天然气水合物环境及工程响应

(1)天然气水合物的环境效应

天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双重作用：一是水合物中甲烷气直接或通过化学和生物化学以CO2的形式间接释放进入大气；二是低碳的甲烷可替代多碳石化燃料而降低人为温室气体的排放。天然气水合物在自然界中极不稳定，温压条件的微小变化就会引起它的分解或生成。在路易斯安那州海外水深500m以下，拍摄到天然气水合物小丘和丘群，由1992和1993年的录像的对比辨识出一个小丘的消失和另一个小丘的新生。在小于周围连续释放的气流含69.6% CH4、6.3% C2H6、1.7%C3H8、11.4% N2、8%CO2及微量丁烷、戊烷、氧气。在沉积层中，有机质和CO2在细菌作用下可生成大量甲烷，深成作用亦可使地质历史时期埋藏的有机质转化成天然气，在适宜的温压条件下就可形成天然气水合物。另一方面，天然气水合物在温度增高或压力降低就会分解，向大气释放甲烷。由于天然气水合物蕴藏量极大，其甲烷的吞吐量也极大；因此，天然气水合物是地圈浅部一个不稳定的碳库，是全球碳循环中的一个重要环节，在地圈与水圈、气圈的碳交换中起到了重要作用。

甲烷是一种活动性强的温室气体，它对全球气体变暖的影响比相当量的二氧化碳大20倍。更新世时期全球气候变化(海退)引起海陆环境内天然气水合物释放出大量甲烷，这些甲烷气体也反过来引起全球气候变化。全球变暖，冰川及冰盖融化，引起海平面上升；海平面上升造成水下静水压力增大，增大天然气水合物的稳定性，而水温的上升又起相反的作用。对多数陆缘海底天然气水合物来说，水深均大于300～500m，海平面的升降及海底水温变化都对天然气水合物有影响。上述变化也因天然气水合物赋存区所处纬度不同，天然气水合物的稳定与不稳定变化关系也有所差别。对英国人陆架面积约60万km2海域的测量表明，每年逸出而进入大气的甲烷量达12万吨到3.5百万吨，占整个英国甲烷排入量的2%～4%。因此，对广泛分布海底天然气水合物的海区来说，这种排放情况更突出，成为开发利用天然气水合物工作需要先行监测研究的重要课题。

海底的海水温度的升高可能导致水合物的分解和甲烷气体的释放。释放的甲烷气体被加入到全球碳储量中。它可以通过冒泡或者扩散到水柱中、可以通过海水的流动进行水平对流、在水柱中进行化学和生物化学反应、并且如果甲烷气体的释放速度超过了氧化速度将最终通过冒泡进入到大气中。由于这种释放可以导致一种级联效果，对气候影响的潜力非常大。包括大气层的扩大、海洋温度的升高和加速现存的水合物的分解。最近的深海调查发现麻坑等构造说明在过去大量的流体从海底释放出来。水合物的分解和释放是其中的一个可能原因。联合储存器和海洋碳循环模型的数值计算研究表明在百年这个尺度上对气候的变化有明显的影响。最近对海洋温度变化引起的水合物的分解的模拟表明在十年这个尺度上储存较浅的水合物可以释放山数量极大的甲烷气体，而这仅仅需要在水合物储存区的沉积物中增加1℃的热量。相反，对寒冷的深海区的水合物的行为模拟研究并没有显示大范围的不稳定现象或者甲烷气体的释放。

(2)天然气水合物的工程地质响应

Sultan等[2004]对天然气水合物的分解对海底边坡稳定性的影响作了新的研究。他们把温度、压力、孔隙水化学性质以及平均孔隙大小分布等因素考虑进去，对土壤中水合物的热动力学化学平衡进行了研究。模型运用基于能量守恒定律的焓形式的公式，这种改进的模型显示，由于温度和压力的增高，水合物将会在水合物赋存带的顶部分散开以确保同周围的水达到化学平衡，这同试验得出结果一致。并且使用这一模型对挪威大陆边缘的Storegga大滑坡进行了实例分析，在计算中考虑进海平面变化及海水温度变化对静水压力的影响。模拟结果表明天然气水合物的在滑坡的顶部分解，从而打破了以往水合物只在赋存带底部分散的认识。

海底地质灾害是天然气水合物资源开发研究的重要内容。天然气水合物与海底滑坡有关早在20世纪70年代就认识到了。美国大西洋大陆边缘填绘出近200个滑坡，被认为是海平面下降，同压降低，甲烷气体从分解的天然气水合物中游离出来，造成边坡不稳定引起的。

同时，该海域多数滑坡均分布在天然气水合物分布区内或其附近也说明了这一点。在其它海域的海台塌陷也与天然气水合物有关，如西南非洲陆坡和海台、挪威陆缘、波弗特海陆缘、里海、北巴拿马陆架和加拿大纽芬兰。一旦滑坡起动，水合物层之下的游离气就会沿裂隙上升，原米处于亚稳定状态的水合物也将分解释放甲烷气体。研究表明绝大多数大型滑坡与天然气水合物失稳，或者说与崩塌物质在水合物之上“滑翔”有关。海底滑坡与水合物之间二者相互作用，一方面，海底滑坡为天然气水合物的形成提供了丰富的物质条件，有利于水合物的形成；而水合物的形成又对滑塌堆积的松散沉积物起固定作用；另一方面，天然气水合物分解时释放出的气和水增大了孔隙压力，从而使沉积物滑动，又可造成新的海底滑坡。因此，在开发利用海底天然气水合物时应该充分考虑并研究海底地质灾害，设计可行的技术方案。

在海洋堆积物里，天然气水合物形成时能够在孔隙中产生一种胶结作用，致使大陆斜坡带处于明显较为稳定的状态。由于压力和温度条件发生变化而引发天然气水合物释放时，首先会导致大陆斜坡带较多部位产生失稳现象，在那里会形成巨大的滑塌块体滑入深海，并使深海生态环境遭受灾难性后果(图8.20)。

图8.20 海洋天然气水合物环境和工程地质效应的综合示意图

根据先前对海底的探测的结果，科学家解释说，8千年前位于挪威大陆边缘总量大约5600m3的沉积物从人陆坡上缘向挪威海盆滑动了800km，巨量的泥土推开海水引起的海啸造成毁灭性的后果，可怕的浪涛突然间吞没了海岸线。科学家猜测，这个极为著名的Storrega海底山崩事件，大概是由于天然气水合物释放而形成的世界著名的最大滑体之一。

天然气水合物作为可能的封闭矿床的盖层有利于向上运移的烃类化合物的聚集，但是钻井时如若钻遇在天然气水合物近旁形成的这种气体储集库，有可能出现爆炸式的压力释放，也即所谓的“blow outs”。科学家认识到，天然气水合物的脆弱性对井位的选择、钻探和下套管的方案具有重要的影响，天然气水合物处于失稳状态当然也会对海底的管道、电缆等工程设施及施工造成威胁，甚至造成可怕的后果。

南海北部陆坡发现大量天然气水合物存在的地质、地球物理和地球化学标志。其中特征清晰典型、多证据并存的水合物赋存区与海底滑坡的分布范围相吻合，说明水合物与海底滑坡之间有着极其密切的关系。

南海北部陆坡发育的海底滑坡，以松散结构的高含量粉粒为特征，具有较高的含水率、孔隙比和有机碳以及高含量的烃类气体，为天然气水合物的形成提供了丰富的物质来源和储集空间，水合物的形成又可固结滑塌堆积的松散沉积物；然而，天然气水合物的分解又可造成新的海底滑坡。

根据天然气水合物稳定的温压条件，它至少在始新世末就已存在，当时海洋冷水圈(水温＜10℃)已形成。在这以前，晚白垩世及古新世的底层海水温度估计为7-10℃，在较深水部位也可能形成较薄的天然产水合物层。在适宜的条件下形成的天然气水合物充填于沉积层物的空隙中，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，水合物层的底部变得不稳定，释放出远大于水合物体积的甲烷，形成一个充气层，降低了沉积物的强度，导致大范围的滑坡。在渐新世以前不存在大的冰盖，在出现较长时间的低水面时天然气水合物的不稳定化可能成为海底滑坡及浅层构造变动的一级动因。在早始新世末(49.5Ma)及渐新世中期(30Ma)有两次海平面下降事件，都伴随有人型滑坡。新泽西州陆缘的地震剖面的分析表明在早第三纪发生了四次大滑塌，都对应于主要低水面期。更新世冰期时海平而下降约100m，陆架和陆坡的静水压力降低约1000kPa，使天然气水合物的稳定深度下降约20m。这可能是当时在世界范围内发生普遍陆缘滑坡的原因。天然气水合物与海底滑坡的可能联系在世界各地都有报道，重新研究陆缘的地震剖面和地层数据，分析在天然气水合物稳定深度内的浅层构造现象，将可能找到更多地质历史中存在天然气水合物的证据。

水合物分解所带来的负面影响引起了有关专家的高度关注。Ogisako等认为，分析海底含水合物沉积的变形机制，应对海底表面变形机制以及含水合物层的变形机制分别加以研究。含水合物层中水合物分解，可以用掘进模型予以描述。Ogisako等进一步把日本南海海槽海底沉积物分成黏性土和砂质土两种类型，两种类型的土质具轴对称特征且符合黏弹性模型。在上述假设的基础上，Ogisako等利用有限元法对日本南海海槽含水合物沉积在水合物分解时的变形机制进行了研究。

日本的另一位地质学家Masayuki等也对含水合物沉积物十力学特征进行了研究，他的实验方法是通过设计一个排水系统，然后在该系统中放入实验室合成的水合物和砂，然后观测水合物分解时含水合物沉积的变形机制。该排水系统采用了二维压力技术，从而使得该排水系统能够模拟深水环境下的压力体系，此外，Masayuki等设计的排水系统还能够控制水注入和排出的速度。

海底水合物的分解，除导致海底稳定性降低，并出现海底滑坡之外，还会导致海啸的发生。以美国为例，其东海岸、墨西哥湾、西海岸、阿拉斯加和夏威夷等地的海啸在幅度和频度方面都有所增强。一些研究表明：海啸所产生的危害，要比人们想象的还要严重许多。针对目前存在的问题，美国方面已经开展了海啸的调查和研究，以进一步搞清海啸发生的频度、幅度、潜在危害评估、形成机制以及和水合物分解之间的关系等。

在对现代地质环境和灾害进行研究的基础上，地球科学工作者对地质历史时期的环境及灾害事件又重新开始关注。古生物学家针对地质历史时期几次大的生物灭绝现象提出了各种各样的假说。如泥盆纪晚期动物的灭绝现象，广泛分布的黑色页岩使众多的地质学家相信是全球性的缺氧事件导致了该次生物的人灭绝。最新的碳同位素测试数据显示：伊朗和中国南部一些地区标准剖面上δ13C分别降低了-5‰和-1.5‰。碳同位素异常与全球碳循环的扰动有关，与此相对应的是氧同位素的测试结果也显示了类似的异常。上述现象说明了一个全球性的变暖事件。由于气体水合物中甲烷的释放，导致全球变暖，从而最终导致了生物的灭绝。

北部墨西哥湾的布什山水合物渗流站位上有天然气水合物的地面露头。最新设计的流体通量测量仪/化学取样器叫做MOSQUITO，被部署在布什山已经有430天，确定地下动力流通量如何影响天然气水合物稳定性，并量化相关的入海甲烷的通量。其中3台流体通量测量仪被放置在临近天然气水合物丘堤的一个露头处，而第4台用以监测背景条件。通量测量仪测量结果揭示了丘堤附近地面下水文学特征复杂而多变，伴随着-161～273cm/yr范围内的下降流到上升流的频繁活动，以及通量水平组分的暂时性变化。通量的连续化学记录表明了沉积物中天然气水合物活跃地形成。Solomon等提出，临近天然气喷出口(达4个月)的海水下降流的长周期由分压力驱动。流速的高频率变化(日-周)有可能源自沉积物渗透性和三维流体通量场的短暂变化，这是活跃天然气水合物和自生碳酸盐析出的结果，也是游离气出现的结果。天然气水合物形成归因于聚焦天然气喷出口长期的甲烷气析出，然后是更为弥散的晶间甲烷通量。从聚焦天然气喷出口横跨布什山冷泉的甲烷通量，其估算值为5×106mol/yr。这种显著的通量证实布什山和相似的西北墨西哥湾烃类渗流可能是重要的进入海洋抑或大气中的甲烷的自然来源。

“甲烷喷发假说”假设天然气水合物和海底渗流是控制第四纪大气和气候变化的主要地质因素。然而，甲烷地质来源存在着更广泛的类别，在过去气候变化中发挥重要作用。除了近海渗流，相关的甲烷地质散发(GEM)还来自陆上渗流，包括泥火山活动、微渗流和地热通量，全部的GEM是现在大气中甲烷的第二重要自然来源。陆上GEM进入大气的甲烷量似乎要胜过海上的渗流。陆上来源向大气中输送同位素值显著较重(富13C)的甲烷，主要受内生地质作用(地球动力学)的控制，导致地质年代尺度和千年尺度上人规模的气流变化，只有小部分是受控于外生(地表)地质作用，所以不为消极反馈所影响。大气中甲烷富集的最终影响不是如同“气水化合物爆发假说”所言，必然地需要灾变或者突发的释放。从米源的增强排气过程已经对冰心记录中观测到的甲烷趋势有所贡献，能够解释最近的观测中发现的晚第四纪甲烷浓度增加的峰值，以及伴随的重同位素甲烷的富集。这个假说应当经历基于大气、生物和地质指标的各种多学科交叉研究的证实。

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