北极地区海域天然气水合物碳储量的量化挑战

本研究通过地球物理数据推算北极地区海洋水合物饱和度,并对目前基于模型估算的水合物储量加以修正。量化结果是,100年内海底温度上升2℃的条件下,水合物分解可释放的潜在碳量范围为0.28~541Gt,其上限值对应的平均水合物饱和度为0.25%。波弗特海中富碳流体向上对流速度可能是北极地区海洋沉积物中水合物稳定带内最重要的碳来源。

引言

最新估算数据显示,全球含水合物沉积物中碳储量范围介于500~3000Gt,其中116Gt的碳储存在北极地区。

控制水合物稳定带厚度的参数(压力、海底温度、地热梯度、盐度和相边界)、碳源类型和进入水合物稳定带内的碳总量等方面的不确定性导致了水合物内碳的总储量的估算变化较大。本研究利用最新发表的转换函数,计算了北极地区水合物储量,计算中考虑了±30%的浮动,这可用于说明控制水合物稳定带厚度的参数的不确定性影响。作者也引入了一种分析方法,其中部分估算数值受到地球物理数据推测的水合物饱和度的约束。同时,作者提出了一个具体方程,可以估算富甲烷流体进入水合物稳定带内的等效向上流动速度,并且满足地球物理方法推测的饱和度数值。

研究方法

本研究使用了Piftero等(2013)提出的转换函数(方程(1))。这个转换函数是反应运移代码的数值拟合方程,反应运移代码考虑了占主导的物理、生物过程及其参数,转换函数的输入参数包括:(i)水合物稳定带厚度(HGHSZ,m),(ii)沉积速率(SR,cm/kyr,(iii)颗粒有机碳(wt%),以及(iv)除机械压实机制之外的向上对流速度(FF,cm/yr)。

[c1 = 0.024; c2 = 1.587; c3 = 0.0224; c4 = 266084; c5 = 2.75; c6 = 0.063; c7 = 0.003; c8 = 4.68; c9 = 2.31]。值得注意的是,游离甲烷气的上升可能是进入水合物稳定带内甲烷的另一个来源,这一点在函数中没有加以考虑。

水合物稳定带的体积

为了计算现今北极地区海域水合物稳定带在稳态条件下的体积,作者收集了水深、海底温度和地温梯度数据(图1),并对海水盐度和气体组分进行了假定。通过在有效范围内使用不同的相边界(表1),可以计算出每个模型单元中水合物稳定带的平均厚度(图2A)。

图1 插图显示100 年内海底温度上升2℃时,100% 水饱和沉积物中温度的增量

表1 水合物稳定曲线及其适用的温度和盐度范围

图2A)使用6种不同的甲烷水合物相边界计算现今水合物稳定带(GHSZ)基底的平均深度(相边界包括Dickens和Quinby-Hunt, 1994 以及Dickens和Quinby-Hunt,1997;分布因子方法或Kvsi方法;Sloan和Koh, 2008;Moridis等, 2008;Tishchenko等, 2005以及Lu和Sultan, 2008),同时在计算过程中假设了3.5wt%的盐度和稳态条件。B)用水体深度与沉积物堆积的关系,计算了全新世的沉积速率,两者关系由Burwicz等(2011)提出。C)水合物中的碳储量是使用Pi?ero等(2013)提出的转换函数估算的,同时假设流体流速为0.01cm·yr-1;D)水合物浓度是通过假设水合物稳定带中沉积物的平均孔隙度为0.5,水合物密度为912kg·m-3,以及水分子为6估算出来的。

沉积速率和颗粒有机碳

本研究采用两种不同方法来计算沉积速率。方法1采用Burwicz等(2011)提出的水体深度与沉积速率关系来计算全新世的沉积速率,方法2采用沉积物厚度与洋壳年龄的比值计算平均沉积速率。

结果与讨论

目前,北极地区水合物稳定带内的海洋沉积物体积约为2.25×1015m3(图2A和表2),碳储量介于0.28Gt和541Gt之间(图2C和表2)。Kretschmer等(2015)估算了现今水合物稳定带体积为3.80×1015m3,含碳量为116Gt。作者使用与Kretschmer等(2015)相同的转换方程计算的水合物储量较低,这可能是由于他们估算了更大的水合物稳定带体积,并且假设陆坡区域(水体深度介于200和500米之间)的沉积速率更高。但是,作者对水合物储量估算的上限值与他们计算的数值(表2)相比,高出了一个数量级,这可能是由于作者考虑了流速为0.01cm/yr的向上对流流体(FF)进入了水合物稳定带内,这将导致进入水合物稳定带内甲烷的增加。流体的流动速度约为0.02cm/yr这与己经发表的活动大陆边缘数据是一致的。

表2  北极地区水合物稳定带(GHSZ)的体积和沉积物中海洋水合物(GHBS)内的碳储量

对于每个模型单元,平均水合物饱和度(Sh)可以利用方程(2)估算,输入参数包括方程(2):

在方程(2)中,MC是碳的分子量,MH2O水的分子量,同时MCH4是甲烷的分子量。假设φ为0.5,结构1的ρGH为912kg/m3,Nh为6,使用方程(1)中向上流体流速为0.01cm/yr,在整个北冰洋沉积物之下,相应的平均水合物饱和度为0.25%(图2D)。本研究中,作者引入了FFe的概念,因为方程(1)没有考虑到上升并进入到水合物稳定带中的游离甲烷气体。

为了单独限制FFe,作者可以使用地震数据和源控电磁数据推测水合物饱和度,联立方程(1)和(2),得到了方程(3)。

为了研究北极地区海洋水合物矿藏的未来变化,作者使用热扩散模型和假设沉积物是100%水饱和,计算了100年内海底温度上升2℃情景下沉积物温度的增量(图1中的插图)。对于那些没有考虑FF的模型而言(MC1和MC2,在表格2B中),水合物稳定带体积减少了5.4%,导致水合物中的碳储量降低96.43%(MC_1)和80.28%(MC2)(分别为0.27Gt碳和1.14Gt碳)。在这些模型中,水合物稳定带厚度的减小与相关的碳释放存在明显的一一对应关系(MC3在表格2B中)。

结论

(1)精确估算北极地区海洋水合物的储量仍是一个挑战。为了更多更好地从地球物理方法推测的水合物饱和度分布以及对水合物稳定带中碳来源的理解,对现今模拟方法输入信息的约束是必不可少的。

(2)在斯瓦尔巴特西部近海和波弗特海中,单独的颗粒有机碳聚集并不能解释地震数据推测的水合物饱和度超5%的现象,这很可能是由于源自深部的富碳流体向上迀移,流速为0.02~0.04cm/yr。这个结果表明,北极地区海洋水合物的储量要比最近估算的116Gt碳储量可能更大。

(3)目前,北极地区海洋水合物储量可能介于0.28~541 Gt的碳储量之间。如果颗粒有机碳是唯一来源,那么当100年内海底温度上升2℃时,水合物储量将会降低88.4%(0.7Gt碳),而如果富碳流体的上升对流是主要来源,水合物储量将会降低5.4%(29.7Gt碳)。

张翠梅 译自:Héctor Marín-Moreno, Michela Giustiniania, Umberta Tinivellaa, Elena Pi?eroc, The challenges of quantifying the carbon stored in Arctic marine gas hydrate, Marine and Petroleum Geology, Volume 71, March 2016, Pages 76–82.(张凡 代金友审)

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