《Science Bulletin》水合物形成显著减缓了海底渗漏的甲烷气泡在海洋水体中的上升速率

本文通过结合原位模拟和现场实验，发现水合物膜形成可显著减缓海底渗漏的甲烷气泡在海洋水体环境中的上升速率，并可在海底上边界封盖作用下，进一步形成水合物气泡聚集堆积，增强甲烷捕获和封存效果。

全球大气甲烷年增长率在2020年达到了记录以来最高水平，随着大气甲烷浓度的大规模持续增加，亟需揭示甲烷排放的多种来源和释放甲烷的最终命运。作为全球最大甲烷储库，海洋在氧化和减少甲烷排放上同时具有巨大潜力，可有效调节全球甲烷排放水平。海底甲烷渗漏于全球范围内普遍存在，在影响全球变暖和海洋碳循环中发挥着重要影响，探明海底渗漏甲烷的迁移转化规律，对揭示甲烷气泡能否穿过海洋水柱层到达大气环境至关重要。

海底渗漏的甲烷在输运过程中可同时发生物理-化学-生物等多种转化而被消耗，然而以往相关研究主要聚焦于微生物介导对海底渗漏甲烷的封存和降解作用，作为影响甲烷输移和强化海洋甲烷封存的另外一种重要方式，甲烷溶解和具有自圈闭作用的甲烷水合物固体形成在过滤和阻止甲烷气泡从海底泄漏至海洋上层水体环境同样发挥着关键作用。探明气泡的渗漏、甲烷溶解及水合物形成演化特性对理解海底渗漏甲烷的命运归宿至关重要。然而，由于深海进入困难，甲烷渗漏过程中水合物的形成和甲烷溶解特征尚未明晰。

为深入理解海底渗漏甲烷的溶解传质规律及与水合物形成的耦合作用机理，研究中心利用自研深海甲烷渗漏模拟反应系统，同时结合现场渗漏甲烷和水合物捕集实验，对我国南海“海马”冷泉区的甲烷渗漏过程进行了综合研究，探究了甲烷渗漏通量对甲烷溶解传质及水合物形成特征的影响。

成果

图16为室内原位模拟实验结果，展示了连续渗漏过程中甲烷气泡的迁移转化和演化特征，发现模拟海水中溶解甲烷浓度会随着甲烷气泡的渗漏而逐渐增至饱和状态，水中的传质系数随着甲烷通量的增加而线性增加。当水合物成核后，水中溶解甲烷会迅速形成絮状水合物，导致溶解甲烷快速降至三相平衡浓度，并与水合物生成达成动态平衡，其中，在最大甲烷通量下的水合物成核时间比其他实验中的成核时间相对更短（图16a-e）。在水合物普遍形成后，释放的气泡会被甲烷水合物膜包裹，相邻的水合物泡会由于破裂-融合作用合并成更大的气泡，在甲烷渗漏后期形成新的、更大的气水反应界面（图16f-g）。水合物形成后，甲烷气泡的上升速率会被显著降低，表明水合物形成是阻滞甲烷向上层水柱和大气输送的重要屏障（图16h）。相同时间内，水合物形成速率和总量均随着甲烷通量的上升而增加，然而，在增加传质系数和提高甲烷固定率之间存在一个平衡，一方面提高传质系数有利于扩大气水界面，改善水合物的形成，而较大的传质速率改善了气水的湍流，有助于气水的释放（图16i）

图16 连续渗漏过程中甲烷气泡的迁移转化和演化：（a）反应釜内溶解甲烷浓度的变化；（b）不同甲烷通量下传质系数的变化；（c-d）水合物成核前后拉曼强度的动态演变；（e）水合物成核后拉曼光谱演化特征；（f）甲烷气泡输移和转化的宏观特征；（g）相邻水合物包覆气泡的合并机制；（h）甲烷气泡上升速率；（i）甲烷固定率和固定量

图17展示了海底甲烷气泡渗漏和水合物形成及其机理示意图，现场研究结果与实验模拟研究所获结论一致，表明海底的上边界可以作为促进水合物形成的有效封盖，可进一步增强甲烷的捕获和封存效果。在没有封盖的情况下，对于更高的甲烷通量，将存在促进水合物形成和增加甲烷气泡逃逸速度的平衡。

图17海底甲烷气泡渗漏和水合物形成及其机理示意图：（a–b）F站位冷泉区甲烷气泡渗漏和水合物包裹的气泡上升；（c–d）利用发现号ROV收集海马冷泉渗漏甲烷气泡及气泡快速形成水合物的实验；（e）深海甲烷渗漏和水合物形成的机制

来源：Science Bulletin、滨海于深海生态环境研究中心