Khí hydrat (băng cháy) dưới đáy biển là gì, có thành năng lượng được không

Khí hydrat, hay "băng cháy", là chất rắn trông như nước đá nhưng bên trong mỗi lồng phân tử nước nhốt một phân tử khí, thường là metan. Nó chỉ bền ở nơi vừa lạnh vừa chịu áp suất cao, chủ yếu trong trầm tích đáy biển ở rìa lục địa sâu từ vài trăm mét trở xuống và dưới lớp đất đóng băng vĩnh cửu vùng cực. Đưa lên mặt đất, nó tan dần và nhả khí; châm lửa thì cháy ngọn xanh cam ngay trên tay, lửa và nước cùng một lúc. Băng cháy được quan tâm vì ba lẽ: là nguồn năng lượng tiềm năng, là mối nguy cho khoan dầu khí, và là một ẩn số trong câu chuyện khí hậu.

Băng cháy là gì về mặt hoá học

Trong nước đá thường, các phân tử nước liên kết với nhau thành mạng lưới tinh thể. Trong khí hydrat, các phân tử nước dựng thành những chiếc lồng đa diện, và mỗi lồng giữ một phân tử khí bên trong. Khí và nước không liên kết hoá học với nhau; khí chỉ bị nhốt, nên giới hoá học gọi đây là clathrate, nghĩa là "chất lồng".

Vì khí được nén chặt trong lồng, hydrat chứa rất nhiều khí so với thể tích. Theo cách tính thường được Cục Địa chất Mỹ (USGS) dẫn, một mét khối hydrat metan khi phân huỷ ở điều kiện bề mặt nhả ra khoảng 160 mét khối khí metan, cùng chưa đến một mét khối nước.

Điều kiện để hydrat tồn tại

• Nhiệt độ thấp: gần 0 °C tới vài độ trên 0.
• Áp suất cao: tương đương cột nước sâu khoảng 300 đến 500 m trở lên ở vùng biển ấm; ở vùng cực, áp suất thấp hơn cũng đủ vì nước lạnh hơn.
• Đủ khí và nước: metan sinh ra từ vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ trong bùn, hoặc thấm lên từ các tầng sâu hơn.

Điều trớ trêu là hydrat không có ở đáy biển sâu nhất, mà tập trung ở sườn lục địa và thềm lục địa vùng cực. Lý do: chất hữu cơ, nguồn sinh metan, chủ yếu lắng gần bờ. Đồng bằng biển thẳm xa bờ quá nghèo hữu cơ. Mặt khác, càng xuống sâu trong lòng trầm tích, nhiệt độ từ lòng đất tăng, tới một độ sâu nhất định hydrat không còn bền. Vì thế hydrat chỉ tồn tại trong một "vùng bền" dày vài trăm mét dưới đáy biển.

Từ đường ống dẫn khí tới đáy biển

Con người biết tới hydrat qua phiền phức trước khi thấy nó trong tự nhiên. Thập niên 1930, kỹ sư Mỹ Ernst Hammerschmidt chỉ ra rằng những nút tắc kiểu nước đá trong đường ống dẫn khí thiên nhiên mùa lạnh thực ra là khí hydrat. Từ đó ngành dầu khí phải bơm hoá chất chống đông và giữ ấm đường ống để ngăn hydrat hình thành.

Tới thập niên 1960–1970, các nhà khoa học xác nhận hydrat tồn tại tự nhiên ở vùng đất đóng băng Siberia và trong trầm tích đáy biển. Các đợt khoan biển sâu sau đó lấy được những lõi trầm tích sủi bọt, kêu lách tách khi hydrat phân huỷ trên boong tàu.

Một tín hiệu quan trọng giúp tìm hydrat là "mặt phản xạ mô phỏng đáy" trên ảnh địa chấn: một vệt phản xạ chạy song song với đáy biển, cắt ngang các lớp trầm tích. Nó đánh dấu ranh giới dưới của vùng bền, nơi hydrat ở trên gặp khí tự do ở dưới.

Băng cháy có thành nguồn năng lượng được không

Lượng metan nằm trong hydrat toàn cầu được cho là rất lớn, dù các ước tính đã giảm mạnh qua nhiều thập niên và vẫn chênh nhau nhiều lần. Phần có thể khai thác được về kỹ thuật và kinh tế nhỏ hơn nhiều, tập trung ở những nơi hydrat nằm trong lớp cát xốp.

Cách khai thác chủ yếu là hạ áp: hút nước trong giếng để giảm áp suất, hydrat phân huỷ nhả khí. Khó khăn lớn nhất là cát lở vào giếng, hydrat tái kết tinh làm tắc, và lưu lượng giảm nhanh. Tới nay chưa có nơi nào sản xuất khí từ hydrat ở quy mô thương mại. Ở Việt Nam, các cơ quan địa chất biển cũng đã có một số nghiên cứu đánh giá tiềm năng hydrat ở vùng nước sâu.

Có một nghịch lý đáng nói: dù khai thác thành công, metan đốt ra vẫn sinh CO₂. Băng cháy sạch hơn than nhưng không phải năng lượng phi carbon.

Mối nguy cho dầu khí và nền đáy biển

Với ngành khoan ngoài khơi, hydrat là rủi ro địa chất. Khoan qua tầng hydrat, nhiệt từ dung dịch khoan có thể làm nó phân huỷ, khí phụt lên, nền trầm tích yếu đi. Năm 2010, trong sự cố giàn Deepwater Horizon ở vịnh Mexico, một trong những nỗ lực đầu tiên là chụp một hộp thép khổng lồ lên chỗ dầu phun; kế hoạch thất bại vì hydrat kết tinh dày bên trong, làm hộp nổi lên và tắc đường ống.

Ở quy mô địa chất, hydrat phân huỷ có thể làm sườn lục địa mất ổn định và gây trượt lở ngầm. Một số nhà nghiên cứu nêu khả năng hydrat góp phần vào những trận lở ngầm lớn thời tiền sử, như trận Storegga ngoài khơi Na Uy khoảng 8.000 năm trước. Vai trò cụ thể của hydrat trong các trận lở này vẫn đang được bàn.

Băng cháy và khí hậu: đáng lo tới đâu

Metan là khí nhà kính mạnh hơn CO₂ nhiều lần trong ngắn hạn. Vì thế từng có giả thuyết gây chú ý: biển ấm lên làm hydrat tan hàng loạt, metan phun ra làm Trái Đất nóng hơn, kéo theo tan thêm, một vòng xoáy tự khuếch đại. Có nhà nghiên cứu liên hệ những đợt ấm lên đột ngột thời cổ, như Cực đại Nhiệt Paleocen–Eocen khoảng 56 triệu năm trước, với hydrat, nhưng nguồn carbon của sự kiện đó vẫn còn tranh luận.

Đánh giá hiện nay của USGS và IPCC thận trọng hơn: phần lớn hydrat nằm sâu, phản ứng với ấm lên rất chậm, qua hàng thế kỷ tới hàng nghìn năm. Metan thoát ra từ đáy biển sâu phần lớn bị vi sinh vật trong trầm tích và trong cột nước tiêu thụ trước khi lên tới không khí. Nguy cơ một đợt phun metan thảm hoạ từ hydrat trong thế kỷ này được coi là thấp. Đáng theo dõi hơn là thềm nông vùng Bắc Cực, nơi hydrat nằm gần mặt và đất đóng băng dưới biển đang ấm dần.

Nơi metan rỉ lên tự nhiên từ đáy biển có một thế giới sinh vật riêng, kể cả loài giun sống ngay trên bề mặt khối hydrat. Bài về suối lạnh rỉ khí trong danh mục này kể kỹ hơn.

Góc nhìn hôm nay

Băng cháy là ví dụ tốt để thấy đáy biển không phải tấm thảm bùn bất động mà là nơi khí, nước, nhiệt và áp suất cân bằng mong manh. Muốn đọc thêm, trang Gas Hydrates Project của USGS có giải thích dễ hiểu và nhiều ảnh mẫu thật. Các video "burning ice" của những đợt khoan nghiên cứu cho thấy cảnh khối hydrat cháy trên tay nhà khoa học; nếu bạn thấy cảnh này trong phòng thí nghiệm, đó là mẫu được lấy và bảo quản ở áp suất, nhiệt độ đặc biệt, không phải thứ tự làm ở nhà.