北極冰雪世界的甲烷泄漏危機(jī)，這究竟是怎么一回事？

根據(jù)《地球物理研究快報(bào)》發(fā)布的消息，美國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、加拿大和挪威等八個(gè)環(huán)北極國家的永久凍土區(qū)。其中北冰洋占北極地區(qū)總面積的60%，其余約800萬平方千米為陸地。

北極地區(qū)的陸地和海洋地形圖 （圖件來源：GEBCO海洋基礎(chǔ)水深圖庫）

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。在過去的75年里，人們在北極地區(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，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)更明顯的升溫過程，一方面導(dǎo)致北極的冰川開始消退，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，反過來加重氣候變暖。天然氣從沉積物中逃脫出來進(jìn)入大氣的過程，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，大氣中甲烷的含量逐年上升，在過去150年內(nèi)，大氣中甲烷的含量從850 ppb增加到~1750 ppb，增量超過一倍。據(jù)聯(lián)合國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，而另一半主要來源于自然排放，如濕地、野生動(dòng)物、海洋和地質(zhì)來源等。

近30年來全球大氣中的平均甲烷含量變化圖 （圖件來源：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15萬個(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

一是表層來源的甲烷泄漏。這些甲烷非常年輕，在以百萬年計(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為淺層來源的天然氣泄露；小型b和大型c為深層來源天然氣泄漏；d為無人機(jī)拍攝的冰洞

第二種類型為深層來源的甲烷泄漏，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。與表層來源的甲烷泄漏相比，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)深層來源的甲烷泄漏點(diǎn)，每天可泄漏多達(dá)14萬升的甲烷。

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，最常見的有管狀蠕蟲、雙殼類、螺蟲類和微生物菌等。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為原位觀測站，C為白色菌席，D、E為灰色菌席，F(xiàn)為管狀蠕蟲

甲烷氣泡從海底冒出來進(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)家主要通過水下攝像對(duì)氣泡羽流進(jìn)行觀測。通過測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了。不過水下攝像的成本高昂，而且探測范圍有限，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)常被漁民用于探測魚群，通過回聲原理它能快速探測到茫茫水體中魚鰾里的氣體，從而鎖定魚群位置。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)的魚群區(qū)分開來。

圖左為海水中氣泡羽流的聲吶探測示意圖，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。剛從海底出來的氣泡主要由甲烷組成，但在上升過程中，甲烷不斷的溶解進(jìn)入水中，而水中的來自大氣層的氧氣、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濾器，大大降低了海底沉積物向大氣排放甲烷的量?？茖W(xué)家通過數(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 （圖片來源Sauter E.）

近二十年來，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)，從南邊過來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。有人指出，日益變暖的北大西洋暖流給該地區(qū)帶來溫暖的海水，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（圖片來源圖片來源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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