天然气水合物对环境的影响

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1、天然气水合物对环境的影响天然气水合物(Gas hydrate)是一种天然气与水的非化学计量型笼形晶体化合物，外观为 雪花或者松散的冰的固态化合物。目前发现的天然气水合物以I型结构的居多，天然气成分 主要是甲烷。1 单位体积的甲烷水合物能够包含标准状况下164单位体积的甲烷。甲烷是大 气中的一种衡量气体，现今大气中的含量约419 x 105 t相当于317 x 105 kg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。而且,甲烷氧化后生成的二氧化碳进入大气中,也会对全球环境产生影响。根 据预算,海底和两极永冻地带的天然

2、气水合物所蕴藏的甲烷总量是大气中甲烷量的3 000倍, 如果这些甲烷大规模释放出来,必将对大气成分和大气的热辐射性能造成重大改变,进而使全 球气候发生灾难性变化。因此,加强天然气水合物环境效应的研究对进一步探索全球变暖及 海洋环境与生态演变具有重要意义。天然气水合物不仅可以作为未来石油和天然气的替代资源，而且天然气水合物还有十分 重要的环境意义。由于天然气水合物中有两种温室气体甲烷和二氧化碳的大量存在，天然气 水合物与全球气候变化及地质灾害有着十分密切的关系。1. 天然气化合物对海平面的影响全球气温升高,陆地上冰川融化,所形成液态水注入海洋,使得海底的静水压力增大;但同 时全球的变暖,使得表层

3、水体温度升高,海流改变方向,经过顶底海水的循环,升温的海水影响 到某处蕴藏于海底松散沉积物中的天然气水合物。静水压力的升高有利于水合物的合成,与 水合物接触的海水温度的升高则使水合物趋于分解,但短期海平面升高对水合物影响不大,相 反,短时间内温度的升高对水合物的影响要远远大于该时期静水压力增大对水合物的影响,水 合物倾向于分解。温度持续升高,海平面不断提升,静水压力逐渐增加,海底水合物的连续分解, 导致沉积物孔隙度加大,海底沉积物的固结程度降低,当积累到一定程度时,即使微小的地质 活动亦可能引发全球大陆斜坡带发生大范围滑坡,如此规模的海底滑坡导致水合物分解形成 的甲烷大容量地迅速地排入大气中,

4、由此导致全球海平面突然升高。2. 天然气水合物使得温室效应全球变暖天然气水合物释放出甲烷气体而产生温室效应,可以中和气候变冷的程度,使气候的波动 趋于稳定,也可以进一步加剧气候变暖的趋势 ,结果使得全球性气候变得更不稳定,造成全球 气温灾难性的上升. 因此,甲烷天然气水合物在控制全球尺度的气候变化方面,起着不可忽视 的作用.但是高纬度的极地和中低纬度的陆缘海的天然气水合物对全球气候变化的反馈是不 同的。总的来说,极地的天然气水合物对气候变化有正反馈,而中低纬度陆源海的天然气水合 物对全球气候变化可能有负反馈,且在现代全球变暖过程中极地天然气水合物的正反馈起着 主导作用。在间冰期,全球变暖,冰川

5、和冰盖融化,永久冻土带地层中的天然气水合物由于温度 升高和压力下降而不稳定,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 的陆源海,一方面由于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 底静水压力增大,又使天然气水合物的稳定性增加。由于海水的热容量大,底层海水的升温不 会显著,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。在冰期,全球气候变冷,极地地区天然气水合物趋于稳定,促进了全球 气候变冷,而陆源海的天然气水合物变得不稳定,抑制了全球气候变冷。3. 影响海底生物种群甲烷气体从海底的天然气水合物中渗

6、出进入水体后 ,由于甲烷在海水中的溶解度很低(只是水的 0. 043) ,因此,甲烷将会发生一系列物理、化学和生物的反应. 在经过溶解、稀释和 氧化的过程中，甲烷(CH4 )气体可以与海水中的化学组成发生化学反应从而改变水体的物理 化学环境,最终影响海洋的生态系统. 如海水中主要阴离子 SO42 - 与 CH4 之间存在如下化 学反应:2 (CH2O) + SO42 - f 2HCO3-+ H2 S ,由于H2 S的形成，使原先生活在海底的某些海洋 生物将会不适应并在受CH4影响的水域中消失CH4进入水体后将发生氧化这会导致水体 的氧化还原界面的深度变浅. 例如,黑海最大的深度是 2 212

7、m ,它表现出世界上最大的还原 水体,但是,最近的测定结果显示:氧化/ 还原界面正在变浅,一个主要的解释是黑海较深的水 体中甲烷的含量增加. 氧化/ 还原界面变浅,已对渔业产生不利的影响. 有学者曾在研究引 起上新世末期全球气候变化证据时,对化石的分析显示,那个时期的阶地和海洋盐度曾急剧上 升,许多生活在海底沉积物中的单细胞生物灭绝 ,他们经过计算得出的结果表明,最合理的分 析是当时很可能发生了大量甲烷气体的释放4. 天然气化合物导致的自然灾害天然气水合物可能是引起地质灾害的主要因素之一。天然气水合物经常是作为沉积物的 胶结物存在，自然界的或者开发过程中导致温压的微小变化能够影响沉积物的强度，

8、进而引 起海底滑坡及浅层构造变动，诱发海啸、地震等地质灾害。如8000 年前发生的一次曾经在 欧洲沿岸引起强大海啸的海底塌方以及近期在地中海东部发生的滑坡都是这方面的实例。因 此天然气水合物对于海洋石油勘探、开发，海底输油管线、海洋钻井平台、电缆、遂道的建 设及运行，海洋及周边地区的交通安全都具有不可忽视的影响。作为未来能源的选择，天然气水合物具有双重性，既具有巨大的资源价值，也具有严重 的环境隐患。在对天然气水合物进行研究时，在了解气体水合物的存在模式、分布规律和资 源潜力的同时，也应了解其形成的地质条件和稳定所需的温压环境，了解天然气水合物的开 采模式和保护措施，认识其对气候和环境的影响。这就要求我们把天然气水合物的勘探、开 发、利用作为一个完整的系统来对待，在资源利用之前，必须有超前的防范措施，防止或尽 可能减少天然气水合物对环境造成的不良影响，以便我们能更好地发挥这种清洁能源的资源 优势。