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星期五的地質

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星期五的地質

2016-10-07

北極冰河退去後甲烷的蠢蠢欲動

文字:洪瑋立 (挪威大學北極天然氣水合物中心 (Center for Arctic Gas Hydrate, Environment, and Climate (CAGE), the Arctic University of Norway);wei.l.hung@uit.no)

插圖:劉之榆 (台灣大學地質科學系)

神秘的聲納訊號


“教授!我們在探魚雷達上看到了許多強反射的訊號! 是魚群嗎?還是 ……?從來沒見過這樣的情形阿!”

這樣的對話也許出現在數年前的某一個研究航次,當科學家們行經了屬於挪威的斯瓦巴島(Svalbard) 西側 (圖一),在探魚雷達的訊號中看到了沿著大陸棚數十公里的強反射訊號。這些強反射有如從沉積物中噴出的火焰一般,可以從海床一直沿伸到海水面下數十公尺。 之後的採樣研究、分析和研究結果顯示,這些聲波的強反射是甲烷氣體由沉積物中逸散到水層中所導致。當大量的甲烷由沉積物中逃脫,由於甲烷不易溶解於海水中,大部分的甲烷便以氣泡的形式在海水中向上遷移。由於氣泡和周遭海水的密度差異甚大,在探魚雷達中便會以高反射的形式被觀察到,這樣的現象被形容為 ”水聲火焰” (hydroacoustic flares)(請參見Westbrook et al. (2009) 的圖)。

圖一

在斯瓦巴島西側這樣的觀察,開啟了後來一連串有關這區域甲烷逸散的研究。最早且最受人注目的文獻紀錄是由 Dr. Westbrook 的團隊於 2009 年所發表。他們以探魚雷達掃瞄了斯瓦巴島西側的卡爾王子島 (Prins Karls Foreland) 周遭的海域 (圖一),並報導了有關水聲火焰分部的兩個重要觀察:第一、水聲火焰的分佈是以線性為主,雖然偶有零星的分佈;第二、水聲火焰主要分佈於 240 米以及 390 米兩個水深。在深於 400 公尺水深的區域則幾乎看不到水聲火焰。如此的水深分佈,尤其是分佈於 390 米水深之逸氣,使得 Dr. Westbrook 的團隊猜測這些逸氣是由於沉積物中的天然氣水合物解離所造成。天然氣水合物 (gas hydrate),由水分子以及甲烷分子在高壓低溫的情況下所組成的籠型化合物,普遍分佈於全世界的大陸坡及大陸棚區域。根據每個區域不同的底水溫,天然氣水合物無法存在於水少於 350–500 米的環境。而 Dr. Westbrook 團隊所觀察到水聲火焰分佈的 390 公尺水深,正好是該區域天然氣水合物所能穩定存在的上界 (請參見Westbrook et al. (2009) 的圖)。換句話說。天然氣水合物在卡爾王子島西側無法存在於少於 390 公尺的水深。更進一步,Dr. Westbrook 團隊蒐集了該地過去三十年的水溫資料並宣稱在這段時間內,底水溫上升了攝氏一度。如此些微的水溫改變可以使得更多的天然氣水合物解離,大量的甲烷也因此由沉積物逸散到海水中而解釋了他們所觀察到的水聲火焰分佈。

 

天然氣水合物解離是甲烷逸氣的元凶?


如果 Dr. Westbrook 團隊所宣稱的現象是真的,這對於當前受全球暖化影響甚鉅的北極地區無疑是一個雪上加霜 (或是火上加碳) 的情況。如果暖化的趨勢持續,更多的天然氣水合物便有可能解離並使得更多的甲烷由沉積物中逃脫到海水中,如果少部分的這些甲烷又由海水中逸散到大氣中,這些甲烷有可能會加劇全球暖化在北極的趨勢。如此的研究結果因此受到學界以及普羅大眾的相當重視。但是,事實上真的是這樣嗎?

後續的研究,例如 Dr. Sahling 以及 Dr. Berndt 及其團隊的研究,都顯示出真實的狀況可能比 Dr. Westbrook 當時宣稱的更複雜,水聲火焰的分佈可能沒有辦法全然由天然氣水合物的解離來解釋。Dr. Sahling 及其團隊的研究解果指出,水聲火焰的分佈除了以 390 米為主之外,另外分佈於 240 米以及 90 米的水深。由於如此淺的水深,天然氣水合物完全不可能在這些水深出現,不論是現今或是三十年前。更甚而為之的是,如果天然氣水合物的解離真的控制了水聲火焰的分佈,那為何水深火焰只集中在整個綿延數百公里相同水深區域中的數十公里。Dr. Berndt 及其團隊以水下遙控無人載具 (Remote Operate Vehicle, ROV) 於 2012 年在甲烷逸氣最密集處的海床上採集到了自生碳性酸鹽 (authigenic carbonate) 團塊。自生性碳酸鹽通常見於高甲烷逸氣的區域,這是由於從甲烷來的碳是自生性碳酸鹽形成過程中不可或缺的素材。如果能夠測定自生性碳酸鹽形成的年代,那也就能夠得知甲烷逸氣最旺盛的年代。由 Dr. Berndt 所採集到的碳酸鹽團塊之年代測定結果,這些團塊形成於至少五百年或更早之前。這樣的結果也相當程度駁斥了 Dr. Westbrook 及其團隊的假說:所觀察到的甲烷逸氣不是最近數十年年才發生的,而是一個至少已經存在數百年的現象。在筆者今年夏天所參予的德國研究航次,我們試圖以深鑽的方式來驗證於卡爾王子島西側,甲烷逸氣最旺盛的地方,是否有天然氣水合物的存在,以此進一步檢驗 Dr. Westbrook 團隊所提出的假說。經過 4 個星期、12 個站位的深鑽之後,不論是在位於更深或是更淺水深的沉積物中,我們都沒有採集到任何的天然氣水合物。此一結果似乎更不利 Dr. Westbrook 團隊所提出的天然氣水合物解離說。

那如果斯瓦巴島周圍的甲烷逸氣和近年北極暖化以及天然氣水合物解離無關,那又為什麼這些逸氣會密集於此區域呢?

 

冰層消退與甲烷逸氣


去年兩篇發表於 <自然通訊> (Nature Communications) 的文章,能夠為此一現象提供一個可能的解釋。整個斯瓦巴島及卡爾王子島在大約兩萬年前,是被斯堪的納維亞冰層 (Scandinavian ice sheet) 所覆蓋。來自這數百公尺冰層的重量,使得這兩個島當時的海拔比現今還低。當冰層於過去數千年間逐漸融化,所有來自冰層的重量也逐漸消失並使得這兩個島變慢慢的向上抬升。Dr. Portnov 及其他作者的研究顯示,在此一抬升過程當中,原本由於上覆冰層重量而穩定存的天然氣水合物,也被逐漸被抬升而離開了穩定的溫度壓力條件,並進一步驅使了天然氣水合物的解離。除此之外,在這抬升的過程中原本存在於冰層下的斷層和裂隙,也會因為上覆壓力減少的關係而重新成為深部流體的遷移管道。斯瓦巴島本身是早期挪威重要的煤礦開採地點之一,其周圍海域也有許多甲烷逸氣的報導。所以 Dr. Portnov 及其他作者的研究正是在這個基礎下將冰層的影響以及甲烷的逸氣連結在一起。另外 一個由 Dr. Cremiere 及其他作者研究,也相當程度支持了冰層消退對於增強甲烷逸氣之影響。Dr. Cremiere 及其他作者採集了巴倫支海 (Barents Sea) 及北挪威海域 (皆受斯堪的納維亞冰層影響之區域,圖一) 的自生性碳酸鹽團塊並分析這些團塊的年代。他們的研究結果顯示,這區域主要的甲烷逸氣時間是介於七千年到一萬七千年前,剛好是斯堪的納維亞冰層融化及消退的主要時間點。

 

在這一堂課,科學家們學到了…


雖然目前的研究相當程度的否定了 Dr.Westbrook 在 2009 年所提出的假說,但是這不代表由暖化所導致的天然氣水合物解離不會影響北極地區的甲烷逸氣。相反的,如果很不幸的北極暖化的趨勢持續,這樣的現象仍有可能在未來發生。筆者去年夏天所參予的航次之一,我們在斯瓦巴島南端發現了另一個充滿著水聲火焰的地方,巧合的是,這地點也是位於 390 公尺左右的水深。藉由重力岩心的採樣,我們於一公尺一下的沉積物中採集到了為數不少的天然氣水合物。好消息是,這些天然氣水合物即使是在盛夏之時,仍然是相當穩定。在沉積物中,我們同時也找到了許多的自生性碳酸鹽,由初步的年代判定,這些碳酸鹽礦物也是形成於數千年前,代表所有今天觀察到的甲烷逸氣,可能都已經有數百年、數千年的歷史了。即使如此,這些位於淺部沉積物中的天然氣水合物仍然非常有可能是未來北極暖化下的受害者。

甲烷逸氣在地球漫長的歷史中也許已是一個常態,宏觀地球系統中的每一個部分 – 生物圈、水圈、冰圈 – 也似乎都和甲烷逸氣連動著。當我們從人類短暫的視角觀察這個系統,許多微小的波動便會被放大成驚天動地的異常。該如何精準的詮釋我們觀測到的每一個現象,不被渺小的觀察尺度所影響,也許正是我們科學家在這一堂課中學到最重要的事情。

主題資料來源:

Westbrook et al. (2009) Escape of methane gas from the seabed along the West Spitsbergen continental margin. Geophy. Res. Letts., 36, L15608. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2009GL039191/abstract
Sahling et al. (2014) Gas emissions at the continental margin west off Svalbard: mapping, sampling, and quantification. Biogeosci., 11, 6029. http://www.biogeosciences.net/11/6029/2014/bg-11-6029-2014.html
Berndt et al. (2014) Temporal Constraints on Hydrate-Controlled Methane Seepage off Svalbard. Science, 343, 284. http://www.nature.com/articles/ncomms10314
Portnov et al. (2016) Ice-sheet-driven methane storage and release in the Arctic. Nature Comms., 7, 10314. http://www.nature.com/articles/ncomms10314 Cremiere et al. (2016) Timescales of methane seepage on the Norwegian margin following collapse of the Scandinavian ice sheet. Nature Comms, 7, 11509. http://www.nature.com/articles/ncomms11509

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