冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法研究

徐娟，劉波，華志勵

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監測儀器裝備技術重點實驗室，國家海洋監測設備工程技術研究中心，山東 青島 266100)

甲烷是一種重要的溫室氣體，對全球碳循環和氣候變化評估具有重要的科學意義。近年來，隨著對甲烷在全球溫室效應中扮演角色的逐漸認知，對于海水乃至大氣中溶存甲烷的研究逐漸成為相關領域的研究熱點。海洋是大氣甲烷的凈源，對大氣甲烷的貢獻可達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，據統計全球范圍內海底沉積物中的甲烷含量超過7×1013t，經過海水進入大氣的每年約(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生的一種常見現象，不僅是海底天然氣水合物賦存的重要標志，同時對于研究海洋環境以及全球氣候變化具有重要的意義。現場實測數據表明，冷泉活動區海水中甲烷氣體的濃度異常可延伸至海底以上數百米。

目前全球范圍內多個海底冷泉活動區相繼被發現，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定的氣泡聚集區域，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致冷泉水體中形成一個甲烷高濃度水體區域。由于冷泉氣泡相比海水具有顯著的聲阻抗差異，走航式主動聲學探測成為研究海底冷泉的一種有效手段，利用聲學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。本文在現有海底冷泉特征分析研究的基礎上，建立了一種利用走航式聲學探測數據對冷泉水體中的甲烷濃度分布進行反演的方法，并利用2016年中俄聯合科考獲取的海試資料，以鄂霍次克海(Okhotsk Sea)千島盆地(Kurile Basin)西北陸坡區為例，對反演方法進行了驗證，與樣本地化分析結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，在數值上可以通過一定時間間隔內的溶解通量計算得到。假設水深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由氣泡表面溶解至海水中的部分，根據文獻[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，N為單位高度海底冷泉中的冷泉氣泡個數，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，根據文獻[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。又因為氣泡收縮速率vshrink與kB之間存在vshrink=kBRT/H的轉換關系，R和T分別為氣體常數和溫度。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化為對vshrink和S的計算。根據文獻[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為聲學探測頻率，k為聲波波數。對于1～10 mm的冷泉氣泡，當聲學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生的甲烷濃度分布：

(6)

2 數據與計算結果分析

本文使用的聲學數據和樣本數據均取自2016年5月鄂霍次克海西南海域千島盆地西北陸坡的海試，聲學探測表明該區域內海底冷泉密集發育。其中，聲學數據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，聲學信號的脈沖重復周期設定為2 s，聲速設定為1465 m/s，聲學測深數據通過ELAC STG-721進行采集。考察船的航速控制在5～8 kn，考察船的經緯度、航速和航行等信息通過船載導航儀GARMIN GPSMap 420 s實時獲取，并與聲學探測數據同步。海試期間，在該海域共獲得87個海底冷泉的聲學資料，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域內的冷泉分布及其水深范圍。

圖1 研究區域內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剖面反演得到的冷泉水體中甲烷氣體的濃度分布結果。其中圖2a為12 kHz和20 kHz頻段下得到的冷泉聲學剖面，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境中的甲烷濃度分布，圖中的曲線分別對應12 kHz和20 kHz的聲學頻段，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所示的反演結果可見，兩個聲學頻段反演結果具有較好的一致性，特別是在450～240 m水深區間內，濃度分布的規律性完全一致，在數值上存在3～4 nmol/L的差值。隨著水深的減小，20 kHz對應的甲烷濃度衰減速度更快。而在數值上，12 kHz的計算結果與樣本水實測結果更為接近。原因主要來自兩個方面:一是20 kHz對應的波束角更小，二是12 kHz的氣泡共振效應更強。與此同時，需要指出的是，從聲學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2000 s。若冷泉氣泡的半徑為10 mm，則對應的氣泡收縮速度vshrink約1 μm/s，這一結果與Rehder等[11]在Monterey灣的實測數據較為相近。根據水合物相邊界曲線可知，調查海域的水合物穩定帶底界約為320～330 m，因此聲學探測結果證實了此前學者提出的水合物穩定帶底界以深區域內氣泡表面的水合物結殼現象[11]。

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

由于研究海域內水深200 m以內的淺水冷泉數量較多，在此對淺水冷泉甲烷濃度的反演結果也進行了驗證。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，所得聲學剖面對應的航速和航向分別為6.1 kn和271.5°。圖3b為根據聲學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，離散數據為樣本水采樣分析結果，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。從反演結果可見，兩個頻段的反演結果在趨勢上具有較好的一致性，但是在數值上20 kHz對應的反演結果要高于12 kHz。而通過與樣本水實測結果的對比可見，12 kHz對應的反演結果與實測結果更為接近，同時這與圖2所示的反演結果一致。因此，通過上述兩個冷泉的計算結果可見，由于共振頻率上的優勢，采用主頻12 kHz進行冷泉探測能夠獲得更加準確的探測結果。

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

圖4a中的離散數據為海試期間13個站位水體樣本的采集分析結果，曲線為根據離散值擬合的結果，R2=0.8。圖4b為冷泉水體中甲烷氣體濃度分布的計算結果與實測結果之間的對比，其中計算結果是根據海試期間87個海底冷泉的聲學探測數據平均計算得到。計算時，冷泉釋放區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，水體從冷泉釋放區流至采樣站位需要12 d，遠小于海水中甲烷氣體的消散時間。圖中，兩條虛線分別對應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值上計算結果與實測結果均較為接近，這表明聲學共振效應對于本文所用方法的影響基本可以忽略。同時，計算結果與實測數據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果與實測數據的對比Fig 4 Comparisons between calculated results and measured data of methane concentration in cold seep water

3 結論

本文綜合運用海試期間獲得的聲學數據和冷泉水體樣本數據，對鄂霍次克海千島盆地西部陸坡區的冷泉水體甲烷濃度的反演方法進行了研究。反演結果表明，本文提出的基于聲學數據的甲烷氣體濃度反演方法能夠較為準確地對冷泉水體中的甲烷濃度分布進行計算，計算結果與現場實測結果具有較好的一致性。同時，該方法對于主動聲學探測的頻段不敏感，氣泡共振效應對計算結果的影響較小。此外，現場觀測數據表明，水合物穩定帶底界以深區域內冷泉氣泡表面形成的水合物結殼能夠顯著延長冷泉氣泡的上浮距離和時間。在后續工作中，將進一步對冷泉氣泡溢出的動力學特征進行研究，為構建冷泉系統甲烷氣體排放的定量評價方法提供技術支撐。