海洋所揭示深海冷泉水合物快速形成的动力学机制
时间 : 2023-07-26     

近日,国际学术期刊《Marine and Petroleum Geology》在线发表了题为“Influence of cold-seep environments on the kinetics of methane hydrate formation”的文章,报道了中国科学院海洋研究所在冷泉环境中水合物快速形成动力学方面的最新研究成果,研究揭示了海底冷泉环境对水合物形成的影响,并且为南海冷泉区水合物形成的动力学过程提供了新的见解。

深海活跃冷泉区赋存大量的天然气水合物,形成了广泛分布的自生碳酸盐岩以及独特的冷泉生物群落,是一种复杂的深海极端环境,而这种复杂的环境会显著地影响水合物的形成和分解。课题组前期在南海活跃冷泉喷口区进行的水合物原位合成实验表明,冷泉喷口喷出的气泡流可以在短短几秒内快速生成天然气水合物,而脱离冷泉原位环境条件的实验室结果表明,尽管模拟了冷泉环境的温度和压强,水合物却难以快速生成。这表明冷泉复杂的环境会对水合物的形成产生独特的影响,但是这种影响还尚不清楚。

因此,海洋所张鑫研究员团队利用科学号科考船和发现ROV在我国南海北部台西南冷泉区(Site F)通过保真取样技术获取了冷泉喷口流体、底层海水以及自生碳酸盐岩等样品(图1),利用上述真实的样品模拟该冷泉环境中甲烷水合物的形成过程,并利用时间序列拉曼光谱和视频对水合物形成过程进行了监测和观察。实验结果表明,冷泉流体中的水合物在2分钟内形成,并且冷泉环境中的自生碳酸盐岩对水合物的形成表现出了一定的促进作用(图2)。此外,相对于高盐度底层海水的抑制作用,低盐度且富含微小颗粒的冷泉流体显著促进了水合物的形成。而冷泉流体的低盐度可能归因于水合物分解产生的水的稀释作用,由于分解水存在着生成过水合物的“记忆”,其会对水合物的再次形成表现出强烈的促进作用。综上可得,自生碳酸盐岩颗粒、低盐度的冷泉流体和具有“记忆效应”的气泡流的协同作用促使了冷泉水合物的快速生成。


1. Site F的区域图和采样照片


2. 甲烷水合物生成实验的时间-温度变化图

基于上述研究,科研人员综合考虑了自生碳酸盐岩颗粒成核、冷泉流体以及具有“记忆效应”气泡流对冷泉环境水合物快速生成的影响,提出了一个原位冷泉环境中甲烷水合物生成的动力学模型(图3)。该模型阐明了冷泉中多相环境因素对水合物形成的综合影响,并为原位冷泉水合物快速形成的动力学过程提供了新的见解。由此可见,冷泉复杂的环境条件会对水合物动力学过程产生独特的影响,未来有望深入开展冷泉水合物的原位长期监测实验,进而加深对冷泉水合物形成、演化以及与周围生物群落响应机制的理解。


3. 冷泉环境下水合物形成动力学的示意图

中国科学院海洋研究所硕士研究生张怡童为文章第一作者,张鑫研究员为文章通讯作者,栾振东正高级工程师、杜增丰副研究员、席世川特别研究助理为文章共同作者。研究得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等项目的联合资助。

相关成果及链接如下:

[1] Zhang, Y., Xi, S., Du, Z., Luan, Z., & Zhang, X. (2023). Influence of cold-seep environments on the kinetics of methane hydrate formation. Marine and Petroleum Geology, 106401.

https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106401

[2] Du, Z., Zhang, X., Xi, S., Li, L., Luan, Z., Lian, C., ... & Yan, J. (2018). In situ Raman spectroscopy study of synthetic gas hydrate formed by cold seep flow in the South China Sea. Journal of Asian Earth Sciences, 168, 197-206.

https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2018.02.003

(本文来源于海洋所官网,科学号信息员封婧改编提供)