互动科普

美国的马塞勒斯页岩（Marcellus forma-tion，页岩是由黏土沉积经压力和温度形成的岩石，其中常混杂有天然气或其他化学物质）非常巨大，一整片从田纳西州延伸到纽约州。最新估计表明，按照现在的消费水平计算，马塞勒斯页岩蕴含的天然气至少够美国使用40年。数以千计的直井（vertical well）已经开采了该页岩容易接触到的层面。但是，更新的技术和改良工艺不断提高着水平钻井的成本效益，大大增加了可经济开采的天然气的数量。

实现能源独立（国内自给）和利用天然气等清洁能源发电（二氧化碳排放比燃煤发电低40%）的压力越来越大。为此，美国正在掀起一轮尽可能多开采马塞勒斯天然气的热潮。在广阔的宾夕法尼亚州马塞勒斯天然气储备区，开采活动扩张最快。宾夕法尼亚州环保部的数据表明，2005年该州只有两口马塞勒斯钻井，2008年增加到了210口，2009年更是达到768口。水平钻井的比例每年也都在显著增加：2009年占75%，2010年截至目前为止占87%。2005年到2009年，钻井许可申请批准不到3 000例，但“我们预计2010年许可申请批准大约要到5 000例”，宾夕法尼亚州环保部长约翰·翰格尔（John Hanger）说。水平钻井也在迅速风靡欧洲。

对此，人们的担忧也越来越多；科学家、政治家和公众代言人都大声疾呼，水平钻井工艺，也就是所谓高压水砂破裂法（hydraulic fracturing）对环境和人类健康构成了威胁。大量淡水和化学制剂被强制注入井下，用来撑破岩石释放天然气；随后，大量污水又会流回地面。

在美国多年运用高压水砂破裂工艺的州，居民们控诉说，该工艺污染了他们的空气和饮用水。得克萨斯、科罗拉多和怀俄明州或联邦政府的调查令人担忧：2009年8月得州环境质量委员会(Texas Commission on Environmental Quality)的空气质量调查发现，苯、二甲苯和其他毒素的量已经超过了法律允许的限度。但是，孤立事件并不能科学证明高压水砂破裂工艺存在系统性危险。另一方面，最近墨西哥海湾的石油泄漏也是个警示。高压水砂破裂工艺构成的威胁是否过大？答案是不明确的。

强化审查

2010年年初，产业界和市民团体之间的安全分歧成了美国的新闻热点。马塞勒斯页岩位于向900多万纽约市民和20万纽约州北部锡拉丘兹的居民供水的蓄水层之下；因此，纽约州环保部在4月宣布，要求钻探申请人必须通过苛刻的特定场所环境审查，程序非常耗时，费用高昂，业界可能望而生畏。“就因为这个，我们不会去纽约开采，”得克萨斯州沃斯堡兰吉资源公司高级副总裁马克·D·惠特利（Mark D. Whitley）坦言。该公司是最大的马塞勒斯页岩钻探公司之一。

在纽约环保部公告发布之前一个月，美国环境保护局已开始了一项为期两年的水平钻探工艺研究，研究范围从选址到压裂流体（fracking fluids）处理，可谓面面俱到。在回答《科学美国人》的邮件中，美国环境保护局写道，传闻有证据显示该工艺对饮用水有潜在的不利影响，但“没有科学文献能够证实这些担忧”。美国环境保护署指出，上述研究旨在“解决科学不确定性”。

一些立法者表示，在审查完成之前，应当放慢土地租赁和兴建新钻井的步伐。但宾夕法尼亚州工业集团马塞勒斯页岩联盟总裁凯瑟琳·Z·克莱伯（Kathryn Z. Klaber）说，除了纽约部分地区外，钻井不会减少。惠特利补充道，对于钻井扩张计划，“我看不出美国环保局的研究会有什么影响”。

钻井之下

担忧主要源于高压水砂破裂工艺所使用的化学制剂。清理了1.6万～2万平方米土地之后，一口井钻探到页岩层（一般距离地面900到2 400米）。页岩层通常只有几十米厚，所以钻井的方向会逐渐调转90度，在页岩层中继续水平穿行，最长可达1.6千米。然后往钻孔里插入同样长度的钢管，并用水泥做介质包裹。

接下来，就是以300米为单位，对页岩进行分段破裂，从管道远端开始。在每一段，巨泵迫使3 800多立方米的流体以高达400个标准大气压的压力通过管道孔，压裂页岩。地下压力通过管道把压裂的混合物送回地面，这种“返排液”（flowback fluid）会携带页岩中的其他化合物，包括盐、重金属和天然放射性物质。返排液存储在留置池或容器里。随后天然气从管道中冒出。

在向下注入的流体中，淡水和沙子约占99.5%，化学制剂约占0.5%。这些沙子撑出裂口，让天然气能够释放出来。钻井公司使用含10～12种化学制剂的专利混合物。其中，摩擦减少剂帮助混合物流动；防垢剂防止生锈；酸清洗孔隙；杀菌剂杀死可以抑制某些化学作用的微生物，等等。全美最大的压裂工艺公司之一——哈利伯顿公司使用的12种“压裂液”中，有盐酸、亚乙基二醇和杀菌剂戊二醛。BJ服务公司的“压裂液”清单中包括甲醇和石油馏分混合物。虽然0.5%看起来很少，但是3 800立方米液体就意味着19立方米化学制剂。

5段压裂工艺将沿着长达1.6千米的水平钻洞依次展开。在几年之内，一口井最多可以钻出12条水平钻洞。如果钻出10个水平钻洞，都采用5段工艺的话，就要消耗19万立方米淡水和950立方米化学制剂。

地质学家说，化学制剂几乎不可能自己找到进入地下水（通常在地表以下几十米）的路径，因为页岩位于不透水的岩石下。但是，返排液可能在井口发生泄漏。宾夕法尼亚州环保部长翰格尔说：“高压可能会在地表导致故障。”美国康奈尔大学工程学教授安东尼·R·英格拉菲 （Anthony R. Ingraffea） 指出，虽然管道用水泥包裹以防止发生这种泄漏，但“较宽的钻洞和较窄管道之间的间隙并不均匀”。英格拉菲拥有岩石断裂力学博士学位，他的研究工作有时会得到另一家压裂工艺公司——斯伦贝谢技术公司（Schlumberger Technology）的资助。他补充道，水平钻洞会穿越空隙、大裂缝和裂纹，“有时水泥不能完全填满这些结构”。

这些水泥可以坚持使用多长时间，目前也不清楚。最初钻探的竖井可能穿越加压甲烷矿体，使甲烷通过钻孔上升到地下水所在处。英格拉菲说，另一个潜在的问题是，留置池建设质量或配置不合理导致泄漏。高达40%的下注水和化学制剂以倒流咸水形式返回地面。宾夕法尼亚州环保部负责矿产资源管理的副部长J·斯科特·罗伯茨（J. Scott Roberts）说：“这些公司都想把这件事做好。但我们发现，偶尔总有个别公司忘记什么才是最重要的，或是因为缺钱就干傻事。”

化学制剂透明度

对高压水砂破裂钻探使用了哪些化学制剂的担忧，部分来源于一项法律豁免——使高压水砂破裂工艺不再受保护地下饮用水源不受污染的《安全饮用水法》中“地下注入控制”条款的监管。上述豁免被写入了《2005年能源政策法》，被称为哈里伯顿漏洞，因为它得到当时的副总统迪克·切尼（Dick Cheney）的支持，而切尼曾经担任哈利伯顿公司首席执行官。2009年，纽约州众议员莫里斯·欣奇（Maurice Hinchey）提出《FRAC法案》，要求废除上述豁免。截至今年5月，该法案还在审议中。克莱伯说，这项法案没有任何意义，“那种溶液没有问题”。

美国职业安全与健康管理局（Occupa-tional Safety and Health Administration）要求所有公司在“原料安全数据表”上列出所用化学制剂，而且必须保证最先赶到现场施救的人能够得到这份数据表，这样一旦发生意外，他们就能评估可能的危害。但是，2010年纪录片《天然气的国度》（Gasland）的制片人乔希·福克斯（Josh Fox）在片中说，燃气公司拒绝告诉他和毗邻居民，在特定地点使用了哪些化学制剂。该影片讲述了美国各地居民遭遇的潜在健康危害。

克莱伯说，当地监管者能够获取数据表副本，并向公众披露信息。该表没有列出化学物质的浓度，而美国环保局指出浓度“是确定毒性所必需的数据”。宾夕法尼亚州环保部的罗伯茨说，数据表没有披露化学制剂混合或使用的“配方”，是因为“考虑到知识产权”。问题在于，化学制剂混合，或者它们与页岩中物质成分发生的反应，是否会形成其他有害化合物。

即使不混合，化学制剂也可能有毒。纽约纳洛斯堡的游说团体——河流记者（River Reporter） 向内分泌紊乱交流中心（Endocrine Disruption Exchange）送交了数据表上列出的54种化学制剂的清单，用于分析。美国环保局前科学顾问西奥·科尔伯恩（Theo Colborn）领导的这个交流中心确定，这些化学制剂可能造成14类不同的健康危害，包括损害肺、肝、肾、血液和大脑。

地下水污染

包括Range资源公司的惠特利在内的业界领袖们指出，还没有高压水砂破裂工艺导致地下水污染的任何案件记录在案。一些监管者对此表示赞同。但批评人士说，如果考虑高压水砂破裂运作全过程，包括地表外溢和污水池泄漏，就有数以百计的污染事故记录在案。

然而，监管者引述的大多数违法案件都与高压水砂破裂工艺化学制剂无关。美国宾夕法尼亚州立大学地球科学教授特里·恩格尔德（Terry Engelder）的研究得到天然气行业的部分资助，他说，业界和批评人士“都有点不够坦诚。纽约尤其虚伪——用在匹兹堡供水源周围开采的天然气取暖，他们倒是很乐意”。翰格尔附和道，“双方都在争赢，最后可能两败俱伤。”

美国环保局的研究计划2012年结题，可能会增加科学透明度。此外，美国环保局计划在7月公布怀俄明州帕维林住宅水井污染的调查结果。

全面开花

无论美国环保署报告结果如何，高压水砂破裂工艺似乎注定要在美国全面开花。今年5月，挪威国家石油公司（Statoil Natural Gas）签署了一项为期20年的协议，每年从宾夕法尼亚州埃利斯堡向加拿大多伦多输送32亿立方米马塞勒斯天然气。具有讽刺意味的是，3月，挪威国家石油公司还同意向纽约市输送天然气。

有关高压水砂破裂工艺的争执可能持续下去。今年5月3日，在美国杜肯大学的一个论坛上，翰格尔呼吁向生产者征收自然资源税，用于可能的弃井密封费用和其他损害补偿费用。在美国28个州，运营商须支付自然资源税。克莱伯警告说，太多的障碍可能会阻止宾夕法尼亚州的钻井增长，这些钻井去年提供了10.7万个工作岗位。她说，该行业不希望“失去一个国家利用国内天然气获得利益的机会”。美国当然需要能源，也需要饮水，能否二者兼顾，仍然是一个谜。