天然气水合物环境与工程响应
天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双重影响:一是水合物中的甲烷气体通过化学和生物化学以CO2的形式直接或间接释放到大气中；第二，低碳甲烷可以替代多碳化石燃料，减少人为温室气体排放。天然气水合物在自然界中极不稳定，温度和压力条件的微小变化都会引起其分解或生成。在路易斯安那州近海500米水深下拍摄天然气水合物小丘和小丘，通过对比1992和1993的视频，识别出一个小丘的消失和另一个小丘的重生。该区域周围的空气流连续释放出不到69.6%的CH4、6.3%的C2H6、1.7%的C3H8、1.4%的N2、8%的CO2和微量的丁烷、戊烷和氧气。在沉积层中，有机质和CO2在细菌的作用下可以生成大量的甲烷，深海地层也可以将地质历史中埋藏的有机质转化为天然气，在适宜的温度和压力条件下可以形成天然气水合物。另一方面，当温度升高或压力降低时，天然气水合物会分解，向大气中释放甲烷。由于天然气水合物储量巨大，其甲烷吞吐量也很大；因此，天然气水合物是地圈浅层的不稳定碳库，是全球碳循环的重要环节，在地圈、水圈、水圈之间的碳交换中起着重要作用。
甲烷是一种高度活跃的温室气体，它对全球变暖的影响比相当数量的二氧化碳大20倍。更新世时期，全球气候变化(海退)导致陆地和海洋环境中的天然气水合物释放出大量甲烷，进而引起全球气候变化。全球变暖，冰川和冰盖融化，造成海平面上升；海平面上升引起水下静水压力的增加和天然气水合物的稳定性，而水温上升则产生相反的效果。对于大部分大陆边缘的海底天然气水合物来说，水深大于300 ~ 500 m，海平面的波动和海底水温的变化对天然气水合物都有影响。上述变化也是由于天然气水合物赋存区域纬度不同，天然气水合物稳定性与不稳定性的关系也不同。对约60万km2的英国大陆架面积的测量表明，每年逃逸到大气中的甲烷量为654.38+20万吨~ 350万吨，占排入英国的甲烷总量的2% ~ 4%。因此，这种排放在天然气水合物广泛分布的海域更加突出，成为天然气水合物开发利用需要提前监测和研究的重要课题。
海底海水温度升高可能导致水合物分解，释放出甲烷气体。释放的甲烷气体增加了全球碳储量。它可以鼓泡或扩散到水柱中，通过海水的流动进行水平对流，在水柱中进行化学和生化反应，如果甲烷气体的释放速率超过氧化速率，最终通过鼓泡进入大气。因为这种释放会导致级联效应，它对气候影响的潜力很大。包括大气的膨胀、海洋温度的上升和现有水合物分解的加速。最近的深海调查发现了麻坑和其他结构，表明过去海底释放了大量流体。水合物的分解和释放是可能的原因之一。联合储存和海洋碳循环模式的数值研究表明，它在百年尺度上对气候变化有明显的影响。最近对海洋温度变化引起的水合物分解的模拟表明，在十年的尺度上储存浅层水合物可以释放出大量的甲烷气体，只需要在水合物储存区的沉积物中增加1℃的热量。相反，对寒冷深海区域水合物行为的模拟研究没有显示大范围的不稳定性或甲烷气体释放。
(2)天然气水合物的工程地质响应
Sultan等人[2004]对天然气水合物分解对海底边坡稳定性的影响进行了新的研究。他们通过考虑温度、压力、孔隙水的化学性质和平均孔径分布等因素，研究了土壤中水合物的热力学化学平衡。该模型使用基于能量守恒定律的焓公式。这个改进的模型表明，由于温度和压力的增加，水合物会分散在水合物赋存带的顶部，以保证与周围水的化学平衡，这与实验结果一致。该模型用于分析挪威大陆边缘的Storegga滑坡，计算中考虑了海平面变化和海水温度变化对静水压力的影响。模拟结果表明，天然气水合物在滑坡顶部分解，从而打破了以往水合物只分散在发生带底部的认识。
海底地质灾害是天然气水合物资源开发研究的重要内容。早在20世纪70年代就认识到天然气水合物与海底滑坡的关系。美国大西洋大陆边缘有近200处滑坡，被认为是海平面下降，等压压力降低，分解的天然气水合物逸出甲烷气体，导致边坡失稳。
同时，该海域大多数滑坡分布在天然气水合物分布区内或附近，也说明了这一点。其他海域的海台坍塌也与天然气水合物有关，如西南非洲的斜坡和平台、挪威大陆边缘、博福特大陆边缘、里海、北巴拿马大陆架和加拿大纽芬兰。一旦滑坡开始，水合物层下的游离气体会沿着裂缝上升，原米的亚稳态水合物也会分解释放出甲烷气体。研究表明，大多数大型滑坡都与天然气水合物的不稳定性有关，或者与坍塌物质在水合物上的“滑行”有关。海底滑坡与水合物的相互作用，一方面海底滑坡为天然气水合物的形成提供了丰富的物质条件，有利于水合物的形成；水合物的形成起到固定滑塌堆积的松散沉积物的作用；另一方面，天然气水合物分解过程中释放的气体和水增加了孔隙压力，从而导致沉积物滑动，造成新的海底滑坡。因此，在开发利用海底天然气水合物时，应充分考虑和研究海底地质灾害，设计可行的技术方案。
在海洋沉积物中，天然气水合物形成时，能在孔隙中产生胶结作用，使大陆坡带处于明显的稳定状态。当天然气水合物因压力和温度条件的变化而释放时，首先会导致大陆坡带的许多地方不稳定，巨大的滑塌块体会滑入深海，深海的生态环境将遭受灾难性的后果(图8.20)。
图8.20海洋天然气水合物的环境和工程地质效应综合示意图。
根据此前海底勘探的结果，科学家解释说，8000年前，挪威大陆边缘总量约5600m3的沉积物从人类斜坡上缘向挪威海盆滑动了800km，巨量土壤推开海水引发的海啸造成了毁灭性的后果，可怕的海浪突然吞噬了海岸线。科学家推测，斯托雷加这个极其著名的海底滑坡，很可能是天然气水合物释放形成的世界著名的最大滑动体之一。
天然气水合物作为可能的封闭矿床的盖层，有利于向上运移的烃类化合物的聚集。然而，如果在钻井过程中在天然气水合物附近形成这样的气藏，则可能发生爆炸式压力释放，这被称为“井喷”。科学家认识到天然气水合物的脆弱性对井位选择、钻井和下套管方案有重要影响。自然，天然气水合物的不稳定性也会对海底管道、电缆等工程设施和建设造成威胁，甚至造成可怕的后果。
南海北坡发现大量天然气水合物的地质、地球物理和地球化学指标。其中，特征明确、证据多元的典型水合物发生区与海底滑坡的分布范围相吻合，说明水合物与海底滑坡有着非常密切的关系。
南海北坡发育的海底滑坡具有结构松散的高含泥量、高含水量、高孔隙比、高有机碳和高烃类气体含量的特点，为天然气水合物的形成提供了丰富的物质来源和储存空间，水合物的形成可以固结滑塌堆积的松散沉积物。然而，天然气水合物的分解会引起新的海底滑坡。
根据天然气水合物稳定的温压条件，它至少在始新世末就存在了，当时形成了海洋冷水圈(水温< 10℃)。在此之前，晚白垩世和古新世的底层海水温度估计为7-10℃，在更深的水中也可能形成薄的天然水合物生成层。在适宜条件下形成的天然气水合物填充在沉积物的空隙中，起到阻碍沉积物固结和矿物胶结的作用。当压力降低或温度升高时，天然气水合物稳定深度降低，水合物层底部变得不稳定，释放出远大于水合物体积的甲烷，形成充气层，降低沉积物强度，导致大规模滑坡。渐新世以前没有大冰盖，在有长期低水面的情况下，天然气水合物的不稳定性可能成为海底滑坡和浅层构造变化的一级动力。早始新世末(49.5Ma)和渐新世中期(30Ma)，有两次海平面下降，都伴随着人为滑坡。对新泽西州大陆边缘地震剖面的分析表明，早第三纪发生了四次大的滑坡，它们都对应于主要的低水位时期。更新世冰期，海平面下降约100m，陆架和陆坡静水压力下降约1000kPa，使天然气水合物稳定深度降低约20 m..这可能是当时世界大陆边缘大面积滑坡的原因。天然气水合物与海底滑坡之间的可能联系在世界各地都有报道。重新研究大陆边缘的地震剖面和地层资料，分析天然气水合物稳定深度内的浅层构造现象，很可能会找到更多天然气水合物在地质历史中存在的证据。
水合物分解的负面影响引起了相关专家的极大关注。Ogisako等人认为，要分析海底含水合物沉积物的变形机制，应分别研究海底表面的变形机制和含水合物层的变形机制。含水合物层中水合物的分解可以用隧道模型来描述。Ogisako等人进一步将南海海槽的沉积物分为两种类型:粘性土和沙土。这两种土具有轴对称特性，符合粘弹性模型。在上述假设的基础上，Ogisako等人利用有限元法研究了日本南海海槽含水合物沉积物在水合物分解过程中的变形机制。
日本的另一位地质学家雅行也研究了含水合物沉积物的力学特性。他的实验方法是设计一个排水系统，然后将实验室合成的水合物和沙子放入该系统，然后观察水合物分解过程中含水合物沉积物的变形机制。排水系统采用二维压力技术，可以模拟深水环境下的压力系统。此外，雅行等人设计的排水系统也可以控制注水和排水的速度。
海底水合物的分解不仅导致海底稳定性降低和海底滑坡的发生，还会导致海啸的发生。以美国为例。其东海岸、墨西哥湾、西海岸、阿拉斯加和夏威夷的海啸在强度和频率上都有所增加。一些研究表明，海啸造成的破坏比人们想象的要严重得多。针对存在的问题，美国开展了海啸调查研究，进一步了解海啸发生的频率、幅度、潜在危害评估、形成机理以及与水合物分解的关系。
基于对现代地质环境和灾害的研究，地球科学家开始重新关注地质历史中的环境和灾害。古生物学家对地质史上的几次重大生物灭绝提出了各种假说。比如泥盆纪晚期的动物灭绝，黑色页岩的广泛分布让很多地质学家认为是全球缺氧事件导致了这种生物的灭绝。最新碳同位素测试数据显示，伊朗和我国南方部分地区标准剖面上的δ13C分别下降了-5‰和-1.5‰。碳同位素的异常与全球碳循环的扰动有关，相应地，氧同位素的测试结果也表现出类似的异常。上述现象显示了一个全球变暖事件。天然气水合物释放甲烷导致全球变暖，最终导致生物灭绝。
墨西哥湾北部布什山水合物渗漏站有天然气水合物露头。新设计的流体通量测量仪器/化学采样器名为MOSQUITO，已在Bush Mountain部署了430天，以确定地下动态通量如何影响天然气水合物的稳定性，并量化相关的甲烷入海通量。其中，三个流体流量计放置在天然气水合物丘附近的露头处，第四个用于监测背景条件。通量仪的测量结果揭示了土墩堤附近的地表水文献特征复杂多变，在-161 ~ 273 cm/yr范围内，伴随着下降流到上升流的频繁活动，以及通量水平分量的暂时性变化。通量的连续化学记录表明，天然气水合物在沉积物中形成活跃。Solomon等人提出，天然气出口附近海水向下流动的长周期(长达4个月)是由分压驱动的。速度的高频变化(日-周)可能是由于沉积物渗透率和三维流体通量场的瞬态变化，这是活性天然气水合物和自生碳酸盐沉淀和游离气出现的结果。天然气水合物的形成归因于来自集中天然气出口的长期甲烷气体沉淀，然后是更分散的粒间甲烷通量。从集中天然气出口穿过布山冷泉的甲烷通量估计为5×106mol/年。这一显著的通量证实了布什山和类似的墨西哥湾西北部的碳氢化合物渗漏可能是甲烷进入海洋或大气的重要天然来源。
“甲烷喷发假说”认为天然气水合物和海底渗漏是控制第四纪大气和气候变化的主要地质因素。然而，甲烷有更广泛的地质来源，在过去的气候变化中发挥了重要作用。除了近海渗流，相关的甲烷地质排放(GEM)也来自陆地渗流，包括泥火山活动、微渗漏和地热通量。所有宝石是大气中甲烷的第二个重要天然来源。看起来GEM在陆地上进入大气的甲烷量要比在海上渗出的多。同位素值明显较重的甲烷(富含13C)从陆源向大气的输送主要受内源性地质作用(地球动力学)控制，导致地质年代尺度和千年尺度上人类尺度的气流变化，只有一小部分受外源性(地表)地质作用控制，因此不受负反馈影响。大气中甲烷富集的最终影响并不一定如“气水复合爆炸假说”所言，需要大灾难或突然释放。来自米源的增强排气过程促成了冰芯记录中观察到的甲烷趋势，这可以解释晚第四纪甲烷浓度增加的峰值以及伴随的重同位素甲烷的富集。这一假设应该通过基于大气、生物和地质指标的各种跨学科研究来验证。