可燃冰開采過程中產生的環境影響

保嘉傲

摘 要：可燃冰是一種“綠色”、清潔的新能源，其儲量大、能量高、污染小的種種優勢，為未來世界能源結構的調整提供了可能性。本文分析了可燃冰在開采過程中可能產生的各類環境影響，并提出了對未來此領域研究的展望。

關鍵詞：天然氣水合物；可燃冰；水合物開采；環境影響

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

一個國家的飛速發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，且仍在持續增長，嚴重污染了環境。能源結構的調整可使絕大多數環境問題得到緩解，可燃冰的出現為加快能源結構調整、減輕環境負荷開出了一劑良藥。

“可燃冰”（Combustible ice），學名為天然氣水合物（Natural Gas Hydrate），是一種天然的、類似冰的結晶物質，由天然氣和水在高壓低溫條件下形成。它被認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，其儲量甚至超過了所有已探明的常規化石燃料（包括煤、石油和天然氣）的總儲量[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，且燃燒后不產生任何殘渣和廢氣，避免了污染問題。

基于種種能源優勢，世界各國都對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置換開采技術等方面。然而，在其開采過程中也會產生很多環境問題。

可燃冰僅在特定的溫度和壓力范圍內穩定。一旦周圍環境條件發生變化時，溫度-壓力平衡就會遭到破壞，導致永久凍土和深海環境中的可燃冰發生解體，釋放出被困甲烷，從而產生各種強烈的環境影響。

1 引發海底滑塌

可燃冰的形成和分離對海洋沉積物的力學性質有重要影響。當液態水和溶解氣體結合形成固態水合物時，沉積物的抗剪強度增大。開采過程會導致水合物不穩定，并分解成水和氣體。這種從固體到液態和氣態的轉變造成了地層的抗剪強度的降低，進而在某些部位產生失穩現象，形成巨大的滑塌塊體滑入深海，并使深海生態環境遭受災難性后果。有研究表明，大約7000年前，挪威海岸發生了由可燃冰引發的海嘯[1]。

2 破壞海洋生態平衡

2.1 海洋酸化

開采過程中釋放的甲烷可能導致海洋酸化。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化為二氧化碳，從而對海洋pH值產生影響，增加海水酸度。

海洋酸化可能對海洋生態系統造成不利影響。海洋系統的pH值降低，使得依賴于化學環境穩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、初級生產力和微量氣體的排放，控制群體感應、細胞外酶活性和氮循環等微生物活動。

2.2 海底生物滅絕

可燃冰與海底生物滅絕有著直接的關系。天然氣水化合物開采過程中釋放的甲烷將消耗大量氧氣，對好氧生物產生不利影響，甚至出現物種滅絕，破壞海洋生態系統的平衡。有學者根據高分辨率碳同位素記錄，推斷出古新世與始新世時期海底可燃冰大規模釋放甲烷氣體，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。

2.3 加劇溫室效應

可燃冰的開采過程中釋放出甲烷，到達大氣，可能加劇溫室效應。目前還沒有確鑿的證據證明水合物生成的甲烷正在進入大氣，但Cicerone等做過確定的假設：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年內的變暖潛力是一噸二氧化碳的21倍。開采過程中甲烷大規模泄露可加劇溫室效應，導致全球氣溫上升；全球氣溫升高引起凍土消融、海平面上升，將進一步加劇海底地層中可燃冰的失穩分解，形成惡性循環。這種氣候變暖與可燃冰分離甲烷的協同作用，助長了一種普遍的看法，即全球變暖可能會導致可燃冰儲層發生災難性的甲烷釋放。大規模甲烷釋放，除了導致全球大幅溫度上升，威脅居住地，海平面上升后還會造成海岸侵蝕、咸潮、海水入侵與土壤鹽漬化等嚴重災害。

目前可燃冰還未實現商業化開采。但由于可燃冰污染小，能量高、儲量大等特點，各個國家都對可燃冰進行著高密度的研究，以尋找各種商業化開采的（下轉第247頁）（上接第242頁）可能性。我國對可燃冰的研究水平雖處于初級階段，其發展卻很迅速。2017年5月，我國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，我國處于國際領先地位。在這個高速發展的過程中，更加不能忽視可燃冰開采過程中產生的環境影響。

為了更好地解決可燃冰開采過程中潛在的種種環境問題，現提出以下幾點展望：第一，更充分的了解控制可燃冰形成與分布的地質因素和其所處的海洋環境，能夠做到“精準勘探”、“精準開采”；第二，對天然氣水化合物可能產生的各種影響進行實時監測；與已知氣體成分建立聯系，開發模型：如尋求更多的觀測數據和改進的數值模型，更好地描述氣候水合物與全球變暖的協同作用；第三，對環境影響和環境保護的積極對策進行全面的綜合評價。環境影響的不可預知性和偶然性要求進行更多、更全面的環境影響評價和管理控制研究；最后，大力鼓勵國際合作與交流。目前全球可燃冰研究的進行較為緩慢，國際間的合作與交流可以提升整體科研水平，應大力提倡。

可燃冰的開發與利用仍處于實驗階段，還未有成熟完善的開采技術以供使用，對其開采過程中產生的環境影響和潛在風險的認識也還遠遠不夠。還需要進一步的長時間探索，在有效開發利用的同時減輕其環境負荷。

參考文獻：

[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.