海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏通量原位观测研究进展.pdf

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1、第44卷第12期2014年12月中国海洋大学学报PERl0DICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA44(12)：073～081Dec．，2014综述海底沉积物一水界面溶解甲烷渗漏通量原位观测研究进展+赵广涛1’2，徐翠玲2，张晓东1’2，何雨呖2，冷传旭2(中国海洋大学1．海底科学与探测教育部重点实验室；2．海洋地球科学学院，山东青岛266100)摘要：海底沉积物一水界面溶解甲烷渗漏不仅是海底天然气水合物的存在标志和分解释放途径，也是冷泉生物群落的物质和能量来源，因其对海洋环境乃至全球变化的可能重要影响而日益引起人们关注，而海底原位观测及渗漏甲烷通量估算是理解上述问题

2、的关键。目前国际上有两种较为成熟的海底甲烷通量观测方法：①流体渗漏速率原位测量配以室内甲烷浓度分析；②底栖室流体连续取样配以室内甲烷浓度分析，前者能灵敏反应冷泉渗漏速率的时序变化，而后者具有较高的甲烷通量测量准确度。随着甲烷传感器技术的发展，原位测量方法将大大提高甲烷通量测量精度、时间和分辨率。在可移动式观测平台上搭载甲烷传感器，同时进行近海底界面微尺度甲烷浓度梯度测量和湍流观测，不仅能够精细刻画近海底甲烷浓度变化、渗漏通量变化，并且非封闭环境能够最大限度地避免沉积物一水界面遭受扰动，使观测数据更接近海底真实环境，这成为未来海底原位观测的主要发展方向之一。除此之外，特征冷泉生物群落的分

3、布已被广泛应用于将个别测量站位的观测结果扩展到整个区域的甲烷渗漏流量估算。目前，国外学者已经对部分典型海底冷泉区进行了渗漏甲烷通量估算，发现每个渗漏系统每年通过溶解形式向海水释放甲烷量约为6×103～1．35×107m01，并且甲烷渗漏在时间上和空间上都是多变的，但还没能将单个冷泉系统的通量估算延伸到更大的时空尺度，这成为深入研究海底甲烷储库及其在全球碳循环和气候变化中的作用的瓶颈之一。关键词：冷泉；甲烷渗漏；通量；原位观测中图法分类号：P736．21文献标志码：A文章编号：1672—5174(2014)12一073一09在含天然气水合物、油气藏和洋脊热液系统以及富有机质的海底沉积物中

4、，均富含大量甲烷，这些甲烷可通过沉积物一水界面释放进入海洋水体。而在海底冷泉活动区尤为活跃，它作为海底水合物的储存标志及其分解释放甲烷的重要途径，不仅引发了复杂的海洋生物地球化学循环和生态过程，而且在全球碳循环和气候效应研究中占重要地位[1。4]。对沉积物一水界面的甲烷释放通量进行原位观测和通量估算是冷泉研究的基础，而海底的原位观测是获得高时、空变化的甲烷通量的唯一途径。当前，国际上与海底冷泉活动有关的甲烷渗漏通量及其评估方法研究已取得明显进展，代表性工作有：(1)基于地热和剖面温度梯度测量模拟气体渗漏速率的研究[53；(2)基于浅层沉积柱样中的间隙水化学[6]、特征自生矿物(冷泉碳酸

5、盐、自生黄铁矿等)记录[7]、以及生物标记物等研究[8均3；(3)基于CTD或拖体(附甲烷传感器)的海水甲烷断面浓度的现场观测研究[10

6、。上述研究无疑在很大程度上加深了人们对海底冷泉活*基金项目：国家海洋地质调查专项资助收稿日期：2014一09—16；修订日期：2014—11—10作者简介：赵广涛(1964一)，男，教授。E-mail：gtzhao@ouc．edu．cn动及其环境效应的认识，但是，由于受研究样本和估算方法差异以及分析观测技术手段的限制，上述研究对海底冷泉甲烷通量估算的结果尚存在某些不确定性，估算结果差异较大，主要原因在于：(1)缺乏甲烷在沉积物和海水(特别是近海底海水

7、)中的甲烷浓度及其随时间变化的原位观测数据；(2)较少探究甲烷渗漏的过程细节及其瞬时通量的变化，也很少触及对甲烷通量随时间的变化规律和影响因素的揭示，这在某种程度上制约了对上述科学问题认识上的深化。因此，基于原位观测站的通量观测研究在近二十年逐渐发展起来，可分为溶解态甲烷通量观测和气泡甲烷通量观测两个分支。目前，气泡甲烷除了通过渗漏帐篷测量外[3’1卜12]，也通过光学或声学方法进行测量[13。16

8、。而相对于局部的气泡甲烷渗漏，溶解甲烷渗漏不仅发育于上述地质现象顶部，并且存在于周围广阔空间，由于其较强的渗漏通量和较大分布面积，日益引起人们的关注[17。20

9、。因此，本文对当前国际上针

10、对沉积物一水界面的溶解甲烷通量的原位观测方法和研究中国海洋大学学报进展进行较为系统的综合评述，希望能够为国内相关方面的研究提供借鉴。1原位观测方法进展目前，国际上已经有2种较为成熟的沉积物一水界面溶解甲烷渗漏通量观测方法：①原位渗漏流速测量+甲烷浓度；②底栖室流体连续取样技术+甲烷浓度。两个方法中的甲烷浓度测量仍依赖于室内甲烷浓度分析技术，如气相色谱仪，因此，二者均为半原位观测方法。此外，一些基于传感器的原位观测技术已经用于硫化氢、溶解氧等化学