

生物遺骸腐敗產(chǎn)生甲烷是生活中常見的一種現(xiàn)象，在北國(guó)的冬天里格外常見。在封凍的湖塘冰面上，冰塊里會(huì)形成一連串氣泡，這是湖底有機(jī)質(zhì)腐敗釋放的氣體，主要成分是甲烷。它們隨著湖水一邊凍結(jié)一邊聚集，在冰層里形成層層疊疊的氣泡——鑿冰釋之可點(diǎn)燃。

加拿大班夫國(guó)家公園亞伯拉罕湖里的甲烷氣泡 | 注意氣泡的層疊現(xiàn)象。圖源@VCG

鑿冰點(diǎn)火很危險(xiǎn)，請(qǐng)勿自行嘗試 | 圖源@gifbin.com

地下深處天然氣藏內(nèi)的氣體滲透至地表時(shí)，一般被叫做天然氣苗，可以在很多油氣田周圍找到。里海西岸的阿塞拜疆巴庫(kù)地區(qū)是著名油田，地下豐富的天然氣裹挾稀泥巴涌出地表，形成泥火山，遇火可點(diǎn)燃。這樣的“無(wú)源之火”，也許是該地區(qū)在古代成為拜火教圣地之一的原因。

阿塞拜疆巴庫(kù)地區(qū)的泥火山群景觀 | 即將炸開的氣泡里，充斥著可燃?xì)怏w甲烷。圖源@vcg

但巴庫(kù)地區(qū)并沒有形成可燃冰。自然界里，只有兩種地方可以同時(shí)滿足前述四種條件：數(shù)百米深的凍土帶地下，或者一兩千米左右的深湖/深海底部及泥沙深處。它們的溫度和壓力恰好使可燃冰能夠穩(wěn)定存在，于是也被稱作水合物穩(wěn)定帶[2]。

海底和凍土中的“水合物穩(wěn)定帶”示意圖 | 紅色曲線表示壓力，藍(lán)色曲線表示溫度。當(dāng)二者相交時(shí)，重疊的區(qū)域就是“水合物穩(wěn)定帶”。它們位于特定的深度，具有一定的范圍，同時(shí)會(huì)隨著溫度和壓力的變化而改變范圍。圖源@grida.no

盡管水合物穩(wěn)定帶的分布范圍較小，但可燃冰的形態(tài)卻并不單調(diào)。隨著可燃冰所在的具體位置不同，它可以呈現(xiàn)出截然不同的樣貌[3-5]。有時(shí)可以單獨(dú)存在，為質(zhì)地純粹的的塊狀、丘狀，主要出現(xiàn)在海底，相對(duì)少見。

宏觀狀態(tài)的可燃冰 | 大量甲烷在開放空間里與水結(jié)合，可以形成大塊的可燃冰，圖為在墨西哥灣海底800多米處，由甲烷氣泡溢出形成“可燃冰丘”。大量貽貝生活在可燃冰附近，它們的食物是依賴甲烷生存的化能自養(yǎng)微生物。圖源@USGS/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

海底“可燃冰丘”上采集到的厚層純凈可燃冰 | 由日本明治大學(xué)團(tuán)隊(duì)在日本海Joetsu盆地的可燃冰丘里采集，總厚度超過五米。圖源@明治大學(xué)天然氣水合物研究所

有時(shí)則與泥沙混合在一起，呈現(xiàn)出團(tuán)塊狀、網(wǎng)脈狀的不規(guī)則外觀。

印度洋海底采集的可燃冰 | 2006年印度國(guó)家天然氣水合物計(jì)劃一期項(xiàng)目采集的可燃冰樣品，可燃冰存在于海底泥沙地層的裂縫里。圖源@USGS/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

更多的時(shí)候，可燃冰以肉眼難以看到的狀態(tài)，分散儲(chǔ)存在泥沙顆粒之間的微小孔隙里。雖不起眼，但有著更大的儲(chǔ)量，是目前人們勘探和試采的主要目標(biāo)。

含可燃冰砂礫沉積物樣品 | 產(chǎn)自加拿大Mallik凍土試采區(qū)的含可燃冰沉積物，深色礫石和砂粒周圍的白色物質(zhì)即為可燃冰，這是孔隙中的可燃冰透露出來(lái)的一點(diǎn)顏色。圖源@USGS/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

總之，這是一種主要儲(chǔ)存在“爛泥巴和稀沙子”里的有機(jī)碳能源，它的外觀和分布位置具有特定的規(guī)律。

不同產(chǎn)出位置的可燃冰具有不同的賦存狀態(tài) | （A/B）海底泥質(zhì)沉積物中的網(wǎng)脈和團(tuán)塊狀（白色物質(zhì)），（C/E）分散在砂層孔隙中（白色小點(diǎn)），（D）海底的可燃冰丘，被灰色泥沙覆蓋，（F）砂礫沉積物中的天然氣水合物（白色）。來(lái)源@文獻(xiàn)[6]

從極地凍土到高原凍土，再到深海底部的廣大天地間，可燃冰被人們寄以厚望。以目前的認(rèn)識(shí)來(lái)看，潔白大塊的可燃冰儲(chǔ)量可能最少，泥質(zhì)沉積（爛泥巴）里的分散可燃冰儲(chǔ)量可能最大，但不易開采。相對(duì)容易開發(fā)的，是儲(chǔ)存在凍土帶地下砂層和海底砂層（稀沙子）孔隙中的分散可燃冰[2,6]。

世界可燃冰資源儲(chǔ)量示意圖 | 最具勘探開發(fā)潛力的可燃冰位于砂層里，但總儲(chǔ)量相對(duì)較小；不易開采的泥層里可能擁有規(guī)模最大的可燃冰。海底暴露可燃冰的儲(chǔ)量難以估算，因?yàn)槿祟悓?duì)深海還知之甚少。數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[6]。制圖@陳隨/星球科學(xué)評(píng)論

但是，硬幣的另一面則隱藏著可燃冰令人生畏的本領(lǐng)。

02

可燃冰有哪些危險(xiǎn)的“本領(lǐng)”？

對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，可燃冰意味著豐富的天然氣，是一種有潛在經(jīng)濟(jì)效益的化石能源。但對(duì)于自然界而言，可燃冰只是一種普通的物質(zhì)，在碳循環(huán)的大鏈條上不斷形成又不斷分解，遵循自然規(guī)律自生自滅。

在自然界，水合物穩(wěn)定帶并非一成不變的特定區(qū)域。溫度和壓力條件的變化會(huì)輕易使穩(wěn)定帶的范圍發(fā)生改變，造成可燃冰自發(fā)分解[7-11]。在地球動(dòng)蕩的歷史里，大規(guī)模的環(huán)境變化比比皆是：氣候變遷、冰川進(jìn)退、地震火山、甚至小行星砸到海里這樣的事情也經(jīng)常發(fā)生。于是，我們可以找到許多可燃冰自然分解的記錄。

可燃冰穩(wěn)定帶范圍改變?cè)斐煽扇急纸獾氖疽鈭D | 自從末次冰期結(jié)束以來(lái)，全球范圍內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的冰蓋消融、海水升溫，使大量的古代可燃冰失穩(wěn)分解。釋放出來(lái)的甲烷氣體規(guī)模巨大，可能加劇全球溫度從冰河期進(jìn)一步回升。圖源@文獻(xiàn)[10]

直覺上，人們會(huì)想出一串串氣泡不斷上浮，最終在海面破裂的畫面，這也是關(guān)于“可燃冰導(dǎo)致變暖災(zāi)難”的最初印象。但能夠到達(dá)海面并影響到大氣的甲烷其實(shí)只有不到5%[7,12]。

釋放出來(lái)的甲烷都去了哪里？答案正是布下了三條封鎖線的厚重海水。

墨西哥海底一處甲烷泄露點(diǎn)的氣泡和貽貝 | 深海貽貝常作為深海化能自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的一部分。圖源@NOAA/美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局

（1）圍剿甲烷的三道封鎖線

海底的一些微生物構(gòu)建起圍剿甲烷的第一道封鎖線。當(dāng)可燃冰分解得緩慢而穩(wěn)定時(shí)，特定微生物會(huì)利用甲烷作為生命活動(dòng)的原料，像植物一樣為更多的其他生物提供食物，在海底構(gòu)建起冷泉（cold seep）生態(tài)系統(tǒng)——這是一種可以養(yǎng)活一群奇奇怪怪深海生物的化能自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)[7,13]。

深海化能自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)與淺海光合作用生態(tài)系統(tǒng)示意圖 | 和光合作用一樣，化能自養(yǎng)作用也是構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的基石，只不過這是一個(gè)“漆黑無(wú)光”的生態(tài)系統(tǒng)。圖源@Maja Sojtaric/CAGE

第二道封鎖線是深處的海水本身。由于水合物穩(wěn)定帶也包括一定深度的底層海水，所以可燃冰釋放出來(lái)的部分甲烷可以在海底重新“凍結(jié)”——這便是在全球海底許多地點(diǎn)都存在的海底可燃冰丘（丘，mound）。大塊、潔白、質(zhì)地純粹的可燃冰，便來(lái)自這些環(huán)境。

墨西哥灣的一處海底甲烷釋放點(diǎn) | 墨西哥灣地下富含油氣，一部分天然氣在海底發(fā)生泄漏，凍結(jié)成海底的可燃冰。圖源@NOAA/美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局

第三道封鎖線是溶解在海水里的氧氣。絕大多數(shù)甲烷氣泡大多不能順利浮上海面，而是會(huì)溶解于海水，與水中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退罱K消失在海水里。

就這樣，三重封鎖線，將海底可燃冰分解釋放的絕大多數(shù)甲烷都“消滅殆盡”，真正能夠浮出海面的甲烷氣體少之又少。我們不需要特別擔(dān)心海底可燃冰開發(fā)對(duì)大氣和氣候變暖產(chǎn)生的沖擊。但是，消滅了甲烷的海水卻會(huì)發(fā)生變化，而這才是真正值得憂慮的地方。

海底甲烷釋放和兩種消耗機(jī)制的示意圖 | 絕大部分從海底釋放的甲烷會(huì)被微生物或海水溶解氧給氧化掉。圖源@文獻(xiàn)[14]

此時(shí)，地質(zhì)研究可以給我們提供一些線索。

（2）劣跡斑斑的古代可燃冰爆發(fā)

在距今1.83億年前的侏羅紀(jì)早期，全球范圍內(nèi)發(fā)生過一次嚴(yán)重的大洋缺氧事件（OAE），造成許多海洋生物滅絕。盡管尚存爭(zhēng)議，一些科學(xué)家認(rèn)為可能與大規(guī)模的海底可燃冰分解有關(guān)[15-17]。

早侏羅世托阿爾期海洋缺氧事件示意圖 | 該事件發(fā)生于距今1.83億年前，造成大量海洋生物滅絕，其中可燃冰快速分解是可能的原因之一。圖源@文獻(xiàn)[17]

在距今約5500萬(wàn)~5600萬(wàn)年前，全球發(fā)生過一次非常劇烈的環(huán)境突變。在很短的時(shí)間里，大氣快速升溫、海洋出現(xiàn)局部缺氧、大西洋明顯酸化等事件相繼出現(xiàn)，也被許多科學(xué)家認(rèn)為與海底可燃冰的突然釋放有關(guān)。但究竟是可燃冰分解引起升溫，還是升溫引起可燃冰分解，現(xiàn)在仍存爭(zhēng)論[18-20]。

古近紀(jì)“古新世-始新世極熱事件”示意圖 | 該事件發(fā)生于距今0.55-0.56億年前的古近紀(jì)早期，大氣和海洋溫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。圖源@文獻(xiàn)[21]

在中國(guó)試采可燃冰的南海神狐海域，人們發(fā)現(xiàn)距今11300-8000年前的海底泥沙有些“缺鈣”——碳酸鈣的含量明顯偏低，這是海水酸化留下的線索之一。在排除了一些其他因素后，它被解釋為末次冰期后的升溫過程里，可燃冰發(fā)生快速分解引起的底層海水酸化[8]。

除了改變海水的酸堿性和含氧量，劇烈的可燃冰分解也能改變海底地貌。

（3）地貌修改器

在挪威大陸和斯瓦爾巴德群島之間的巴倫支海，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了令人“密恐”的景象：原本應(yīng)該被泥沙覆蓋得相對(duì)平坦的海底，像是爆了一臉青春痘一般，滿是疤痕。

巴倫支海密集的海底麻坑 | 在巴倫支海的比約恩納陸架槽邊緣，海底有大量的麻坑，這種海底地貌的形成與可燃冰分解有關(guān)。圖源@文獻(xiàn)[9]

它們的深度可達(dá)10-40米，直徑300-400米，更大坑洞的尺寸有600x1000m左右[9,22]。在坑洞周圍，海底仍在釋放甲烷氣泡。密集的氣泡在海水里連成一串，在儀器成像里可以看起來(lái)就像是千萬(wàn)根火炬。

麻坑周圍釋放的甲烷氣泡 | 在巴倫支海海底麻坑周圍，仍在排放甲烷氣泡，可以通過特殊儀器進(jìn)行可視化成像。圖源@文獻(xiàn)[9]

一萬(wàn)多年前的末次冰期，巴倫支海地區(qū)曾經(jīng)被厚厚的冰層覆蓋，冰層下形成可燃冰穩(wěn)定帶。隨著冰蓋消融，海底一邊升溫一邊緩慢抬升，可燃冰穩(wěn)定帶的范圍發(fā)生大幅度變化，原先的可燃冰失穩(wěn)、分解、釋放，大量氣體聚集成海底的鼓包（pingo）。

鼓包內(nèi)的氣體可能有兩種釋放途徑，要么緩緩釋放、海底陷落成坑；要么噴薄而出、海底炸出大坑，變成海底的“密集痘疤”。類似的地貌在全球海洋里廣泛存在，中國(guó)南海同樣有許多類似大坑，例如西沙群島西南部海域800-1200米深的海底分布有密集的坑洞群，最大的坑直徑有3千米左右，深度超過160米[23-24]。根據(jù)它們的外觀，人們起了一個(gè)形象的名字：麻坑。

麻坑成因示意圖 | 麻坑的形成與可燃冰分解有關(guān)，會(huì)釋放大量甲烷進(jìn)入海洋，也會(huì)有一部分甲烷進(jìn)入大氣。圖源@文獻(xiàn)[9]

在陸地上，人們也在凍土地帶發(fā)現(xiàn)過類似的現(xiàn)象。2014年，俄羅斯西北部Yamal半島上，人們?cè)诘孛嫔习l(fā)現(xiàn)了一個(gè)大坑，周圍有新近被翻出的泥土，甚是奇特。經(jīng)過科學(xué)家的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)榈叵職怏w壓力過大，沖破土壤導(dǎo)致的一場(chǎng)氣體爆發(fā)。

俄羅斯Yamal半島2014年氣爆坑爆發(fā)前后的航拍對(duì)比圖 | 這種氣爆坑的形成源于泥土里的高壓氣體爆發(fā)，可能與可燃冰分解有關(guān)，這個(gè)坑的直徑約為25米。圖源@文獻(xiàn)[25]

類似的現(xiàn)象在北極圈附近的凍土地帶并不罕見。2017年5月，一條河道中開始產(chǎn)生鼓包（下圖2），到了7月便炸成以一個(gè)大坑（下圖4），直徑達(dá)到數(shù)十米，并在爆發(fā)以后持續(xù)釋放甲烷氣體[26]。

俄羅斯Yamal半島2017年某個(gè)氣爆坑爆發(fā)的航拍對(duì)比圖 | 這個(gè)坑形成于一處河道底部的凍土帶，爆發(fā)以后坑內(nèi)蓄水成湖。圖源@文獻(xiàn)[26]

有一種解釋認(rèn)為，這些氣爆坑的形成，與凍土地下可燃冰的分解和氣體爆發(fā)有關(guān)[27]。在2014年產(chǎn)生的氣爆坑位置，地下60米處可能存在一層可燃冰。或許正是這些可燃冰分解產(chǎn)生了許多無(wú)處釋放的甲烷氣體，它們?cè)趦鐾晾餀M沖直撞、上涌聚集，最終炸成大坑。

俄羅斯Yamal半島2014年氣爆坑的地球物理探測(cè)結(jié)果 | 圖面中的數(shù)字表示電阻率值，該研究認(rèn)為位于地下60米深處的含可燃冰地層引起了氣爆。圖源@文獻(xiàn)[27]

高壓氣體上浮、破壞地層的能力究竟有多強(qiáng)？在挪威斯瓦爾巴德群島北部的Hinlopen滑坡邊緣，一個(gè)案例或許可以提供一些線索。人們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)一處被高壓天然氣破壞、挖掘了將近200米厚的泥沙層。氣體在泥沙地層中形成了“管道結(jié)構(gòu)”，一路穿過可燃冰穩(wěn)定區(qū)，至靠近海底的位置才儲(chǔ)存起來(lái)。這樣的機(jī)制可以在海底淺層制造不穩(wěn)定層，具有引發(fā)滑坡的潛力[29]。

高壓天然氣穿過近200米厚的海底泥沙 | 上圖為人工地震剖面，下圖是原理示意。高壓氣體從可燃冰穩(wěn)定帶下的高壓游離氣聚集帶上涌，破壞、挖掘、穿過蘊(yùn)含可燃冰的泥沙后，聚集在淺近海底，留下“管狀結(jié)構(gòu)”，管道直徑約20米。圖源@文獻(xiàn)[29]

但這只是可燃冰分解引起滑坡的一種機(jī)制，還有一種機(jī)制可能引起更大規(guī)模的海底滑坡，甚至引發(fā)海嘯——那便是由于可燃冰分解引起的地層變形、強(qiáng)度減弱，并最終在坡度適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)滑落。

由可燃冰分解引發(fā)海底滑坡的示意圖 | 當(dāng)可燃冰穩(wěn)定帶底界因?yàn)榉N種原因上移時(shí)，會(huì)使海底的一層可燃冰分解，一方面釋放氣體進(jìn)入海水，另一方面改變泥砂層的力學(xué)性質(zhì)，引起大規(guī)模滑坡。圖源@grida.no

挪威西北部海域的Storegga滑坡是目前已知規(guī)模最大的海底滑坡之一，一些科學(xué)家認(rèn)為它與周期性大規(guī)模可燃冰分解有關(guān)[11,30-32]。最近一次滑坡發(fā)生于8200年前，在挪威、冰島、英國(guó)北部等地引發(fā)過大規(guī)模的海嘯災(zāi)害，重創(chuàng)了當(dāng)時(shí)生活在北歐沿海地區(qū)的古人類聚落[33]。

Storegga海底滑坡及其形成的海嘯 | Storegga滑坡的產(chǎn)生可能與可燃冰分解有關(guān)，這次滑坡引發(fā)了規(guī)模龐大的海嘯，席卷多個(gè)國(guó)家。圖源@文獻(xiàn)[34]

總結(jié)下來(lái)，可燃冰分解釋放出的甲烷，既可以在海底滋養(yǎng)生靈，也可以引起底層海水酸化和缺氧，引發(fā)海洋生物大量死亡甚至滅亡；而它們從地層里釋放的方式，輕則可以引起排氣鼓包或麻坑，重則破壞地層、引起海底變形或滑坡，嚴(yán)重的滑坡還能制造出滑坡海嘯災(zāi)害。

可燃冰的這些“本領(lǐng)”，為人們開發(fā)利用可燃冰帶來(lái)了不小的麻煩：人為開采是否會(huì)造成海底可燃冰的失穩(wěn)，引起比自然分解速度更快、規(guī)模更大的“海底甲烷釋放”？

這些擔(dān)憂，恐怕并不是空穴來(lái)風(fēng)。

03

未來(lái)商業(yè)開發(fā)的不確定性

盡管扮演著不安定的角色，但這并沒有影響人們將可燃冰作為資源加以利用的沖動(dòng)。對(duì)于可燃冰的研究大約始于上世紀(jì)60年代，那時(shí)的人們?cè)J(rèn)為蘇聯(lián)西伯利亞的Messoyakha氣田生產(chǎn)的天然氣存在可燃冰分解釋放的氣體，但該結(jié)論尚存爭(zhēng)議[35-36]。真正毫無(wú)爭(zhēng)議的、直接從含可燃冰地層里進(jìn)行試驗(yàn)性開采，僅有短短18年的歷史。

人們首先開采的是北極圈內(nèi)永久凍土帶以下的可燃冰，這是2002年及2007年多國(guó)合作在加拿大西北部Mallik地區(qū)的試采項(xiàng)目，凍土厚度650米左右，含有可燃冰的砂層位于大約1000米深。首次試采海底泥沙中的可燃冰是2013年，位于日本愛知縣附近海域，這里的水深約1000米，蘊(yùn)含可燃冰的砂層位于海底以下300米[37-38]。

世界可燃冰開采試驗(yàn)位置分布圖 | 迄今為止，確切進(jìn)行過可燃冰開采試驗(yàn)的地點(diǎn)一共有五個(gè)，分別是位于加拿大北部的Mallik項(xiàng)目區(qū)（2007-2008年試采），美國(guó)阿拉斯加北坡的Hot Ice項(xiàng)目區(qū)（2012年試采），二者均為凍土可燃冰區(qū)塊，且由多國(guó)團(tuán)隊(duì)合作試采；位于日本愛知縣附近南海海槽的愛知海項(xiàng)目區(qū)是首次（2013年）和第二次（2017年）海底可燃冰試采位置，由日美合作完成；中國(guó)的可燃冰試采由中國(guó)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成。制圖@陳隨&鞏向杰/星球科學(xué)評(píng)論

中國(guó)的可燃冰研究啟動(dòng)較晚，于2007年和2009年在南海神狐海域和青海祁連山木里凍土帶分別鉆遇可燃冰。2011年和2016年，研究人員首先在祁連山凍土區(qū)進(jìn)行了兩次陸上可燃冰試采[39-40]，分別產(chǎn)氣近5天和23天。2017年，中國(guó)在南海神狐海域進(jìn)行了首次海上試采，穩(wěn)定生產(chǎn)60天，產(chǎn)氣30.9萬(wàn)立方米。2019年，中國(guó)在南海同一海域完成了第二次試采，試驗(yàn)了水平井在海底軟泥沙中的鉆探技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)30天，產(chǎn)氣86.14萬(wàn)立方米。

目前為止，中國(guó)是世界上累計(jì)試采可燃冰產(chǎn)氣量最多的國(guó)家。但在成就的背后，我們也需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性有清晰的認(rèn)識(shí)。

2017年首次可燃冰試采的藍(lán)鯨1號(hào) | 圖源@圖蟲創(chuàng)意

可燃冰商業(yè)化開采面臨的主要問題，正如前文第二節(jié)所提，在于會(huì)改變泥沙的力學(xué)性質(zhì)，降低泥沙的整體強(qiáng)度，容易引起海底不均勻變形、海底地層垮塌、高壓氣體噴出甚至滑坡等劇烈破壞現(xiàn)象[41-45]。

遺憾的是，人們對(duì)于這些風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)尚十分粗淺。現(xiàn)階段的主要研究方法，是使用試采獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算機(jī)模擬。然而實(shí)驗(yàn)室條件難以代表深海的自然環(huán)境，計(jì)算機(jī)模型也會(huì)存在基于不同方法而產(chǎn)生的差異，它們有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)完全迥異的結(jié)果。

例如，2013年日本試采后，一個(gè)日本研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)模擬顯示，6天的試采中，可燃冰發(fā)生分解的區(qū)域可能達(dá)到距離鉆井25米的地區(qū)；如果繼續(xù)生產(chǎn)至180天后，可燃冰分解范圍可能會(huì)擴(kuò)展至200米范圍[43]。但在2017年中國(guó)試采后，一支中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的另一種計(jì)算機(jī)模擬顯示，可燃冰的分解會(huì)局限在鉆井周圍區(qū)域，即使兩年后也不會(huì)超過30米[46]。

日本“地球號(hào)”海洋鉆探船 | 該船是日本進(jìn)行海洋鉆井的主力科考船，參加過多次全球大洋鉆探項(xiàng)目。日本兩次鉆探海底可燃冰，使用的都是這條科考船。圖源@JAMSTEC/日本國(guó)立海洋科技開發(fā)機(jī)構(gòu)

類似這樣的不確定還有很多，而僅有的幾次試采結(jié)果，也并不足以打消人們的顧慮。2017年9月，中國(guó)首次南海試采結(jié)束的2個(gè)月后，科研人員來(lái)到試采海域展開環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過對(duì)比試采前、試采中和試采后的數(shù)據(jù)，認(rèn)為僅在鉆井過程中發(fā)生了預(yù)期內(nèi)的少量甲烷釋放。試采過程中和結(jié)束兩個(gè)月后，未見甲烷泄露、未見海底缺氧，海底也沒有發(fā)生海水渾濁度的變化，表明沒有發(fā)生大規(guī)模的海底地質(zhì)變化[47]。

中國(guó)南海首次可燃冰試采的主要環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) | 來(lái)源@文獻(xiàn)[47]

這當(dāng)然是一個(gè)好消息，但無(wú)論是中國(guó)的第一次試采還是日本的兩次試采，均未公開海底是否發(fā)生變形的數(shù)據(jù)[48]。在剛剛結(jié)束不久的中國(guó)第二次海底試采中，人們使用了“未觀測(cè)到甲烷泄露，未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害”這樣的字眼，這符合第一次試采后的檢測(cè)結(jié)果，但同時(shí)也沒有提及是否存在地層變形等方面的情況。

也許是沒有發(fā)生，也許是變化太小沒有探測(cè)到，但也不能排除這些變化尚未從幾百米深處影響到海底。

這些變化所需的時(shí)間，也是未知數(shù)。以2017年俄羅斯Yamal半島發(fā)生在河道里的氣爆為例，從發(fā)現(xiàn)變形到最終爆發(fā)用了兩個(gè)月，但氣體在地下聚集發(fā)展了多久，人們則完全沒有頭緒。在斯瓦爾巴德島北部的海底泥沙中，高壓天然氣聚集、破壞地層產(chǎn)生“管道結(jié)構(gòu)”需要多長(zhǎng)時(shí)間，現(xiàn)在也完全是未知數(shù)。

中國(guó)南海首次可燃冰試采時(shí)的火炬 | 圖源@文獻(xiàn)[47]

總之，在關(guān)于可燃冰開采引發(fā)海底變形的領(lǐng)域，還存在太多的空白，我們并不知道地層變形將如何累積、高壓氣體是否在地下聚集、何時(shí)會(huì)開始上涌破壞地層、何時(shí)會(huì)上升到海底淺層、何種條件會(huì)觸發(fā)滑坡、風(fēng)險(xiǎn)會(huì)達(dá)到何種規(guī)模、滑坡是否會(huì)使附近的可燃冰失穩(wěn)分解等細(xì)節(jié)。

根據(jù)一份計(jì)算機(jī)模擬研究，長(zhǎng)期（長(zhǎng)達(dá)4年以上的水平井開發(fā)）可燃冰開采會(huì)引起地層變形逐漸積累，并最終可能會(huì)發(fā)展成大規(guī)模海底變形甚至滑坡[49]。因此，一兩口井持續(xù)一兩個(gè)月的試采和數(shù)據(jù)測(cè)量，或許并不足以說(shuō)明問題。

而矛盾的是，想要知道這些問題的答案，只能開展時(shí)間更長(zhǎng)、規(guī)模更大的生產(chǎn)實(shí)踐，甚至在真實(shí)的事故里來(lái)分析事故的原因。在當(dāng)下的科學(xué)認(rèn)識(shí)水平下，只要開采可燃冰，就意味著要承擔(dān)很多未知風(fēng)險(xiǎn)；但也只有繼續(xù)進(jìn)行開采試驗(yàn)，才能更好地認(rèn)識(shí)風(fēng)險(xiǎn)。這種不可調(diào)和的矛盾，會(huì)貫穿在整個(gè)可燃冰開采的實(shí)踐里。

位于加拿大麥肯齊三角洲的Mallik可燃冰試采現(xiàn)場(chǎng) | 這里位于北極圈內(nèi)，極度嚴(yán)寒，陽(yáng)光穿透大氣中的冰晶后呈現(xiàn)出光柱。圖源@USGS/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

當(dāng)代海洋正處在表層海水快速酸化和缺氧的背景下[51-55]，人為引發(fā)可燃冰分解和釋放的前景不免令人擔(dān)心。而且這些研究大多集中在海洋表層，并沒有深入考慮海底可燃冰分解造成的深層海水酸化和缺氧問題。由于表層海水與深層海水的大規(guī)模交換作用（如溫鹽環(huán)流），最終的情況可能更糟。

驅(qū)動(dòng)全球海水大規(guī)模交換的溫鹽環(huán)流 | 圖源@grida.no

海水酸化會(huì)影響部分海洋生物碳酸鈣外殼的合成，缺氧海水則容易引發(fā)大面積生物死亡，二者最終會(huì)影響到海洋食物鏈，并以此影響到人類社會(huì)。

海洋化學(xué)性質(zhì)的變化如何影響海洋生物？ | 許多浮游生物具有鈣質(zhì)外骨骼，酸化的海水不利于生物合成，會(huì)嚴(yán)重影響它們的生存，從而危及到整個(gè)海洋食物鏈。圖中的生物是翼足類動(dòng)物，它是一種具有碳酸鈣貝殼的軟體動(dòng)物，幼體營(yíng)浮游生活。研究人員將它的貝殼放在當(dāng)前認(rèn)識(shí)水平下，與2100年海水酸性和碳酸鹽含量相當(dāng)?shù)乃校?5天后貝殼就開始溶解。圖源@NOAA/美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局

雖然短期內(nèi)肯定不會(huì)引起大規(guī)模生物滅絕，但勢(shì)必會(huì)逐漸改變現(xiàn)有海洋生物的生存格局，從而進(jìn)一步影響到海洋養(yǎng)殖業(yè)和捕撈業(yè)，并以這種方式影響人們的餐桌——海洋為人類提供了18%的蛋白質(zhì)來(lái)源，它們不光是各種生猛海鮮，還有以海洋生物作為飼料的家畜家禽。一旦海洋的生態(tài)出現(xiàn)問題，人類社會(huì)將會(huì)發(fā)生不小的動(dòng)蕩。

夕陽(yáng)下的漁船 | 可燃冰開采對(duì)海洋環(huán)境的潛在沖擊，會(huì)通過復(fù)雜的食物鏈最終影響到每一個(gè)人。圖源@VCG

是的，人們需要關(guān)心可燃冰開采對(duì)于海洋環(huán)境的潛在沖擊，這不僅因?yàn)閷?duì)于可燃冰的各種認(rèn)識(shí)仍然過于粗淺，而且暫時(shí)還沒有很好的監(jiān)測(cè)手段和可靠模型，更因?yàn)樗材苡绊懙侥阄绎堊郎系氖澄铮绊懙阶訉O后代的食物。

海鮮 | 對(duì)于普通人而言，關(guān)注可燃冰開采風(fēng)險(xiǎn)，最終會(huì)回歸到食物安全問題。圖源@VCG

可燃冰只是地球上存在了億萬(wàn)年，并將繼續(xù)存在億萬(wàn)年的一種物質(zhì)，是這顆星球生生不息的碳循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)并不起眼的小齒輪。它究竟是未來(lái)能源之星，還是將要影響人類社會(huì)的魔鬼，決定權(quán)其實(shí)在于人類。

在于人們選擇怎樣的開發(fā)策略，在于保持高度謹(jǐn)慎徐徐圖之；在于充分做好風(fēng)險(xiǎn)研判和科研跟進(jìn)，在于提高從業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知水平。

也在于整個(gè)社會(huì)的你我他，能夠認(rèn)識(shí)到可燃冰這種物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，和背后尚存的諸多未知。

| END |

策劃撰稿 ｜ 云舞空城

視覺設(shè)計(jì) ｜陳隨

地圖設(shè)計(jì) ｜鞏向杰

圖片編輯 ｜ 謝禹涵

內(nèi)容審校 ｜ 張楠

封面來(lái)源 ｜圖蟲創(chuàng)意

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原標(biāo)題：《可燃冰，未來(lái)能源之星還是滅世惡魔？》

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