天然气水合物与全球环境保护的关系_李其京

天然气水合物与全球环境保护的关系
荆门职业技术学院　李其京　许维秀
[摘　要]简要介绍了天然气水合物结构及地层天然气水合物资源利用的广阔前景;综述了天然气对全球气候的危害、对海底地质的灾害、对海洋生态的危害及利用水合物技术治理环境问题的有关前景。

[关键词]天然气水合物　灾害　环境效应
天然气水合物是一种由天然气(主要为甲烷和水形成类似冰状的固体物质,主要赋存于低温高压背景下的海底和陆地永久冻土地带。

自从20世纪70年代海洋油气勘探过程中在海底一定深度发现天然气水合物稳定层并采集到实物样品以来,人们对它的关注程度便日益提高。

实际上,人们对于水合物的兴趣主要集中于其在今后能源方面的战略地位。

据估计,全球所有天然气水合物蕴涵有机碳的总量约为1013t,是陆地上已探明的所有煤、石油、天然气等化石类燃料中有机碳总量的两倍,因而极有可能成为21世纪最主要的能源。

所以目前许多国家包括我国都制定了详细的天然气水合物的研究计划和发展策略,有的已进入试开采阶段。

天然气水合物的开发利用涉及两个方面的问题:从资源方面考虑,这一资源储量巨大,能够满足人类未来清洁能源的需求;从环境方面考虑,作为温室气体甲烷的最大载体,它的开发利用又可能是引发全球气候变化和海底地质灾害的重要因素。

因此,必须有超前的防范措施,以防止其对环境造成的不良影响。

天然气水合物的环境效应已日益引起世界各国的高度重视。

1.天然气水合物潜在的环境效应
1.1天然气水合物与全球气候的变化
甲烷是大气中的一种痕量气体,现今大气中的含量约4.9×105t(相当于3.7×105kg甲烷碳),并以每年约1%的速度递增。

由于甲烷气体呈辐射状活动,因而是一种极强温室气体,其温室效应是二氧化碳的21倍。

根据测算,海底和两极永冻带的天然气水合物所蕴涵的甲烷总量是大气中甲烷量的3000倍。

如果这些甲烷释放出来将对大气成分和大气的热辐射性能造成重大改变,进而影响全球气候。

虽然水合物沉积物释放出甲烷能引起全球气候的变化,但反过来也有可能,即气候的变化也可能引起水合物中甲烷的释放。

目前大多数学者认为,水合物释放甲烷与全球气候的变化是一个反馈过程,并且这种反馈过程在极地和中低纬度的陆架地区是不同的。

在间冰期,全球变暖,冰川和冰盖融化,永久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,释放甲烷,产生温室效应,对全球变暖产生正反馈。

同时,在中低纬度的陆缘海,一方面海水温度上升可使天然气水合物不稳定,另一方面由于海平面上升,海底静压力增大,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很显著,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。

在全球冷旋回期间,整个系统的变化与上述相反。

总的来说,极地的天然气显示,在最近的160ka期间,大气圈中甲烷浓度和当时的气温是紧密耦合的,都同时呈现出周期性的波动,这可能与天然气水合物对气候的反馈有关,在升温的初期,正反馈占优势,而后期则是负反馈为主导。

然而,如果某些特殊事件(如构造运动,大规模火山喷发等)造成大量的甲烷从天然气水合物中急剧释放出来,即发生所谓的“甲烷嗝”(met hane bur p),使反馈输入不能及时得以完整响应,那么释放的甲烷可能在短期内达到峰值,导致全球气温灾难性的上升。

发生在5500万年前古新世末期的LP T M (L ate P aleo cene T her mal M aximum晚古新世温度峰值)很可能就是这种情况。

那时海洋和陆地温度都发生了急剧上升,在世界范围形成了一次温度异常。

浮游有孔虫的氧同位素数据表明海洋深层水温度在1ka内从11℃上升到14℃,沉积物有机质中氧同位素的组成也发生了剧烈的变化,并且D3C在这个界面上严重负偏,而且计算机模拟表明,仅相当于现代水合物全球储量8%的分解就能得到与实际化石记录一致的结果,这些都为天然气水合物的分解是这次事件产生的原因提供了强有力的证据。

至于现代的全球变暖过程,Kv erv olden认为是极地天然气水合物的正反馈起着主导作用,因为极地含水合物的沉积物极易受到气候变化的影响,那些从前曾是极冷(-10℃～-20℃)的地区正被温暖的海水海侵。

估计这个过程释放的甲烷估计为3×1012g/a,占目前所有大气甲烷来源的1%。

1.2天然气水合物与海底的地质灾害
天然气水合物最主要的灾害效应是其在海底的分解能诱发海底滑坡,从而毁坏海底工程设施,如海底输电、通讯电缆、海洋石油钻井平台等。

正常地质背景下,在没有天然气水合物的沉积层中,大量微生物或热成因的甲烷和水在沉积孔隙空间内自由运移,而在水合物开始形成后,甲烷和水被固定,使孔隙空间减小并导致流体的运移速度变慢。

尽管水合物本身能作为准稳定的胶结物,但它代替液态水占据了孔隙空间,使矿物胶结和固结成岩的沉积过程受到阻碍。

当更多的水合物形成时,沉积物对气体或液体的渗透率降低。

最终水合物可以占据水合物稳定带沉积物内的大部分空间。

连续的形成使水合物的埋藏逐渐加深,最终埋藏深度的温度和压力将超过能使它稳定的范围,这时固态的天然气水合物将分解为气体和水,因此水合物稳定带底部的固结程度将降低,并且由于气体释放形成超压,在重力或地震扰动的条件下就有可能在脆弱带崩塌和海底滑坡。

大陆斜坡上的连续沉积和沉积物的深部埋藏也能造成水合物的分解,任何已形成的水合物都将在连续沉积的情况下埋藏得更深,由于地温梯度和连续沉积,水合物甚至将被埋藏到某一深度,那里的温度将不再使水合物稳定,为了调整和适应这种新的温压条件,天然气水合物将发生分解。

这时在水合物稳定带底部将产生一种强化的流状岩层,同样也会造成海底斜坡崩塌形成碎屑流、滑塌和滑坡。

海洋调查表明,与水合物有联系的海底滑坡通常具有以下三个特征:(1)可发生于坡度小于或等于5°的海底斜坡上;(2)滑坡体的顶部深度接近于天然气水合物分布带的顶部深度;(3)在滑坡体下面的沉积物层中几乎没有天然气水合物。

现在已经查清楚,世界各大陆边缘的海底滑塌、滑坡和浊流作用,以及里海和巴拿马北部近海的海底泥火山大多与海底天然气水合物分解有关。

最明显的例子是挪威外陆架,地震波资料显示该区域有着明显的似海底反射面(BSR),这是水合物存在的标志之一。

然而它也是世界上最大的海底滑坡——Stor r ega 滑坡发生所在地,它的范围从挪威西海岸一直延伸至冰岛南部。

研究证实,该地的滑坡曾经历了三个阶段:第一阶段发生在距今约30～50ka,导致3900km3的沉积物垮塌进入深海。

第二和第三阶段发生在距今约6～8ka,也造成了1700km3的沉积物移位。

Bo ur iak等研究后认为,至少St or reg a发生的第二次滑坡是由天然气水合物分解所触发的。

P aull等对美国大西洋大陆斜坡上的
—
115
—
CapeF ear滑坡体进行了放射性碳同位素研究后发现,大部分的岩芯都缺少14～25ka的沉积序列,因此认为这与最后一次冰期期间因天然气水合物分解而引发的多次坍塌事件有关。

另外还有位于西地中海的Balear ic深海大平原的巨型浊流层,它发生于距今约22ka,这和最后一次冰期海平面最低值发生的时间相吻合,表明这个浊流的发生是由海平面下降造成水合物分解的结果。

海底天然气水合物也是造成其他一些海洋灾害的原因。

由于水合物中含有超出自身体积100倍以上的气体,若遇断裂等构造作用,将引起水合物在瞬间爆炸般地分解,可形成密度为0.1kg/m3的气、水混合物,并在海面上形成强大的水动力流、涡流和气旋。

轮船、飞机、海上钻井设施遭遇这种环境会迅速沉到海底。

传说中的百慕大死亡三角区很可能就是该处海底蕴藏的储量巨大的天然气水合物的分解形成的。

1.3天然气水合物与海洋生态
海洋生物大都需从海水中吸取氧气,以维持生命活动。

但是,很多因素都会导致海水中氧气含量的减少,进而影响海洋生物的活动,甚至造成海洋生物灭绝。

在诸多的影响因素中,天然气水合物的分解是导致冰期中止和生物灭绝的主要因素,而海洋缺氧是海洋生物灭绝的直接原因。

天然气水合物的分解引起全球气候变化,必将制约着动物、植物的生长演化。

研究表明,海洋缺氧是导致海洋生物灭绝的直接原因。

K ats等认为海底沉积物中的天然气水合物分解释放出游离状的CH4气泡进入水体,并与海水中的溶解氧发生化学反应,导致氧浓度降低。

水体温度增高、溶解氧降低及其他一些变化,导致许多深海物种死亡或暂时消失。

赵省民认为,水合物分解引起的地质灾害也会导致海底生态环境恶化而殃及海洋生物。

松本良认为,地史时期生物的大规模灭绝可能与此有关,这一观点已得到一些学者的赞同。

M atsumoto和G1D ickens等根据海洋碳酸盐中D13C强烈的负偏移指出,天然气水合物的大量分解已经引起了古新世末期全球变暖、海洋缺氧、生物灭绝。

K1K aiho等认为,水合物释放的额外的甲烷一方面加速了全球变暖,另一方面消耗了海洋中的氧气和硫,导致了海洋缺氧,使深海有孔虫减少了30%～50%。

D1M1Raup和Jr1Sepkoski指出,F r asnian/Fam ennian边界事件是显生宙时期5个主要生物灭绝事件之一。

这个边界事件记录了物种多样性的大量减少。

二叠纪/三叠纪(P/T)生物灭绝事件是显生宙一次最大的灾难。

到目前为止,各国学者已经提出了很多种机制解释P/T边界事件,包括海洋缺氧或深海CO2的产生、温室效应、火山作用、天然气水合物中大尺度的甲烷释放及影响。

2.天然气水合物的环境应用技术
利用水合物技术是目前人类正在研究的解决温室效应问题的途径之一。

其基本原理是:利用CO2易于生成水合物的原理,将大气中的CO2分离并以水合物形式储存于海底深处(通常温度介于2～4℃,适合生成CO2水合物,且CO2水合物的比重大于海水,因此便于储存)。

此外,美国和日本均在研究将工业废气中的CO2生成水合物并存储在海底的技术,1997年还专门在比利时组织召开了第一届水合物技术与环境保护国际会议。

值得一提的是,O hg aki等在研究CO2和CH4混合气在280K条件下的气—液—固(水合物)三相平衡时发现,水合物相中的CH4可有选择性地被CO2置换。

这无疑预示着人类可将解决温室效应和开发天然气水合物相结合的可能性:用大气中的CO2置换天然气水合物中的CH4。

此外,基于水合物的污水处理技术也日益受到重视。

世界专利WO8910892介绍了利用水合物技术处理油田废水的方法:利用气体和油田废水中的水生成水合物,将沉积下来的水合物固体分离后,再进行分解,达到纯化废水的目的。

而N gan等则利用C3H8水合物法处理造纸厂的废水;Y oo n等研究了利用CO2水合物法处理酚水溶液的可行性。

3结论
(1)天然气水合物在世界范围内分布广、资源量大,是21世纪能够解决人类能源危机的最具开发前景的新型能源。

(2)开发天然气水合物容易引发温室效应、海底滑坡以及破坏海洋生态平衡等。

(3)在没有解决开发天然气水合物对自然界环境的影响问题之前,天然气水合物还不能像常规一次性矿产资源那样大量开采。

随着常规能源的日益减少和科学技术的发展,天然气水合作为庞大能源储备在人类社会的发展过程中必将发挥重要作用。

(上接第114页)受领导意识和其他各种因素的制约,图书馆员地位低,加上图书馆收入不高。

工作不被重视,很少有专业技术水平高的人愿意来图书馆工作,有的即使是来到图书馆工作,也是工作积极性不高,或者是干的时间不长就离开了图书馆,所以图书馆应加强激励机制,使工作人员的积极性得到最大限度的发挥。

4.4、强化版权保护意识
数字图书馆信息资源建设需要将各类型的文献信息资源经数字化处理后发送到网上提供服务,必然要涉及到版权问题,因此,资源的利用与保护问题会变得相当敏感,其中最突出的是版权保护,它涉及到如何保护作者、资源建设者和用户的合法权益,如果处理不好,必然为图书馆带来版权纠纷,因此,对版权的信息资源,在数字化以前,需要征求版权人的意见,此外,在数字化信息资源建设过程中,会形成增值加工的属于图书馆自己的版权资源,应采用相应的技术手段和法制管理措施,保护自己的版权。

所以加强版权保护意识对促进信息的加工、开发、流通、保护等各种功能的作用意义非常重大。

建立健全相关法律、法规,使作者、资源建设者和使用者建立制约、监督和协调机制,既能鼓励著作权人的积极性,又能让公众利益得到合理平衡。

4.5、提高认识,转变观念,加快数字图书馆建设
高职院校虽然在数字化建设中处于劣势,面对信息化的挑战,高职院校图书馆应行动起来,充分认识到信息化、网络化、数字化是未来图书馆的发展趋势和模式,国家信息基础工业设施的建设、信息资源共享的格局使处于劣势的高职院校图书馆与大馆之间的差距正在缩小,同时高职院校一定要改变低人一等的观念和守旧的思想,要冷静思考、科学筹划、少交学费、少走弯路、制定一个适合本校特点和发展的计划,加快本校数字图书馆建设的步伐,促进高职院校图书馆健康有序的发展。

参考文献
[1]谭详金.面对数字图书馆浪潮的思考.中国图书馆学报,2002(1):22
[2]孙永吉.地方高校藏书建设困境及对策.http//ww w. cpv 访问日期2005/3/1
[3]高文刘峰黄铁军.数字图书馆——原理与技术实现清华大学出版社2000/10
—
116
—。