天然气水合物体系动态演化研究(I ):
地质历史演变
宋海斌
(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)
摘 要 1995年Dickens 对55.5Ma 前古新世末增温事件进行了研究,提出天然气水合物作为全球环境变化重要因子的假说.认为古新世末增温事件溶解无机碳-2～-3‰的13δC 位移可以用水合物所含甲烷的释放与随后氧化成二氧化碳来解释.此后,地质历史演变中的天然气水合物演化研究蓬勃发展,本文总结古新世末增温事件、新元古代末期雪球事件、第四纪千年尺度事件等最新进展,为天然气水合物动态演化研究提供基础.开展天然气水合物-天然气体系动态演化过程数值模拟与特征分析,可望促进天然气水合物在全球变化与碳循环中作用的深入认识.关键词 天然气水合物体系,全球变化,碳循环,动态演化,碳同位素位移事件
中图分类号 P315,P631 文献标识码 A 文章编号 100422903(2003)022*******
R esearches on dynamic evolution of gas hydrate system(I):
Its development in geological history
S ONG Hai 2bin
(Institute o f G eology and G eophysics ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100029,China )
Abstract In 1995Dickens ,et al.studied the Latest Paleocene Thermal Maximum (LPT M )and presented an early hypothesis con 2cerning the im portance of gas hydrate as an agent of global change.They suggested that an excursion from -2to -3‰in 13δC of diss olved inorganic carbon across the LPT M may be explained by the release and subsequent oxidation of hydrate 2bound methane to carbon dioxide.S ince then extensive researches have been done on gas hydrate ev olvement in geological history.Recent progresses on LPT M ,snowball Earth of the late Neoproterozoic era ,M illennial 2scale events during the Quaternary period and others have been summarized.I t is useful for a better understanding of the role of gas hydrates in global change and global carbon cycle to m odel and analyze the dynamic ev olution process of the gas hydrate 2gas system.
K eyw ords gas hydrate system ,global change ,carbon cycle ,dynamic ev olution ,carbon is otope excursion event
0 引 言
天然气水合物是在高压、低温、充足的天然气条件下由水和天然气形成的冰状固态物质,通常充填在沉积物孔隙中[1,2].大陆边缘的天然气水合物及其下伏的游离气含有大量的甲烷(1×1019g ～2×1019g )[3,4].这些甲烷大部分为在厌氧沉积物环境中通过甲烷生成作用形成的生物成因甲烷,碳同位素比值
非常低(约-65‰
)[5].因此,陆坡沉积物中的甲烷水合物含有巨量富12C 的碳.水合物稳定带深度依赖于
水深(压力)和温度[6,7].海平面降低引起的压力降低[8,9]或海水温度的增加均可导致天然气水合物分
解.温压的变化导致天然气水合物与天然气的相互转化,从而表现为天然气水合物-天然气体系(简称天然气水合物体系)的演化.该演化表现为一动态过程,这种动态过程在现今的海洋调查中被证实,影响了固体圈-水圈-大气圈中甲烷和碳的平衡,也可以发生在地质时代.地质历史演变中的天然气水合物演化对全球变化与全球碳循环起着重要作用.
收稿日期 2003204220; 修回日期 2003205205.
基金项目 国家重点基础研究发展规划项目(G 20000467)、中国科学院知识创新工程项目(K ZCX32SW 2219)和中国科学院全国优秀博士学位论
文专项资金联合资助.
作者简介 宋海斌,男,1968年生,浙江绍兴人,博士,副研究员,主要从事海洋地球物理研究.
第18卷 第2期 地 球 物 理 学 进 展 V ol.18 N o.22003年6月(188～196) PROG RESS I N GE OPHY SICS June 2003
天然气水合物分解对全球变化的影响是在20年前提出的[10,11],近期引起了广泛讨论[12].现已提出三种沉积物中水合物分解的触发机制[13].极地地区地表温度[14]与海洋地区底水温度的升高[11]均会导致天然气水合物层底部的温度超出天然气水合物的稳定条件.在地质历史时期海平面下降[14]与快速沉积[15]引起的压力变化也会使天然气水合物不稳定.水合物所含温室气体(主要是甲烷)的释放及随后在大气中氧化成二氧化碳被推测会引起地质历史中全球尺度的气候变化.温室气体的释放也可以通过影响碳储库的量与同位素性质对全球碳循环起作用[1].
值得指出的是,1995年Dickens对55.5Ma前古新世末增温事件进行了研究,大胆地提出天然气水合物作为全球环境变化重要因子的假说[16].认为古新世末增温事件溶解无机碳-2～-3‰的13δC位移可以用水合物所含甲烷的释放与随后氧化成二氧化碳来解释.此后,地质历史演变中的天然气水合物演化研究蓬勃发展,在science、nature等权威期刊上有大量科学论文发表.本文总结这些最新进展,为天然气水合物动态演化研究提供基础资料.
1 古新世末增温事件
古新世末期的突然变暖是近来早第三纪古环境最大的发现[17].在大约55.5Ma前10000～20000年的时间段内,深海与高纬度的表层水温度升高4～8°C[18,19],地球气候与海洋急剧变暖.在新生代最暖的这段时间里,物种也有较大变化[20].大量的哺乳动物种群(包含灵长类)突然出现在地质历史记录中,许多深海生物灭绝(如有孔虫)[18,21]或消失一段时间(介形亚纲动物).1986年底,ODP113航次在南极威德尔海钻探,Maud海隆上的690B孔在约170m 井深处钻遇40cm厚的纹层,正好在古新统/始新统界线之下,而纹层底部底栖有孔虫群出现一次大绝灭,表生种全军覆没,分异度一下从近80种降到20多种,而浮游有孔虫反而更加兴旺.浮游有孔虫壳体δ18O说明在这不到10000年的时间里表层水温上升5～6℃,最高20℃;底层水温上升约4℃,最高达到15℃.这一异常事件,被称为古新世末增温事件LPT M(Latest Paleocene Thermal Maximum),是迄今所知早第三纪第一次突变事件[17].
LPT M与全球碳储库碳同位素比值δ13C (13C/12C)显著的降低相对应[16,20,21].在LPT M的初始阶段,海洋碳同位素比值降低了2.5‰～3‰.底栖有孔虫的δ13C下降3‰以上,而浮游有孔虫δ13C 下降更甚,以致在温度最高时底栖与浮游有孔虫δ13 C几乎相等,即深部与表层海水的δ13C差值为零.此外,CaC O3%也于此时突然下降,但这种状态并不持久,约100ka之后又到新的平衡状态,只是δ13C 比以前轻,温度也比以前有所上升[19].碳同位素比值降低与现今化石燃料废气排放到大气层的情况相比拟[16,22].LPT M的碳通量与气候变化的幅度和持续时间是新生代中唯一可以与现今人类工业排放速率相比拟的过程.该碳同位素位移事件意味着大量同位素较负的碳输入到海洋和大气中.虽然火山喷发也可释放二氧化碳[18,19,23,24],但目前认为碳同位素事件(CIE)的快速性与幅度及LPT M只能用大陆边缘水合物分解导致大量甲烷释放来解释[16,22].
LPT M水合物分解假说可以概括如下:同现今相似,大量富含12C的甲烷以天然气水合物的形式存在,被储藏在大陆坡上部数百米的沉积物中[25,26].在LPT M前,晚古新世长期的全球增温促使海洋-大气系统跨越一个临界门槛值[16,19],导致温暖的表层水下沉,中、深海温度升高4～8℃[18].这样的增温也慢慢地促使沉积物的温度增加,使固态的甲烷水合物变成游离气[16].这一分解导致深部孔隙压力的增加,引起沉积物滑坡,大量的甲烷释放进入到海洋中[25,27].古新世末期底水温度升高4～8℃可以导致海底深900～2000m的大陆坡处沉积物中所有的天然气水合物分解、大量甲烷释放[16](图1-3).甲烷气体可能通过细菌活动与溶解氧发生反应[28],产生富12C的二氧化碳,输入到全球外生碳循环储藏库中,并使海洋中碳酸盐的溶解深度有相当程度地变浅[16,22].高的底水温度、低的溶解氧、表层水生产力的变化与有毒的水杀死了许多深海生物.在陆地上,升高的二氧化碳部分压力与抬升的温度促使哺乳动物广泛扩散的高纬度迁移路线很快地打开.在LPT M 后数个100000年间,全球碳循环与氧循环逐渐回落到平衡位置,而海洋与陆地的生态系统永久地改变了[21].
继Dickens等的重要假说[16,22]提出后,LPT M的研究有了新的进展[29].在1997年,大洋钻探计划在西大西洋1051站位采获跨越LPT M的连续沉积层序[30,31].不象以前采获的晚古新世剖面,这一记录包含了明显的沉积成分的周期性变化.N orris与R¨
o hl[30]所做的是把相当长的54～56Ma前的上古新统、晚始新统地层的每个旋回的幅度与厚度定量地记录下来.与大多数海洋沉积物的研究一样,他们的
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2期 宋海斌:天然气水合物体系动态演化研究(Ⅰ):地质历史演变
工作显示观测到的沉积旋回具有与地球进动周期一
致的频率,约20000年.利用这一天文校对的时间尺度对古新世-始新世过渡段进行研究表明,δ13C 的急剧降低与逐渐回落分别用了小于10000年和大约140000年.在LPT M 阶段,深海变暖5～7°C ,至少有1000G t 富12C 的碳大量快速地输入到海洋和大气
中[29].在LPT M ,大量碳输入后前10000年δ13
C 相对
稳定是特别重要的,因为这指示全球碳循环输入与
输出平衡的一个过渡阶段[29].N orris 与R ¨o hl [30]及Bains [31]指出这是一个甲烷输入慢慢消失的一个时间段.全球碳循环不能在大量碳输入后迅速去除这些碳是非常麻烦的
.
图1 古新世末增温事件发生时碳的情况(a )大洋钻探1051站位碳同位素比值[30],(b )根据物质平衡方程计算的甲烷碳随时间的变化[29]Fig.1 S tates of carbon around the late Paleocene thermal maximum (a )Carbon is otope record at Ocean Drilling program site
1051[30],(b )S tep 2wise integration of the time 2record according to mass 2balance equations to obtain a methane carbon 2s ource
function
[29]
图2 古新世末增温事件底水温度在10000年内从11℃增加至15℃时甲烷水合物稳定带厚度变化(海底深度为
1460m )[16]
Fig.2 The effect of an increase in bottom water tem perature from 11℃to 15℃over 10000years upon methane hydrate stability at location with water depth of 1460m [16]
091 地 球 物 理 学 进 展 18卷
图3 古新世末增温事件天然气水合物分解假说示意图[44]
(LPT M:古新世末增温事件,Pal:古新世)
Fig.3Schematic diagram of LPT M gas hydrate diss ociation hypothesis[44]
分开很远的两个ODP站位(690、1051)的氧同位素与碳同位素记录均支持生物成因甲烷水合物排出气体是改变地球气候重要因子的假说[31].全球相关联的碳同位素事件特征表明碳同位素比值是阶梯式地达到其极低点,指示海底甲烷的释放是脉冲式的[31].数据显示了多次甲烷注入的证据,这些事件被一些碳循环均衡的时间段所分隔.两个站位的相互关联表明即使是小规模事件在自然界中也通常是全球性的.Bains等[31]还提出跨越热门槛值不是LPT M甲烷水合物分解、甲烷释放的初始原因.海底地震、火山活动、重力滑坡等其他事件可能诱发富集水合物沉积的大陆边缘灾难性的滑坡.
考虑到甲烷水合物的聚集位置是分散的,在很宽的海底深度范围的大陆边缘均能够存在(对晚古新世,在约920m～约4000m)[16],它们的分解同时发生似乎是不可能的[31].因此LPT M结构的详细分析揭示同位素比值较负的碳的注入与有关的气候变化有几幕的结果并不奇怪.利用Dickens等[16]提出的物质平衡方程估算[31],要引起第一幕的碳酸盐岩全岩同位素位移,需要约600G t的碳从甲烷水合物中排放(在不到1000年内),而第二幕与第三幕分别需要约500G t与约300G t碳的注入.在LPT M阶段总的甲烷输入量是约1500G t(1G t=1×1015g),在Dickens估算的范围内[16,22].两个站位的数据相关联表明小规模碳同位素、氧同位素摆动也具有全球意义[31],在晚新生代沉积中地理位置不同的剖面可以准确地相互关联.2 其他地质历史事件
Dickens等[16,22]的天然气水合物分解假说还被用于解释一些相似的碳同位素负位移事件,如新元古代[32]、三叠纪[33]、侏罗纪[34]、白垩纪[35]、新第三纪[36]与第四纪[37,38].下面只介绍新元古代与侏罗纪的一些研究认识.
地球最严重的冰川作用发生在600～800Ma前的新元古代晚期.在20世纪60年代首次发现了这次冰川作用的严重性.30年后才有该阶段整个地球被冰覆盖成为雪球的说法.地球曾经为“雪球”而且维持上千万年的设想本身就具有轰动效应,成为当今地质学界的头号新闻[39].在新元古代至少有四次严重的冰期.对这些冰期怎么结束的一个解释集中在大气二氧化碳的温室效应,随后二氧化碳埋葬于称为碳酸盐盖的碳酸盐岩中,几乎在每个大陆上均发现该碳酸盐盖上覆在新元古代的冰碛沉积物上. K ennedy等[32]指出冰消作用的一个结果就是大量甲烷的释放,从而引发了对雪球的一些思考.K ennedy 等[32]提出,碳酸盐盖是在冰期结束时快速变暖、出露的大陆架和陆相盆地普遍淹没后,陆地冻土带天然气水合物释放甲烷后沉积的.洪水泛滥可以用冰期冰的融化解释,被淹没的冻土带变暖导致天然气水合物失稳,释放甲烷.但K ennedy等[32]没有讨论增温是怎么开始的?
关于新元古代冰期雪球最全面的解释是H off2 man等在1998年提出的[40].那时,大多数大陆分布于中纬度和低纬度地区,这种情况后来就一直没有出现过.由于大陆是太阳能很好的反射面(今天地球
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上,最多的太阳能被热带海洋所吸收),这种分布形态可以形成全球冰川作用的条件.一个连续的海冰盖覆盖了海洋,分隔了海洋和大气中的碳储库.火山活动的进行,大气中温室气体二氧化碳的逐步累积使地球从雪球状态逃脱.冰期时大陆硅质风化作用的减弱意味着二氧化碳的浓度达到了120000ppm (现今约为366ppm),触发了快速的冰消作用和海冰的融化.风化导致二氧化碳的降低,形成海洋碱度增加,沉淀形成碳酸盐盖.
这是雪球说的“硬雪球”版本,海洋的每一部分均被冰所覆盖.许多气候模拟学者提出了疑问:在大气中极端高的二氧化碳量的情形下热带海洋能维持冰冻的状态吗?并认为在很长的一段时间里,地球表面温度异常地稳定,并且指出这是温度、风化速率和大气二氧化碳浓度之间的反馈机制造成的.这一长期模型不涉及地球任何的雪球状态.近来更多的硬雪球冰川作用模拟失败了,这些模拟的结果表明冰川覆盖的大陆、赤道开放的海洋模型与地质证据更为一致.
碳酸盐盖的碳同位素变化对解释新元古代晚期的冰川作用是关键的.根据雪球模型,在冰川作用期,由于基本上去除了海洋生物圈,整个大洋的碳同位素只有一个短暂的变化.海洋碳酸盐岩碳同位素比值快速降低为-6±1‰.在冰后期恢复到正常值(0‰).天然气水合物模型中[40],冰期时碳同位素比值保持不变,冰后期甲烷水合物失稳碳同位素比值急剧降低.该模型中,沉积物释放甲烷的大多数在沉积-海水的边界处通过硫酸盐还原作用被氧化,导致碱度增加,形成碳酸盐沉淀.
在碳酸盐盖实测的碳同位素比值为0～-5‰,但同位素形态只有在少数几个地方被确定.非洲古老岩石构造刚果克拉通的南部边缘,碳同位素比值形态与天然气水合物模型预测的匹配[32].另外,冰期锶同位素比值也没有支持雪球模型中冰川作用阶段风化减弱的说法.但是,这与天然气水合物假说相对应.
两个假说都涉及海洋碳同位素组分的短期变化.但是天然气水合物模型避免了雪球模型中大气二氧化碳巨大变化相关的一些难题,如需要长达10 Ma的时间达到这么高的浓度.这也提供了新元古代晚期海洋碳酸盐碳同位素变化的一个更好的解释.但是应该指出的是,虽然K ennedy提出了一个有力的实例,但毫无疑问这离故事的结束还早得很.
Hesselbo等[41]研究了180Ma前侏罗纪T oarcian 期近岸沉积物中的树木化石的碳同位素数据,并识别出一个大气碳同位素异常.并指出该异常与已知的海洋碳储库的扰动耦合.Hesselbo等[41]提出海底天然气水合物中的大量甲烷的释放引起了碳同位素数据的扰动,甲烷“脉冲”触发了重要的气候变化和海洋变化.较大的碳同位素正位移对应T oarcian期海洋缺氧事件,该时期深海海水严重缺氧,有机物被过度的埋藏.正位移的底部为一负的碳同位素异常. Hesselbo等[41]的陆地碳同位素曲线研究表明海洋碳同位素异常在全球碳循环记录中也有反映.认为T oarican碳同位素事件是海底甲烷突然释放的结果.火山活动排放的二氧化碳触发了气候变暖,导致深海突然变暖,使天然气水合物不再稳定.Hesselbo 等[41]认为可能有相当于现今天然气水合物储藏库的20%的水合物分解并释放了巨量的甲烷气体,该释放量也是古新世末释放的两倍.在中生代(250～65Ma前)比较温暖的气候宜使天然气水合物幕式地排放甲烷到大气中[42].
3 千年尺度事件
Santa Barbara盆地近60000年的底栖有孔虫碳同位素千年尺度的较大变化反映了在间冰阶时期沉积物中甲烷梯度变浅、天然气水合物分解导致气体排出的特征(图4)[37].数个较大的负位移与不同深度浮游有孔虫较小的位移对应,指示大量的甲烷从盆地沉积物中释放.受温盐环流启闭的诱导,中层水温度发生变化,水合物稳定性得到调制.这些摆动在加利福尼亚边缘和其他地区可能是普遍的,影响了水合物的不稳定,导致大气中甲烷量千年尺度的摆动.
极地冰芯记录显示与第四纪轨道、千年、十年尺度气候周期对应的大气甲烷的较大幅度振荡[43].间冰期与间冰阶早期几十年的突然变暖与大气中甲烷量的快速增加一致.在先前的一个假说中,认为甲烷量的增加与热带湿地降水增多,甲烷生成作用加强有关[43].但是在海平面较低的时间里,解释大气甲烷迅速增加的大量湿地不太可能快速拓展.另外一个大气甲烷潜在的来源是甲烷(天然气)水合物.海平面降低引起的压力降低或海水温度的增加均可导致天然气水合物分解,而在晚古新世海水温度有增加[16,44],在墨西哥湾已经观测到小尺度的水温上升[45].当海底滑坡发生时,释放的甲烷以在水体中扩散或迸发进入大气的方式输送到可交换的碳储库中[16,44].
291 地 球 物 理 学 进 展 18卷
对第四纪大陆边缘天然气水合物的稳定性了解
很少.天然气水合物分解会在沉积物深部形成异常高孔隙压力,使沉积物不稳定[1,2].在大陆边缘上部广泛的沉积破坏(滑塌、滑坡、凹坑pockmarks )显示了在晚第四纪海底有大量甲烷释放的证据[1,2,46-49].这些大量证据反映了过去海底甲烷释放的规模以及影响气候变化的潜力.一些研究认为
第四纪海平面下降会导致大陆边缘天然气水合物分
解[8,9].但是由于以前很少有证据表明在第四纪中层水上部(400～1000m )有较大幅度的升温,因此对第四纪天然气水合物稳定性的研究中温度变化很少作为一个潜在因子被考虑进去.虽然已经知道海平面、水压较高的暖期大气中甲烷增加的事实,但并没有考虑冰芯中甲烷的海底来源.但是,证据表明与深海温盐环流启闭有关的温度上升在古新世末增温事件中天然气水合物分解方面有重要作用[16,44].
图4 Santa Barbara 盆地冰阶-间冰阶甲烷通量变化示意图[37]
(BSR :似海底反射层,SRZ:硫酸盐还原带)
Fig.4Schematic diagram illustrating stadial 2interstadial m odes of CH4flux for Santa Barbara Basin [37]
最近加利福尼亚古气候记录显示了过去60000
年完整的千年尺度的气候振荡序列(称Dansgaard 2Oeschger (D 2O )旋回).这表现为与格陵兰气候变
化[50]相联系的海水表层温度(SST )的变化、纹理强度与底栖有孔虫组合[51]揭示的底水氧化程度变化、底水温度变化.中层水畅通情况与表层水生产率的变化导致大陆边缘氧化程度变化,与温度环流的启闭有关[51].
K ennett 等[37]给出Santa Barbara 盆地ODP893A
孔(34°17.25′N ,120°02.20′W ;水深580m )过去60000年的浮游有孔虫、底栖有孔虫高分辨碳、氧同位
素数据.该孔具有已知晚第四纪最高分辨率的海相层序,提供了可以分析过去次千年尺度的气候、海洋变化的信息.K ennett 等[37]提出与D 2O 旋回有关的中
层水温度变化调节了潜在的不稳定深度段中大量天
然气水合物的幕式分解和相应的甲烷排出.该过程可能在广大地区发生,是促成大气中甲烷振荡的因素.在加利福尼亚大陆边缘潜在的天然气水合物不稳定的海水深度段,现今天然气水合物是存在的.过去不稳定性的地质证据也在增加[52].现今Santa Bar 2bara 盆地沉积物含有丰富的甲烷和较浅的似海底反射层(海底下30～50m ),这些被解释为天然气水合物存在的依据.
893A 孔浮游氧同位素比值记录的晚第四纪次千年尺度的气候旋回与沉积纹理变化、底栖有孔虫氧同位素、碳同位素比值相对应,反映了海底山脊盆地的“通风”情况.浮游有孔虫氧同位素及其组合数据显示了完整的D 2O 旋回(间冰阶17-1)、新仙女
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912期 宋海斌:天然气水合物体系动态演化研究(Ⅰ):地质历史演变
木事件(Y ounger Dryas)和全新世记录.底栖有孔虫氧同位素比值的振荡也与D2O旋回一致,在间冰阶底层水温较高,冰阶较低,在过渡带变化迅速.底栖有孔虫氧同位素比值的降低总是超前于间冰阶的开始(达200年),而间冰阶开始以浮游有孔虫群落组合与氧同位素比值降低为标志.因此中层水的变暖超前于表层水和大气的变暖.间冰阶的结束以底栖、浮游有孔虫氧同位素比值的迅速增加为标志,暗示着表层水和中层水变冷的同时性.
底栖有孔虫碳同位素数据显示与D-O旋回一致的千年尺度振荡,幅度较大达5‰.总的来说,间冰阶的数值较负(-2～-6‰),而冰阶的数值较正(-1‰).间冰阶与分异度较低的底栖有孔虫组合对应,具有低氧环境和纹理沉积的特征.冰阶显示分异度较高的底栖有孔虫组合,指示富氧环境和非纹理沉积的特征.冰阶-间冰阶的碳同位素组分转变发生于数十年和数百年中,在间冰阶同位素值变化较大.早全新世(10000～7000前)与中全新世(约1‰)相比,有较负的碳同位素比值(达-3.5‰,很像间冰阶).在晚全新世碳同位素比值又一次下降(达-2.5‰).底栖有孔虫碳同位素比值在D2O11开始时(约5.5‰在44000)、D2O8早期(约6‰在37500)均有较负的位移.在这些事件中所有被分析的类均显示很负的值,虽然不同类的差异也是明显的.
盆地中天然气水合物分解释放大量甲烷需要底水温度增加和/或海平面下降压力降低.盆地现今的水深580m、底水温度约5.5℃接近水合物与游离气的相变边界[6,7].冰阶2间冰阶底水温度变化2～3.5℃足以使盆地与北太平洋周边广阔区域中天然气水合形成与分解,从而影响温度环流的转变.天然气水合物的分解最可能发生在接近间冰阶开始的阶段,这时浮游有孔碳同位素比值有较大的负位移,由于海平面比现今低80m,同时底层水又变暖,从而水合物高度失稳[53].甲烷最可能来自盆地内部的源,从而使底栖有孔虫记录较大的负位移信号.靠近D2O17浮游有孔虫较小的碳同位素负位移在底栖有孔虫记录上并没有反映,可能指示富含甲烷的表层水进入了盆地.
用于解释碳同位素较大负位移,从沉积物中释放的甲烷量的最小估计值可以计算得到.推断1.3×1011m3或90T g被释放甲烷在水体中氧化.这表明每年的通量是6.4T g,是现今每年释放到大气中总量(510T g)的1.3%.这一事件持续时间段内总的释放量是间冰阶平均甲烷增加量的18%.因为没有考虑直接排放到大气中的量,这些事件中释放到水中与大气的总甲烷可能超过这一数值.
Santa Barbara盆地的地层记录表明从大陆边缘沉积物释放大量的甲烷的短暂事件至少有四幕,导致整个水体碳同位素负的位移.考虑到这些事件的短暂性,还可能发生了其他幕次的事件,但没有被检测出来.与千年尺度底水温度变化对应,天然气水合物分解引起海底滑坡,从而发生天然气水合物的去顶,导致甲烷的释放.这些短暂的、灾变性事件叠加在较长期的冰阶/间冰阶旋回上,底栖有孔虫碳同位素比值与中层水温度变化对通过沉积物甲烷通量的调制相对应.这些过程在过去的大陆边缘可能是广泛发生的,与过去海洋沉积储库中普遍的、大量甲烷释放的地质证据[46—49]相对应.该工作支持天然气水合物中的甲烷排放至大气,导致最近的第四纪间冰阶阶段大气甲烷量增加的假说[54].
Hinrichs等[55]的研究也表明在多个快速增温时期,海底沉积物中的水合物会幕式地释放甲烷.上次冰期温暖阶段沉积在Santa Barbara盆地的沉积物包含了可诊断喜氧与厌氧噬甲烷细菌(methanotrophs)的分子化石.富含这些混合物的沉积段指示充满甲烷的水体中活跃的噬甲烷细菌的幕式活动.44100年沉积物中厌氧噬甲烷细菌信号指示特别剧烈的甲烷排出,意味着盆地的甲烷循环严重地影响了水柱中氧的变化.
4 小 结
根据现在的估计,在不到1000年的时间里,人类活动会把2000～4000G t的碳排放到大气中.也就是2～4×1018t.这样快速大量的碳的释放会引起什么后果呢?与天然气水合物体系的演化又会有什么关系呢?全球变化研究与天然气水合物研究[56—67]均是当今地球科学、海洋科学中最前沿的研究领域,也是新世纪大洋钻探计划的重要主题,以动态演化为主线的工作必将充满希望与挑战.
1995年Dickens等[16]提出天然气水合物作为全球环境变化的重要因子的假说以来,全球增温事件[22]与区域性的滑坡[44]被认为促使了天然气水合物的分解.有关地质历史时期天然气水合物分解的工作很多,但从区域尺度定量模拟天然气水合物的分解可能产生的甲烷通量的工作较少.Mienert等[68]对比了挪威大陆边缘现今水合物稳定带与上次冰期最盛期的模型,研究表明自末次冰期最盛期以来,有约8.5%的天然气水合物被分解了.Milkov等[13]通
491 地 球 物 理 学 进 展 18卷
过两维模型研究了墨西哥湾北部的天然气水合物分解,并探讨了其在全球环境评价方面的作用.
基于沉积物中的天然气水合物形成、分解动力学建立天然气水合物-天然气体系动态演化数值模型;开展天然气水合物-天然气体系动态演化过程数值模拟,并对主要的影响因子如沉积速率、构造抬升速率、流体通量等进行分析,并与实际的观测资料进行对比,获取地质历史演变中的天然气水合物-天然气的形成、分布、分解、再循环过程的认识.综合以上结果,分析地质历史演变中天然气水合物-天然气体系动态演化特征是非常有意义的.
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