我国可燃冰（天然气水合物）第二轮试采成功，创造新世界记录，意味着什么？ 第1页

在遥远的中国南海，一团火焰在燃烧了两个月以后，于2020年3月下旬被人们缓缓熄灭。它是蓝鲸2号海洋钻井平台的排气火炬，来自海底深处的天然气在水幕中化作火光，用这种方式重见天日。这些天然气来源于一种被一些人寄以厚望，但也被另一些人畏之如虎的物质，可燃冰。

寄以厚望，是因为可燃冰的储量极为丰富。据粗略估算，它所蕴含的天然气资源可达到已知常规天然气资源量的数十倍；如果按有机碳储量计算，大约是已知煤炭、石油、天然气有机碳总量的2倍。假如能够大规模商业化利用，将会成为未来的能源之星，保障世界的化石燃料安全。

畏之如虎，是因为这是一种并不稳定的物质。如果在大规模商业开采中出现意外，可能会造成可燃冰的大规模分解，向海洋释放大量天然气，造成严重的环境灾害——也许会引发人们难以想象的后果。尽管如此，人们依然在向这片尚未被攻克的资源库发动猛攻。世界多国正在积极开展可燃冰开采技术研究，继页岩气革命后，一场可燃冰革命也正在吹响号角。

在这样的时代背景下，如何看待人们对可燃冰复杂而又纠结的心态？这需要从了解什么是可燃冰，和它“劣迹斑斑”的历史说起。

01 可燃冰是什么？它在哪里？

可燃冰是一种气体水合物，它看似冰块，洁白而多孔，质地比冰块略软、略轻。它是一种由水分子做牢笼，将气体分子囚禁其内的疏松固体。能够“身陷囹圄”的气体有很多种，如氮气、二氧化碳、甲烷、乙烷等。当被囚禁的气体是以甲烷为主的天然气时，人们就管它叫天然气水合物，俗称可燃冰[1-2]。可燃冰分解时，单位体积的固体可燃冰，能够释放150-180倍体积的甲烷气体和大量的液态水。

形成可燃冰需要四个必备条件：（甲烷）气体、液态水、较低的温度和较高的压力，缺一不可。其中，甲烷要么由泥沙中的生物遗骸腐败产生，要么来自于地下深处天然气藏渗透上来的天然气[2]。

生物遗骸腐败产生甲烷是生活中常见的一种现象，在北国的冬天里格外常见。在封冻的湖塘冰面上，冰块里会形成一连串气泡，这是湖底有机质腐败释放的气体，主要成分是甲烷。它们随着湖水一边冻结一边聚集，在冰层里形成层层叠叠的气泡——凿冰释之可点燃。

地下深处天然气藏内的气体渗透至地表时，一般被叫做天然气苗，可以在很多油气田周围找到。里海西岸的阿塞拜疆巴库地区是著名油田，地下丰富的天然气裹挟稀泥巴涌出地表，形成泥火山，遇火可点燃。这样的“无源之火”，也许是该地区在古代成为拜火教圣地之一的原因。

但巴库地区并没有形成可燃冰。自然界里，只有两种地方可以同时满足前述四种条件：数百米深的冻土带地下，或者一两千米左右的深湖/深海底部及泥沙深处。它们的温度和压力恰好使可燃冰能够稳定存在，于是也被称作水合物稳定带[2]。

尽管水合物稳定带的分布范围较小，但可燃冰的形态却并不单调。随着可燃冰所在的具体位置不同，它可以呈现出截然不同的样貌[3-5]。有时可以单独存在，为质地纯粹的的块状、丘状，主要出现在海底，相对少见。

有时则与泥沙混合在一起，呈现出团块状、网脉状的不规则外观。

更多的时候，可燃冰以肉眼难以看到的状态，分散储存在泥沙颗粒之间的微小孔隙里。虽不起眼，但有着更大的储量，是目前人们勘探和试采的主要目标。

总之，这是一种主要储存在“烂泥巴和稀沙子”里的有机碳能源，它的外观和分布位置具有特定的规律。

从极地冻土到高原冻土，再到深海底部的广大天地间，可燃冰被人们寄以厚望。以目前的认识来看，洁白大块的可燃冰储量可能最少，泥质沉积（烂泥巴）里的分散可燃冰储量可能最大，但不易开采。相对容易开发的，是储存在冻土带地下砂层和海底砂层（稀沙子）孔隙中的分散可燃冰[2,6]。

但是，硬币的另一面则隐藏着可燃冰令人生畏的本领。

02 可燃冰有哪些危险的“本领”？

对于人类来说，可燃冰意味着丰富的天然气，是一种有潜在经济效益的化石能源。但对于自然界而言，可燃冰只是一种普通的物质，在碳循环的大链条上不断形成又不断分解，遵循自然规律自生自灭。

在自然界，水合物稳定带并非一成不变的特定区域。温度和压力条件的变化会轻易使稳定带的范围发生改变，造成可燃冰自发分解[7-11]。在地球动荡的历史里，大规模的环境变化比比皆是：气候变迁、冰川进退、地震火山、甚至小行星砸到海里这样的事情也经常发生。于是，我们可以找到许多可燃冰自然分解的记录。

直觉上，人们会想出一串串气泡不断上浮，最终在海面破裂的画面，这也是关于“可燃冰导致变暖灾难”的最初印象。但能够到达海面并影响到大气的甲烷其实只有不到5%[7,12]。释放出来的甲烷都去了哪里？答案正是布下了三条封锁线的厚重海水。

（1）围剿甲烷的三道封锁线

海底的一些微生物构建起围剿甲烷的第一道封锁线。当可燃冰分解得缓慢而稳定时，特定微生物会利用甲烷作为生命活动的原料，像植物一样为更多的其他生物提供食物，在海底构建起冷泉（cold seep）生态系统——这是一种可以养活一群奇奇怪怪深海生物的化能自养生态系统[7,13]。

第二道封锁线是深处的海水本身。由于水合物稳定带也包括一定深度的底层海水，所以可燃冰释放出来的部分甲烷可以在海底重新“冻结”——这便是在全球海底许多地点都存在的海底可燃冰丘（丘，mound）。大块、洁白、质地纯粹的可燃冰，便来自这些环境。

第三道封锁线是溶解在海水里的氧气。绝大多数甲烷气泡大多不能顺利浮上海面，而是会溶解于海水，与水中氧气发生化学反应，转变为二氧化碳和水，最终消失在海水里。就这样，三重封锁线，将海底可燃冰分解释放的绝大多数甲烷都“消灭殆尽”，真正能够浮出海面的甲烷气体少之又少。我们不需要特别担心海底可燃冰开发对大气和气候变暖产生的冲击。但是，消灭了甲烷的海水却会发生变化，而这才是真正值得忧虑的地方。

此时，地质研究可以给我们提供一些线索。

（2）劣迹斑斑的古代可燃冰爆发

在距今1.83亿年前的侏罗纪早期，全球范围内发生过一次严重的大洋缺氧事件（OAE），造成许多海洋生物灭绝。尽管尚存争议，一些科学家认为可能与大规模的海底可燃冰分解有关[15-17]。

在距今约5500万~5600万年前，全球发生过一次非常剧烈的环境突变。在很短的时间里，大气快速升温、海洋出现局部缺氧、大西洋明显酸化等事件相继出现，也被许多科学家认为与海底可燃冰的突然释放有关。但究竟是可燃冰分解引起升温，还是升温引起可燃冰分解，现在仍存争论[18-20]。

在中国试采可燃冰的南海神狐海域，人们发现距今11300-8000年前的海底泥沙有些“缺钙”——碳酸钙的含量明显偏低，这是海水酸化留下的线索之一。在排除了一些其他因素后，它被解释为末次冰期后的升温过程里，可燃冰发生快速分解引起的底层海水酸化[8]。

除了改变海水的酸碱性和含氧量，剧烈的可燃冰分解也能改变海底地貌。

（3）地貌修改器

在挪威大陆和斯瓦尔巴德群岛之间的巴伦支海，科学家发现了令人“密恐”的景象：原本应该被泥沙覆盖得相对平坦的海底，像是爆了一脸青春痘一般，满是疤痕。

它们的深度可达10-40米，直径300-400米，更大坑洞的尺寸有600x1000m左右[9,22]。在坑洞周围，海底仍在释放甲烷气泡。密集的气泡在海水里连成一串，在仪器成像里可以看起来就像是千万根火炬。

一万多年前的末次冰期，巴伦支海地区曾经被厚厚的冰层覆盖，冰层下形成可燃冰稳定带。随着冰盖消融，海底一边升温一边缓慢抬升，可燃冰稳定带的范围发生大幅度变化，原先的可燃冰失稳、分解、释放，大量气体聚集成海底的鼓包（pingo）。

鼓包内的气体可能有两种释放途径，要么缓缓释放、海底陷落成坑；要么喷薄而出、海底炸出大坑，变成海底的“密集痘疤”。类似的地貌在全球海洋里广泛存在，中国南海同样有许多类似大坑，例如西沙群岛西南部海域800-1200米深的海底分布有密集的坑洞群，最大的坑直径有3千米左右，深度超过160米[23-24]。根据它们的外观，人们起了一个形象的名字：麻坑。

在陆地上，人们也在冻土地带发现过类似的现象。2014年，俄罗斯西北部Yamal半岛上，人们在地面上发现了一个大坑，周围有新近被翻出的泥土，甚是奇特。经过科学家的实地考察，发现这是因为地下气体压力过大，冲破土壤导致的一场气体爆发。

类似的现象在北极圈附近的冻土地带并不罕见。2017年5月，一条河道中开始产生鼓包（下图2），到了7月便炸成以一个大坑（下图4），直径达到数十米，并在爆发以后持续释放甲烷气体[26]。

有一种解释认为，这些气爆坑的形成，与冻土地下可燃冰的分解和气体爆发有关[27]。在2014年产生的气爆坑位置，地下60米处可能存在一层可燃冰。或许正是这些可燃冰分解产生了许多无处释放的甲烷气体，它们在冻土里横冲直撞、上涌聚集，最终炸成大坑。

高压气体上浮、破坏地层的能力究竟有多强？在挪威斯瓦尔巴德群岛北部的Hinlopen滑坡边缘，一个案例或许可以提供一些线索。人们在这里发现一处被高压天然气破坏、挖掘了将近200米厚的泥沙层。气体在泥沙地层中形成了“管道结构”，一路穿过可燃冰稳定区，至靠近海底的位置才储存起来。这样的机制可以在海底浅层制造不稳定层，具有引发滑坡的潜力[29]。

但这只是可燃冰分解引起滑坡的一种机制，还有一种机制可能引起更大规模的海底滑坡，甚至引发海啸——那便是由于可燃冰分解引起的地层变形、强度减弱，并最终在坡度适当的地区滑落。

挪威西北部海域的Storegga滑坡是目前已知规模最大的海底滑坡之一，一些科学家认为它与周期性大规模可燃冰分解有关[11,30-32]。最近一次滑坡发生于8200年前，在挪威、冰岛、英国北部等地引发过大规模的海啸灾害，重创了当时生活在北欧沿海地区的古人类聚落[33]。

总结下来，可燃冰分解释放出的甲烷，既可以在海底滋养生灵，也可以引起底层海水酸化和缺氧，引发海洋生物大量死亡甚至灭亡；而它们从地层里释放的方式，轻则可以引起排气鼓包或麻坑，重则破坏地层、引起海底变形或滑坡，严重的滑坡还能制造出滑坡海啸灾害。可燃冰的这些“本领”，为人们开发利用可燃冰带来了不小的麻烦：人为开采是否会造成海底可燃冰的失稳，引起比自然分解速度更快、规模更大的“海底甲烷释放”？

这些担忧，恐怕并不是空穴来风。

03 未来商业开发的不确定性

尽管扮演着不安定的角色，但这并没有影响人们将可燃冰作为资源加以利用的冲动。对于可燃冰的研究大约始于上世纪60年代，那时的人们曾认为苏联西伯利亚的Messoyakha气田生产的天然气存在可燃冰分解释放的气体，但该结论尚存争议[35-36]。真正毫无争议的、直接从含可燃冰地层里进行试验性开采，仅有短短18年的历史。

人们首先开采的是北极圈内永久冻土带以下的可燃冰，这是2002年及2007年多国合作在加拿大西北部Mallik地区的试采项目，冻土厚度650米左右，含有可燃冰的砂层位于大约1000米深。首次试采海底泥沙中的可燃冰是2013年，位于日本爱知县附近海域，这里的水深约1000米，蕴含可燃冰的砂层位于海底以下300米[37-38]。

世界可燃冰开采试验位置分布图| 迄今为止，确切进行过可燃冰开采试验的地点一共有五个，分别是位于加拿大北部的Mallik项目区（2007-2008年试采），美国阿拉斯加北坡的Hot Ice项目区（2012年试采），二者均为冻土可燃冰区块，且由多国团队合作试采；位于日本爱知县附近南海海槽的爱知海项目区是首次（2013年）和第二次（2017年）海底可燃冰试采位置，由日美合作完成；中国的可燃冰试采由中国团队独立完成。制图@陈随&巩向杰/星球科学评论

中国的可燃冰研究启动较晚，于2007年和2009年在南海神狐海域和青海祁连山木里冻土带分别钻遇可燃冰。2011年和2016年，研究人员首先在祁连山冻土区进行了两次陆上可燃冰试采[39-40]，分别产气近5天和23天。2017年，中国在南海神狐海域进行了首次海上试采，稳定生产60天，产气30.9万立方米。2019年，中国在南海同一海域完成了第二次试采，试验了水平井在海底软泥沙中的钻探技术，实现稳定生产30天，产气86.14万立方米。

目前为止，中国是世界上累计试采可燃冰产气量最多的国家。但在成就的背后，我们也需要对风险和不确定性有清晰的认识。

可燃冰商业化开采面临的主要问题，正如前文第二节所提，在于会改变泥沙的力学性质，降低泥沙的整体强度，容易引起海底不均匀变形、海底地层垮塌、高压气体喷出甚至滑坡等剧烈破坏现象[41-45]。

遗憾的是，人们对于这些风险的认识尚十分粗浅。现阶段的主要研究方法，是使用试采获得的数据进行实验模拟和计算机模拟。然而实验室条件难以代表深海的自然环境，计算机模型也会存在基于不同方法而产生的差异，它们有时甚至会出现完全迥异的结果。

例如，2013年日本试采后，一个日本研究团队的计算机模拟显示，6天的试采中，可燃冰发生分解的区域可能达到距离钻井25米的地区；如果继续生产至180天后，可燃冰分解范围可能会扩展至200米范围[43]。但在2017年中国试采后，一支中国研究团队的另一种计算机模拟显示，可燃冰的分解会局限在钻井周围区域，即使两年后也不会超过30米[46]。

类似这样的不确定还有很多，而仅有的几次试采结果，也并不足以打消人们的顾虑。

2017年9月，中国首次南海试采结束的2个月后，科研人员来到试采海域展开环境监测。通过对比试采前、试采中和试采后的数据，认为仅在钻井过程中发生了预期内的少量甲烷释放。试采过程中和结束两个月后，未见甲烷泄露、未见海底缺氧，海底也没有发生海水浑浊度的变化，表明没有发生大规模的海底地质变化[47]。

这当然是一个好消息，但无论是中国的第一次试采还是日本的两次试采，均未公开海底是否发生变形的数据[48]。在刚刚结束不久的中国第二次海底试采中，人们使用了“未观测到甲烷泄露，未发生地质灾害”这样的字眼，这符合第一次试采后的检测结果，但同时也没有提及是否存在地层变形等方面的情况。

也许是没有发生，也许是变化太小没有探测到，但也不能排除这些变化尚未从几百米深处影响到海底。

这些变化所需的时间，也是未知数。以2017年俄罗斯Yamal半岛发生在河道里的气爆为例，从发现变形到最终爆发用了两个月，但气体在地下聚集发展了多久，人们则完全没有头绪。在斯瓦尔巴德岛北部的海底泥沙中，高压天然气聚集、破坏地层产生“管道结构”需要多长时间，现在也完全是未知数。

总之，在关于可燃冰开采引发海底变形的领域，还存在太多的空白，我们并不知道地层变形将如何累积、高压气体是否在地下聚集、何时会开始上涌破坏地层、何时会上升到海底浅层、何种条件会触发滑坡、风险会达到何种规模、滑坡是否会使附近的可燃冰失稳分解等细节。

根据一份计算机模拟研究，长期（长达4年以上的水平井开发）可燃冰开采会引起地层变形逐渐积累，并最终可能会发展成大规模海底变形甚至滑坡[49]。因此，一两口井持续一两个月的试采和数据测量，或许并不足以说明问题。

而矛盾的是，想要知道这些问题的答案，只能开展时间更长、规模更大的生产实践，甚至在真实的事故里来分析事故的原因。在当下的科学认识水平下，只要开采可燃冰，就意味着要承担很多未知风险；但也只有继续进行开采试验，才能更好地认识风险。这种不可调和的矛盾，会贯穿在整个可燃冰开采的实践里。

当代海洋正处在表层海水快速酸化和缺氧的背景下[51-55]，人为引发可燃冰分解和释放的前景不免令人担心。而且这些研究大多集中在海洋表层，并没有深入考虑海底可燃冰分解造成的深层海水酸化和缺氧问题。由于表层海水与深层海水的大规模交换作用（如温盐环流），最终的情况可能更糟。

海水酸化会影响部分海洋生物碳酸钙外壳的合成，缺氧海水则容易引发大面积生物死亡，二者最终会影响到海洋食物链，并以此影响到人类社会。

海洋化学性质的变化如何影响海洋生物？| 许多浮游生物具有钙质外骨骼，酸化的海水不利于生物合成，会严重影响它们的生存，从而危及到整个海洋食物链。图中的生物是翼足类动物，它是一种具有碳酸钙贝壳的软体动物，幼体营浮游生活。研究人员将它的贝壳放在当前认识水平下，与2100年海水酸性和碳酸盐含量相当的水中，45天后贝壳就开始溶解。图源@NOAA/美国国家海洋和大气管理局

虽然短期内肯定不会引起大规模生物灭绝，但势必会逐渐改变现有海洋生物的生存格局，从而进一步影响到海洋养殖业和捕捞业，并以这种方式影响人们的餐桌——海洋为人类提供了18%的蛋白质来源，它们不光是各种生猛海鲜，还有以海洋生物作为饲料的家畜家禽。一旦海洋的生态出现问题，人类社会将会发生不小的动荡。

是的，人们需要关心可燃冰开采对于海洋环境的潜在冲击，这不仅因为对于可燃冰的各种认识仍然过于粗浅，而且暂时还没有很好的监测手段和可靠模型，更因为它也能影响到你我饭桌上的食物，影响到子孙后代的食物。

可燃冰只是地球上存在了亿万年，并将继续存在亿万年的一种物质，是这颗星球生生不息的碳循环发动机中，一个并不起眼的小齿轮。

它究竟是未来能源之星，还是将要影响人类社会的魔鬼，决定权其实在于人类。

在于人们选择怎样的开发策略，在于保持高度谨慎徐徐图之；

在于充分做好风险研判和科研跟进，在于提高从业人员的风险认知水平。

也在于整个社会的你我他，能够认识到可燃冰这种物质的风险，和背后尚存的诸多未知。

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这是新专栏“星球科学评论”专栏的Vol.007篇文章，欢迎关注。

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