与天然气水合物分解有关的海底滑坡和气候突变
(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。邮箱:niyugen@163.com .
在地质历史时期，由天然气水合物分解引起的海底滑坡在世界范围内广泛分布，包括挪威沿海的Storegga滑坡、阿拉斯加北部的Beaufort Sea滑坡、美国东海岸南卡罗来纳大陆隆起上的Cape Fear滑坡、巴西东北缘的亚马逊扇、地中海西部巴利阿里海盆的巨大浊积岩等。由天然气水合物分解引起的气候突变事件也发生过多次，包括侏罗纪早期的托利亚洋缺氧事件、白垩纪的阿普特洋缺氧事件、古新世晚期(LPTM)的极热事件以及第四纪间冰期的全球变暖事件。无论是由于地质历史寒冷期静水压力的急剧降低，还是地质历史温暖期底层水的变暖，都可能引起天然气水合物的不稳定和分解，从而诱发海底滑坡(滑塌)，向大气中释放巨量甲烷，导致全球气候剧变。天然气水合物分解导致的海底滑坡和气候突变不仅在过去可能发生，在未来也可能发生，其影响可能是灾难性的。因此，在勘探开发天然气水合物的同时，还应深入研究其环境效应，评估和权衡人类开采天然气水合物的利弊，以把握天然气水合物的资源效益和环境效应之间的平衡。
天然气水合物；海底滑坡；气候变化
1前言
天然气水合物是由某些特定的气体分子(主要是甲烷)和水分子在高压低温下形成的固体、非固定比例的笼形化合物。天然气水合物作为一种新型清洁能源，具有广阔的发展前景，尤其是在能源短缺的背景下。保守估计，天然气水合物所含能量是其他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中，全球大陆边缘储存的甲烷(包括天然气水合物和游离气)高达10 ~ 20万亿吨[2 ~ 4]。美国、日本、加拿大、德国、印度、中国等国家对天然气水合物资源的勘探开发投入巨大，并取得重大突破。许多国家都制定了实现天然气水合物商业化开采的时间表。然而，虽然天然气水合物具有巨大的资源效益，但一旦分解，将导致灾难性的海底滑坡和气候变化。
2天然气水合物分解引起的海底滑坡
由天然气水合物分解引起的海底滑坡(滑塌)在世界上广泛分布。研究最多的是挪威海岸的Storegga滑坡、阿拉斯加北部的Beaufort Sea滑坡、美国东海岸南卡罗来纳州大陆隆起上的Cape Fear滑坡、巴西东北部大陆边缘的Amazon fan和地中海西部Balearic盆地的巨大浊积岩。
挪威海岸的Storegga(“大边缘”)滑坡系统是最好的海底滑坡之一，其陡峭的谷底位于离岸100km的大陆架边缘，长度为290km。滑坡系统从大陆坡延伸到3600米的深海盆地，距离超过800公里。滑坡造成的泥石流堆积厚度达450米，总量约5600立方千米。滑坡系统有三期，第一期规模最大(约3880km3)，可能发生在3 ~ 5万年前，另外两期发生在6000 ~ 8000年前。与一期滑坡相比，二期滑坡后退了6 ~ 8 km，破坏了450km3的陆架边缘。本次滑坡有两层厚150 ~ 200 m、宽10×30km的土层沿陆坡(平均坡度0.3°)下移约200km。第三次滑坡局限于第二次滑坡的残余，可能是第二次滑坡的最后一次活动。在挪威海盆最深处，距离滑坡谷底700多公里处，沉积了一层厚度超过6m的细粒浊积岩，可能与第二次滑坡有关。Storegga滑坡的滑动面与天然气水合物的底部边界(BSR)在同一深度。Bugge等人[5]认为地震和天然气水合物分解导致沉积物液化，引发了Storegga滑坡。滑坡的第一阶段可能导致了5×1015 g甚至更多甲烷的释放[6]。
阿拉斯加北部的波弗特海陆坡上有一条巨大的海底滑坡(滑塌)带[7]，其范围与天然气水合物沉积区的范围一致(根据地震资料推断)(图1)。Kayen和Lee [7]认为，在晚更新世海退时期，海平面在约28000 ~ 17000年间下降了约100m，导致海底静水压力下降了约1000kPa。压力降低导致天然气水合物分解，释放出大量甲烷和水，导致海底坍塌，形成巨大的海底滑坡。
恐怖角滑坡位于美国东海岸的卡罗莱纳海隆，陡峭的谷头长50km，高1.20m，其滑坡遗迹和滑塌沉积物向下延伸至少400 km [8]。恐怖角滑坡沉积物坍塌区域地层中的BSR极其清晰[8 ~ 9]。Paull等人[10]通过14C测年，确定恐怖角滑坡形成于14500 ~ 29000年期间，属于末次冰期的低海平面期。
在亚马逊河河口外，地震资料显示亚马逊扇上至少有4个大规模的块体搬运沉积物(MTD)，每个沉积物的规模约为104km2，厚度为50 ~ 100m。其中一次滑坡留下了高度为120m [11]的滑坡悬崖。Piper等人[11]认为，在晚更新世海平面下降过程中，天然气水合物分解导致沉积物失稳形成海底滑坡，导致了这些大规模块体搬运沉积事件的发生。
地中海西部巴利阿里海盆的巨大浊积岩[12]厚8 ~ 10m，其顶部在海底以下10 ~ 12m，穿过地中海西部的深海海底。这套浊积岩的体积为500km3，形成时间为22000年前(已由14C年龄校正为日历年龄)。Rothwell等人[12]认为，这种巨大浊积岩形成的原因是，在末次盛冰期海平面最低时，由于天然气水合物分解和/或地震活动，可能在大陆边缘产生巨大的海底滑坡，然后形成强大的重力流(浊流)，将大量沉积物搬运到深海平原。
综上所述，天然气水合物分解导致海底滑坡的机理可以概括为:末次冰期低海平面时期，海水压力迅速下降，导致天然气水合物失稳分解，诱发海底滑坡(滑塌)，进而形成浊流。
流动，将沉积物运送到深海平原，形成巨大的浊积岩(图2)。在这个过程中，天然气水合物的分解也会导致巨量的甲烷释放到大气中，从而可能引起气候变化。
图1阿拉斯加附近波弗特海大陆边缘地质图。海底滑坡带的范围与天然气水合物沉积区的范围一致[7]
图1阿拉斯加附近波弗特海大陆边缘地图，显示了大型滑坡和天然气水合物的重合区域[7]
3.天然气水合物分解引起的突发气候事件
天然气水合物分解释放的巨量甲烷可能导致剧烈的气候变化，海洋缺氧、全球变暖等灾难性后果，并导致大规模物种灭绝。在地质历史中，可能与天然气水合物分解有关的著名事件包括侏罗纪早期的OAE、白垩纪早期的阿普特OAE、古新世晚期(LPTM)的极热事件以及第四纪间冰期的全球变暖。
早侏罗世托利亚洋缺氧事件发生在183Ma之前，导致异常高的有机碳沉积、高温和大规模生物灭绝[14 ~ 17]。地质历史上该事件的主要识别标志是碳同位素负漂移。海相碳酸盐中δ13C的漂移为-2 ‰ ~-5 ‰，树木化石中δ13C的漂移为-4 ‰ ~-7 ‰ [18]。Hesselbo等人[18]从树木化石中获得的大陆δ13C漂移表明，侏罗纪早期托利亚洋缺氧事件引起的碳同位素异常不仅出现在海洋中，也出现在全球碳循环记录中[19]。Hesselbo等人[18]认为这一事件的原因是:强烈的火山活动和/或构造运动，引起海洋环境的变化，导致天然气水合物分解，释放出大量甲烷，导致δ13C负移(甲烷的δ13C约为-60‰)。早期托尔金阶段处于海平面上升期，天然气水合物分解的原因是底层水温升高。Hesselbo等人[18]利用Dickens等人[20]对LPTM事件甲烷排放量的估算，认为δ13C的偏差为-2 ‰ ~-3.5 ‰，估算的甲烷排放量为1.5× 1018 ~ 2。
图2巨型浊积岩的可能形成模式。天然气水合物分解可能导致海底沉积物的不稳定和崩塌，形成向下的海底滑坡和大陆坡的高密度沉积物流(浊流)和深海平原的浊流沉积物[13]。
图2巨浊积岩矿床的可能形成方式。不稳定的沉积物堆积在受到扰动时坍塌，可能伴随着甲烷的释放，导致海底滑坡和密集的沉积物流(浊流)沿着大陆坡流下。最终结果是深海平原上的浊积岩序列[13]
白垩纪apter阶段的大洋缺氧事件发生在120 Ma之前，与侏罗纪早期的Tolian大洋缺氧事件非常相似。该事件中，碳酸盐中δ13C漂移为-2.5 ‰ ~-3 ‰ [21]，树木化石中δ13C漂移达到-7 ‰ [22]。
古新世晚期的极热事件发生在55.5Ma前，海洋沉积物中显著的δ13C负漂移、动物化石的牙釉质以及陆相地层中的碳酸盐和有机质记录了这一事件。该事件中，δδ13C的漂移为-2.5‰，负漂移在随后的0.2Ma内恢复正常[20，23]。Dickens等人[20，23]提出了LPTM假说，认为此时海洋温度上升，建立了新的地热线，导致初始地热线和水合物平衡曲线之间的天然气水合物分解，释放出巨量甲烷(1.12×1018g)，造成环境跃变(图3)。LPTM假说的重要性在于，它首次解释了全球碳循环和其他系统是如何与巨量化石燃料的爆炸式释放相关联的，这种情况在今天的工业时代也可能发生。
第四纪气候循环与极地冰芯记录的大气中甲烷含量的波动一致[25 ~ 27]，第四纪间冰期全球气候的剧烈变暖与大气中甲烷浓度的快速增加一致[28]。Kennett等人[29]分析了圣巴巴拉盆地ODP893 A孔浮游有孔虫和底栖有孔虫的δ13C和δ18O曲线，发现底栖有孔虫的δ13C在60000年以来的间冰期出现了较大的负偏差(-5‰)，其原因是天然气水合物分解释放的甲烷。在某些时段，大型底栖有孔虫δ13C负偏差(高达-6‰)和小型浮游有孔虫δ13C(高达-3‰)同时出现，反映了天然气水合物更大规模的分解。天然气水合物分解的主要原因是间冰期中层水温度升高(可达2 ~ 3.5℃)，其分解也造成了海底的不稳定，从而形成海底滑坡(滑塌)。Kennett等人[30]进一步提出“水合物枪假说”，认为天然水合物分解释放的甲烷导致了15000年前严重的全球变暖。
图3晚古新世极热事件(LPTM)的可能成因图。底层水温上升4℃，导致天然气水合物在初始地热线和水合物平衡曲线之间分解，释放出巨量甲烷并氧化成二氧化碳，进一步加剧气候变暖。图中的小矩形是天然气水合物的稳定区域[24]
图3晚古新世极热事件(LPTM)的假设原因，海洋变暖4 ℃，原始地热和平衡曲线之间的水合物会融化，导致甲烷排放到环境中，在环境中甲烷会氧化成二氧化碳，导致显著的进一步变暖。小垂直矩形显示的水合物稳定区[24]
综上所述，天然气水合物分解引起气候变化的机制可以概括为:地质历史暖期，由于底层水变暖，天然气水合物分解，释放出巨量甲烷，导致全球气候剧烈变化，生物大灭绝，等等。现在大多记录在沉积物中δ13C的负迁移中(图4)。在这个过程中，天然气水合物的分解也会导致海底失稳，从而形成海底滑坡(滑塌)。
4结论
总结前人的研究成果，归纳如下:
1)地质历史时期，由天然气水合物分解引起的海底滑坡在世界海域广泛分布，包括挪威海岸的Storegga滑坡、阿拉斯加北部的Beaufort海坡滑坡、美国东海岸南卡罗来纳隆起的Cape Fear滑坡、巴西东北缘的亚马逊扇以及地中海西部巴利阿里海盆的巨大浊积岩。由天然气水合物分解引起的气候突变事件也发生过多次，包括侏罗纪早期的托利亚洋缺氧事件、白垩纪的阿普特洋缺氧事件、古新世晚期(LPTM)的极热事件以及第四纪间冰期的全球变暖事件。
图4甲烷释放和碳循环示意图[19]
答——在地质历史时期，温室效应事件可能导致海洋天然气水合物的突然释放，记录为碳同位素负异常。释放的CH4会被氧化成CO2，加剧温室气候。b——作为对CO2含量增加的响应，生物圈显示了有机碳在海底沉积的加速和碳酸盐产生的危机，这被记录为碳同位素的正异常。
图4甲烷释放和碳循环[19]
答:在过去，温室效应可能会导致海洋沉积物中的天然气水合物突然释放出甲烷，这在负碳同位素异常中有记录。甲烷？衍生CO2导致温室气候的放大；生物圈对更高的CO2水平的反应是有机碳在海底的加速埋藏，以及碳酸盐生产的危机，正如《正碳》?同位素异常
2)无论是在由于静水压力迅速降低的地质历史冷期，还是由于底水变暖的地质历史暖期，都可能引起天然气水合物的不稳定和分解，从而诱发海底滑坡(滑塌)，向大气中释放巨量甲烷，导致全球气候剧变和灾难性后果。
总之，天然气水合物分解引起的海底滑坡和气候突变，不仅过去可能发生，将来也可能发生，其影响可能是灾难性的。然而，人类对资源的渴求将不可避免地导致人们加大对天然气水合物的勘探和开发力度。因此，在勘探开发天然气水合物的同时，还应深入研究其环境效应，评估和权衡人类开采天然气水合物的利弊，以把握天然气水合物的资源效益和环境效应之间的平衡。
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与天然气水合物分解相关的海底滑坡和气候变化事件
倪玉根1，2，夏珍1，2，马胜忠1，2
(1.广州海洋地质调查局，广州，510760；2.海洋矿产资源国家重点实验室，广州，510760)
文摘:在地质历史中，与天然气水合物分解有关的海底滑坡在世界范围内时有发生，如挪威的Storegga滑坡、阿拉斯加北部的Beaufort海大陆坡滑坡、美国东海岸的Cape Fear滑坡、巴西东北部的Amazon fan、西地中海的大涡街，气候变化事件如侏罗纪早期的OAE缺氧事件、白垩纪的阿普特缺氧事件、晚古新世极热事件(LPTM)、第四纪间冰期的全球变暖等。无论是地质寒冷期(如末次冰期)静水压力的突然降低，还是地质温暖期底层水温的急剧升高，都有可能导致天然气水合物分解，从而形成海底滑坡(滑塌)，引起气候变化。与天然气水合物分解相关的海底滑坡和气候变化事件不仅发生在过去，而且还可能在未来发生，其影响都可能是灾难性的。因此，我们在热情关注天然气水合物勘探开发的同时，应进一步研究其环境效应，评估和权衡天然气水合物资源勘探开发的利弊，以保持资源效益和环境效应之间的平衡。
关键词:气体水合物；海底滑坡；气候变化