北极地区|北极冰雪世界的甲烷泄漏危机，这究竟是怎么一回事？
根据《地球物理研究快报》发布的消息 ， 美国宇航局的研究人员在北极上空发现了大气甲烷浓度正异常 ， 出现异常的地区占所有调查面积的0.2% ， 主要与极地地区的湖泊、河流、池塘和湿地的甲烷排放有关 。 因为全球变暖 ， 导致冻土层融化 ， 北极地区的甲烷释放量可能会大规模增加 。
北极：冰封的石油和天然气宝藏
一提起北极 ， 人们自然而然的想到浩瀚的冰雪世界、绚丽多彩的北极光、憨态可掬的北极熊 。 北纬66°以北的北极地区 ， 包含被浮冰覆盖的北冰洋 ， 以及属于俄罗斯、美国、加拿大和挪威等八个环北极国家的永久冻土区 。 其中北冰洋占北极地区总面积的60% ， 其余约800万平方千米为陆地 。
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北极地区的陆地和海洋地形图 （图件来源：GEBCO海洋基础水深图库）
这里除了有北极光、北极熊以外 ， 北极地区还蕴含丰富的石油和天然气藏 。 在过去的75年里 ， 人们在北极地区发现了约450个油气田 ， 常规石油储量占世界的2.5% ， 常规天然气占到了15.5% 。
天然气水合物 ， 是由水和天然气在低温、高压条件下形成的类冰状结晶物质 。 因其外观像冰一样 ， 但遇火即可燃烧 ， 因此又被称为“可燃冰” 。 研究发现 ， 1立方米的可燃冰固体可以分解释放约164立方米的甲烷气体 。 北极地区的冻土带、湖泊和海洋沉积物中均存在巨大的甲烷储库 ， 同时极地地区极低的温度为这些地区沉积物中水合物的形成提供了条件 。 在大气和海洋的温度压力条件稳定的情况下 ， 天然气水合物相当于一个被冰封住的巨大天然气藏 。
然而 ， 在气候变化的大背景下 ， 北极地区相较于其他地区经历了一个更明显的升温过程 ， 一方面导致北极的冰川开始消退 ， 另一方面对温度、压力条件极为敏感的可燃冰也不得不重新寻找合适的栖息地 ， 从而原先被冰封在沉积物中的天然气借机逃脱出来 ， 反过来加重气候变暖 。 天然气从沉积物中逃脱出来进入大气的过程 ， 我们称之为天然气泄漏 ， 而如果天然气泄漏发生在海底 ， 也被称为“海底冷泉” 。 在北极地区的冰原和海底均发现了天然气的大规模泄漏（天然气主要成分就是甲烷） 。
北极陆地的甲烷泄漏现状及类型
在陆地上 ， 沉积物释放的甲烷会直接被排放到大气中 ， 从而对大气环境产生影响 。 大气中甲烷引起温室效应的强度是等量二氧化碳的21 – 25倍 ， 是仅次于二氧化碳的第二大温室气体 。 然而 ， 自工业革命以来 ， 大气中甲烷的含量逐年上升 ， 在过去150年内 ， 大气中甲烷的含量从850 ppb增加到~1750 ppb ， 增量超过一倍 。 据联合国政府间气候变化专门委员会估算 ， 大气中的甲烷有大约一半是人类活动排放的 ， 如水稻耕种、饲养牛羊、燃烧化石燃料等等 ， 而另一半主要来源于自然排放 ， 如湿地、野生动物、海洋和地质来源等 。
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近30年来全球大气中的平均甲烷含量变化图 （图件来源：世界气象组织）
通常发育在极地和高原地区的冻土带并不被认为是大气甲烷的重要来源 ， 然而在气候变暖的影响下 ， 冰封在冻土里的甲烷已经发生了大规模喷发 。 仅在阿拉斯加和格陵兰岛 ， 科学家就已经发现了超过15万个甲烷气泡泄漏点 ， 并将这些泄漏点分为以下两种类型 。 阿拉斯加地区已发现的天然气泄漏位置如下图：
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图中绿色圆点表示类型一：表层泄漏 ， 黄色圆点表示类型二：深层泄漏 ， 圆点大小代表天然气泄漏的强度
一是表层来源的甲烷泄漏 。 这些甲烷非常年轻 ， 在以百万年计的地质时间尺度上不值一提 。 它们主要由地表的近现代生物死亡后 ， 被微生物厌氧分解产生的 。 有机质的碳十四年龄表明北极地区在更新世时期沉积了大量的有机碳 ， 而这些有机碳在冰川消退后 ， 犹如从冰箱里拿出来的冷冻食品 ， 很快会被分解形成甲烷 ， 造成甲烷泄漏 。 下图为天然气泄漏穿透湖泊冰层形成的冰洞：
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图中a为浅层来源的天然气泄露；小型b和大型c为深层来源天然气泄漏；d为无人机拍摄的冰洞
第二种类型为深层来源的甲烷泄漏 ， 这些泄漏的甲烷曾经被北极的冰冻圈圈闭 ， 但随着冰冻圈的衰退和减薄被释放出来 。 与表层来源的甲烷泄漏相比 ， 深层泄漏的甲烷由于埋藏时间久远 ， 不再具有碳十四同位素组成 。 深层泄漏的甲烷主要由沉积深部有机质的微生物分解或热裂解作用形成 ， 原本储存在沉积盆地深部的煤层、天然气藏或天然气水合物中 。
在北极地区 ， 湖面的季节性结冰给研究这两种类型的甲烷泄漏提供了良好的调查条件 。 在表层泄漏类型中 ， 气泡逸出缓慢 ， 容易被捕获到冰体中 ， 有时在冰块中形成数分米大小的小洞 ， 直到数天或数周之后被完全冻到浮冰里面 。 与之相反 ， 深层来源的甲烷泄漏强度大且速率快 ， 能够穿透0.2-2 m厚的冰层 ， 形成了达300 平米的冰洞 。 单个深层来源的甲烷泄漏点 ， 每天可泄漏多达14万升的甲烷 。
北极地区海底甲烷泄漏的标志和特征
海底冷泉是发育于全球大陆边缘极其普遍的地质现象 ， 常呈线性群产出 ， 主要沿着断裂带、被埋藏古河道或被背斜枢纽等分布 ， 或发育于泥火山和或泥底周围 ， 经常伴随产生大量自生碳酸盐岩、生物群落、海底麻坑等较为宏观的地质现象 。 冷泉活动区域一般都是海底生命极度活跃的地方 ， 和热液生态系统并称为“深海绿洲” 。 冷泉附近常发育有依赖这些流体生存的生物群 ， 最常见的有管状蠕虫、双壳类、螺虫类和微生物菌等 。 因此 ， 寻找这些特殊的生物群落是发现和确认海底冷泉的有力证据之一 。
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挪威岸外HMMV泥火山 ， A为沉积物取样 ， B为原位观测站 ， C为白色菌席 ， D、E为灰色菌席 ， F为管状蠕虫
甲烷气泡从海底冒出来进入海洋水体中 ， 形成气泡羽流 ， 这便是海底冷泉的另一个重要标志 ， 也是海底沉积物向海洋和大气释放甲烷的最主要形式 。 目前 ， 科学家主要通过水下摄像对气泡羽流进行观测 。 通过测量图像中气泡的尺寸和上升速率 ， 便可得知有多少甲烷从沉积物中跑出来了 。 不过水下摄像的成本高昂 ， 而且探测范围有限 ， 因此声呐系统也经常被用于搜寻水体中的气泡羽流 。 声呐系统经常被渔民用于探测鱼群 ， 通过回声原理它能快速探测到茫茫水体中鱼鳔里的气体 ， 从而锁定鱼群位置 。 在声呐反射图谱中 ， 气泡羽流主要呈现为直立的火焰状 ， 这便能与千姿百态的鱼群区分开来 。
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图左为海水中气泡羽流的声呐探测示意图 ， 图右为声呐图谱
海水中上升的气泡会不断的与海水中的气体进行交换 。 刚从海底出来的气泡主要由甲烷组成 ， 但在上升过程中 ， 甲烷不断的溶解进入水中 ， 而水中的来自大气层的氧气、二氧化碳和氮气等逐渐替代甲烷 ， 成为羽流顶部的主要气体成分 。 因此 ， 海洋是海底甲烷泄漏的天然过滤器 ， 大大降低了海底沉积物向大气排放甲烷的量 。 科学家通过数值模拟指出 ， 气泡羽流仅在100 m以浅的海域能携带甲烷进入大气 ， 而在更深的地区对大气甲烷的贡献很小 。 然而 ， 在低温的北极海域 ， 甲烷气泡从海底释放出来后 ， 极有可能会迅速包裹上水合物晶体这一厚实的“外衣” ， 从而阻碍甲烷气泡和水中气体的交换 ， 顺利将沉积物中的天然气运送到上层水体 ， 甚至大气中 。
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挪威岸外巴伦支海被水合物包裹的甲烷气泡 （图片来源Sauter E.）
近二十年来 ， 北极挪威斯瓦尔巴群岛岸外的甲烷泄漏吸引了全球科学家的广泛关注 。 在这个地区 ， 从南边过来的北大西洋暖流与极地冷水团相遇 ， 而在气候变暖的情况下 ， 原先的暖-冷条件被破坏 ， 可能触发海底天然气水合物的分解 ， 从而造成更大面积的天然气泄漏 。 这个地区的沉积物每年向水体释放725-1125吨的甲烷 ， 平均每平方米的沉积物每年向海水释放2公斤的甲烷 。
这些甲烷的泄漏显然与天然气水合物稳定带的变迁有关 ， 然而目前来看 ， 气候变化或人类活动如何影响北极地区的天然气水合物仍是一个未解之谜 ， 为此 ， 科学家们也纷纷提出了各种假说 。 有人指出 ， 日益变暖的北大西洋暖流给该地区带来温暖的海水 ， 导致水合物分解 。 也有人指出 ， 陆地冰川的消退加大了入海河流的流量 ， 从而增加了入海的沉积物总量 ， 给海底增加了负担 ， 最终导致局部地区水合物分解 。 还有人认为 ， 北极地区的地壳犹如跷跷板的一端 ， 原先巨厚的冰盖把它的底部压陷到地幔软流层 ， 而在冰川消退后 ， 地壳开始回弹 ， 从而海水的深度降低 ， 压力变小导致水合物分解 。
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挪威斯瓦尔巴群岛岸外的水体气泡羽流分布图（图片来源图片来源Mario Enrique Veloso Alarcón）
作者| 徐翠玲 青岛海洋地质研究所
审稿| 吴能友 青岛海洋地质研究所 研究员
文章由腾讯科普“全民爱科学”团队推出
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【北极地区|北极冰雪世界的甲烷泄漏危机，这究竟是怎么一回事？】
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