这座湖可以直接杀死数百万人,没人知道它何时“爆发”

2021-11-22 12:27:33, 科研圈


2021 年 5 月,非洲最活跃的火山尼拉贡戈(Mount Nyiragongo)爆发,摧毁了刚果(金)的数十座村庄,数十人死亡,45 万灾民被迫逃离家园。危机过去,科学家们却产生了更深的担忧——一个比火山凶险万倍的死神正潜伏在尼拉贡戈脚下,威胁着数百万人的生命。


基伍湖 By MONUSCO / Myriam Asmani, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37421188


编译 武大可

编辑 魏潇


风景如画的基伍湖(Lake Kivu)坐落在东非大裂谷旁刚果(金)和卢旺达交界处,是非洲第八大湖泊,也是全球第十八大淡水湖。刚果(金)戈马(Goma)市坐落在基伍湖边,加上周边散布的诸多村庄,总计 200 多万人居住在这座湖周围。虽然基伍湖为人们提供了淡水和渔业资源,但潜藏在平静湖面下的危险却无时无刻不觊觎着这数百万条生命。


在基伍湖周围,地质学家们发现了每数千年发生一次的局部大规模灭绝的迹象——基伍湖处于一个地质异常区,湖水中溶解了多达 300 立方千米的二氧化碳和 60 立方千米的甲烷气体,并含有有毒的硫化氢。这些溶解的气体随时可能以湖沼喷发(limnic eruption)的形式爆炸性地释放,填满周围山谷,令人窒息、中毒而亡。



1.“逆梯度”的定时炸弹


全球范围内被发现具有湖沼喷发特征的湖泊共有 4 个,其中 3 个都在非洲——尼奥斯湖(Lake Nyos)和莫瑙恩湖(Lake Monoun)均位于喀麦隆,基伍湖位于非洲中部,阿尔巴诺湖(Lake Albano)位于意大利。


这些溶解了大量气体的危险湖泊都有一个共同的地质特征——它们都位于构造运动活跃的地区。在湖泊下方暗涌的岩浆升向地表的过程中,压强逐渐降低,二氧化碳等气体随之被释放,进入湖水。


气体在水中的溶解度一般与温度负相关,温度越高,水中能够溶解的气体浓度上限越低,气体也越难在水中溶解。在正常情况下,湖水中的气体应在冬季缓慢释放——冬季上层湖水温度更低,具有更高的溶解度,使得气体自发向上转移。但这些湖泊所在的地区常年气温较高,上层湖水温度高于下层,这使得气体无法向上转移,被“锁”在了湖底。一旦溶解的气体量接近了溶解上限,就极易在地震活动、火山爆发,甚至山体滑坡等扰动下,像摇晃后的汽水一样爆炸性地释放,引发灾难。


研究显示,基伍湖中溶解了 300 立方千米的二氧化碳,这相当于全球化石燃料燃烧半个多月的碳排放量。这些二氧化碳若同时释放,足以令周围的 200 万人口在一夜之间窒息而亡。


尽管基伍湖还在“沉睡”之中,但它的两个小弟都在现代有过喷发的记录:一是小到在卫星地图上几乎看不到的莫瑙恩湖,曾在 1984 年喷发,造成 37 人伤亡;二是面积和水量都只有基伍湖基千分之一的尼奥斯湖,曾在 1986 年喷发,一夜之间就夺走了附近 1746 名居民和 3500 头牲畜的生命。如果说尼奥斯湖曾经发生的喷发是一幕悲剧,那么面积和水量都数千倍于奥尼斯湖、含气量数百倍于尼奥斯湖的基伍湖随时可能发生的喷发,将会成为一场更大的灾难。



2.前车之鉴:尼奥斯湖的喷发和排气


尼奥斯湖面积仅有 1.58 平方千米,水量为 0.15 立方千米。但根据估算,在 1986 年 8 月 21 日发生的喷发中,尼奥斯湖一次性释放出了多达 1.2 立方千米的气体。由于其主要成分是密度比空气大 50% 的二氧化碳,湖中释放出的致密气体无法向高空散逸,而是贴着地表向周边扩散,挤走了原有的空气,将方圆 25 千米内的村落尽数淹没。且不论二氧化碳在高浓度下的毒性,单是海量二氧化碳排空了原有空气这一因素,就足以让人畜窒息而亡——许多遇难者被发现皮肤上有压疮,这是血氧水平过低导致的。


尼奥斯二氧化碳喷发中窒息而死的牛。By Photo by Jack Lockwood of the US Geological Survey. - http://volcano.und.nodak.edu/vwdocs/volc_images/africa/nyos.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1956658


一场灾难并不意味着尼奥斯湖问题的终结——湖中的二氧化碳还在继续累积。科学家们开始寻找解决方案。从 1990 年开始,就有研究团队开始在莫瑙恩湖和尼奥斯湖开展实验,用虹吸管对湖水进行脱气。科学家们将管道竖直插入湖中,并用水泵启动初始的流动。随着深层水向上方运动,压强降低,其中的二氧化碳自然溢出。而溢出的二氧化碳在管中形成气泡,使得管中水压小于外部湖水,构成了一个“气泡水泵”,将深层水继续吸入管道,开始向上升。虹吸效应使得管道能够在没有外部驱动的情况下维持对尼奥斯湖的自动排气。


自我维持的被动抽水受管道尺寸的制约,速率有限,但胜在成本较低。尼奥斯湖和莫瑙恩湖分别在 2001 年和 2003 年安装了第一条管道,并分别在 2011 年和 2006 年加装了各两条。学者们认为,3 条管道的脱气速率与二氧化碳自然渗入湖床的速率大致相同,足以防止湖水中二氧化碳水平的增加。


尼奥斯湖上排气管在水泵驱动的启动阶段(左)和自发维持的运行阶段(右)的示意图。

By Pashute - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16263233


至此,尼奥斯湖和莫瑙恩湖都已在排气举措下“改邪归正”,但科学家们却仍因溶解气体过多、操作复杂危险而对基伍湖的排气方案莫衷一是。



3.更大的湖、更大的麻烦


基伍湖的面积和水量是尼奥斯湖的数千倍,含气量也是尼奥斯湖的数百倍。更大的规模和更复杂湖体结构的差距在危险性上引起的不只是量变。


美国密歇根大学安阿伯分校(University of Michigan in Ann Arbor)的生物地球化学家 George Kling 在接受《自然》Nature采访时说,基伍湖的地质年代更为古老,土壤的有机质含量更高,这导致微生物产生的大量甲烷、氢气以及有毒的硫化氢气体也会渗入湖泊,在底部不断积聚。研究显示,基伍湖中溶解了 60 立方千米的甲烷。瑞士联邦水生科学技术研究所(Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology)的湖泊物理学家 Alfred Johny Wüest 在同一篇报道中指出,“基伍湖的问题与尼奥斯湖不同,关键就在于甲烷。”甲烷在水中的溶解度远低于二氧化碳,这使得甲烷比二氧化碳更容易达到阈值并在扰动下喷发


由于湖体结构复杂, 基伍湖的含气水平和变化趋势也更难确定。有专家认为这座湖并没有喷发过的证据。但也有研究认为,基伍湖至少在 4000 年前曾经发生过一次喷发。


2021 年 5 月 22 日,非洲最活跃的火山之一——尼拉贡戈火山发生了爆发,熔岩流向了戈马市。火山喷发摧毁了数个村庄,导致数十人死亡,45 万人流离失所。但这次火山喷发并未像人们所担忧的一样引发基伍湖湖沼喷发。这说明基伍湖的甲烷浓度距离阈值尚有一段距离——但这段距离到底有远呢?


尼拉贡戈火山的熔岩湖。By Cai Tjeenk Willink (Caitjeenk) - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15896832


一项 2005 年发表在《地球化学、地球物理与地质系统》Geochemistry, Geophysics, Geosystems的研究将当时的基伍湖深层气体水平同 1975 年的测量结果进行了比较,报告称甲烷浓度增加了 15%。按照这种趋势发展下去,深层甲烷将在 2090 年达到饱和,引发喷发。2000 年发表在《公共科学图书馆-综合》PLOS ONE上的一项研究则认为甲烷水平没有增加。这令一些学者如释重负。但 Kling 并不认同这一观点,“从方法论上来看,他们完全是在鸡同鸭讲。”Kling 认为,这项研究只能说明,以某种检测手段并未发现变化,但并不足以证明甲烷浓度随着时间推移没有发生变化。


无论基伍湖的甲烷水平在过去 50 年是否上升,未来都是不确定的——浓度完全有可能在毫无预兆的情况下骤增。“我们对基伍湖周围裂谷的火山系统的地下网络知之甚少,” Kling 指出,“而随着地下火山和地质活动的变化,甲烷向湖中的输入量随时可能急剧升高。”


除了甲烷浓度可能升高带来的喷发威胁,火山喷发和地震也有概率立刻招致基伍湖喷发。近期尼拉贡戈火山爆发的岩浆流量未能触发湖沼喷发,并不意味着触发因素不存在。大多数科学家对此仍持忧虑态度。



4.危机亦是机遇,挑战也与之并存


由于甲烷在水中的溶解度远低于二氧化碳,它可能是最先接近阈值并在扰动下引发喷发的气体。因此要解除基伍湖的危机,并不能像科学家们解决奥尼斯湖问题时一般简单依靠二氧化碳的排出——抽除甲烷才是首要问题。并且只要基伍湖中的甲烷浓度降低,二氧化碳带来的危险也将一并消除。


基伍湖中的甲烷早在几十年前就已得到开发,人们一直在小规模地抽取甲烷用于发电。英国公司 ContourGlobal 从 2016 年开始运营的 KivuWatt 项目目前已具备 26 兆瓦的输出功率。但与湖中甲烷的整体存量相比,这样的去除速率无异于杯水车薪——按照当前速率,每年只能去除不到 0.2% 的甲烷,并不能为降低湖沼喷发风险提供实质性的帮助。好在 KivuWatt 项目已经获得了一项将装机容量提升到 100 兆瓦的合同,此外也有其他企业对基伍湖的甲烷开发抱有兴趣。例如,卢旺达公司 Shema Power Lake Kivu 的官网就显示,其一座 56 兆瓦的发电设施预计将在 2022 年建成。


发电厂将从基伍湖深处抽取甲烷浓度较高的水,分离其中的甲烷用于发电,再将脱气水输回湖中。最后一步看似最简单,却是最令学者们忧虑的一步。


在湖表排放脱气水最简单直接的处理方法,尼奥斯湖就是这样被成功“改造”的。但基伍湖的脱气水仍包含原本溶解于水中的其他气体,其中的硫化氢可能杀死鱼类——尽管基伍湖的鱼类品系相对贫乏,但联合国粮农组织 2001 年的报告显示,当地仍有 6563 人从事渔业工作。除了有毒物质可能杀死鱼类,脱气水中富含的营养物质也将导致藻华爆发,二氧化碳导致的酸性环境也可能对生态造成不可预期的影响。


基伍湖上的渔船。By Steve Evans from Citizen of the World - Congo: Lake KivuUploaded by PDTillman, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18137116

将脱气水输入湖底能够避免这些问题,但并没有企业或项目如此选择——这会稀释深层水中的甲烷,提高开发成本,最终将甲烷浓度降低到无法供商业开发的程度。


KivuWatt 采取了这样一种策略,在主梯度(浓度梯度最大的区域)上方释放脱气水,可以在保持甲烷资源层不被稀释的同时降低对基伍湖结构的影响。KivuWatt 表示,根据其每日地表水监测和每周剖面监测结果,基伍湖稳定性的减弱幅度不大。照此发展,50 年内湖泊的稳定性只会降低 1%。根据 2009 年的一项研究,只要脱气方案对基伍湖稳定性的削弱幅度在 25% 以内,长期来看就是安全的。即使未来的甲烷发电量至少将会提高数倍,这一指标也完全符合要求。


基伍湖上的甲烷提取设施。By U.S. Department of the Treasury - https://www.flickr.com/photos/ustreasury/4555381959/, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41286568


有研究指出,在主梯度上方排水的做法虽然不会立刻破坏浓度结构,但会对主梯度造成破坏,产生不可预期的长期后果。不过曾在基伍湖上工作过的德国亥姆霍兹环境研究中心(Helmholtz Centre for Environmental Research)物理学家 Bertram Boehrer 认为不必为此担心,“就算情况有变,也有足够的时间进行补救。”


由于并不了解对地质结构和作用机制,科学家们无法对基伍湖浓度结构的未来变化作出准确预测。解决稳定性争议的唯一方法是跟踪密度层的变化。卢旺达环境管理局已经从 2021 年 4 月起开始对此进行监测和监督,监测部门负责人、生物化学家 Eric Ruhanamirindi Mudakikwa 表示,安全地提取甲烷是一条可行之路,但“自然母亲的规律,我们或许无法对抗。”

参考来源:

https://www.nature.com/immersive/d41586-021-02523-5/index.html

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02984-8

https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Kivu

http://news.bbc.co.uk/2/hi/africa/1155057.stm

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1464343X19302699?via%3Dihub

https://www.pnas.org/content/114/2/251

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2004GC000892

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0237836

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32841245/

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1464343X19302699?via%3Dihub

http://www.fao.org/fi/fcp/en/COD/BODY.HTM

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1464343X19303279

https://www.contourglobal.com/asset/kivuwatt

https://www.dora.lib4ri.ch/eawag/islandora/object/eawag%3A19124

http://newsghana.com.gh/rwanda-and-drc-sign-agreement-over-l-kivu-methane-gas-exploration/

https://www.power-technology.com/projects/kivuwatt-project-lake-kivu-kibuye/

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