冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法研究

徐娟，劉波，華志勵

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測儀器裝備技術(shù)重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266100)

甲烷是一種重要的溫室氣體，對全球碳循環(huán)和氣候變化評估具有重要的科學(xué)意義。近年來，隨著對甲烷在全球溫室效應(yīng)中扮演角色的逐漸認(rèn)知，對于海水乃至大氣中溶存甲烷的研究逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。海洋是大氣甲烷的凈源，對大氣甲烷的貢獻(xiàn)可達(dá)2%～4%[1]，其中海底沉積物是海水中甲烷氣體的一個主要來源，據(jù)統(tǒng)計全球范圍內(nèi)海底沉積物中的甲烷含量超過7×1013t，經(jīng)過海水進(jìn)入大氣的每年約(0.7～2)×107t[2]。沉積物中的甲烷氣體以孔隙水或游離氣等形式進(jìn)入海水，并在對流、擴散、溶解等作用下運移至水體的中上層。海底冷泉是海底沉積物中存留氣體滲漏產(chǎn)生的一種常見現(xiàn)象，不僅是海底天然氣水合物賦存的重要標(biāo)志，同時對于研究海洋環(huán)境以及全球氣候變化具有重要的意義。現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，冷泉活動區(qū)海水中甲烷氣體的濃度異?？裳由熘梁５滓陨蠑?shù)百米。

目前全球范圍內(nèi)多個海底冷泉活動區(qū)相繼被發(fā)現(xiàn)，例如墨西哥灣、北海、黑海、鄂霍次克海和北極[2-6]。樣本分析表明，冷泉氣泡中攜帶氣體的主要成分是甲烷[7]。冷泉氣泡上浮過程中會在海水中形成一個相對穩(wěn)定的氣泡聚集區(qū)域，個別冷泉的垂直高度甚至超過1 km。因此，冷泉氣泡上浮過程中伴隨的氣體溶解會導(dǎo)致冷泉水體中形成一個甲烷高濃度水體區(qū)域。由于冷泉氣泡相比海水具有顯著的聲阻抗差異，走航式主動聲學(xué)探測成為研究海底冷泉的一種有效手段，利用聲學(xué)回波信息可以對海底冷泉的溢出口位置、溢出高度、溢出通量等分布特性進(jìn)行有效的提取和分析[3,5-6]，但是對于冷泉水體中甲烷濃度反演方法的研究還未見報道。本文在現(xiàn)有海底冷泉特征分析研究的基礎(chǔ)上，建立了一種利用走航式聲學(xué)探測數(shù)據(jù)對冷泉水體中的甲烷濃度分布進(jìn)行反演的方法，并利用2016年中俄聯(lián)合科考獲取的海試資料，以鄂霍次克海(Okhotsk Sea)千島盆地(Kurile Basin)西北陸坡區(qū)為例，對反演方法進(jìn)行了驗證，與樣本地化分析結(jié)果的比對驗證了該方法的有效性。

1 冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法

冷泉水體中的溶解甲烷濃度，在數(shù)值上可以通過一定時間間隔內(nèi)的溶解通量計算得到。假設(shè)水深h處單位高度的冷泉水體以流速V流動，冷泉水體中的甲烷溶解通量為Fw(h)，則冷泉水體中的甲烷濃度C(h)為：

(1)

式中，L為冷泉水體的流動距離，即冷泉溢出點至觀測點的距離。由(1)式可知，水體中的溶解甲烷濃度在數(shù)值上主要取決于甲烷的溶解通量和水體的流速。

海底冷泉的溶解甲烷是指冷泉氣泡攜帶的甲烷氣體經(jīng)由氣泡表面溶解至海水中的部分，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，單位高度海底冷泉的溶解通量Fw的計算公式是：

(2)

式中，kB是冷泉氣泡中甲烷氣體的傳遞速率，s是冷泉氣泡與相同體積球體的表面積之比，r為冷泉氣泡半徑，C是海水中的背景甲烷濃度，H為Henry常數(shù)，N為單位高度海底冷泉中的冷泉氣泡個數(shù)，n(r)為冷泉氣泡半徑的分布密度，Pb為冷泉氣泡中甲烷氣體的分壓。

在具體計算時可以對公式(2)進(jìn)行一定的簡化。對于深海冷泉，首先，在高靜水壓力情況下氣泡的表面張力以及海水向氣泡內(nèi)部的氣體傳遞過程可以忽略。其次，由于冷泉氣體中甲烷占比可達(dá)90%以上，因此分壓Pb可近似視為靜水壓力P。再次，由于海水中的背景甲烷濃度很低(2～3 nmol/L)[9]，式中C可近似為0。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，對于氣泡半徑r>10 μm的冷泉氣泡，其氣體傳遞速率kB與r之間滿足kB≈r-0.1。由于實際情況中冷泉氣泡的半徑主要分布在1～10 mm，因此在實際計算時kB可視為常數(shù)。又因為氣泡收縮速率vshrink與kB之間存在vshrink=kBRT/H的轉(zhuǎn)換關(guān)系，R和T分別為氣體常數(shù)和溫度。最終公式(2)可以簡化為：

(3)

式中，S是冷泉氣泡群的總表面積，VM是甲烷的摩爾體積。此時，甲烷溶解通量的計算可轉(zhuǎn)化為對vshrink和S的計算。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，冷泉氣泡的后向散射截面σ與氣泡表面積S之間滿足

S=4πr2=σ(r)·{[(f0/f)2-1]2+(kr)2}，

(4)

式中，f0為共振頻率，f為聲學(xué)探測頻率，k為聲波波數(shù)。對于1～10 mm的冷泉氣泡，當(dāng)聲學(xué)探測的頻率高于冷泉氣泡的工作頻率時，可近似取S=4πσ，此時公式(3)可進(jìn)一步簡化為：

(5)

將公式(5)代入公式(1)可得海水中冷泉釋放產(chǎn)生的甲烷濃度分布：

(6)

2 數(shù)據(jù)與計算結(jié)果分析

本文使用的聲學(xué)數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)均取自2016年5月鄂霍次克海西南海域千島盆地西北陸坡的海試，聲學(xué)探測表明該區(qū)域內(nèi)海底冷泉密集發(fā)育。其中，聲學(xué)數(shù)據(jù)取自單波束回波測深儀ELAC和Sargan EM的走航式探測，工作頻段和波束角分別為12、20 kHz和12°、10°。走航式探測時，聲學(xué)信號的脈沖重復(fù)周期設(shè)定為2 s，聲速設(shè)定為1465 m/s，聲學(xué)測深數(shù)據(jù)通過ELAC STG-721進(jìn)行采集。考察船的航速控制在5～8 kn，考察船的經(jīng)緯度、航速和航行等信息通過船載導(dǎo)航儀GARMIN GPSMap 420 s實時獲取，并與聲學(xué)探測數(shù)據(jù)同步。海試期間，在該海域共獲得87個海底冷泉的聲學(xué)資料，其中水深大于400 m的冷泉共35個。同時，海試期間使用SBE 12-Rosette采水器和SBE probe 9 plus CTD進(jìn)行了13個站位的水體樣本采集，其中每個站位分別能夠獲得12個不同水深的水體樣本，并直接在考察船上由色譜分析儀Crystal Suite 4000M進(jìn)行水體中溶解甲烷濃度的分析。圖1分別為本航次中該研究區(qū)域內(nèi)的冷泉分布及其水深范圍。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)海底冷泉的分布及水深范圍Fig.1 Distribution and depth range of cold seeps in the study area

圖2為利用回波測深儀聲學(xué)剖面反演得到的冷泉水體中甲烷氣體的濃度分布結(jié)果。其中圖2a為12 kHz和20 kHz頻段下得到的冷泉聲學(xué)剖面，該冷泉位于千島盆地西北陸坡(47°24.030′N，143°43.606′E)，水深724 m，獲得該聲學(xué)剖面時的航速和航向分別為5.9 kn和326.5°。圖2b為該冷泉所處海水環(huán)境中的甲烷濃度分布，圖中的曲線分別對應(yīng)12 kHz和20 kHz的聲學(xué)頻段，離散值為色譜儀分析得到的兩個站位的樣本水甲烷濃度，分別位于47°24.118′N、143°43.468′E和47°24.502′N、143°43.798′E，相距15.7 km，相距圖2a所示海底冷泉的距離分別是6.8 km和15.14 km。以15 cm/s的海流流速計算，冷泉水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位分別需要12.6 h和28 h。從圖2所示的反演結(jié)果可見，兩個聲學(xué)頻段反演結(jié)果具有較好的一致性，特別是在450～240 m水深區(qū)間內(nèi)，濃度分布的規(guī)律性完全一致，在數(shù)值上存在3～4 nmol/L的差值。隨著水深的減小，20 kHz對應(yīng)的甲烷濃度衰減速度更快。而在數(shù)值上，12 kHz的計算結(jié)果與樣本水實測結(jié)果更為接近。原因主要來自兩個方面:一是20 kHz對應(yīng)的波束角更小，二是12 kHz的氣泡共振效應(yīng)更強。與此同時，需要指出的是，從聲學(xué)剖面可見該冷泉的溢出高度超過400 m，取氣泡上浮速度20 cm/s[11]，則冷泉氣泡的上浮時間可達(dá)2000 s。若冷泉氣泡的半徑為10 mm，則對應(yīng)的氣泡收縮速度vshrink約1 μm/s，這一結(jié)果與Rehder等[11]在Monterey灣的實測數(shù)據(jù)較為相近。根據(jù)水合物相邊界曲線可知，調(diào)查海域的水合物穩(wěn)定帶底界約為320～330 m，因此聲學(xué)探測結(jié)果證實了此前學(xué)者提出的水合物穩(wěn)定帶底界以深區(qū)域內(nèi)氣泡表面的水合物結(jié)殼現(xiàn)象[11]。

圖2 深水冷泉甲烷濃度的反演結(jié)果及比對Fig 2 Inversion results and comparison of methane concentration in deep water of cold seep

由于研究海域內(nèi)水深200 m以內(nèi)的淺水冷泉數(shù)量較多，在此對淺水冷泉甲烷濃度的反演結(jié)果也進(jìn)行了驗證。海試期間，在Patience灣西南海域探測到自海底一直延伸到海面的氣泡羽狀流，12 kHz和20 kHz得到的羽狀流聲學(xué)剖面如圖3a所示，該冷泉(47°22.574′N, 143°36.852′E)所處水深145 m，所得聲學(xué)剖面對應(yīng)的航速和航向分別為6.1 kn和271.5°。圖3b為根據(jù)聲學(xué)剖面反演得到的冷泉水體中甲烷氣體的濃度分布，圖中曲線分別代表12 kHz和20 kHz兩個頻段，離散數(shù)據(jù)為樣本水采樣分析結(jié)果，其中水體采集站位(47°22.562′N, 143°36.830′E)距離該羽狀流19.85 km。從反演結(jié)果可見，兩個頻段的反演結(jié)果在趨勢上具有較好的一致性，但是在數(shù)值上20 kHz對應(yīng)的反演結(jié)果要高于12 kHz。而通過與樣本水實測結(jié)果的對比可見，12 kHz對應(yīng)的反演結(jié)果與實測結(jié)果更為接近，同時這與圖2所示的反演結(jié)果一致。因此，通過上述兩個冷泉的計算結(jié)果可見，由于共振頻率上的優(yōu)勢，采用主頻12 kHz進(jìn)行冷泉探測能夠獲得更加準(zhǔn)確的探測結(jié)果。

圖3 淺水冷泉甲烷濃度的反演結(jié)果及比對Fig 3 Inversion results and comparison of methane concentration in shallow water of cold seep

圖4a中的離散數(shù)據(jù)為海試期間13個站位水體樣本的采集分析結(jié)果，曲線為根據(jù)離散值擬合的結(jié)果，R2=0.8。圖4b為冷泉水體中甲烷氣體濃度分布的計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的對比，其中計算結(jié)果是根據(jù)海試期間87個海底冷泉的聲學(xué)探測數(shù)據(jù)平均計算得到。計算時，冷泉釋放區(qū)北部邊界至水體樣本采集站位的距離L取150 km；深海冷泉個數(shù)為0.1 km-2，流速為15 cm/s。在這種流速下，水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位需要12 d，遠(yuǎn)小于海水中甲烷氣體的消散時間。圖中，兩條虛線分別對應(yīng)12 kHz和20 kHz兩個頻段，實線取自圖4a的實測值擬合曲線。通過對比可以看出，無論是在趨勢上還是數(shù)值上計算結(jié)果與實測結(jié)果均較為接近，這表明聲學(xué)共振效應(yīng)對于本文所用方法的影響基本可以忽略。同時，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的一致性也能夠一定程度上證明本文冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法的有效性。

圖4 冷泉水體甲烷濃度的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比Fig 4 Comparisons between calculated results and measured data of methane concentration in cold seep water

3 結(jié)論

本文綜合運用海試期間獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)和冷泉水體樣本數(shù)據(jù)，對鄂霍次克海千島盆地西部陸坡區(qū)的冷泉水體甲烷濃度的反演方法進(jìn)行了研究。反演結(jié)果表明，本文提出的基于聲學(xué)數(shù)據(jù)的甲烷氣體濃度反演方法能夠較為準(zhǔn)確地對冷泉水體中的甲烷濃度分布進(jìn)行計算，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果具有較好的一致性。同時，該方法對于主動聲學(xué)探測的頻段不敏感，氣泡共振效應(yīng)對計算結(jié)果的影響較小。此外，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，水合物穩(wěn)定帶底界以深區(qū)域內(nèi)冷泉氣泡表面形成的水合物結(jié)殼能夠顯著延長冷泉氣泡的上浮距離和時間。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步對冷泉氣泡溢出的動力學(xué)特征進(jìn)行研究，為構(gòu)建冷泉系統(tǒng)甲烷氣體排放的定量評價方法提供技術(shù)支撐。