海洋所揭示深海冷泉水合物快速形成的動力學(xué)機制
近日,國際學(xué)術(shù)期刊《Marine and Petroleum Geology》在線發(fā)表了題為“Influence of cold-seep environments on the kinetics of methane hydrate formation”的文章,報道了中國科學(xué)院海洋研究所在冷泉環(huán)境中水合物快速形成動力學(xué)方面的最新研究成果,研究揭示了海底冷泉環(huán)境對水合物形成的影響,并且為南海冷泉區(qū)水合物形成的動力學(xué)過程提供了新的見解。
深海活躍冷泉區(qū)賦存大量的天然氣水合物,形成了廣泛分布的自生碳酸鹽巖以及獨特的冷泉生物群落,是一種復(fù)雜的深海極端環(huán)境,而這種復(fù)雜的環(huán)境會顯著地影響水合物的形成和分解。課題組前期在南?;钴S冷泉噴口區(qū)進行的水合物原位合成實驗表明,冷泉噴口噴出的氣泡流可以在短短幾秒內(nèi)快速生成天然氣水合物,而脫離冷泉原位環(huán)境條件的實驗室結(jié)果表明,盡管模擬了冷泉環(huán)境的溫度和壓強,水合物卻難以快速生成。這表明冷泉復(fù)雜的環(huán)境會對水合物的形成產(chǎn)生獨特的影響,但是這種影響還尚不清楚。
因此,海洋所張鑫研究員團隊在我國南海北部臺西南冷泉區(qū)(Site F)通過保真取樣技術(shù)獲取了冷泉噴口流體、底層海水以及自生碳酸鹽巖等樣品(圖1),利用上述真實的樣品模擬該冷泉環(huán)境中甲烷水合物的形成過程,并利用時間序列拉曼光譜和視頻對水合物形成過程進行了監(jiān)測和觀察。實驗結(jié)果表明,冷泉流體中的水合物在2分鐘內(nèi)形成,并且冷泉環(huán)境中的自生碳酸鹽巖對水合物的形成表現(xiàn)出了一定的促進作用(圖2)。此外,相對于高鹽度底層海水的抑制作用,低鹽度且富含微小顆粒的冷泉流體顯著促進了水合物的形成。而冷泉流體的低鹽度可能歸因于水合物分解產(chǎn)生的水的稀釋作用,由于分解水存在著生成過水合物的“記憶”,其會對水合物的再次形成表現(xiàn)出強烈的促進作用。綜上可得,自生碳酸鹽巖顆粒、低鹽度的冷泉流體和具有“記憶效應(yīng)”的氣泡流的協(xié)同作用促使了冷泉水合物的快速生成。

圖1. Site F的區(qū)域圖和采樣照片

圖2. 甲烷水合物生成實驗的時間-溫度變化圖
基于上述研究,科研人員綜合考慮了自生碳酸鹽巖顆粒成核、冷泉流體以及具有“記憶效應(yīng)”氣泡流對冷泉環(huán)境水合物快速生成的影響,提出了一個原位冷泉環(huán)境中甲烷水合物生成的動力學(xué)模型(圖3)。該模型闡明了冷泉中多相環(huán)境因素對水合物形成的綜合影響,并為原位冷泉水合物快速形成的動力學(xué)過程提供了新的見解。由此可見,冷泉復(fù)雜的環(huán)境條件會對水合物動力學(xué)過程產(chǎn)生獨特的影響,未來有望深入開展冷泉水合物的原位長期監(jiān)測實驗,進而加深對冷泉水合物形成、演化以及與周圍生物群落響應(yīng)機制的理解。

圖3. 冷泉環(huán)境下水合物形成動力學(xué)的示意圖
中國科學(xué)院海洋研究所碩士研究生張怡童為文章第一作者,張鑫研究員為文章通訊作者,欒振東正高級工程師、杜增豐副研究員、席世川特別研究助理為文章共同作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的聯(lián)合資助。
相關(guān)成果及鏈接如下:
[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.
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