海洋所深海原位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)sI型天然氣水合物可自然轉(zhuǎn)變?yōu)閟II型
近日,國際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters報道了中國科學(xué)院海洋研究所基于自主研制的深海原位拉曼光譜探測系統(tǒng)開展天然氣水合物原位實(shí)驗(yàn)的最新成果,建立了天然氣水合物在海水環(huán)境影響下發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的模型,為天然氣水合物在海水中的原位演化過程提供了新的視角。
天然氣水合物目前發(fā)現(xiàn)有三種結(jié)構(gòu)類型:結(jié)構(gòu)I (sI)、結(jié)構(gòu)II (sII)和結(jié)構(gòu)H (sH),II型和H型結(jié)構(gòu)要比I型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的多,但普遍認(rèn)為海底的天然氣水合物以I型結(jié)構(gòu) (甲烷水合物) 為主。天然氣水合物并不是一個能夠長期穩(wěn)定存在的物質(zhì),容易受到環(huán)境擾動而發(fā)生分解,尤其是存在于沉積物與海水的交界面處可出露海底的淺表層型天然氣水合物 (以下簡稱“裸露的水合物”)。這種淺表層型裸露的水合物是海底碳循環(huán)最活躍的碳儲之一,對海洋環(huán)境的影響也更直接。比如,由于化學(xué)勢能的差異,流過現(xiàn)場的海水能夠不斷的破壞著裸露的水合物結(jié)構(gòu),使其發(fā)生分解,而水合物分解造成的高通量的烴類氣體釋放可能會加劇地球的溫室效應(yīng)。因此,厘清裸露的水合物在受海水影響時所發(fā)生的變化過程具有重要的意義。先前的研究表明,在實(shí)驗(yàn)室模擬水合物分解過程時可以觀察到水合物結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。例如,當(dāng)C2+碳?xì)浠衔锎嬖跁r,在水合物分解過程中其結(jié)構(gòu)會發(fā)生由sI向sII轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。那么當(dāng)自然狀態(tài)下裸露的水合物與海水環(huán)境發(fā)生相互作用時,是否也會發(fā)生這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象呢?
海洋所張鑫團(tuán)隊以海馬冷泉區(qū)為研究靶區(qū),基于ROV水下平臺進(jìn)行了天然氣水合物的原位合成實(shí)驗(yàn),并對海馬冷泉區(qū)中裸露的水合物進(jìn)行了原位探測 (圖1)。通過原位拉曼光譜探測系統(tǒng)監(jiān)測到天然氣水合物受海水環(huán)境以及冷泉噴口流體影響所發(fā)生的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在海馬同一噴口環(huán)境下,新形成的水合物為sI水合物,而已經(jīng)暴露在海水中較長時間的水合物則是sII水合物。研究表明當(dāng)sI水合物形成并暴露于海水中時,sI水合物在海水環(huán)境以及含有大分子氣體組分 (丙烷等) 冷泉流體的影響下會進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組,逐漸向sII水合物轉(zhuǎn)化(圖2)。水合物的形成和演化是動態(tài)的過程,這種自然狀態(tài)下發(fā)生的天然氣水合物由sI向sII逐漸過渡的現(xiàn)象是水合物在形成之后尋求熱力學(xué)穩(wěn)定時發(fā)生的一系列復(fù)雜變化的結(jié)果。水合物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變很可能是海底裸露水合物的一種普遍發(fā)生的自然現(xiàn)象,尤其是在富含大分子氣體組分的冷泉區(qū)。

圖1??天然氣水合物原位探測示意圖

圖2. 兩種水合物的原位光譜數(shù)據(jù) (a, b) 與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖 (c)
中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生馬良為文章第一作者,張鑫研究員為文章通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項等項目聯(lián)合資助,以及“科學(xué)”號、“發(fā)現(xiàn)”號ROV運(yùn)維團(tuán)隊的支持。
相關(guān)論文及鏈接如下:
Ma, L., Luan, Z., Du, Z., Wang, M., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Zhang, X., Zhang, X., et al. (2024). Natural structural transition of gas hydrates from sI to sII in the deep seafloor. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106839.
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