海洋所揭示原位流體中甲烷水合物的生成動(dòng)力學(xué)過程
近日,Chemical Engineering Journal期刊(中科院一區(qū))在線發(fā)表了題為“Methane hydrate formation kinetics in bottom seawater and cold-seep fluids”的文章,報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所在原位水合物微觀生成動(dòng)力學(xué)方面的最新研究成果,研究揭示了不同原位流體(底層海水和冷泉流體)中甲烷水合物形成的動(dòng)力學(xué)過程,對(duì)深入了解不同原位流體中甲烷水合物的形成動(dòng)力學(xué)機(jī)制及原位水合物生成動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)識(shí)具有重要意義。
天然氣水合物是氣體(自然界中主要是甲烷)與水分子在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶化合物,廣泛分布于海底沉積物區(qū),并往往與深海冷泉滲漏關(guān)聯(lián)。自然環(huán)境為水合物研究提供了天然的實(shí)驗(yàn)場所,以前的研究也證明冷泉環(huán)境對(duì)水合物形成有一定的促進(jìn)作用,然而自然流體環(huán)境對(duì)水合物生成動(dòng)力學(xué)的具體影響還尚不清楚,不同自然流體環(huán)境中甲烷水合物的微觀形成動(dòng)力學(xué)過程也仍需要進(jìn)一步探究。
針對(duì)上述問題,中國科學(xué)院海洋研究所欒振東團(tuán)隊(duì)利用從我國南海北部臺(tái)西南冷泉區(qū)(Site F)通過保真取樣技術(shù)獲取的原位底層海水和冷泉噴口流體,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用兩種不同的原位流體進(jìn)行了甲烷水合物的形成實(shí)驗(yàn),并采用連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測和觀察。本研究分別從時(shí)間和空間形態(tài)學(xué)兩個(gè)角度探究了純水、底層海水及冷泉流體中微觀甲烷水合物的形成過程。連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜以十秒為積分時(shí)間監(jiān)測了甲烷水合物成核動(dòng)力學(xué)的細(xì)微變化,并分析了不同流體中溶解態(tài)與水合態(tài)甲烷的演化規(guī)律。結(jié)果表明:高鹽度底層海水(鹽離子濃度為冷泉流體的1.5倍)使溶解甲烷溶解度顯著降低30%,誘導(dǎo)期延長24%,水合甲烷整體轉(zhuǎn)化率下降5%、生成速率降低20%,并抑制小籠型結(jié)構(gòu)的相對(duì)占有率達(dá)25%。盡管含微量顆粒的低鹽度冷泉流體會(huì)輕微降低溶解甲烷溶解度并延長誘導(dǎo)期,但能促進(jìn)穩(wěn)定的sI型水合物形成。同時(shí)空間形態(tài)學(xué)觀測顯示,不同流體雖會(huì)影響水合物形成形貌,但不會(huì)顯著改變其空間分布特征。圖1展示了不同原位流體環(huán)境中甲烷水合物形成的微觀動(dòng)力學(xué)過程。

圖1 不同原位流體環(huán)境中甲烷水合物形成的微觀動(dòng)力學(xué)過程
中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生張怡童為文章第一作者,張鑫研究員、杜增豐副研究員為文章共同通訊作者,欒振東正高級(jí)工程師為文章共同作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
論文信息:
Zhang,Y.,Zhao,K.,Ma,L.,He,W.,Xi,S.,Luan,Z.,Zhang,X*. & Du,Z*. (2025). Methane hydrate formation kinetics in bottom seawater and cold-seep fluids. Chemical Engineering Journal,163547.
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