与天然气水合物分解有关的海底滑坡和气候突变事件

Question

如题所述

Answer 1

倪玉根^1，2　夏真^1，2　马胜中^1，2

（1.广州海洋地质调查局 广州510760；2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州510760）

基金项目：国家海洋局海底科学重点实验室开放基金（KLSG0905）。第一作者简介：倪玉根（1984—），男，硕士，主要从事海洋地质和天然气水合物研究工作。Email:[email protected]。

摘要 在地质历史时期，天然气水合物分解引发的海底滑坡在世界海域内广泛分布，著名的有挪威岸外Storegga滑坡、美国阿拉斯加北部Beaufort Sea陆坡滑坡、美国东海岸南卡罗来纳大陆隆上Cape Fear滑坡、巴西东北部大陆边缘的亚马逊扇、以及西地中海巴利阿里盆地中的巨浊积层等；天然气水合物分解引发的气候突变事件也多次发生，著名的有侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白垩纪阿普特阶大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世极热事件（LPTM），以及第四纪间冰期全球变暖等。不论是在地质历史寒冷期由于静水压力快速降低，还是在地质历史温暖期由于底水变暖，都可能会造成天然气水合物失稳而发生分解，从而诱发海底滑坡（滑塌），释放巨量的甲烷进入大气导致全球气候剧变。天然气水合物分解引起的海底滑坡和气候突变事件，不仅可以发生在过去，也可能发生在将来，其影响都有可能是灾难性的。因此，我们在勘探开发天然气水合物的同时，也应对其环境效应进行深入研究，评价和权衡人类开发天然气水合物的利弊，以期把握天然气水合物资源效益和环境效应之间的平衡。

关键词 天然气水合物 海底滑坡 气候变化

1 前言

天然气水合物是在高压低温条件下，由某些特定的气体分子（主要是甲烷）和水分子组成的固态的非定比的笼形化合物。天然气水合物作为新型的清洁能源，尤其在现今能源短缺的背景下，具有广阔的开发前景。保守估计，天然气水合物中蕴藏的能量是其它所有化石燃料总和的两倍^［1］。天然气水合物资源主要存在于海洋环境，全球大陆边缘中储藏的甲烷（包括天然气水合物和游离气）多达10～20万亿吨^［2～4］。美国、日本、加拿大、德国、印度和中国等国家对天然气水合物资源的勘探开发都投入了巨资，并取得了重大突破。多个国家已制定了时间表，计划实现天然气水合物的商业化开采。然而，天然气水合物在具备巨大的资源效益的同时，一旦发生分解，会引发灾难性的海底滑坡和气候突变。

2 天然气水合物分解引发的海底滑坡

天然气水合物分解引发的海底滑坡（滑塌）在世界范围内广泛分布。研究最多的是末次冰期时形成的挪威岸外Storegga滑坡，美国阿拉斯加北部Beaufort Sea陆坡滑坡，美国东海岸南卡罗来纳大陆隆上Cape Fear滑坡，巴西东北部大陆边缘的亚马逊扇，以及西地中海巴利阿里盆地中的巨浊积层等。

挪威岸外的Storegga（“Great Edge”）滑坡系^［5］是研究最好的海底滑坡之一，其谷头陡壁位于离岸100km外的陆架边缘，长达290km。该滑坡系从大陆坡一直延伸到3600m的深海盆，距离超过800km，滑坡造成的碎屑沉积最厚达450m，总体积约5600km³。该滑坡系有三期活动，第一期规模最大（约3880km³），可能发生在30000～50000年前，其它两期发生在6000～8000年前。第二期滑坡与第一期滑坡相比上溯了6～8km，破坏了450km³的陆架边缘，该滑坡中两个150～200m厚，10×30km宽的土层，沿着陆坡（平均坡度0.3°）向下移动了约200km。第三期滑坡局限在第二期滑坡残痕的上面，可能是第二期滑坡最后期的活动。在挪威盆地的最深部位，距滑坡谷头超过700km，沉积了一块超过6m厚的细粒浊积体，可能与第二期滑坡有关。Storegga滑坡的滑动面与天然气水合物的底界（BSR）在同一深度。Bugge等^［5］认为是地震和天然气水合物分解导致沉积物液化从而触发了Storegga滑坡。该滑坡的第一期活动可能导致了5×1015 g甚至更多甲烷的释放^［6］。

阿拉斯加北部Beaufort Sea陆坡处发育巨大的海底滑坡（滑塌）带^［7］，其范围与天然气水合物沉积区的范围（根据地震资料推断）相吻合（图1）。Kayen和Lee^［7］认为，在晚更新世海退期，大约在28000～17000年期间，海平面下降了100m左右，导致海床上的静水压力降低了约1000kPa。压力的降低导致天然气水合物的分解，释放出大量的甲烷和水，导致海底发生崩塌，形成巨大的海底滑坡。

Cape Fear滑坡位于美国东海岸卡罗莱纳海隆，其谷头陡壁长达50km，高120m，其滑坡残痕和滑塌沉积至少向下延伸了400km^［8］。Cape Fear滑坡中沉积物发生崩塌的区域其地层中的BSR 极其清楚^［8～9］。Paull等^［10］通过14C测年确定Cape Fear滑坡的形成于14500～29000年期间，属于末次冰期低海面时期。

在亚马逊河口外，地震资料显示亚马逊扇上至少存在4个由滑坡产生的大型块体搬运沉积体（MTD），每个沉积体的规模约104km²，厚50～100m。其中一个滑坡留下了120m高的滑坡陡崖^［11］。Piper等^［11］认为在晚更新世海平面下降时期，天然气水合物的分解引起沉积物失稳形成海底滑坡，从而导致这些大型块体搬运沉积事件的发生。

西地中海巴利阿里盆地中的巨浊积层^［12］，厚8～10m，顶部位于海底以下10～12m，穿过西地中海的深水海床。该浊积层的体积为500km³，形成时间为22000年前（已从14C年龄校正为日历年龄）。Rothwell等^［12］认为该巨浊积层的形成原因是，在末次冰盛期海平面最低之时，可能由于天然气水合物分解和（或）地震活动导致大陆边缘产生巨大的海底滑坡，继而形成强大的重力流（浊流），将大量的沉积物搬运至深海平原。

综上，天然气水合物分解形成海底滑坡的机制可总结为：在末次冰期低海面时期，海水压力快速降低，导致天然气水合物失稳而分解，诱发海底滑坡（滑塌），进而形成浊

流，将沉积物搬运至深海平原，形成巨浊积层（图2）。在此过程中，天然气水合物分解亦会导致巨量的甲烷释放进入大气，可能会引起气候变化。

图1 阿拉斯加岸外Beaufort Sea大陆边缘地质图。海底滑坡带的范围和天然气水合物沉积区的范围相吻合^［7］

Fig.1 Map of the continental margin of the Beaufort Sea offshore from Alaska showing the coincident regions of large landslides and gas hydrates^［7］

3 天然气水合物分解引发的气候突变事件

天然气水合物分解释放的巨量甲烷可能会导致剧烈的气候变化，引发大洋缺氧和全球变暖等灾难性后果，导致大规模的物种灭绝。在地质历史时期，可能与天然气水合物分解有关的著名事件有侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白垩纪阿普特阶大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世极热事件（LPTM），以及第四纪间冰期全球变暖等。

侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件，发生于183Ma前，造成了异常高的有机碳沉积，高温，以及大规模的生物灭绝^{［14～17］}。该事件在地质历史上的主要识别标志是碳同位素负漂移。海洋碳酸盐中的δ¹³C漂移量为-2‰～-5‰，树木化石中的δ¹³C漂移量为-4‰～-7‰^［18］。Hesselbo等^［18］从树木化石中获得的陆相δ¹³C漂移说明侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件造成的碳同位素异常不仅出现在海洋中，而且也出现在全球碳循环记录中^［19］。Hesselbo等^［18］认为该事件的成因是：强烈的火山活动和（或）构造运动，引发海洋环境发生改变，从而导致天然气水合物分解并释放大量的甲烷，造成δ¹³C的负偏移（甲烷的δ¹³C约为-60‰）。早托尔阶处于海平面上升期，造成天然气水合物分解的原因为底水温度的增高。Hesselbo等^［18］采用Dickens等^［20］估算LPTM事件中甲烷释放量的方法，认为δ¹³C的偏移量为-2‰～-3.5‰，估算出释放的甲烷量为1.5×10¹⁸～2.7×10¹⁸g碳，占目前天然气水合物储量的14%～24%。

图2 巨浊积体可能的形成模式图。天然气水合物分解可能会引起海底沉积体失稳而发生崩塌，在大陆坡上形成向下运动的海底滑坡和高密度的沉积物流（浊流）并在深海平原形成浊流沉积层^［13］

Fig.2 The likely mode of formation of a megaturbidite deposit.Unstable sediment accumulations collapse when perturbed，maybe with associated release of methane，resulting in a submarine landslide and flow of dense currents of sediment（turbidity currents）down a continental slope.The end result is turbidite sequences on the abyssal plain^［13］

白垩纪阿普特阶大洋缺氧事件，发生于120 Ma前，与侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件非常相似。在此事件中，碳酸盐中的δ¹³C漂移量为-2.5‰～-3‰^［21］，树木化石中的δ¹³C漂移量达到-7‰^［22］。

晚古新世极热事件，发生于55.5Ma年前，深海钻探样品中的海洋沉积物、动物化石牙齿珐琅质、以及陆地地层中的碳酸盐和有机质中显著的δ¹³C负漂移，都记录了此次事件。该事件中δ¹³C漂移量为-2.5‰，该负漂移在随后的0.2Ma中即恢复正常^{［20，23］}。Dickens等^{［20，23］}提出LPTM假说，认为此时海洋温度升高，新的地温线建立，导致在初始地温线和水合物平衡曲线之间的天然气水合物发生分解，释放出巨量的甲烷（1.12×10¹⁸g），造成环境跳变（图3）。LPTM假说的重要性在于它第一次较好地解释了全球碳循环以及其它系统是如何与巨量的化石燃料爆发性释放产生联系，这在现如今的工业时代也可能发生。

第四纪气候循环与极地冰芯中记录的大气中甲烷含量波动是一致的^{［25～27］}，第四纪间冰期剧烈的全球变暖与大气中甲烷浓度的快速增加相吻合^［28］。Kennett等^［29］分析了Santa Barbara盆地的ODP893 A孔的浮游有孔虫和底栖有孔虫的δ¹³C和δ¹⁸O曲线，发现60000年以来间冰期中底栖有孔虫的δ¹³C具有较大的负偏移（-5‰），其原因是天然气水合物分解释放甲烷所致。有些时间段中，大的底栖有孔虫δ¹³C负偏移（达-6‰）和较小的浮游有孔虫δ¹³C（达-3‰）同时出现，则反映更大规模的天然气水合物分解。天然气水合物分解的主要原因是间冰期时中层水温度的升高（达2～3.5℃），其分解同时也造成了海底失稳从而形成海底滑坡（滑塌）。Kennett等^［30］进一步提出“水合物枪假说”（“the hydrate gun hypothesis”），认为15000年前，天然水合物分解释放的甲烷导致了剧烈的全球变暖。

图3 晚古新世极热事件（LPTM）可能的成因图。底水温度升高4℃，导致在初始地温线和水合物平衡曲线之间的天然气水合物发生分解，释放出巨量的甲烷并氧化成二氧化碳，进一步加剧气候变暖。图中小矩形为天然气水合物稳定带^［24］

Fig.3 Hypothesized causes of the Late Paleocene Thermal Maximum（LPTM），the ocean was warmed by 4 ℃，the hydrates between the original geotherm and the equilibrium curve would melt，resulting in methane expulsion to the environment，where it would be oxidized to carbon dioxide，leading to significant further warming.Hydrate stability zone shown by the small vertical rectangle^［24］

综上，天然气水合物分解引发气候变化的机制可总结为：在地质历史温暖期，由于底水变暖，引发天然气水合物分解并释放出巨量的甲烷，导致全球气候剧变，产生大规模生物灭绝等灾难性后果，如今多被记录在沉积物的δ¹³C负偏移中（图4）。在此过程中，天然气水合物分解亦会导致海底失稳从而形成海底滑坡（滑塌）。

4 结语

综述前人的研究成果，总结如下：

1）在地质历史时期，天然气水合物分解引发的海底滑坡在世界海域内广泛分布，著名的有挪威岸外Storegga滑坡、美国阿拉斯加北部Beaufort Sea陆坡滑坡、美国东海岸南卡罗来纳大陆隆上Cape Fear滑坡、巴西东北部大陆边缘的亚马逊扇、以及西地中海巴利阿里盆地中的巨浊积层等；天然气水合物分解引发的气候突变事件也多次发生，著名的有侏罗纪早托尔阶大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白垩纪阿普特阶大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世极热事件（LPTM），以及第四纪间冰期全球变暖等。

图4 甲烷释放与碳循环图^［19］

a—地质历史时期，事件性的温室效应可能导致海洋天然气水合物的突然释放，被记录为碳同位素的负异常。释放的CH₄会氧化成CO₂，导致温室气候的加剧；b—作为对CO₂含量升高的响应，生物圈表现为洋底有机碳沉积的加速和碳酸盐生产的危机，被记录为碳同位素的正异常

Fig.4 Methane release and the carbon cycle^［19］

a—In the past，episodes of greenhouse warming may have caused the sudden release of methane from gas hydrates in ocean sediments，as recorded in a negative carbonisotope anomaly.Methane⁃derived CO₂led to the amplification of the greenhouse climate；b—The biosphere responded to the higher CO₂levels with accelerated burial of organic carbon on the ocean floor，and with crises in carbonate production，as recorded in positive carbon⁃isotope anomalies

2）不论是在地质历史寒冷期由于静水压力快速降低，还是在地质历史温暖期由于底水变暖，都可能会造成天然气水合物失稳而发生分解，从而诱发海底滑坡（滑塌），释放巨量的甲烷进入大气导致全球气候剧变，产生灾难性的后果。

总之，天然气水合物分解引起的海底滑坡和气候突变事件，不仅可以发生在过去，也可能发生在将来，其影响都可能是灾难性的。然而，人类对资源的渴求必然导致天然气水合物勘探开发的力度不断加大。因此，我们在勘探开发天然气水合物的同时，也应对其环境效应进行深入研究，评价和权衡人类开发天然气水合物的利弊，以期把握天然气水合物资源效益和环境效应之间的平衡。

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The submarine landslides and climate change events related to gas hydrate dissociation

Ni Yugen^1，2，Xia Zhen^1，2，Ma Shengzhong^1，2

（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760；2.Key Laboratory of Marine Mineral Reasources，MLR，Guangzhou，510760）

Abstract：During geological history，submarine landslides related to gas hydrate dissociation occurred worldwide such as Storegga landslide off Norway，Beaufort Sea continental slope landslide off northern Alaska，Cape Fear landslide off east coast of USA，Amazon fan off northeastern Brazil，the Megaturbidite in in the western Mediterranean Sea，and climate change events happened repeatedly such as Early Toarcian Oceanic Anoxic Event（OAE）during Jurassic，Aptian Oceanic Anoxic Event（OAE）during cretaceous，Late Paleocene Thermal Maximum（LPTM），Global warming during Quaternary interstadials.Both sudden decrease of hydrostatic pressure during the geological cold period（such as Last Glaciation），and sharp increase of bottom water temperature during the geological warm period，are likely leading to gas hydrate dissociation，resulting in forming submarine landslide（slump）and causing climate change.The submarine landslides and climate change events related to gas hydrate dissociation not only happened in the past，but also could happen in the future，and the effect both could be catastrophic.Therefore，while we enthusiastically focus on exploring and developing gas hydrate，we should further study its environmental effects，assess and weigh the advantages and disadvantages of exploration and development of gas hydrate resources，in order to keeping the balance between resource benefits and environment effects.

Key words：Gas hydrate；Submarine landslide；Climate change