可燃冰開采過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響

保嘉傲

摘 要：可燃冰是一種“綠色”、清潔的新能源，其儲(chǔ)量大、能量高、污染小的種種優(yōu)勢(shì)，為未來世界能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供了可能性。本文分析了可燃冰在開采過程中可能產(chǎn)生的各類環(huán)境影響，并提出了對(duì)未來此領(lǐng)域研究的展望。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；可燃冰；水合物開采；環(huán)境影響

Abstract：Natural gas hydrate is a type of“green”and clean new energy， which has the advantages of large reserves， high energy and light pollution， thus providing the possibility for the future adjustment of the energy structure of the world.This paper analyzes the various environmental impacts that natural gas hydrates may produce during the mining process， and the future research prospects in this field are put forward.

Key words：natural gas hydrate；combustible ice；gas hydrate mining；Environmental impacts

一個(gè)國(guó)家的飛速發(fā)展離不開能源的大量消耗。世界能源消耗主要來源于一次不可再生能源，且仍在持續(xù)增長(zhǎng)，嚴(yán)重污染了環(huán)境。能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整可使絕大多數(shù)環(huán)境問題得到緩解，可燃冰的出現(xiàn)為加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減輕環(huán)境負(fù)荷開出了一劑良藥。

“可燃冰”（Combustible ice），學(xué)名為天然氣水合物（Natural Gas Hydrate），是一種天然的、類似冰的結(jié)晶物質(zhì)，由天然氣和水在高壓低溫條件下形成。它被認(rèn)為是一種潛在的替代能源：可燃冰廣泛分布于深海沉積物或陸域永久凍土中，其儲(chǔ)量甚至超過了所有已探明的常規(guī)化石燃料（包括煤、石油和天然氣）的總儲(chǔ)量[1]。除此之外，1立方米的可燃冰可分解釋放出160-180立方米的天然氣。其能量密度是煤的10倍，且燃燒后不產(chǎn)生任何殘?jiān)蛷U氣，避免了污染問題。

基于種種能源優(yōu)勢(shì)，世界各國(guó)都對(duì)可燃冰展開了高密度的研究，近年來主要集中在可燃冰的勘探、CO2置換開采技術(shù)等方面。然而，在其開采過程中也會(huì)產(chǎn)生很多環(huán)境問題。

可燃冰僅在特定的溫度和壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定。一旦周圍環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，溫度-壓力平衡就會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致永久凍土和深海環(huán)境中的可燃冰發(fā)生解體，釋放出被困甲烷，從而產(chǎn)生各種強(qiáng)烈的環(huán)境影響。

1 引發(fā)海底滑塌

可燃冰的形成和分離對(duì)海洋沉積物的力學(xué)性質(zhì)有重要影響。當(dāng)液態(tài)水和溶解氣體結(jié)合形成固態(tài)水合物時(shí)，沉積物的抗剪強(qiáng)度增大。開采過程會(huì)導(dǎo)致水合物不穩(wěn)定，并分解成水和氣體。這種從固體到液態(tài)和氣態(tài)的轉(zhuǎn)變?cè)斐闪说貙拥目辜魪?qiáng)度的降低，進(jìn)而在某些部位產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，形成巨大的滑塌塊體滑入深海，并使深海生態(tài)環(huán)境遭受災(zāi)難性后果。有研究表明，大約7000年前，挪威海岸發(fā)生了由可燃冰引發(fā)的海嘯[1]。

2 破壞海洋生態(tài)平衡

2.1 海洋酸化

開采過程中釋放的甲烷可能導(dǎo)致海洋酸化。超過50%的溶解甲烷可以被微生物厭氧氧化而保留在海底。這些微生物將甲烷和氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳，從而對(duì)海洋pH值產(chǎn)生影響，增加海水酸度。

海洋酸化可能對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響。海洋系統(tǒng)的pH值降低，使得依賴于化學(xué)環(huán)境穩(wěn)定性的多種海洋生物面臨巨大威脅：影響海洋中的微生物多樣性、初級(jí)生產(chǎn)力和微量氣體的排放，控制群體感應(yīng)、細(xì)胞外酶活性和氮循環(huán)等微生物活動(dòng)。

2.2 海底生物滅絕

可燃冰與海底生物滅絕有著直接的關(guān)系。天然氣水化合物開采過程中釋放的甲烷將消耗大量氧氣，對(duì)好氧生物產(chǎn)生不利影響，甚至出現(xiàn)物種滅絕，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。有學(xué)者根據(jù)高分辨率碳同位素記錄，推斷出古新世與始新世時(shí)期海底可燃冰大規(guī)模釋放甲烷氣體，造成了大量海洋生物滅絕。一旦某些海底生物滅絕，海洋生物多樣性遭到破壞，便很難恢復(fù)。

2.3 加劇溫室效應(yīng)

可燃冰的開采過程中釋放出甲烷，到達(dá)大氣，可能加劇溫室效應(yīng)。目前還沒有確鑿的證據(jù)證明水合物生成的甲烷正在進(jìn)入大氣，但Cicerone等做過確定的假設(shè)：每年大約5百萬噸（Tg）的甲烷排放歸因于可燃冰的分解。這一數(shù)量的甲烷大約是每年從所有自然和人為來源得到的每年555 Tg甲烷排放量的1%。

甲烷的全球變暖潛值（GWP）為21，這意味著釋放到大氣中的一噸甲烷在100年內(nèi)的變暖潛力是一噸二氧化碳的21倍。開采過程中甲烷大規(guī)模泄露可加劇溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣溫上升；全球氣溫升高引起凍土消融、海平面上升，將進(jìn)一步加劇海底地層中可燃冰的失穩(wěn)分解，形成惡性循環(huán)。這種氣候變暖與可燃冰分離甲烷的協(xié)同作用，助長(zhǎng)了一種普遍的看法，即全球變暖可能會(huì)導(dǎo)致可燃冰儲(chǔ)層發(fā)生災(zāi)難性的甲烷釋放。大規(guī)模甲烷釋放，除了導(dǎo)致全球大幅溫度上升，威脅居住地，海平面上升后還會(huì)造成海岸侵蝕、咸潮、海水入侵與土壤鹽漬化等嚴(yán)重災(zāi)害。

目前可燃冰還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采。但由于可燃冰污染小，能量高、儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，各個(gè)國(guó)家都對(duì)可燃冰進(jìn)行著高密度的研究，以尋找各種商業(yè)化開采的（下轉(zhuǎn)第247頁）（上接第242頁）可能性。我國(guó)對(duì)可燃冰的研究水平雖處于初級(jí)階段，其發(fā)展卻很迅速。2017年5月，我國(guó)首次海域可燃冰試采成功，這意味著在可燃冰的試采工藝上，我國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。在這個(gè)高速發(fā)展的過程中，更加不能忽視可燃冰開采過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響。

為了更好地解決可燃冰開采過程中潛在的種種環(huán)境問題，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)展望：第一，更充分的了解控制可燃冰形成與分布的地質(zhì)因素和其所處的海洋環(huán)境，能夠做到“精準(zhǔn)勘探”、“精準(zhǔn)開采”；第二，對(duì)天然氣水化合物可能產(chǎn)生的各種影響進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；與已知?dú)怏w成分建立聯(lián)系，開發(fā)模型：如尋求更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)和改進(jìn)的數(shù)值模型，更好地描述氣候水合物與全球變暖的協(xié)同作用；第三，對(duì)環(huán)境影響和環(huán)境保護(hù)的積極對(duì)策進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià)。環(huán)境影響的不可預(yù)知性和偶然性要求進(jìn)行更多、更全面的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和管理控制研究；最后，大力鼓勵(lì)國(guó)際合作與交流。目前全球可燃冰研究的進(jìn)行較為緩慢，國(guó)際間的合作與交流可以提升整體科研水平，應(yīng)大力提倡。

可燃冰的開發(fā)與利用仍處于實(shí)驗(yàn)階段，還未有成熟完善的開采技術(shù)以供使用，對(duì)其開采過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響和潛在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。還需要進(jìn)一步的長(zhǎng)時(shí)間探索，在有效開發(fā)利用的同時(shí)減輕其環(huán)境負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhao J，Song Y，Lim X L， et al.Opportunities and challenges of gas hydrate policies with consideration of environmental impacts[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2017，70：875-885.