海洋屏障能阻擋甲烷從海底“越獄”嗎

甲烷作為一種清潔能源和重要的化工原料，是人們?nèi)粘Ｋ锰烊粴獾闹饕煞?，深受人們的青睞。然而，當這種氣體大量釋放到空氣中引起的溫室效應，會對地球的生態(tài)環(huán)境造成不良影響，這又引起人們的擔憂。甲烷排放過程在自然界中普遍存在，目前大氣甲烷濃度正以每年0.5—1%的速度增長。

海底具有全球最大的甲烷庫存，主要以天然氣、天然氣水合物、石油、淺層氣等形式被牢牢封存于沉積物中。然而總會有一些“頑固”的甲烷分子，試圖逃脫海洋系統(tǒng)（沉積物、海水、微生物等）的層層束縛，逃逸到大氣層中，造成全球氣溫上升、冰川融化、海平面升高等一系列不良影響。為防止它們大規(guī)?！霸姜z”，海洋系統(tǒng)為此設(shè)置了沉積物和水圈兩道防線。

第一道防線——沉積物分布大量“獄警”

海底沉積物可以作為致密的“城墻”儲存各種形式的甲烷，也可以成為阻止甲烷分子向上逃逸的第一道防線。在沉積物這道防線中，密密麻麻分布著大量的“獄警”——微生物大軍，時刻巡邏監(jiān)視。這些微生物大軍的統(tǒng)帥是甲烷厭氧氧化古菌。這類古菌有三大家族，在沉積物中各顯其能，聯(lián)合硫酸根還原菌、鐵錳還原菌、硝酸根還原菌等各路“人馬”，共同消滅試圖逃逸的甲烷分子。

在微生物大軍的圍追堵截下，試圖逃逸的甲烷分子約有80—90%會被微生物消滅。當然，在一些沉積物地層裂縫中，由于試圖逃逸的甲烷通量過大，微生物來不及消滅，會有一小部分甲烷分子成功突破第一道防線，逃逸到海水環(huán)境中。據(jù)估計，這些沉積物中的微生物大軍，每年可以消滅掉約3.42億噸的甲烷分子，另外約有40—1220萬噸甲烷分子能越過沉積物防線逃逸到海水中。

第二道防線——水圈的保護作用

對于那些成功突破海底沉積物這一防線的甲烷分子來說，就算“越獄”成功還要突破第二道防線——水圈。從海底沉積物逃逸出來的甲烷分子，能否順利到達海面進而進入大氣層，會受到很多因素的影響，包括海水深度、海水溫度、水體環(huán)流運動、甲烷上升速率、甲烷溶解速率、甲烷氧化作用等。

逃到海水中的甲烷首先會給自己穿一件“防護衣”，即在氣泡表面形成一層甲烷水合物膜。這件“防護衣”能夠保護它們不會被海水溶解。然而，在甲烷氣泡不斷上升的過程中，由于壓力減小、氣泡體積變大，“防護衣”被逐漸撐破，因而甲烷只能溶解到海水中。

這時，微生物大軍又開始不斷進攻這些逃逸的甲烷分子。由于海水環(huán)境中含有氧氣，甲烷厭氧古菌難以進入該領(lǐng)地，現(xiàn)在的“統(tǒng)帥”則變成了甲烷有氧氧化細菌。甲烷有氧氧化細菌也是個大家族，能夠利用不同的代謝途徑消滅甲烷。

觀測研究結(jié)果表明，在超過600米的深海水域中逃逸的甲烷幾乎難逃被消滅的命運，但在不超過50米的淺水域的甲烷滲漏區(qū)，由于海水水層較薄，這里的甲烷分子能夠較輕易地逃脫海水的束縛，順利進入大氣中，即使海洋具有全球最大的面積占比和甲烷庫存，但是依托于沉積物和水圈這兩道防線的防護作用，成功逃逸到大氣層中的甲烷微乎其微。

海底沉積物中蘊藏著大量的甲烷資源，具有良好的開發(fā)利用前景。天然氣水合物作為甲烷存在的主要形式之一，被認為是“21世紀最具開發(fā)潛力的新型清潔能源”，其儲量是全球煤、石油和天然氣總量的兩倍。然而，天然氣水合物開發(fā)所引起的甲烷泄漏等環(huán)境危害，是科學家乃至社會各界普遍關(guān)注的焦點。我國兩次海域天然氣水合物試采已成功證明了甲烷泄漏的可控性，但在未來大規(guī)模商業(yè)開采過程中，如何更好地利用海洋系統(tǒng)中的天然防線，加強科技創(chuàng)新和工程技術(shù)攻關(guān)，有效防止甲烷分子“越獄”到大氣層，仍任重道遠。

（作者系廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局工程師）