地球科學

解開可燃冰封印

稱為可燃冰的甲烷水合物能解決世界能源課題,還是讓全球暖化火上加油?科學家和探勘機器人在全球海洋忙得團團轉,想深入了解甲烷水合物的形成機制與物化特性,並對開採進行審慎評估。

撰文/瑪格內利(Lisa Margonelli)
翻譯/張雨青

地球科學

解開可燃冰封印

稱為可燃冰的甲烷水合物能解決世界能源課題,還是讓全球暖化火上加油?科學家和探勘機器人在全球海洋忙得團團轉,想深入了解甲烷水合物的形成機制與物化特性,並對開採進行審慎評估。

撰文/瑪格內利(Lisa Margonelli)
翻譯/張雨青

重點提要
■全球海岸線周邊的海床蘊藏大量的甲烷水合物,那是包合著天然氣的大片冰晶結構,其中蘊含的能源可能超過全球已知石油、煤與天然氣蘊藏量的總和。
■科學家探勘水合物的礁岩露頭,以評估開採甲烷做為能源的難易度;同時調查甲烷受暖化的海水加溫時,自行脫離水合物的速度有多快,積藏的水合物可能釋出難以估計的溫室氣體。
■不只如此,當水合物受地震擾動時,會迅速膨脹進而引發海嘯。

2013年8月的某天上午,美國蒙特雷灣水族館研究所(MBARI)的深海機器人「達克里克茨」(Doc Ricketts)在加州北部外海、1812公尺深的冷冽海底四處偵查。它正行經一處2000公尺長、60公尺厚的橢圓形高地上方,高地中有些地方夾雜著薄薄的卡其色沉積物。達克里克茨的水下攝影機回傳的影像中突然出現雪堆似的小丘,雖然和著泥沙,卻掩蓋不住當中搶眼的純白,若不是周遭有魚和貝類活動,看起來就跟停車場剷完積雪後堆放一旁的雪沒兩樣。這如雪堆般發亮的小丘顯示,高地含有甲烷水合物(methane hydrate,又稱為可燃冰),一種冰晶格,像是冰凍的晶籠,會把甲烷氣體分子包合在內部。要是把這玩意當雪球丟,可是會燒起來呢!

這樣的礁岩露頭只是「冰山一角」。大多數甲烷水合物埋藏在海床下方的沉積物中,位於深冷的大洋底部,總蘊藏量極為龐大。科學家正在每塊大陸的邊緣四處搜尋它們的蹤跡。根據最新估計,全世界海底的甲烷水合物所蘊含的碳,並不少於全球礦藏的煤、石油與天然氣所蘊含的。即使如此,詳細的研究卻很少。

這趟為期11天的航程目標是探勘大片水合物(編按:本文指的是天然氣水合物,冰晶格中所包合的氣體90%以上是甲烷,因此也稱為甲烷水合物)與沉積物,任務可不輕鬆。我們把可遙控的達克里克茨裝上機械手臂,並繫在「西部飛行者號」(Western Flyer)研究船。船上小小的控制室裡20個螢幕顯示影像時,身為MBARI資深科學家的海洋地質學家鮑爾(Charlie Paull)便樂得咯咯笑。控制室裡除了鮑爾和我,還擠了10幾位來自MBARI或美國地質調查所(USGS)的科學家,有人在老舊的飛機座椅上歇著,也有人把塑膠桶倒過來當椅子坐。這些聰明的腦袋與裝備將解開這片高地的秘密:它是如何形成?其中的甲烷從哪裡來?它是10年前才開始從海底冒出?還是已經存在百萬年之久?


這群人追根究柢,還為了解決更大的課題。根據最近一項地質調查顯示,以美國今日的天然氣需求量計算,光是美國本土外海的水合物,就足以供美國人使用2000年。若能開採這種燃料,哪怕只取一小部份,都大有幫助。2013年3月,日本的「地球號」研究船率先從海中的水合物提取出天然氣。但如果甲烷水合物因海洋暖化而變得不穩定,它們會釋出甲烷並經由海水進入大氣,氣候災難將更快降臨。過去一個世紀,甲烷的全球暖化威力是二氧化碳的20倍。甲烷水合物是下一個能源寶藏,還是另一顆環境地雷?鮑爾這樣的科學家正試著尋找答案。


海底冰凍黑盒子


高個子的鮑爾蓄著濃密、雪白的八字鬍,略帶羅德島口音,他從1970年代開始研究水合物,當時的石油業普遍視水合物為眼中釘,因為會堵塞深水鑽井的管路。若你問到水合物,鮑爾幾乎知無不言、言無不盡,一直講到他不知道的事情,才一臉苦相地打住。在他的研究生涯當中,水合物已從冷門的玩意變成地球碳系統中的要角,更添神秘感。過去我們一發現甲烷水合物便興奮得像挖到寶,但是鮑爾說:「現在的問題,反而是究竟在哪裡才不會看見它們?」


甲烷水合物實際上僅約1%存在陸地上,蘊藏於南北極附近的永凍土中;其餘大多存在於海面下至少300公尺的低溫高壓環境,稱為「水合物穩定帶」(hydrate stability zone),其中大片晶體遍佈於厚達1000公尺的沉積物中;水深超過1000公尺的沉積物中,由於地球深部的溫度較高,甲烷只能以氣態存在。水合物不斷形成,卻捉摸不定,有的在沙粒間的孔隙中成為固體,其他則維持流動的氣態,科學家還不確定為什麼水合物的狀態會因地而異?

甲烷水合物為何游移在氣態與固態之間?又會把甲烷固定在一處多久?了解這類大哉問的詳細答案,對於開採甲烷水合物做為能源至關重要。隨著開採試驗成功,解答這些問題變得更加迫切:「地球號」鑽鑿富含水合物的沉積物,接著抽掉周圍區域的水(抽水會使該處的壓力降低,甲烷便能脫離沉積物中的冰晶格),結果鑽井冒了五天半的氣。

日本在開發水合物能源的國際競賽中領先一小步,卻是重要的一步。他們在2013年投入了1億2000萬美元研究經費,而美國在2010年投資2000萬美元,但2013年減少到區區五萬美元;德國、台灣、韓國、中國及印度都有小型研究計畫,規模與荷蘭皇家殼牌公司(Shell)和挪威國家石油公司Statoil相仿。這些經費雖然可觀,但相較於全球石油業者單單在2011年所花的研發費用即達數十億美元,只能算小巫見大巫。

日本身為能源進口國,又還在收拾福島核災的殘局,自然有誘因開採國土沿岸豐富的甲烷。美國並不積極探勘水合物做為能源,因為美國已經有用不完的便宜頁岩氣,開採水合物相形之下顯得十分昂貴。水合物資源同樣豐富的加拿大,2013年的研究計畫數量也因類似理由而減少。

如果說開採甲烷水合物有什麼「殺手級應用」,那應該是開發一套系統,能穩固甲烷水合物的結構、封存開採時釋出的溫室氣體並提供燃料。2012年,由USGS、美國能源部(DOE)、康菲石油公司(ConocoPhillips)、日本與挪威組成的研究團隊便做了這樣的測試,他們把二氧化碳與氮(用來防止結乾冰)混合後,打入美國阿拉斯加北坡地區(North Slope)永凍土下方的水合物,期望二氧化碳擠壓出甲烷,並取代甲烷、被冰晶格包合,使水合物結構保持完好。

測試鑽井冒了一個月的甲烷,但是研究人員無法確定二氧化碳是否取代了甲烷。DOE的國家能源技術實驗室技術主任博斯偉爾(Ray Boswell)說:「概念看起來很簡單,實際上更為複雜。」他形容測試數據有如來自一個「一團糟的地下黑盒子」。儘管成果不差,康菲石油公司仍撤離相關人員,DOE則正在尋找新的業界夥伴繼續測試。

對鮑爾而言,這項研究反映出我們對水合物反應所知有限。他在2010年率領美國國家科學院(NAS)委員審視DOE開採甲烷水合物做為能源的業務,委員會的結論是工程師或許能克服以水合物生產燃料的技術難題,但下一步該怎麼走,還得先回應許多與科學、環境與工程有關的質疑,才能做出明智的決策。水合物不像石油,它們本質上不穩定且蹤跡難測,對周遭生態系的影響不明。鮑爾說:「我不認為我們已經充份明白哪種開採方式,才是對環境無害的。」


掙脫冰冷牢籠


弄清楚水合物詭譎莫測的本質,才能確定可否安心開採,以及它們是否加速地球暖化。

例如,只要輕輕一碰,水合物就會從固體化為氣體,實驗便功虧一簣。因此鮑爾叮嚀西部飛行者號的組員,水下任務不到最後,別輕易撥弄甲烷水合物的露頭。達克里克茨行經幽暗泛綠的海床上方,那隆起如巨大水泡的高地上佈滿小坑,就像遭到許多微型隕石撞擊過似的。鮑爾猜測,這些小坑是一個個水合物解離後留下的痕跡,因為魚吻般輕柔的觸碰,都能讓水合物消失無蹤。在海中,只要發現這類礦床,便能見到雪白脆弱的水合物冒出氣泡往上浮,有如彗星被自己的尾巴拖往海面上。

整個水合物穩定帶中不斷會有水合物解離與形成,達克里克茨的聲納有一次發現一股氣泡從高地冒出,鮑爾想知道這些氣體是否與天然氣或石油一樣,都是來自炙熱的地殼深處?還是沉積物裡的微生物群把埋藏的有機質透過生物機制轉化而來?事實上,所有礦床都含有生物源氣體,有些也有地熱源氣體,了解混合氣體的組成,有助於確認高地如何形成以及底下埋了什麼。鮑爾吩咐操作員把達克里克茨垂降到氣泡源頭,那是一道陰暗的裂隙,周圍滿佈以細菌為食的貝類,細菌則行化學合成作用(chemosynthesis)把甲烷轉化成生存所需的能量。

組員把達克里克茨著陸在礁岩露頭上,攝影機立刻拍到有隻螃蟹在氣泡附近拚命揮動著螯想把它們往嘴裡送。由於水溫只有2℃,水壓又大,氣體很快形成水合物小晶體並結滿螃蟹的口器,好像可愛的白鬍子,增加進食的難度。船上的生物學家表示,經常看到螃蟹猛吃甲烷泡泡,但這些傢伙似乎從中攝取不到任何養份。

為了避免和螃蟹一樣結冰,MBARI的工程師把採樣瓶上的漏斗連接加熱裝置,全部裝備都可透過達克里克茨操作。即便如此,船員在之後幾天還是必須讓達克里克茨多下水幾次,以取得足夠的樣本來檢測其中生物源氣體與地熱源氣體的混合狀況。

鮑爾也想知道高地的存在時間,以了解其形成速度,於是組員便把達克里克茨著陸在高地邊緣,並操控機械手臂用特製的管子往下鑽取岩心樣本。有的地方能輕易把管子打入結凍的泥質沉積物,有的則會碰到冰塊或其他硬物而受阻,例如碳酸鈣。

任務中途,達克里克茨的LED探照燈下不時可見泛著醒目藍光的詭異泡泡,在控制室裡的USGS地質學家羅倫森(Thomas Lorenson)認為那些泡泡可能是石油,因為從海底冒出油氣,是海床上持續發生的自然滲油現象。根據2003年NAS發表的資料估計,每年有6億8000萬公升的石油滲入世界各地的海洋中,滲油供養了大群貝類、蠕蟲與其他生物,這顯示了一旦開採水合物做為能源,要論斷如何維繫健康的自然環境是何其困難。

當達克里克茨滿載兩公尺長的岩心樣本,組員就要花上一個小時把它與戰利品拉回船上。而機具經過船上的滑動氣閘進入艙門後,濃濃汽油味與雞蛋腐臭味便擴散開來,研究人員把部份樣本放進冰庫留待後續分析,剩下的則就地處理。黑漆嘛烏的岩心有如做布朗尼蛋糕的麵糊,冰融化而釋出的大量氣體正嘶嘶作響。

鮑爾團隊開始迅速處理較小的岩心,把它們倒出並裝入盤中、測量每一公分的沉積物,以確認它們何時沉降。我面前的泥巴可是一場微生物的狂歡派對:冰冷的沉積物含有許多不同微生物,有的製造甲烷、有的消耗甲烷,有的會交換含硫分子與含氧分子。水合物的形態看似很炫,也不過是介於海底下方沉積物與海面上方之間的甲烷轉運站罷了,羅倫森把這空間比擬為每個人都在此等待機會遠走高飛的「機場過境大廳」。

美國萊斯大學的地球科學家狄更斯(Gerald Dickens)形容,全球水合物加起來有如超大容量的電容器,甲烷從地底上升到沉積物中或在沉積物內生成,再以水合物型式保存起來,有如電容器儲存電能,之後慢慢釋出到海水中,還可能進入大氣。我們不知道的是這個電容器的放電速率有多快,亦即水合物冒氣以前要在「候機室」裡等多久?可能要等上700萬年,也可能很快就釋出氣體而使全球暖化加劇。

變數不只如此,研究人員也不確定地底下究竟有多少水合物蠢蠢欲動。2011年狄更斯參考各種論文,估計出來的碳藏量為1700億~12兆7000億公噸,範圍相當粗略。但是,甲烷水合物以外的所有化石燃料礦藏,一般認為碳藏量估計值是4兆公噸,12兆7000億是其三倍。



引發海嘯危機?


水合物和電容器一樣,也能一次釋出巨大能量,能源專家與氣候專家都對此深感憂心,因為水合物極易膨脹,受擾時具有危險性,一立方公尺的甲烷水合物到了常溫常壓下會膨脹成164立方公尺的甲烷與0.8立方公尺的水。水合物受地震擾動時,會膨脹而引發崩塌,進而造成海嘯,這類骨牌效應是8100年前「斯托瑞格崩移」(Storegga slide,發生於挪威近海)的禍首,當時產生的波浪直達現在的英國;1998年在巴布亞新幾內亞奪走2000多條人命的西薩諾海嘯(Sissano tsunami),也是水合物惹的禍。

對任何嘗試開採水合物做為能源的人來說,避免這類地質災變將是一大挑戰。開採石油與天然氣的傳統方式是鑿穿岩石到封埋地底的礦藏儲集層(reservoir),但甲烷困在固態的水合物中,必須轉變成氣態才能抽取,整個地質結構都會為之動搖。

對全球影響更大的問題在於甲烷脫離水合物之後去了哪裡?如果它們沒被海水吸收,而是進了大氣,就會對氣候造成災難性衝擊。我有機會一睹水合物在海中上升的狀態,達克里克茨有一次從1800公尺深的某處礁岩露頭取下一個哈密瓜大小的水合物,並且費了番工夫才把這不安份的過動玩意放進網袋,一位觀測員形容那像一顆「反重力籃球」。我從控制室中觀察,那顆球在深水中幾乎保持不變,但達克里克茨升到穩定帶上方時,更多氣體掙脫束縛,網袋便罩上一層氣泡而朦朧難辨;當達克里克茨終於抵達水面時,水合物只剩下幾湯匙了。

甲板上的羅倫森迅速把消失中的樣本丟進液態氮裡留待日後檢驗。他同時點燃一小片水合物,也分了些碎屑給我嚐嚐:它在我嘴裡冒泡,一點也不可口,差不多就是你想像中用碳氫化合物做成冰沙那樣無味,除了有點薄荷芳香的餘韻之外。

有多少甲烷可能逸散到空氣中?那趟水合物的狂野上升之旅提供了線索。MBARI的海洋化學家布魯爾(Peter Brewer)用X光斷層掃描觀察上升中的水合物,發現水合物同時會從外部以及內部解離。

另一項實驗顯示,氣泡形成水合物的「薄皮」,像一邊上升一邊冒泡、還發出怪聲的乒乓球。布魯爾表示,了解水合物解離的物理與化學機制,將有助於研究人員釐清解離現象在哪一水層發生?海洋微生物如何利用這些甲烷?一般來說會有多少水合物浮上水面(如果有的話)?又預期會有多少甲烷進入大氣?


能源福音?氣候禍害?


確知這些問題的答案有助於平息科學家超過10年的爭議:海洋暖化會不會觸發甲烷大規模釋出?會不會多到超過海洋的吸收能力?先前有個理論稱為「晶籠砲假說」(Clathrate Gun hypothesis),認為水合物形成之後發生災難性的甲烷大爆發,這個過程會以數千年為週期重複發生。化石記錄雖然未證實這樣的循環事件,但水合物一次大量釋出甲烷,仍有可能是地球在5500年前的「氣候最暖期」(thermal maximum)時迅速暖化的元凶,當時地表平均溫度達到高峰。

芝加哥大學的阿契(David Archer)建立的模型則顯示甲烷不是週期性釋出,水合物可能持續釋出甲烷達數千年,大幅改變全球暖化趨勢,溫度上升使海中部份的甲烷氧化成二氧化碳,更助長了暖化。

北極陸地永凍土下方以及各大洲近岸淺海蘊藏的水合物,可能會是較為迫切的威脅。2013年11月,阿拉斯加大學費班克分校的沙克霍瓦(Natalia Shakhova)帶領的團隊估算,西伯利亞東部的北極陸棚每年釋出1700萬公噸的甲烷進入大氣,是原先估計的兩倍。沙克霍瓦發現,50公尺海水下的永凍土覆蓋的水合物大量湧出甲烷氣泡,該地區風暴頻繁期間,這些氣泡似乎直接混進了大氣。在更深入研究之前,沒人知道這種動力現象在北極是否隨處可見,甚或甲烷主要來自水合物還是永凍土本身,這仍是我們對水合物毫無所知的另一個「黑盒子」。

船上的作業帶來更多謎團。在我海上生活的最後一天,西部飛行者號的大型實驗室中,鮑爾正戳弄著小段岩心樣本,當時USGS尚未分析冰凍的長岩心。鮑爾認為高地頂端的沉積物可能剛形成不久,說不定能在其中測出1945年以後才問世的殺蟲劑DDT的微量成份。然而,從沉積物把海床墊高的情況來看,它們或許已有一萬年歷史了,不過在地質時間尺度上還算年輕。

科羅拉多礦業學院後來分析了羅倫森寄去的冷凍水合物碎塊,結果顯示高地不只含有甲烷,底下更是有如一套倉儲物流系統。科羅拉多的研究人員發現多種碳同位素,意味水合物來自兩處不同深度的炙熱儲集層以及兩種由微生物產生的氣體。

這表示氣體從地殼深處某個前所未知的儲集層往上走,另一股來自較淺儲集層的氣體中途加入,接著在穿越沉積物時,又有生物源氣體一起上路,其中包括細菌轉化輕油(light petroleum)而來的甲烷。羅倫森驚訝地說:「這樣的結果呈現出油氣遷移的錯綜複雜,我們還摸不清這些主角在底下玩什麼把戲。」

為了調查一處高地,就讓達克里克茨在廣大無邊的水底世界忙得團團轉,而我們調查的高地不過是個小木塞,把大量的甲烷與石油堵在地下。研究甲烷水合物原是想釐清它們是能源的福音還是氣候的禍害,到頭來卻衍生出更棘手的謎團,例如全球氣候系統如何運作?又以何種時間量級運作?科學家需要進行更大規模的基礎地球科學調查,找出這些問題的答案,才能明瞭謎樣的水合物如何把古代生命遺留的碳連結到地球的未來。



更多相關文章

2018年12月202期睡眠學習不是夢 雜誌訂閱

本期最新文章