根據(jù)《地球物理研究快報(bào)》發(fā)布的消息,美國(guó)宇航局的研究人員在北極上空發(fā)現(xiàn)了大氣甲烷濃度正異常,出現(xiàn)異常的地區(qū)占所有調(diào)查面積的0.2%,主要與極地地區(qū)的湖泊、河流、池塘和濕地的甲烷排放有關(guān)。因?yàn)槿蜃兣?,?dǎo)致凍土層融化,北極地區(qū)的甲烷釋放量可能會(huì)大規(guī)模增加。
北極:冰封的石油和天然氣寶藏
一提起北極,人們自然而然的想到浩瀚的冰雪世界、絢麗多彩的北極光、憨態(tài)可掬的北極熊。北緯66°以北的北極地區(qū),包含被浮冰覆蓋的北冰洋,以及屬于俄羅斯、美國(guó)、加拿大和挪威等八個(gè)環(huán)北極國(guó)家的永久凍土區(qū)。其中北冰洋占北極地區(qū)總面積的60%,其余約800萬(wàn)平方千米為陸地。
北極地區(qū)的陸地和海洋地形圖 (圖件來(lái)源:GEBCO海洋基礎(chǔ)水深圖庫(kù))
這里除了有北極光、北極熊以外,北極地區(qū)還蘊(yùn)含豐富的石油和天然氣藏。在過(guò)去的75年里,人們?cè)诒睒O地區(qū)發(fā)現(xiàn)了約450個(gè)油氣田,常規(guī)石油儲(chǔ)量占世界的2.5%,常規(guī)天然氣占到了15.5%。
天然氣水合物,是由水和天然氣在低溫、高壓條件下形成的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣,但遇火即可燃燒,因此又被稱為“可燃冰”。研究發(fā)現(xiàn),1立方米的可燃冰固體可以分解釋放約164立方米的甲烷氣體。北極地區(qū)的凍土帶、湖泊和海洋沉積物中均存在巨大的甲烷儲(chǔ)庫(kù),同時(shí)極地地區(qū)極低的溫度為這些地區(qū)沉積物中水合物的形成提供了條件。在大氣和海洋的溫度壓力條件穩(wěn)定的情況下,天然氣水合物相當(dāng)于一個(gè)被冰封住的巨大天然氣藏。
然而,在氣候變化的大背景下,北極地區(qū)相較于其他地區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)更明顯的升溫過(guò)程,一方面導(dǎo)致北極的冰川開(kāi)始消退,另一方面對(duì)溫度、壓力條件極為敏感的可燃冰也不得不重新尋找合適的棲息地,從而原先被冰封在沉積物中的天然氣借機(jī)逃脫出來(lái),反過(guò)來(lái)加重氣候變暖。天然氣從沉積物中逃脫出來(lái)進(jìn)入大氣的過(guò)程,我們稱之為天然氣泄漏,而如果天然氣泄漏發(fā)生在海底,也被稱為“海底冷泉”。在北極地區(qū)的冰原和海底均發(fā)現(xiàn)了天然氣的大規(guī)模泄漏(天然氣主要成分就是甲烷)。
北極陸地的甲烷泄漏現(xiàn)狀及類型
在陸地上,沉積物釋放的甲烷會(huì)直接被排放到大氣中,從而對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。大氣中甲烷引起溫室效應(yīng)的強(qiáng)度是等量二氧化碳的21 – 25倍,是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體。然而,自工業(yè)革命以來(lái),大氣中甲烷的含量逐年上升,在過(guò)去150年內(nèi),大氣中甲烷的含量從850 ppb增加到~1750 ppb,增量超過(guò)一倍。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)估算,大氣中的甲烷有大約一半是人類活動(dòng)排放的,如水稻耕種、飼養(yǎng)牛羊、燃燒化石燃料等等,而另一半主要來(lái)源于自然排放,如濕地、野生動(dòng)物、海洋和地質(zhì)來(lái)源等。
近30年來(lái)全球大氣中的平均甲烷含量變化圖 (圖件來(lái)源:世界氣象組織)
通常發(fā)育在極地和高原地區(qū)的凍土帶并不被認(rèn)為是大氣甲烷的重要來(lái)源,然而在氣候變暖的影響下,冰封在凍土里的甲烷已經(jīng)發(fā)生了大規(guī)模噴發(fā)。僅在阿拉斯加和格陵蘭島,科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)15萬(wàn)個(gè)甲烷氣泡泄漏點(diǎn),并將這些泄漏點(diǎn)分為以下兩種類型。阿拉斯加地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的天然氣泄漏位置如下圖:
圖中綠色圓點(diǎn)表示類型一:表層泄漏,黃色圓點(diǎn)表示類型二:深層泄漏,圓點(diǎn)大小代表天然氣泄漏的強(qiáng)度
一是表層來(lái)源的甲烷泄漏。這些甲烷非常年輕,在以百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間尺度上不值一提。它們主要由地表的近現(xiàn)代生物死亡后,被微生物厭氧分解產(chǎn)生的。有機(jī)質(zhì)的碳十四年齡表明北極地區(qū)在更新世時(shí)期沉積了大量的有機(jī)碳,而這些有機(jī)碳在冰川消退后,猶如從冰箱里拿出來(lái)的冷凍食品,很快會(huì)被分解形成甲烷,造成甲烷泄漏。下圖為天然氣泄漏穿透湖泊冰層形成的冰洞:
圖中a為淺層來(lái)源的天然氣泄露;小型b和大型c為深層來(lái)源天然氣泄漏;d為無(wú)人機(jī)拍攝的冰洞
第二種類型為深層來(lái)源的甲烷泄漏,這些泄漏的甲烷曾經(jīng)被北極的冰凍圈圈閉,但隨著冰凍圈的衰退和減薄被釋放出來(lái)。與表層來(lái)源的甲烷泄漏相比,深層泄漏的甲烷由于埋藏時(shí)間久遠(yuǎn),不再具有碳十四同位素組成。深層泄漏的甲烷主要由沉積深部有機(jī)質(zhì)的微生物分解或熱裂解作用形成,原本儲(chǔ)存在沉積盆地深部的煤層、天然氣藏或天然氣水合物中。
在北極地區(qū),湖面的季節(jié)性結(jié)冰給研究這兩種類型的甲烷泄漏提供了良好的調(diào)查條件。在表層泄漏類型中,氣泡逸出緩慢,容易被捕獲到冰體中,有時(shí)在冰塊中形成數(shù)分米大小的小洞,直到數(shù)天或數(shù)周之后被完全凍到浮冰里面。與之相反,深層來(lái)源的甲烷泄漏強(qiáng)度大且速率快,能夠穿透0.2-2 m厚的冰層,形成了達(dá)300 平米的冰洞。單個(gè)深層來(lái)源的甲烷泄漏點(diǎn),每天可泄漏多達(dá)14萬(wàn)升的甲烷。
北極地區(qū)海底甲烷泄漏的標(biāo)志和特征
海底冷泉是發(fā)育于全球大陸邊緣極其普遍的地質(zhì)現(xiàn)象,常呈線性群產(chǎn)出,主要沿著斷裂帶、被埋藏古河道或被背斜樞紐等分布,或發(fā)育于泥火山和或泥底周圍,經(jīng)常伴隨產(chǎn)生大量自生碳酸鹽巖、生物群落、海底麻坑等較為宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象。冷泉活動(dòng)區(qū)域一般都是海底生命極度活躍的地方,和熱液生態(tài)系統(tǒng)并稱為“深海綠洲”。冷泉附近常發(fā)育有依賴這些流體生存的生物群,最常見(jiàn)的有管狀蠕蟲(chóng)、雙殼類、螺蟲(chóng)類和微生物菌等。因此,尋找這些特殊的生物群落是發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)海底冷泉的有力證據(jù)之一。
挪威岸外HMMV泥火山,A為沉積物取樣,B為原位觀測(cè)站,C為白色菌席,D、E為灰色菌席,F(xiàn)為管狀蠕蟲(chóng)
甲烷氣泡從海底冒出來(lái)進(jìn)入海洋水體中,形成氣泡羽流,這便是海底冷泉的另一個(gè)重要標(biāo)志,也是海底沉積物向海洋和大氣釋放甲烷的最主要形式。目前,科學(xué)家主要通過(guò)水下攝像對(duì)氣泡羽流進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)測(cè)量圖像中氣泡的尺寸和上升速率,便可得知有多少甲烷從沉積物中跑出來(lái)了。不過(guò)水下攝像的成本高昂,而且探測(cè)范圍有限,因此聲吶系統(tǒng)也經(jīng)常被用于搜尋水體中的氣泡羽流。聲吶系統(tǒng)經(jīng)常被漁民用于探測(cè)魚(yú)群,通過(guò)回聲原理它能快速探測(cè)到茫茫水體中魚(yú)鰾里的氣體,從而鎖定魚(yú)群位置。在聲吶反射圖譜中,氣泡羽流主要呈現(xiàn)為直立的火焰狀,這便能與千姿百態(tài)的魚(yú)群區(qū)分開(kāi)來(lái)。
圖左為海水中氣泡羽流的聲吶探測(cè)示意圖,圖右為聲吶圖譜
海水中上升的氣泡會(huì)不斷的與海水中的氣體進(jìn)行交換。剛從海底出來(lái)的氣泡主要由甲烷組成,但在上升過(guò)程中,甲烷不斷的溶解進(jìn)入水中,而水中的來(lái)自大氣層的氧氣、二氧化碳和氮?dú)獾戎饾u替代甲烷,成為羽流頂部的主要?dú)怏w成分。因此,海洋是海底甲烷泄漏的天然過(guò)濾器,大大降低了海底沉積物向大氣排放甲烷的量。科學(xué)家通過(guò)數(shù)值模擬指出,氣泡羽流僅在100 m以淺的海域能攜帶甲烷進(jìn)入大氣,而在更深的地區(qū)對(duì)大氣甲烷的貢獻(xiàn)很小。然而,在低溫的北極海域,甲烷氣泡從海底釋放出來(lái)后,極有可能會(huì)迅速包裹上水合物晶體這一厚實(shí)的“外衣”,從而阻礙甲烷氣泡和水中氣體的交換,順利將沉積物中的天然氣運(yùn)送到上層水體,甚至大氣中。
挪威岸外巴倫支海被水合物包裹的甲烷氣泡 (圖片來(lái)源Sauter E.)
近二十年來(lái),北極挪威斯瓦爾巴群島岸外的甲烷泄漏吸引了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注。在這個(gè)地區(qū),從南邊過(guò)來(lái)的北大西洋暖流與極地冷水團(tuán)相遇,而在氣候變暖的情況下,原先的暖-冷條件被破壞,可能觸發(fā)海底天然氣水合物的分解,從而造成更大面積的天然氣泄漏。這個(gè)地區(qū)的沉積物每年向水體釋放725-1125噸的甲烷,平均每平方米的沉積物每年向海水釋放2公斤的甲烷。
這些甲烷的泄漏顯然與天然氣水合物穩(wěn)定帶的變遷有關(guān),然而目前來(lái)看,氣候變化或人類活動(dòng)如何影響北極地區(qū)的天然氣水合物仍是一個(gè)未解之謎,為此,科學(xué)家們也紛紛提出了各種假說(shuō)。有人指出,日益變暖的北大西洋暖流給該地區(qū)帶來(lái)溫暖的海水,導(dǎo)致水合物分解。也有人指出,陸地冰川的消退加大了入海河流的流量,從而增加了入海的沉積物總量,給海底增加了負(fù)擔(dān),最終導(dǎo)致局部地區(qū)水合物分解。還有人認(rèn)為,北極地區(qū)的地殼猶如蹺蹺板的一端,原先巨厚的冰蓋把它的底部壓陷到地幔軟流層,而在冰川消退后,地殼開(kāi)始回彈,從而海水的深度降低,壓力變小導(dǎo)致水合物分解。
挪威斯瓦爾巴群島岸外的水體氣泡羽流分布圖(圖片來(lái)源圖片來(lái)源Mario Enrique Veloso Alarcón)
作者| 徐翠玲 青島海洋地質(zhì)研究所
審稿| 吳能友 青島海洋地質(zhì)研究所 研究員
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