地质甲烷微渗漏对环境的影响

2020-12-20唐俊红朱振振王国建施明才高忆平

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2020年1期

唐俊红，朱振振，王国建，施明才，高忆平

(1.杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江杭州 310018；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214151；3.杭州市环保产业协会，浙江杭州 310014)

0 引言

甲烷是最主要的温室气体之一，对臭氧层的破坏有重要影响。研究发现：温室气体逐渐积累引起全球气候变暖的最主要原因在于大气中甲烷含量的增加而不是二氧化碳含量的增加[1]。在过去的几十年中，大气中甲烷的体积分数增长了一倍多[2]，引起广泛关注。

甲烷释放的来源有多种，其中天然来源包括湿地、白蚁、土壤、海洋、地质甲烷等，人为来源包括反刍动物、稻田、化石能源的燃烧以及垃圾填埋等。目前，地质甲烷造成的环境影响已成为全球环境变化研究的一个热点问题。地质释放的甲烷来源于地下深处，由陆地宏渗漏(主要为泥火山)、海洋渗漏和地热-火山岩系统以及微渗漏扩散释放的甲烷组成[3-5]。因此，含油气盆地地下深处油气藏的烃类微渗漏不仅仅是油气地球化学勘探的基础，也是地质甲烷释放的一个重要来源[6-7]。

根据全球资料统计，已探明的油气田中85%以上都存在油气微渗漏的现象[8]。油气藏微渗漏的组分主要是烃类物质，其次是非烃类物质[9]。大量的研究也表明，地下深处油气藏中的烃类气体能够通过多种通道如断层、裂隙、可渗透地层等向上运移，最终到达地表。在运移到地表的过程中，甲烷被土壤中的甲烷氧化菌氧化，部分甲烷发生降解，剩余的甲烷则可以通过对流扩散的途径释放到大气中[10]。甲烷进入土壤、水以及大气中产生一系列物理、化学和生化反应，对环境造成直接或间接的影响。本文主要从地质甲烷微渗漏对土壤、水和大气造成的环境影响进行阐述。

1 地质甲烷微渗漏对环境的影响

1.1 地质甲烷微渗漏的危害

油气藏微渗漏的甲烷等烃类气体和非烃类化合物有毒，易引起爆炸，在大气中属于温室气体和光化学污染物。地质甲烷等气体渗漏对人类、建筑物和工业等产生危害，这种危害可能与甲烷的爆炸性质、硫化氢的毒性、泥火山的爆发有关。

1.1.1 地质甲烷微渗漏导致的爆炸

当甲烷浓度在空气中占5%～15%时，将引起爆炸，称为甲烷的爆炸界限。当甲烷浓度低于下限时不燃烧，在危险浓度下，非特定甲烷气味不警告，极易造成人类中毒。

地下油气藏中的天然气甲烷能渗漏至地表，与浅层大气混合达到爆炸界限，其混合物可能聚集在公路沥青或水泥下的构造中，也可能出现在油田钻孔处。由于夏季气温高，钻井等施工引起地面微小摩擦，导致爆炸和生成突发火焰[11]。例如，2003年，发生在罗马尼亚的天然气泄漏事件就是由地下深源烃类储层甲烷渗漏导致的[12]。另一个“城市渗漏”的典型案例发生在美国洛杉矶。在洛杉矶城油田附近建造贝尔蒙特高中时，对土壤中的气体检测发现：建筑工地北面油田地表露头处的地下油气藏甲烷和硫化氢气体沿着断层渗漏至地表，为了转移天然气运移的方向，采用钻倾斜井方案，洛杉矶联合学区建设花费超过1.75亿美元，最终还是被迫放弃[13]。

1.1.2 地质甲烷微渗漏导致的硫化氢危害

油气藏非烃类物质的渗漏也会对环境产生影响，主要以硫化氢为代表。硫化氢广泛存在于油气藏中，多数油气藏中硫化氢含量小于5%[14]，但其产生的危害不容忽视，是最危险和有毒的地质气体。硫化氢是化学窒息剂，与血液中的血红蛋白发生化学反应后阻止氧气携带到身体的重要器官和组织，导致短时间内呼吸困难。硫化氢有特有的腐臭气味，低浓度情况下易于检测，浓度过高时致使嗅觉瘫痪。1972年发生在希腊西部卡塔科洛的旅游港爆炸事件中，该地区发生地下油气藏热成因气体等渗漏，渗漏气体中含有高浓度硫化氢气体，导致地面沥青层下每立方米富集数百至数千毫克的硫化氢气体[15]。在卡塔科洛旅游港口的免税店大楼门前检测显示距离地面半米的空气中硫化氢浓度达到每立方米几十到几百毫克，导致周围人们眼睛和呼吸道的不适。

在石油钻井作业中，硫化氢气体的释放能降低钻井液的pH值，使其粘度增加，对钻井液产生污染，进而腐蚀钻井时使用的工具，导致钻井事故[16]。

1.1.3 泥火山爆发

泥火山是重要的地质甲烷释放天然源[17-18]，主要有宏渗漏和微渗漏两种气体排放方式。宏渗漏可以通过肉眼观测到，微渗漏常发生泥火山口周围[19]。Zheng G.D.等[20]研究了准噶尔盆地南缘独山子泥火山的甲烷排放，发现约89%的甲烷释放量来自泥火山口地表周围的微渗漏。泥火山主要发生在陆地碳氢化合物沉积盆地和浅海盆地，是通过上升的气体与水流动的沉积物(泥浆)对流产生的，其外型多为锥形结构[6,10]，一些泥火山有火山口和泥潭。在泥火山形成及后期的活动期中，烃源岩和火山泥中的有机质被分解，释放出大量以甲烷等烃类为主的气体，甲烷含量可高达99%[10]。在小型泥火山中，尽管火山口宽度不足1 m，但流体泥浆的深度已超过2～3 m，足以造成安全威胁。例如，位于意大利中部马尔凯大区的塞拉德孔蒂村，一个新形成的泥火山出现在建筑物的地窖中(一个罕见的“室内”泥火山)，直接影响了建筑物地基和安全。

1.2 地质甲烷微渗漏对土壤-植物系统的影响

油气藏烃类气体通过构造断层、岩石裂隙以及可渗透地层渗漏至地表，引起土壤蚀变，改变土壤性质，影响植物的生长发育和农作物的产量，对地表生态环境产生较大的不良影响。

1.2.1 地质甲烷微渗漏引起土壤蚀变

地质甲烷微渗漏引起的土壤蚀变主要体现在土壤粘土化、碳酸盐化等异常现象[8]。地下油气藏烃类气体在扩散、渗漏至地表后被氧化，产生的二氧化碳和携带的硫化氢在近地表形成还原环境或酸性环境，酸性溶液致使某些在碱性条件下较稳定的长石类矿物蚀变为粘土矿物，造成粘土矿物富集异常[21]。微渗漏甲烷被氧化生成的二氧化碳导致土壤中二氧化碳含量变化从而引起各种碳酸盐的溶解和沉淀；微渗漏携带的硫化氢容易发生还原作用，产生硫化物沉淀。例如，褐铁矿、赤铁矿等含高价铁的矿物在氧化环境中较稳定，但在酸性或还原性环境中易溶解。烃类气体的渗漏使得地层中的Fe3+转化成为Fe2+，重新生成低价铁化合物并沉淀或被溶解，使地表的红色岩层出现褪色的现象。

1.2.2 地质甲烷微渗漏对植物生长发育的影响

地下油气藏烃类气体渗漏运移到地表，堵塞土壤空隙，土壤中的氧气被取代，植物根系的呼吸作用受到限制，植物根系的水分代谢过程受到影响，从而影响植物的生长发育[22]。含油气盆地深部油气藏中的烃类气体能够直接附着在植物根系的表面，抑制植物根系对水分的吸收，阻碍植物根系的呼吸，进而造成植物根系的萎蔫和死亡，对植物的生长发育产生不可逆的影响[23]。地下油气藏烃类气体渗漏还能引起植物体内的微量元素含量异常[24]。在塔北雅克拉和藏北伦坡拉地区，油气区和非油气区地表植物的生长情况存在差异，油气区地表植物生长缓慢，发育不良，地表植物体内微量元素Ca，Rb，Ba，Sr等含量低，Fe，Li，Mn，Ni等含量高[24]。例如，在美国怀俄明州油田附近发现一个明显“枯萎”区，区域内的鼠尾草有不同程度的枯萎，经检测，这个区域内的土壤属于同一类型，而在这个区域外生长的鼠尾草都是正常的，并没有发现有枯萎的症状。植物生理学家研究发现：枯萎的鼠尾草在与断裂有关的狭窄渗漏带上方出现，而正常的鼠尾草则生长在断裂之间[21]。

1.2.3 地质甲烷微渗漏对农作物产量的影响

地质甲烷微渗漏气体富集于土壤中，容易引起土壤物理和化学性质的改变，影响土壤的酸碱度，导致土壤中某些金属元素和微量元素的活化，并使之发生迁移、转化、积累，最终影响农作物的品质和产量。例如，在西弗吉尼亚州的罗斯特油田，该气候区的森林中生长的应该是大量的橡树，但由于地下油气藏甲烷的渗漏，使该区域内的枫树疯狂生长。枫树适合在有甲烷渗漏的土壤中生存，油气藏甲烷等烃类气体通过岩石裂隙向上渗漏，运移到地表，促进了枫树的生长，阻止了橡树的生长，取代了原本在这一带生存的橡树[21]。王多义等[22]通过对新场气田烃类的渗漏研究发现：水稻在抽穗期不抽穗，稻叶却长得很茂盛，原因在于新场气田烃类气体渗漏携带了高浓度的氮气，地下深处天然气在土壤中向上渗漏，到达水稻田的水层时，天然气中的部分氮气在水中被溶解，水稻根系将其吸收；继续向上扩散的天然气在稻叶间停留，稻叶面也将其中的氮气吸收，因此，造成水稻不杀青的主要因素是水稻在抽穗期吸收了大量的氮气。

1.3 地质甲烷微渗漏对水环境的影响

水中缺氧指溶液中的氧浓度低于2 mg/L，对生物的多样性、生态系统功能、渔业、水产养殖和旅游业都会产生影响。海底气体渗漏释放出的甲烷和硫化氢等迅速消耗水中的氧气，诱发水中缺氧，未被溶解和消耗的气体则以气泡柱或气泡串的方式上升到海平面，然后释放到大气中[25]。另外，海底甲烷渗漏可能引发深层水缺氧，深层水缺氧后会垂直对流进入透光带和表面混合层，缺氧水的上涌是受气体饱和水和浮力两相流体引起的密度变化而驱动的，上涨的水域对靠近水层表面的鱼产生有害影响。

2005年，J.D.Kessler[26]在委内瑞拉卡里亚科盆地发现缺氧水体中98%的甲烷是从深部沉积物中渗出的，并判断可能是受20世纪60年代大范围地震的影响。本格拉海岸是世界海洋中生物产量最高的地区之一，硫化氢的释放扰乱了沿海水域和近岸海域，这些硫化氢与甲烷的爆发有关，而甲烷来自于充满气体的沉积物中，其存在降低了水中氧气的含量[27]。

1.4 地质甲烷微渗漏对大气环境的影响

地质甲烷微渗漏气体会进入到大气，甲烷是一种强效的温室气体，乙烷和丙烷渗漏是一个被遗忘的来源。从20世纪90年代开始，与其它天然和人为来源相比，对甲烷、乙烷和丙烷这些气体的全球排放评估已经成为全球气候变化研究的一个重要主题。

1.4.1 地质甲烷释放通量和全球大气估算

在过去100年中，甲烷使全球变暖的潜力为二氧化碳的28倍，甲烷所导致的直接辐射强迫为2.3 W/m2，约占所有温室气体直接辐射强迫的20%，占总辐射强迫的30%[28]。因此，对天然和人为的甲烷释放源与汇的评估是研究气候变化的核心。与其他天然来源和人为来源相比，地质甲烷天然释放一直被认为是大气中甲烷浓度微不足道或次要的影响因素，主要是因为缺乏地质甲烷微渗漏通量的数据。20世纪90年代以来，科学家对地质甲烷释放进行了更深层次的理论研究和实验分析，研究发现：地质成因释放的甲烷是天然甲烷源中非常重要的一部分，这些研究为欧洲环境研究会和联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)提供了关于地质甲烷释放的可靠依据，具有十分重要的意义。2004年，欧洲环境研究会发布的排放清单中，地质甲烷释放还归属于其他来源和汇的类别中，2007年第4次IPCC全球会议中，地质甲烷被认为仅次于湿地的第2个重要的甲烷天然源，全球约有10%的甲烷来源于地质甲烷释放的天然源[29]。

全球CH4源强估算和大气CH4同位素研究显示：大气中不含放射性碳(14C)的甲烷源(又称死碳源)占大气甲烷总源的20%～30%，明显高于由统计数据估算出来的来自化石燃料甲烷的平均年释放量[30]。目前，仍然存在一些重要的还未被人们发现的死碳源、重碳源，其中地质成因的甲烷源是甲烷死碳源和重碳源缺失部分的重要代表。因此，地质成因的甲烷释放对全球大气估算和平衡有着至关重要的作用。

1.4.2 乙烷和丙烷渗漏

乙烷和丙烷也是温室气体，由于它们在大气中的浓度很低，一直被忽略。乙烷和丙烷在大气化学中的主要作用与OH和Cl自由基反应，易诱发光化学污染和对流层臭氧的生成[31]。同甲烷的释放源研究类似，除了天然来源和人为来源，乙烷和丙烷也存在地质成因的排放。通过分析各种类型渗漏中甲烷、乙烷和丙烷的相对比例，根据甲烷的渗漏来估算出乙烷和丙烷在全球地质的排放[32]。因此，乙烷和丙烷的渗漏是一个对环境造成危害的潜在来源。