冻土中的天然气水合物:天使还是魔鬼?丨地球呼叫

编者按:太空探索的脚步越广阔,我们就越发意识到:地球的宜居是一个多么偶然,又是多么幸运的奇迹。而且在未来很长一段时间内,我们无法指望着能省心地逃离这里,对这颗一直在庇护我们的星球用完即弃。
4月22日世界地球日,我们以“地球呼叫”之名,邀请科学家们共同聆听来自地球的日益紧急的呼叫与悲鸣、生命的赞歌与悼曲,分享自己的观察和见解,并一起探寻因应之道。
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全球变暖的背景下,冻土的加速融化作为一大标志现象,一直备受关注。而冻土的显著退化,又会给我们带来怎样的影响呢?冻土中蕴藏的天然气水合物,究竟是天使还是魔鬼?
在开始讨论之前,我们需要先了解一下什么是冻土。
什么是冻土?
在地质学上,冻土层是指0℃以下,并含有冰的各种岩石和土壤,一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及永久冻土(数年以上)。冻土层处于水的结冰点以下超过千百年甚至数万年的状况,称为永久冻土。地球上永久冻土面积占陆地面积的25%,主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部,南半球陆地面积少,冻土的面积少。另外,有些高山上的温度常年也都低于零度,如美洲的安第斯山脉,非洲的乞立马扎罗山以及我国的青藏高原,所以中低纬度的高山和高原上也存在永久冻土。对于地球来说,永久冻土层就像是一个巨大的天然冰箱,被“封印”在其中的除了各种史前大型生物以及现代人类未曾接触过的细菌与病毒,还有一种可以“燃烧后的冰”——天然气水合物。
图片北半球冻土层的分布 (图片来源:全球冻土层逐渐消融,动物木乃伊出土,远古病毒将被释放? https://baijiahao.baidu.com/s?id=1708240295458644553&wfr=spider&for=pc)
什么是天然气水合物?
天然气水合物,是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质,因其外观像冰,遇火即燃,因此俗称“可燃冰”。2017年5月,我国首次海域天然气水合物试采成功,中共中央、国务院向参加这次任务的全体参研参试单位和人员发去贺电,因而海域天然气水合物被大家所熟知。
图片天然气水合物样品 (图片来源:十九次出海探矿寻宝,我就是在大洋中乘风破浪的姐姐 | 韩喜球_科普中国网 https://www.kepuchina.cn/more/202103/t20210310_2972485.shtml)
冻土区天然气水合物主要分布在哪?
除了海域天然气水合物,在陆地上存在天然气水合物吗?对照天然气水合物的形成所需的低温高压环境,我们可以发现冻土区可谓是形成天然气水合物的“风水宝地”。事实也是如此,陆地上天然气水合物主要分布于高海拔、北极地区的永久冻土区,目前已经确认富含或可能富含天然气水合物资源的永冻带地区有:丹麦格陵兰、挪威斯瓦尔巴特群岛(Svalbard)、俄罗斯东北西伯利亚与勘察加地区、俄罗斯Timan-Pechora盆地、俄罗斯Lena-Tunguska盆地、俄罗斯西西伯利亚盆地、加拿大Sverdrup盆地、加拿大Mackenzie三角洲-Beaufort海域和美国阿拉斯加地区,其中加拿大Mackenzie三角洲是目前世界上冻土区水合物研究最为详细的地区。
我国冻土区存在天然气水合物吗?
中国是世界上第三冻土大国,在青藏高原和大兴安岭地区存在着大片冻土区,多年冻土面积达215 × 104km2。从1999年开始,我国一些专家陆续提出了在青藏高原开展水合物调查研究的建议,2002年中国地质调查局开始设立调查研究项目,2008年11月5日在祁连山木里地区发现天然气水合物实物样品,使我国成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家,具有重要的科学意义和经济意义。
全球气候变化对冻土区天然气水合物有什么影响?
天然气水合物广泛分布于全球大洋海域、以及陆地冻土层,据估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍,因其燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水,污染远小于煤、石油等,因此被认为是一种清洁能源,被各国视为未来石油、天然气的战略性替代能源,是世界瞩目的战略资源。这是天然气水合物向我们展示出来的“天使”一面。
然而,天然气水合物也有其“魔鬼的”一面。受全球气候变暖影响,永久冻土发生了显著退化,导致天然气水合物的稳定环境遭到破坏,引起甲烷大量释放。而甲烷在导致全球气候变暖方面所起的作用比二氧化碳要大10~20倍,一旦沉睡中的宝藏受到“惊扰”,从而引发强烈的温室效应,这反过来又进一步促使天然气水合物的分解,造成一种恶性循环的局面。
目前,“碳达峰 碳中和”已经深入人心,对于温室效应带来的灾难性后果,大众已经有了越来越清楚的认识,我们要不断减少碳排放,减缓温室效应,让可以“燃烧的冰”真正成为我们的天使。
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资料来源:
1.冻土层,科普中国·科学百科. https://baike.baidu.com/item/冻土层/3190711?fr=aladdin
2.天然气水合物,百度百科. https://baike.baidu.com/item/天然气水合物/1501849?fr=aladdin
3.冻土区——天然气水合物形成的“风水宝地”. https://zhuanlan.zhihu.com/p/600353780
4.全球气候变暖导致青藏高原多年冻土显著退化. https://m.gmw.cn/baijia/2021-10/20/35244933.html
5. 地球上神秘的一种固态燃料,它是“天使与魔鬼”的混合体!https://baijiahao.baidu.com/s?id=1663138526992136581&wfr=spider&for=pc
6.中国天然气水合物资源潜力及试开采进展,沉积与特提斯,2021,41(4):524-535.
7.中国天然气水合物赋存特征,天然气工业,2020,40(8):1-24.