“冷泉”——深海荒原中的绿洲,发现可燃冰的信号

如题所述

长期以来,由于探索能力的限制,人们对海洋的认识主要局限于海洋表层以下数百米的水层,对深海的了解甚少。然而,在近几十年的时间里,随着海洋探测技术和设备的不断更新,科学家们发现海底深处并非一片荒凉。在深海平原这一荒漠般的环境中,存在着一片生机勃勃的“绿洲”。这片“绿洲”是深海生态系统的一部分,被称为“冷泉”。
“冷泉”是一个神秘的存在,那么它究竟是什么呢?作为一名海洋地球物理学者,我有幸登上“海洋六号”科考船,并使用我国自主研发的4500米深海无人遥控潜水器“激含液海马号”亲眼见证了这一奇观的发现过程。
2015年5月,南海海面风和日丽,平静如湖,“海洋六号”科考船搭载着众多科考人员全速驶向预定目标区。到达目标区后,立即展开了紧张的准备工作。首先,确保“海洋六号”母船的动力定位,使海马号潜水器通过母船被准确地定位在预定的目标点上。在确认所有仪器入水前的工作都正常后,我们发布了指令,“海马号”如同脱手的“风筝”,带着一条长长的“尾巴”(铠装通讯电缆”)缓缓沉入海底。
随着操控室监视屏上传来的信号,我们看到了深潜器下潜过程中海水景象的变化。起初,还能看到淡蓝色的海水,阳光穿透海面斜照进海水中,仿佛透过原始森林的阳光。然而,随着深度的增加,光线逐渐消失,周围变得一片黑暗。正当大家的兴趣开始减弱时,“海马”号的灯光突然亮起,我们意识到已经接近海底。然而,映入眼帘的海底只是一片淡黄色,充满了单调的灰色,除了偶尔能看到一两只海参、海葵,几乎找不到任何生命的迹象。
尽管如此,由于前期工作的基础,“海马号”继续向预定目标前进。突然,监视屏上出现了星星点点的贻贝,随着我们的前进,贻贝的数量越来越多,大白贝、白色菌席、白色铠甲虾以及暗红色的管虫幼虫也依次出现,数量越来越多。最后,监视屏上出现的都是各种“冷泉”生物,层层叠叠,仿佛我们来到了一个丰收的人工养殖海鲜场。这就是海底的“绿洲”——“冷泉”生态系统。
在我们的认知中,生物的生存和生长需要氧气和养料。在超过1000米的深海中,虽然海水中含氧量相对较低,但毕竟还存在,足以支撑生物的生存。然而,生物生长发育所需的养分又来自何处呢?正当我困惑之时,监视屏上又出现了一串串或稀或密的气泡从海底冒出。随着“海马号”的靠近,气泡的数量越来越多,越来越清晰,最后大量气泡成群结队地翻滚着,宛如煮开的沸水,从海底裂缝中喷涌而出。气泡由小到大上升,到达一定高度后消失不见。视线下移,在气泡溢出的海底表面,出现了块状的白色晶体物质,这正是与“冷泉”形成密切相关的物质——“可燃冰”。
在海底以下存在着大量的甲烷,它是一种可燃的能源物质,常温下呈气态,在高压低温下会形成“可燃冰”。在内外力作用下,甲烷从海底以下向上运移、渗漏,当渗漏通道更为通畅时,甲烷气体会以一种更加“热烈”的方式释放,形成类似海底喷泉的景象。这种甲烷气体多是海底浅表层的水合物分解释放出来的,而水合物分解是一个吸热过程,导致甲烷渗漏或喷发的地方温度远低于周围区域,一般只有几摄氏度。为了区别于其他海底热流体喷发方式,人们称之为“冷泉”。
当甲烷气体到达海底时,会被一群名为“嗜甲烷菌”的细菌所消耗。这种细菌数量极为庞大,形如“席子”,因此被称为“白色菌席”,它正是贻贝、管虫等海洋生物的美食。再大型一点的生物如海虾、铠甲蟹等,又以细菌或贝类为食,这便形成了一个完整的生物链。在这条生物链中,嗜甲烷菌是最底层的生产者,维持着“冷泉”生态系统的平衡。如果有一天,海底以下再没有甲烷气体供应,嗜甲烷菌将会因缺失养分而死亡,整个“冷泉”生态系统也将不复存在。
当溢出的甲烷气体达到一定浓度时,由于海底的低温、高压环境,又可以在海底直接生成高饱和度的天然气水合物——“可燃冰水合物丘”。它被厚厚的海底灰色积泥包裹着,只露出些许白色,宣示着自己的存在。
天然气水合物,又称“可燃冰”,是一种高效、洁净、储量巨大的新型能源。它是由水和天然气在高压和低温条件下形成的类冰状化合物,由于外貌极似冰雪,点火即可燃烧,仿佛将冰点燃的超自然现象,因此得名“可燃冰”。
可燃冰是高度压缩的天然气资源,具有巨大的经济价值,1立方米的可燃冰可以分解出160-170立方米的天然气,其能量密度是常规天然气的2.5倍。据估算,全球可燃冰总储量大约相当于全球已知煤、石油和天然气总储量的两倍,而其中97%分布于海洋中。最令人期待的是,可燃冰燃烧后分解只产生二氧化碳和水,被誉为21世纪的绿色能源。
冷泉的发现对海域可燃冰研究具有重要意义。发现冷泉的地方一定有可燃冰存在,而有可燃冰的地方一定会发现冷泉吗?对第一个问题的回答是肯定的,冷泉本身就是因为天然气水合物分解形成的。冷泉的发现,是预测可燃冰存在的直接证据,可以为进一步的资源评价打下良好的基础。至于第二个问题,答案就不一定了,因为就可燃冰的成因而言,存在着“渗漏型”和“扩散型”两种,如果我们找到的是“扩散型”可燃冰,可能就没有“冷泉”的特征存在了。
海域可燃冰的储量如此可观,又是如此高效、清洁的环保能源,我们理应尽早对其开发利用,造福人类社会。然而,海域可燃冰的开采具有很高的技术难度:一是其赋存于尚未石化的海底砂层中,赋存空间犹如用泥砂构筑的蜂巢,开采时可燃冰分解为天然气和水后,“蜂巢壁”极可能坍塌并被带走,进而堵塞采气管道;二是只要温度、压力条件一变,可燃冰即挥发成气体进入大气,瞬间变成环境杀手。因此海域可燃冰被发现已有几十年,但开采一直无重大进展。
2017年5月10日,中国在南海神狐海域首次试采可燃冰点火成功。至5月18日连续产气8天,平均日产超过1.6万立方米。至6月10日,连续产气31天,总产气量21万立方米,平均日产6800立方米。试采井产气过程平稳,井底状态良好,钻井作业安全,海底海洋环境监测未发现异常,无海底甲烷气体泄漏情况。取得了持续时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果。
目前,科学家们正努力研究,朝着大规模、低成本、环保可控的方向进行可燃冰的下一步试采。相信在不久的将来,可燃冰会替代其他能源,真正为人类所用。
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