甲烷分子結(jié)構(gòu)

提到甲烷相信大家肯定都不陌生，它是天然氣的組成成分，也是未來(lái)新能源可燃冰等的主要組成成分。它為我們的生活提供了便利，提高了生活質(zhì)量，但是你對(duì)甲烷真的了解嗎？近海沉積物中的甲烷又扮演著什么樣的角色呢？

什么是甲烷

甲烷是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，也是最簡(jiǎn)單的烷烴化合物。它由一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子組成，化學(xué)式為CH4。甲烷是一種非常穩(wěn)定的化合物，具有低反應(yīng)性和低毒性。它在常溫下為氣體狀態(tài)，但在高壓或低溫條件下可以轉(zhuǎn)化為液體或固體。

甲烷是天然氣的主要成分，廣泛存在于地下沉積物、油田、煤礦和沼澤等地方。它是一種重要的能源資源，被廣泛用于燃料和化工工業(yè)。甲烷燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和水蒸氣相對(duì)較少，因此被認(rèn)為是一種相對(duì)清潔的燃料。

同時(shí)甲烷也是一種強(qiáng)效的溫室氣體，它比二氧化碳的溫室效應(yīng)還要強(qiáng)大近30倍。它能夠吸收并重新輻射地球上的熱量，導(dǎo)致地球的溫度上升，加劇全球氣候變化，引發(fā)極端天氣事件。2021年，大氣中甲烷含量平均為1895.7ppb（1ppb為十億分之一），比工業(yè)化時(shí)代前高約162%。據(jù)估計(jì)，大氣中的甲烷有1%～5%來(lái)源于近海沉積物釋放，隨著大氣中甲烷含量的持續(xù)增長(zhǎng)，會(huì)進(jìn)一步加劇全球變暖。

近海沉積物中的甲烷從哪里而“來(lái)”

甲烷在近海沉積物中形成的要過程是有機(jī)質(zhì)的分解和產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。

首先，有機(jī)質(zhì)的分解是指有機(jī)物在沉積物中被細(xì)菌和其他微生物分解的過程。當(dāng)植物和動(dòng)物死亡后，它們的殘骸沉積在海底，在缺乏氧氣的情況下，這些有機(jī)物質(zhì)就會(huì)發(fā)生厭氧分解。這種分解過程會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)小分子物質(zhì)和二氧化碳（CO2），其中就包括產(chǎn)甲烷的前驅(qū)體。

其次，產(chǎn)甲烷菌也是甲烷在近海沉積物中形成的重要因素。這些微生物生活在厭氧的環(huán)境里，它們?cè)谟袡C(jī)質(zhì)分解的過程中利用前體物質(zhì)產(chǎn)生甲烷。產(chǎn)甲烷菌包括很多種，它們可以在特定的環(huán)境下利用二氧化碳和甲烷、乙酸、甲基化合物、甲氧基化合物及長(zhǎng)鏈烷烴等產(chǎn)生甲烷。

最后，形成的甲烷會(huì)被包裹在沉積物的孔隙中，形成甲烷氣泡或溶解在水中。在合適的儲(chǔ)存條件下，氣體也會(huì)聚集。

因此，甲烷在近海沉積物中形成的主要方式為有機(jī)質(zhì)的分解和產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。甲烷在沉積物中以氣泡或溶解氣形式存在。

大氣中甲烷含量增加會(huì)導(dǎo)致氣候變化

近海沉積物中的甲烷在哪里“住”

近海沉積物中的生物成因甲烷通常以氣囊、分散氣泡或溶解態(tài)形式存在于沿海水域以及大陸架沉積物中，通常稱為“淺層氣”。其中沿海沉積物淺層氣主要有兩種存在形式，一種是以氣囊的形式存在于下切河谷的沖蝕溝槽中，一般都具有較高的壓力；另一種是以分散氣泡和溶解氣的形式存在于細(xì)粒沉積物（主要形成于全新世）或洪水事件等形成的細(xì)粒沉積物中。

氣囊 在海平面上升期間，來(lái)自河流和沿海水域的細(xì)顆粒物被埋藏在淺水區(qū)域中或填入下切河谷、潟湖等，形成了富含有機(jī)碳的厚沉積層。海平面的波動(dòng)導(dǎo)致粗顆粒和細(xì)顆粒的交替積累，形成底部富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)顆粒層、中部孔隙度高的粗顆粒砂層、頂部低滲透率的細(xì)顆粒層，這一沉積結(jié)構(gòu)有利于氣囊的形成。這也是在我國(guó)東部沿海，如江蘇沿海、杭嘉紹平原等地區(qū)淺層氣廣泛分布的主要原因。一般來(lái)說，淺水沉積和下切河谷充填體中淺層氣的形成和分布受第四紀(jì)海平面波動(dòng)時(shí)期形成的地層結(jié)構(gòu)控制。下切河谷的深度和寬度越大，沉積物就越厚，越有利于淺層氣囊的形成。

近海地區(qū)淺層氣主要賦存形式

分散氣泡和溶解氣 以分散氣泡和溶解氣形式存在的甲烷廣泛分布于全球沿海細(xì)顆粒沉積物中，特別是三角洲地區(qū)。細(xì)粒沉積物中產(chǎn)生的甲烷首先以溶解氣體的形式存在于孔隙水中，當(dāng)產(chǎn)生足夠的氣體時(shí)，甲烷以小氣泡的形式填充沉積物顆粒之間的空隙，形成含氣沉積物。這是甲烷在近海沉積物中最常見的賦存形式，它只需要沉積物埋得足夠深。一般來(lái)說，有機(jī)物從其來(lái)源到最終埋藏經(jīng)歷了反復(fù)的運(yùn)輸、沉積和再懸浮。即使在進(jìn)入海洋后，有機(jī)物含量高的細(xì)顆粒也會(huì)被海浪和潮汐重新懸浮，并從河口運(yùn)輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方。在這些重復(fù)循環(huán)中，生物和化學(xué)過程導(dǎo)致95%以上由初級(jí)生產(chǎn)和河流輸入提供的有機(jī)碳礦化。相對(duì)而言，由于洪水或其他事件導(dǎo)致的短時(shí)間快速堆積而形成的沉積物是有利于產(chǎn)生甲烷的物質(zhì)，因?yàn)閺暮醚醐h(huán)境到厭氧環(huán)境的快速轉(zhuǎn)變所保留的有機(jī)物足夠年輕，之后洪水或其他事件造成的厚沉積物為甲烷化提供了有利條件。在河流沖擊平原上，經(jīng)常受洪水影響的地區(qū)的甲烷和二氧化碳排放通量明顯高于不受或很少受洪水影響的地區(qū)，表明高有機(jī)質(zhì)含量的洪水成因沉積物具有較高的甲烷化潛力。

水中被冰封的甲烷氣泡

近海沉積物中的甲烷會(huì)怎樣“走”呢

甲烷在沉積物中的運(yùn)移主要受到沉積物孔隙和裂隙以及環(huán)境條件的影響。

首先，甲烷會(huì)通過沉積物的孔隙和裂隙向水體中擴(kuò)散。沉積物的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性會(huì)影響甲烷的擴(kuò)散速率。其次，沉積物孔隙水中的離子組成會(huì)對(duì)向上遷移的甲烷產(chǎn)生很大影響，向上緩慢擴(kuò)散的甲烷基本都會(huì)在近海底沉積物中被甲烷氧化菌與硫酸鹽還原菌的協(xié)同作用下消耗掉。而隨裂隙進(jìn)入水體的甲烷也會(huì)在微生物的作用下部分被消耗掉。

另外，潮汐、短期天氣異常、季節(jié)水位變化、長(zhǎng)時(shí)間尺度海平面波動(dòng)等引起的靜水壓力變化對(duì)松散沉積物中淺層氣體的釋放也會(huì)有顯著影響。水位的下降不僅降低了孤立氣泡周圍的有效應(yīng)力，而且通過氣泡的膨脹和變形推動(dòng)氣泡向上運(yùn)移，導(dǎo)致上覆沉積物破裂。人們普遍發(fā)現(xiàn)，低潮時(shí)大量氣泡從海底逸出，快速上升的氣泡使沉積物中形成的大部分甲烷和二氧化碳逸出到水體。如當(dāng)我們?cè)诤吷⒉綍r(shí)，經(jīng)常會(huì)看見氣泡溢出水面，這就是典型的沉積物中形成的甲烷溢出。

水中產(chǎn)生的沼氣

近海沉積物中的甲烷會(huì)產(chǎn)生什么危害

含氣沉積物直接減少了對(duì)沉積物和海底設(shè)施的支撐，同時(shí)淺層氣體運(yùn)移或大量溢出會(huì)破壞土體結(jié)構(gòu)和海底微地貌，威脅人類社會(huì)安全的同時(shí)也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)功能。例如杭州灣大橋和杭州地鐵建設(shè)在淺層氣分布區(qū)，在施工過程中都發(fā)生過淺層氣引起的井噴、海底坍塌等事故。沉積物中氣體的存在使孔隙水壓力顯著增加，使沉積物中的脆弱層更加不穩(wěn)定，如果孔隙水壓力足夠高，可能導(dǎo)致海底滑坡。另外，淺層氣體也對(duì)海底電纜、石油或水管道構(gòu)成致命威脅，沉積物中不斷釋放的氣體使原本埋在海底淺層的管道暴露在海底之上，在海浪和潮汐不斷的影響下會(huì)發(fā)生破裂。

甲烷產(chǎn)生的危害

甲烷作為一種重要的溫室氣體，對(duì)全球氣候變化的影響應(yīng)引起高度重視，特別是世界上最大的甲烷庫(kù)——海洋沉積物。海洋甲烷排放量估計(jì)為6Tg/a～12Tg/a（注：1Tg/a=1012克/年）。目前，海洋向大氣釋放甲烷的潛力可能被嚴(yán)重低估了。根據(jù)在墨西哥灣開展的一項(xiàng)研究，至少在水深不超過600米的水域，溶解和氧化不會(huì)顯著消耗從沉積物中逸出的甲烷。

在人為活動(dòng)巨大影響下，向沉積物輸送的碳正在減少，沉積溶解和再礦化正在增加，從而可能導(dǎo)致隨后整體碳保存減少。這必然會(huì)使海底沉積物中的碳循環(huán)變得更加復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)。雖然沉積物中的甲烷可能不會(huì)頻繁造成嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)害，但是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響不可忽視，特別是對(duì)海洋生物生存環(huán)境的影響、生物種群的分布以及甲烷和其他物質(zhì)對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)等。舉一個(gè)慘痛的例子，1992年至1993年在納米比亞大陸架爆發(fā)的淺層氣溢出造成水體嚴(yán)重缺氧，導(dǎo)致該區(qū)域海角鱈魚種群的一半以上（約20億條）死亡，對(duì)當(dāng)時(shí)納米比亞的捕撈業(yè)造成嚴(yán)重打擊。

盡管甲烷在能源利用、化學(xué)原料、環(huán)境保護(hù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，我們也必須認(rèn)識(shí)到其對(duì)環(huán)境影響的嚴(yán)重性。在利用甲烷的過程中，必須采取有效的措施來(lái)減少甲烷的直接排放，以降低其對(duì)氣候變化的負(fù)面影響。同時(shí)，我們還需要加強(qiáng)對(duì)甲烷的監(jiān)測(cè)和研究，以更好地理解其在氣候系統(tǒng)中的作用，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。