VINPA

Băng cháy (gase hydrate) là một hỗn hợp kết tinh của khí tự nhiên và nước, bị bao bọc cùng nhau trong một thể vật chất trông giống như băng tuyết nhưng bốc cháy khi đốt. Nguồn trữ lượng băng cháy trên thế giới có thể cung cấp năng lượng nhiều hơn gấp đôi năng lượng của tất cả các mỏ dầu, than và khí trên thế giới gộp lại.

Trong thế kỷ XXI, vật chất tự nhiên này có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng tương lai của thế giới khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch trở nên cạn kiệt. Tuy nhiên, trong kỷ nguyên ấm lên toàn cầu hiện nay, các nhà khoa học lo ngại rằng các tích tụ khí methan do băng cháy tan chảy cùng với việc khai thác nguồn nhiên liệu này của con người sẽ giải phóng ra hàng triệu tấn khí nhà kính vào khí quyển và làm cho khí hậu trên trái đất thay đổi ngày càng mãnh liệt. Vào những năm sắp tới, tên gọi “băng methane” hay băng cháy sẽ được nhắc đến ngày càng nhiều.

Băng cháy là một hỗn hợp kết tinh của khí tự nhiên và nước, bị bao bọc cùng nhau trong một thể vật chất trông giống như băng tuyết nhưng bốc cháy khi đốt. Số lượng lớn khí methane (CH4) bị nhốt bên trong một khung giống như một cái lồng các phân tử nước được liên kết hydro đóng băng (băng hóa). Các cấu trúc này được tạo nên dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất rất đặc biệt trong một môi trường có nước và khí thích hợp. Có thể được tìm thấy trên lục địa (ở các vùng địa cực, nơi mà nhiệt độ bề mặt rất lạnh) và bên trong các trầm tích biển dọc theo các rìa lục địa của thế giới ở độ sâu trên 300m-500m, ở đó nhiệt độ đủ thấp (nói chung <10oC). Lớp trầm tích chứa khí này có thể dày đến 1km.

Trong băng cháy tự nhiên, chủ thể là nước và khách thể có thể là bất cứ hợp phần nào của khí tự nhiên như CH4, C2H6, C3H8, C4H10, CO2 hay H2S. Băng cháy tự nhiên có thể có 2 dạng cấu trúc phụ thuộc vào kích cỡ của các phân tử khách thể. Cả 2 cấu trúc gồm một lưới các phân tử nước được liên kết hydro với nhau theo một kiểu tương tự như băng nước đá.

Nguồn gốc của khí hydrocarbon này bắt nguồn từ các vi khuẩn đáy biển. Do các tổ chức vi sinh này tiêu thụ các mẩu thức ăn thực vật và động vật, rồi thải ra khí methane theo cách giống như các đàn bò và dê thải ra trên đồng cỏ. Sự khác nhau chủ yếu là khí methane thải ra theo cách như vậy trong điều kiện lạnh và áp suất cao (ở đáy nước sâu), khí vi khuẩn bị bao bọc bởi các tinh thể băng và được bảo tồn theo khối lượng lớn.

Băng cháy bền vững dưới những điều kiện được kiểm soát một cách chặt chẽ bởi nhiệt độ và áp suất, nhưng cũng chịu tác động của thành phần hóa học (ví dụ như độ muối) của nước lỗ hổng và thành phần của các khí “khách thể”. Thành phần hóa (như là muối và methanol) làm cho lớp vỏ nhiệt độ/áp suất của nước bền vững và được gọi là chất ức chế thủy phân.

Cho đến nay, người ta đã nhận thấy băng methane cũng gây nên một số lo ngại - Đó là chúng có xu thế ngăn cản hay bịt kín các ống dẫn khí và dòng chảy trong các mỏ dầu và khí của chúng ta. Một số nhà địa chất hiện nay cho rằng nguồn trữ lượng băng cháy này trên thế giới có thể cung cấp năng lượng nhiều hơn gấp đôi năng lượng của tất cả các mỏ dầu, than và khí trên thế giới gộp lại. Cục Địa chất Mỹ ước tính rằng lượng băng cháy được lưu giữ bên trong thềm lục địa nước Mỹ vào khoảng gần 70 tỉ tỉ m3 khí tự nhiên, đủ đáp ứng mọi nhu cầu năng lượng cho nước Mỹ trên 2.000 năm nữa với mức tiêu thụ như hiện nay.

Nhưng một câu hỏi gây lo ngại cho cả các nhà khoa học và các nhà quản lý rằng: Từ góc độ môi trường, chúng ta có thể kiểm soát an toàn nguồn năng lượng này mà không gây ra các sự cố môi trường lan rộng hay không?

Trong kỷ nguyên ấm lên toàn cầu hiện nay, các nhà khoa học lo ngại rằng các tích tụ khí methan có thể tan chảy sẽ giải phóng ra hàng triệu tấn khí methan vào khí quyển. Mọi nỗ lực của chúng ta làm nóng các khí băng này để có thể thu gom chúng lại cũng có thể gây nên tác dụng tương tự. Methan là một loại khí nhà kính, vì thế nếu methan thoát ra có thể ảnh hưởng sâu sắc đến khí hậu toàn cầu. Trên thực tế, hiểm họa thoát khí methan do sự tan chảy của băng cháy liên quan đến những sự kiện ấm lên toàn cầu khắc nghiệt đã xảy ra trong quá khứ.

Băng cháy còn làm xi măng gắn kết các hạt trầm tích của các trầm tích thềm lục địa, vì vậy sự tan chảy của chúng có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính ổn định của các đới rìa lục địa. Sự tách ra của các dải băng cháy khỏi các trầm tích có thể gây nên các trượt lở khối dưới biển dọc theo các sườn dốc lục địa, và quá trình đó sẽ gây ra những đợt sóng thần khổng lồ đe dọa cuộc sống.

Ngày nay, băng cháy đang được nghiên cứu ít nhất theo 2 cách, thứ nhất là đo vận tốc của các sóng địa chấn truyền qua các trầm tích rìa lục địa, và cách thứ hai là khoan qua các trầm tích lấy mẫu đưa lên bề mặt. Các lớp trầm tích được gắn kết bởi băng cháy (như là xi măng gắn kết) có tốc độ truyền sóng địa chấn cao hơn các trầm tích không có xi măng băng cháy.

Cách lấy mẫu trực tiếp bằng mũi khoan là thuận tiện nhất cho việc phân tích thành phần hóa của băng cháy và các đá trầm tích chứa chúng một cách chi tiết. Tuy nhiên, việc khoan lấy mẫu là một thách thức cực kỳ khó khăn, do băng methan chỉ bền vững ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, điều kiện rất khác với các điều kiện ở trên bề mặt trái đất. Nếu các điều kiện đó không được duy trì, băng cháy có xu thế tan chảy và có thể gây nổ khi lên đến bề mặt. Phương pháp khoan điều áp đặc biệt được thiết kế đã đáp ứng việc đưa các mẫu khí băng đó lên đến bề mặt dưới dạng nhốt kín (ổn định).

Do băng cháy bền vững ở nhiệt độ giá lạnh và áp suất cao, nhưng chúng có thể bị phá hủy và vì thế thoát ra khỏi các lớp trầm tích theo 2 cách rất khác nhau - bằng cách nâng cao nhiệt độ của chúng (như là làm ấm đại dương) hoặc bằng cách giảm áp suất của chúng (như hạ thấp mực nước biển hoặc làm trượt lở các lớp trầm tích nằm trên). Chúng ta cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để hoàn thiện sự hiểu biết về băng cháy và vai trò của chúng trong sự biến đổi khí hậu và sự tiêu hủy khối băng trước khi con người cố gắng chiết tách chúng ra như là một cách giải quyết khẩn cấp nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt đối với hành tinh của chúng ta.

TS Nguyễn Trung Chí - Trường ĐH Dầu khí Việt Nam