近日，Marine and Petroleum Geology在线发表了题为Influence of cold-seep environments on the kinetics of methane hydrate formation的研究论文。该研究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，揭示了海底冷泉环境对水合物形成的影响，并为南海冷泉区水合物形成的动力学过程提供了新见解。
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，是复杂的深海极端环境。而这种复杂的环境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，但这种影响尚不清楚。
因此，海洋所研究员张鑫团队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，且冷泉环境中的自生碳酸盐岩对水合物的形成表现出一定的促进作用（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”，会对水合物的再次形成表现出强烈的促进作用。综上，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冷泉水合物的快速生成。
【资料图】
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见解。由此可见，冷泉复杂的环境条件对水合物动力学过程产生独特影响，未来开展冷泉水合物的原位长期监测实验，有望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认知。
研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。
论文链接
海洋所揭示深海冷泉水合物快速形成的动力学机制
图1. Site F的区域图和采样照片
图2. 甲烷水合物生成实验的时间-温度变化图
图3. 冷泉环境下水合物形成动力学的示意图
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