北極冰雪世界的甲烷泄漏危機，這究竟是怎麼一回事？

作者| 徐翠玲青島海洋地質研究所

審稿| 吳能友青島海洋地質研究所研究員

根據《地球物理研究快報》發佈的消息，美國宇航局的研究人員在北極上空發現了大氣甲烷濃度正異常，出現異常的地區佔所有調查面積的0.2%，主要與極地地區的湖泊、河流、池塘和溼地的甲烷排放有關。因爲全球變暖，導致凍土層融化，北極地區的甲烷釋放量可能會大規模增加。

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、憨態可掬的北極熊。北緯66°以北的北極地區，包含被浮冰覆蓋的北冰洋，以及屬於俄羅斯、美國、加拿大和挪威等八個環北極國家的永久凍土區。其中北冰洋佔北極地區總面積的60%，其餘約800萬平方千米爲陸地。

北極地區的陸地和海洋地形圖

（圖片來源：GEBCO海洋基礎水深圖庫）

這裏除了有北極光、北極熊以外，北極地區還蘊含豐富的石油和天然氣藏。在過去的75年裏，人們在北極地區發現了約450個油氣田，常規石油儲量佔世界的2.5%，常規天然氣佔到了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晶物質。因其外觀像冰一樣，但遇火即可燃燒，因此又被稱爲“可燃冰”。研究發現，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。北極地區的凍土帶、湖泊和海洋沉積物中均存在巨大的甲烷儲庫，同時極地地區極低的溫度爲這些地區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定的情況下，天然氣水合物相當於一個被冰封住的巨大天然氣藏。

然而，在氣候變化的大背景下，北極地區相較於其他地區經歷了一個更明顯的升溫過程，一方面導致北極的冰川開始消退，另一方面對溫度、壓力條件極爲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藉機逃脫出來，反過來加重氣候變暖。天然氣從沉積物中逃脫出來進入大氣的過程，我們稱之爲天然氣泄漏，而如果天然氣泄漏發生在海底，也被稱爲“海底冷泉”。在北極地區的冰原和海底均發現了天然氣的大規模泄漏（天然氣主要成分就是甲烷）。

北極陸地的甲烷泄漏現狀及類型

在陸地上，沉積物釋放的甲烷會直接被排放到大氣中，從而對大氣環境產生影響。大氣中甲烷引起溫室效應的強度是等量二氧化碳的21 – 25倍，是僅次於二氧化碳的第二大溫室氣體。然而，自工業革命以來，大氣中甲烷的含量逐年上升，在過去150年內，大氣中甲烷的含量從850 ppb增加到~1750 ppb，增量超過一倍。據聯合國政府間氣候變化專門委員會估算，大氣中的甲烷有大約一半是人類活動排放的，如水稻耕種、飼養牛羊、燃燒化石燃料等等，而另一半主要來源於自然排放，如溼地、野生動物、海洋和地質來源等。

近30年來全球大氣中的平均甲烷含量變化圖

（圖片來源：世界氣象組織）

通常發育在極地和高原地區的凍土帶並不被認爲是大氣甲烷的重要來源，然而在氣候變暖的影響下，冰封在凍土裏的甲烷已經發生了大規模噴發。僅在阿拉斯加和格陵蘭島，科學家就已經發現了超過15萬個甲烷氣泡泄漏點，並將這些泄漏點分爲以下兩種類型。阿拉斯加地區已發現的天然氣泄漏位置如下圖：

圖中綠色圓點表示類型一：表層泄漏，

黃色圓點表示類型二：深層泄漏，

圓點大小代表天然氣泄漏的強度

一是表層來源的甲烷泄漏。這些甲烷非常年輕，在以百萬年計的地質時間尺度上不值一提。它們主要由地表的近現代生物死亡後，被微生物厭氧分解產生的。有機質的碳十四年齡表明北極地區在更新世時期沉積了大量的有機碳，而這些有機碳在冰川消退後，猶如從冰箱裏拿出來的冷凍食品，很快會被分解形成甲烷，造成甲烷泄漏。下圖爲天然氣泄漏穿透湖泊冰層形成的冰洞：

圖中a爲淺層來源的天然氣泄露；

小型b和大型c爲深層來源天然氣泄漏；

d爲無人機拍攝的冰洞

第二種類型爲深層來源的甲烷泄漏，這些泄漏的甲烷曾經被北極的冰凍圈圈閉，但隨着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，深層泄漏的甲烷由於埋藏時間久遠，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質的微生物分解或熱裂解作用形成，原本儲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，湖面的季節性結冰給研究這兩種類型的甲烷泄漏提供了良好的調查條件。在表層泄漏類型中，氣泡逸出緩慢，容易被捕獲到冰體中，有時在冰塊中形成數分米大小的小洞，直到數天或數週之後被完全凍到浮冰裏面。與之相反，深層來源的甲烷泄漏強度大且速率快，能夠穿透0.2~2 m厚的冰層，形成了達300 平米的冰洞。單個深層來源的甲烷泄漏點，每天可泄漏多達14萬升的甲烷。

北極地區海底甲烷泄漏的標誌和特徵

海底冷泉是發育於全球大陸邊緣極其普遍的地質現象，常呈線性羣產出，主要沿着斷裂帶、被埋藏古河道或被背斜樞紐等分佈，或發育於泥火山和或泥底周圍，經常伴隨產生大量自生碳酸鹽巖、生物羣落、海底麻坑等較爲宏觀的地質現象。冷泉活動區域一般都是海底生命極度活躍的地方，和熱液生態系統並稱爲“深海綠洲”。冷泉附近常發育有依賴這些流體生存的生物羣，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羣落是發現和確認海底冷泉的有力證據之一。

挪威岸外HMMV泥火山，A爲沉積物取樣，

B爲原位觀測站，C爲白色菌席，

D、E爲灰色菌席，F爲管狀蠕蟲

甲烷氣泡從海底冒出來進入海洋水體中，形成氣泡羽流，這便是海底冷泉的另一個重要標誌，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，科學家主要通過水下攝像對氣泡羽流進行觀測。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，而且探測範圍有限，因此聲吶系統也經常被用於搜尋水體中的氣泡羽流。聲吶系統經常被漁民用於探測魚羣，通過回聲原理它能快速探測到茫茫水體中魚鰾裏的氣體，從而鎖定魚羣位置。在聲吶反射圖譜中，氣泡羽流主要呈現爲直立的火焰狀，這便能與千姿百態的魚羣區分開來。

圖左爲海水中氣泡羽流的聲吶探測示意圖，

圖右爲聲吶圖譜

海水中上升的氣泡會不斷的與海水中的氣體進行交換。剛從海底出來的氣泡主要由甲烷組成，但在上升過程中，甲烷不斷的溶解進入水中，而水中的來自大氣層的氧氣、二氧化碳和氮氣等逐漸替代甲烷，成爲羽流頂部的主要氣體成分。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。科學家通過數值模擬指出，氣泡羽流僅在100 m以淺的海域能攜帶甲烷進入大氣，而在更深的地區對大氣甲烷的貢獻很小。然而，在低溫的北極海域，甲烷氣泡從海底釋放出來後，極有可能會迅速包裹上水合物晶體這一厚實的“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，北極挪威斯瓦爾巴羣島岸外的甲烷泄漏吸引了全球科學家的廣泛關注。在這個地區，從南邊過來的北大西洋暖流與極地冷水團相遇，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。這個地區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定帶的變遷有關，然而目前來看，氣候變化或人類活動如何影響北極地區的天然氣水合物仍是一個未解之謎，爲此，科學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帶來溫暖的海水，導致水合物分解。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，給海底增加了負擔，最終導致局部地區水合物分解。還有人認爲，北極地區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，而在冰川消退後，地殼開始回彈，從而海水的深度降低，壓力變小導致水合物分解。