倪玉根1，2 夏真1，2 馬勝中1，2
（1.廣州海洋地質調查局 廣州510760；2.國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州510760）
基金項目：國家海洋局海底科學重點實驗室開放基金（KLSG0905）。第壹作者簡介：倪玉根（1984—），男，碩士，主要從事海洋地質和天然氣水合物研究工作。Email:niyugen@163.com。
摘要 在地質歷史時期，天然氣水合物分解引發的海底滑坡在世界海域內廣泛分布，著名的有挪威岸外Storegga滑坡、美國阿拉斯加北部Beaufort Sea陸坡滑坡、美國東海岸南卡羅來納大陸隆上Cape Fear滑坡、巴西東北部大陸邊緣的亞馬遜扇、以及西地中海巴利阿裏盆地中的巨濁積層等；天然氣水合物分解引發的氣候突變事件也多次發生，著名的有侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白堊紀阿普特階大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世極熱事件（LPTM），以及第四紀間冰期全球變暖等。不論是在地質歷史寒冷期由於靜水壓力快速降低，還是在地質歷史溫暖期由於底水變暖，都可能會造成天然氣水合物失穩而發生分解，從而誘發海底滑坡（滑塌），釋放巨量的甲烷進入大氣導致全球氣候劇變。天然氣水合物分解引起的海底滑坡和氣候突變事件，不僅可以發生在過去，也可能發生在將來，其影響都有可能是災難性的。因此，我們在勘探開發天然氣水合物的同時，也應對其環境效應進行深入研究，評價和權衡人類開發天然氣水合物的利弊，以期把握天然氣水合物資源效益和環境效應之間的平衡。
關鍵詞 天然氣水合物 海底滑坡 氣候變化
1 前言
天然氣水合物是在高壓低溫條件下，由某些特定的氣體分子（主要是甲烷）和水分子組成的固態的非定比的籠形化合物。天然氣水合物作為新型的清潔能源，尤其在現今能源短缺的背景下，具有廣闊的開發前景。保守估計，天然氣水合物中蘊藏的能量是其它所有化石燃料總和的兩倍［1］。天然氣水合物資源主要存在於海洋環境，全球大陸邊緣中儲藏的甲烷（包括天然氣水合物和遊離氣）多達10～20萬億噸［2～4］。美國、日本、加拿大、德國、印度和中國等國家對天然氣水合物資源的勘探開發都投入了巨資，並取得了重大突破。多個國家已制定了時間表，計劃實現天然氣水合物的商業化開采。然而，天然氣水合物在具備巨大的資源效益的同時，壹旦發生分解，會引發災難性的海底滑坡和氣候突變。
2 天然氣水合物分解引發的海底滑坡
天然氣水合物分解引發的海底滑坡（滑塌）在世界範圍內廣泛分布。研究最多的是末次冰期時形成的挪威岸外Storegga滑坡，美國阿拉斯加北部Beaufort Sea陸坡滑坡，美國東海岸南卡羅來納大陸隆上Cape Fear滑坡，巴西東北部大陸邊緣的亞馬遜扇，以及西地中海巴利阿裏盆地中的巨濁積層等。
挪威岸外的Storegga（“Great Edge”）滑坡系［5］是研究最好的海底滑坡之壹，其谷頭陡壁位於離岸100km外的陸架邊緣，長達290km。該滑坡系從大陸坡壹直延伸到3600m的深海盆，距離超過800km，滑坡造成的碎屑沈積最厚達450m，總體積約5600km3。該滑坡系有三期活動，第壹期規模最大（約3880km3），可能發生在30000～50000年前，其它兩期發生在6000～8000年前。第二期滑坡與第壹期滑坡相比上溯了6～8km，破壞了450km3的陸架邊緣，該滑坡中兩個150～200m厚，10×30km寬的土層，沿著陸坡（平均坡度0.3°）向下移動了約200km。第三期滑坡局限在第二期滑坡殘痕的上面，可能是第二期滑坡最後期的活動。在挪威盆地的最深部位，距滑坡谷頭超過700km，沈積了壹塊超過6m厚的細粒濁積體，可能與第二期滑坡有關。Storegga滑坡的滑動面與天然氣水合物的底界（BSR）在同壹深度。Bugge等［5］認為是地震和天然氣水合物分解導致沈積物液化從而觸發了Storegga滑坡。該滑坡的第壹期活動可能導致了5×1015 g甚至更多甲烷的釋放［6］。
阿拉斯加北部Beaufort Sea陸坡處發育巨大的海底滑坡（滑塌）帶［7］，其範圍與天然氣水合物沈積區的範圍（根據地震資料推斷）相吻合（圖1）。Kayen和Lee［7］認為，在晚更新世海退期，大約在28000～17000年期間，海平面下降了100m左右，導致海床上的靜水壓力降低了約1000kPa。壓力的降低導致天然氣水合物的分解，釋放出大量的甲烷和水，導致海底發生崩塌，形成巨大的海底滑坡。
Cape Fear滑坡位於美國東海岸卡羅萊納海隆，其谷頭陡壁長達50km，高120m，其滑坡殘痕和滑塌沈積至少向下延伸了400km［8］。Cape Fear滑坡中沈積物發生崩塌的區域其地層中的BSR 極其清楚［8～9］。Paull等［10］通過14C測年確定Cape Fear滑坡的形成於14500～29000年期間，屬於末次冰期低海面時期。
在亞馬遜河口外，地震資料顯示亞馬遜扇上至少存在4個由滑坡產生的大型塊體搬運沈積體（MTD），每個沈積體的規模約104km2，厚50～100m。其中壹個滑坡留下了120m高的滑坡陡崖［11］。Piper等［11］認為在晚更新世海平面下降時期，天然氣水合物的分解引起沈積物失穩形成海底滑坡，從而導致這些大型塊體搬運沈積事件的發生。
西地中海巴利阿裏盆地中的巨濁積層［12］，厚8～10m，頂部位於海底以下10～12m，穿過西地中海的深水海床。該濁積層的體積為500km3，形成時間為22000年前（已從14C年齡校正為日歷年齡）。Rothwell等［12］認為該巨濁積層的形成原因是，在末次冰盛期海平面最低之時，可能由於天然氣水合物分解和（或）地震活動導致大陸邊緣產生巨大的海底滑坡，繼而形成強大的重力流（濁流），將大量的沈積物搬運至深海平原。
綜上，天然氣水合物分解形成海底滑坡的機制可總結為：在末次冰期低海面時期，海水壓力快速降低，導致天然氣水合物失穩而分解，誘發海底滑坡（滑塌），進而形成濁
流，將沈積物搬運至深海平原，形成巨濁積層（圖2）。在此過程中，天然氣水合物分解亦會導致巨量的甲烷釋放進入大氣，可能會引起氣候變化。
圖1 阿拉斯加岸外Beaufort Sea大陸邊緣地質圖。海底滑坡帶的範圍和天然氣水合物沈積區的範圍相吻合［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 天然氣水合物分解引發的氣候突變事件
天然氣水合物分解釋放的巨量甲烷可能會導致劇烈的氣候變化，引發大洋缺氧和全球變暖等災難性後果，導致大規模的物種滅絕。在地質歷史時期，可能與天然氣水合物分解有關的著名事件有侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白堊紀阿普特階大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世極熱事件（LPTM），以及第四紀間冰期全球變暖等。
侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件，發生於183Ma前，造成了異常高的有機碳沈積，高溫，以及大規模的生物滅絕［14～17］。該事件在地質歷史上的主要識別標誌是碳同位素負漂移。海洋碳酸鹽中的δ13C漂移量為-2‰～-5‰，樹木化石中的δ13C漂移量為-4‰～-7‰［18］。Hesselbo等［18］從樹木化石中獲得的陸相δ13C漂移說明侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件造成的碳同位素異常不僅出現在海洋中，而且也出現在全球碳循環記錄中［19］。Hesselbo等［18］認為該事件的成因是：強烈的火山活動和（或）構造運動，引發海洋環境發生改變，從而導致天然氣水合物分解並釋放大量的甲烷，造成δ13C的負偏移（甲烷的δ13C約為-60‰）。早托爾階處於海平面上升期，造成天然氣水合物分解的原因為底水溫度的增高。Hesselbo等［18］采用Dickens等［20］估算LPTM事件中甲烷釋放量的方法，認為δ13C的偏移量為-2‰～-3.5‰，估算出釋放的甲烷量為1.5×1018～2.7×1018g碳，占目前天然氣水合物儲量的14%～24%。
圖2 巨濁積體可能的形成模式圖。天然氣水合物分解可能會引起海底沈積體失穩而發生崩塌，在大陸坡上形成向下運動的海底滑坡和高密度的沈積物流（濁流）並在深海平原形成濁流沈積層［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］
白堊紀阿普特階大洋缺氧事件，發生於120 Ma前，與侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件非常相似。在此事件中，碳酸鹽中的δ13C漂移量為-2.5‰～-3‰［21］，樹木化石中的δ13C漂移量達到-7‰［22］。
晚古新世極熱事件，發生於55.5Ma年前，深海鉆探樣品中的海洋沈積物、動物化石牙齒琺瑯質、以及陸地地層中的碳酸鹽和有機質中顯著的δ13C負漂移，都記錄了此次事件。該事件中δ13C漂移量為-2.5‰，該負漂移在隨後的0.2Ma中即恢復正常［20，23］。Dickens等［20，23］提出LPTM假說，認為此時海洋溫度升高，新的地溫線建立，導致在初始地溫線和水合物平衡曲線之間的天然氣水合物發生分解，釋放出巨量的甲烷（1.12×1018g），造成環境跳變（圖3）。LPTM假說的重要性在於它第壹次較好地解釋了全球碳循環以及其它系統是如何與巨量的化石燃料爆發性釋放產生聯系，這在現如今的工業時代也可能發生。
第四紀氣候循環與極地冰芯中記錄的大氣中甲烷含量波動是壹致的［25～27］，第四紀間冰期劇烈的全球變暖與大氣中甲烷濃度的快速增加相吻合［28］。Kennett等［29］分析了Santa Barbara盆地的ODP893 A孔的浮遊有孔蟲和底棲有孔蟲的δ13C和δ18O曲線，發現60000年以來間冰期中底棲有孔蟲的δ13C具有較大的負偏移（-5‰），其原因是天然氣水合物分解釋放甲烷所致。有些時間段中，大的底棲有孔蟲δ13C負偏移（達-6‰）和較小的浮遊有孔蟲δ13C（達-3‰）同時出現，則反映更大規模的天然氣水合物分解。天然氣水合物分解的主要原因是間冰期時中層水溫度的升高（達2～3.5℃），其分解同時也造成了海底失穩從而形成海底滑坡（滑塌）。Kennett等［30］進壹步提出“水合物槍假說”（“the hydrate gun hypothesis”），認為15000年前，天然水合物分解釋放的甲烷導致了劇烈的全球變暖。
圖3 晚古新世極熱事件（LPTM）可能的成因圖。底水溫度升高4℃，導致在初始地溫線和水合物平衡曲線之間的天然氣水合物發生分解，釋放出巨量的甲烷並氧化成二氧化碳，進壹步加劇氣候變暖。圖中小矩形為天然氣水合物穩定帶［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］
綜上，天然氣水合物分解引發氣候變化的機制可總結為：在地質歷史溫暖期，由於底水變暖，引發天然氣水合物分解並釋放出巨量的甲烷，導致全球氣候劇變，產生大規模生物滅絕等災難性後果，如今多被記錄在沈積物的δ13C負偏移中（圖4）。在此過程中，天然氣水合物分解亦會導致海底失穩從而形成海底滑坡（滑塌）。
4 結語
綜述前人的研究成果，總結如下：
1）在地質歷史時期，天然氣水合物分解引發的海底滑坡在世界海域內廣泛分布，著名的有挪威岸外Storegga滑坡、美國阿拉斯加北部Beaufort Sea陸坡滑坡、美國東海岸南卡羅來納大陸隆上Cape Fear滑坡、巴西東北部大陸邊緣的亞馬遜扇、以及西地中海巴利阿裏盆地中的巨濁積層等；天然氣水合物分解引發的氣候突變事件也多次發生，著名的有侏羅紀早托爾階大洋缺氧事件（Early Toarcian OAE）、白堊紀阿普特階大洋缺氧事件（Aptian OAE）、晚古新世極熱事件（LPTM），以及第四紀間冰期全球變暖等。
圖4 甲烷釋放與碳循環圖［19］
a—地質歷史時期，事件性的溫室效應可能導致海洋天然氣水合物的突然釋放，被記錄為碳同位素的負異常。釋放的CH4會氧化成CO2，導致溫室氣候的加劇；b—作為對CO2含量升高的響應，生物圈表現為洋底有機碳沈積的加速和碳酸鹽生產的危機，被記錄為碳同位素的正異常
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）不論是在地質歷史寒冷期由於靜水壓力快速降低，還是在地質歷史溫暖期由於底水變暖，都可能會造成天然氣水合物失穩而發生分解，從而誘發海底滑坡（滑塌），釋放巨量的甲烷進入大氣導致全球氣候劇變，產生災難性的後果。
總之，天然氣水合物分解引起的海底滑坡和氣候突變事件，不僅可以發生在過去，也可能發生在將來，其影響都可能是災難性的。然而，人類對資源的渴求必然導致天然氣水合物勘探開發的力度不斷加大。因此，我們在勘探開發天然氣水合物的同時，也應對其環境效應進行深入研究，評價和權衡人類開發天然氣水合物的利弊，以期把握天然氣水合物資源效益和環境效應之間的平衡。
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The submarine landslides and climate change events related to gas hydrate dissociation
Ni Yugen1，2，Xia Zhen1，2，Ma Shengzhong1，2
（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