冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究

徐娟，刘波，华志励

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266100)

甲烷是一种重要的温室气体，对全球碳循环和气候变化评估具有重要的科学意义。近年来，随着对甲烷在全球温室效应中扮演角色的逐渐认知，对于海水乃至大气中溶存甲烷的研究逐渐成为相关领域的研究热点。海洋是大气甲烷的净源，对大气甲烷的贡献可达2%～4%[1]，其中海底沉积物是海水中甲烷气体的一个主要来源，据统计全球范围内海底沉积物中的甲烷含量超过7×1013t，经过海水进入大气的每年约(0.7～2)×107t[2]。沉积物中的甲烷气体以孔隙水或游离气等形式进入海水，并在对流、扩散、溶解等作用下运移至水体的中上层。海底冷泉是海底沉积物中存留气体渗漏产生的一种常见现象，不仅是海底天然气水合物赋存的重要标志，同时对于研究海洋环境以及全球气候变化具有重要的意义。现场实测数据表明，冷泉活动区海水中甲烷气体的浓度异常可延伸至海底以上数百米。

目前全球范围内多个海底冷泉活动区相继被发现，例如墨西哥湾、北海、黑海、鄂霍次克海和北极[2-6]。样本分析表明，冷泉气泡中携带气体的主要成分是甲烷[7]。冷泉气泡上浮过程中会在海水中形成一个相对稳定的气泡聚集区域，个别冷泉的垂直高度甚至超过1 km。因此，冷泉气泡上浮过程中伴随的气体溶解会导致冷泉水体中形成一个甲烷高浓度水体区域。由于冷泉气泡相比海水具有显著的声阻抗差异，走航式主动声学探测成为研究海底冷泉的一种有效手段，利用声学回波信息可以对海底冷泉的溢出口位置、溢出高度、溢出通量等分布特性进行有效的提取和分析[3,5-6]，但是对于冷泉水体中甲烷浓度反演方法的研究还未见报道。本文在现有海底冷泉特征分析研究的基础上，建立了一种利用走航式声学探测数据对冷泉水体中的甲烷浓度分布进行反演的方法，并利用2016年中俄联合科考获取的海试资料，以鄂霍次克海(Okhotsk Sea)千岛盆地(Kurile Basin)西北陆坡区为例，对反演方法进行了验证，与样本地化分析结果的比对验证了该方法的有效性。

1 冷泉水体甲烷气体浓度反演方法

冷泉水体中的溶解甲烷浓度，在数值上可以通过一定时间间隔内的溶解通量计算得到。假设水深h处单位高度的冷泉水体以流速V流动，冷泉水体中的甲烷溶解通量为Fw(h)，则冷泉水体中的甲烷浓度C(h)为：

(1)

式中，L为冷泉水体的流动距离，即冷泉溢出点至观测点的距离。由(1)式可知，水体中的溶解甲烷浓度在数值上主要取决于甲烷的溶解通量和水体的流速。

海底冷泉的溶解甲烷是指冷泉气泡携带的甲烷气体经由气泡表面溶解至海水中的部分，根据文献[8]，单位高度海底冷泉的溶解通量Fw的计算公式是：

(2)

式中，kB是冷泉气泡中甲烷气体的传递速率，s是冷泉气泡与相同体积球体的表面积之比，r为冷泉气泡半径，C是海水中的背景甲烷浓度，H为Henry常数，N为单位高度海底冷泉中的冷泉气泡个数，n(r)为冷泉气泡半径的分布密度，Pb为冷泉气泡中甲烷气体的分压。

在具体计算时可以对公式(2)进行一定的简化。对于深海冷泉，首先，在高静水压力情况下气泡的表面张力以及海水向气泡内部的气体传递过程可以忽略。其次，由于冷泉气体中甲烷占比可达90%以上，因此分压Pb可近似视为静水压力P。再次，由于海水中的背景甲烷浓度很低(2～3 nmol/L)[9]，式中C可近似为0。此外，根据文献[8]，对于气泡半径r>10 μm的冷泉气泡，其气体传递速率kB与r之间满足kB≈r-0.1。由于实际情况中冷泉气泡的半径主要分布在1～10 mm，因此在实际计算时kB可视为常数。又因为气泡收缩速率vshrink与kB之间存在vshrink=kBRT/H的转换关系，R和T分别为气体常数和温度。最终公式(2)可以简化为：

(3)

式中，S是冷泉气泡群的总表面积，VM是甲烷的摩尔体积。此时，甲烷溶解通量的计算可转化为对vshrink和S的计算。根据文献[10]，冷泉气泡的后向散射截面σ与气泡表面积S之间满足

S=4πr2=σ(r)·{[(f0/f)2-1]2+(kr)2}，

(4)

式中，f0为共振频率，f为声学探测频率，k为声波波数。对于1～10 mm的冷泉气泡，当声学探测的频率高于冷泉气泡的工作频率时，可近似取S=4πσ，此时公式(3)可进一步简化为：

(5)

将公式(5)代入公式(1)可得海水中冷泉释放产生的甲烷浓度分布：

(6)

2 数据与计算结果分析

本文使用的声学数据和样本数据均取自2016年5月鄂霍次克海西南海域千岛盆地西北陆坡的海试，声学探测表明该区域内海底冷泉密集发育。其中，声学数据取自单波束回波测深仪ELAC和Sargan EM的走航式探测，工作频段和波束角分别为12、20 kHz和12°、10°。走航式探测时，声学信号的脉冲重复周期设定为2 s，声速设定为1465 m/s，声学测深数据通过ELAC STG-721进行采集。考察船的航速控制在5～8 kn，考察船的经纬度、航速和航行等信息通过船载导航仪GARMIN GPSMap 420 s实时获取，并与声学探测数据同步。海试期间，在该海域共获得87个海底冷泉的声学资料，其中水深大于400 m的冷泉共35个。同时，海试期间使用SBE 12-Rosette采水器和SBE probe 9 plus CTD进行了13个站位的水体样本采集，其中每个站位分别能够获得12个不同水深的水体样本，并直接在考察船上由色谱分析仪Crystal Suite 4000M进行水体中溶解甲烷浓度的分析。图1分别为本航次中该研究区域内的冷泉分布及其水深范围。

图1 研究区域内海底冷泉的分布及水深范围Fig.1 Distribution and depth range of cold seeps in the study area

图2为利用回波测深仪声学剖面反演得到的冷泉水体中甲烷气体的浓度分布结果。其中图2a为12 kHz和20 kHz频段下得到的冷泉声学剖面，该冷泉位于千岛盆地西北陆坡(47°24.030′N，143°43.606′E)，水深724 m，获得该声学剖面时的航速和航向分别为5.9 kn和326.5°。图2b为该冷泉所处海水环境中的甲烷浓度分布，图中的曲线分别对应12 kHz和20 kHz的声学频段，离散值为色谱仪分析得到的两个站位的样本水甲烷浓度，分别位于47°24.118′N、143°43.468′E和47°24.502′N、143°43.798′E，相距15.7 km，相距图2a所示海底冷泉的距离分别是6.8 km和15.14 km。以15 cm/s的海流流速计算，冷泉水体从冷泉释放区流至采样站位分别需要12.6 h和28 h。从图2所示的反演结果可见，两个声学频段反演结果具有较好的一致性，特别是在450～240 m水深区间内，浓度分布的规律性完全一致，在数值上存在3～4 nmol/L的差值。随着水深的减小，20 kHz对应的甲烷浓度衰减速度更快。而在数值上，12 kHz的计算结果与样本水实测结果更为接近。原因主要来自两个方面:一是20 kHz对应的波束角更小，二是12 kHz的气泡共振效应更强。与此同时，需要指出的是，从声学剖面可见该冷泉的溢出高度超过400 m，取气泡上浮速度20 cm/s[11]，则冷泉气泡的上浮时间可达2000 s。若冷泉气泡的半径为10 mm，则对应的气泡收缩速度vshrink约1 μm/s，这一结果与Rehder等[11]在Monterey湾的实测数据较为相近。根据水合物相边界曲线可知，调查海域的水合物稳定带底界约为320～330 m，因此声学探测结果证实了此前学者提出的水合物稳定带底界以深区域内气泡表面的水合物结壳现象[11]。

图2 深水冷泉甲烷浓度的反演结果及比对Fig 2 Inversion results and comparison of methane concentration in deep water of cold seep

由于研究海域内水深200 m以内的浅水冷泉数量较多，在此对浅水冷泉甲烷浓度的反演结果也进行了验证。海试期间，在Patience湾西南海域探测到自海底一直延伸到海面的气泡羽状流，12 kHz和20 kHz得到的羽状流声学剖面如图3a所示，该冷泉(47°22.574′N, 143°36.852′E)所处水深145 m，所得声学剖面对应的航速和航向分别为6.1 kn和271.5°。图3b为根据声学剖面反演得到的冷泉水体中甲烷气体的浓度分布，图中曲线分别代表12 kHz和20 kHz两个频段，离散数据为样本水采样分析结果，其中水体采集站位(47°22.562′N, 143°36.830′E)距离该羽状流19.85 km。从反演结果可见，两个频段的反演结果在趋势上具有较好的一致性，但是在数值上20 kHz对应的反演结果要高于12 kHz。而通过与样本水实测结果的对比可见，12 kHz对应的反演结果与实测结果更为接近，同时这与图2所示的反演结果一致。因此，通过上述两个冷泉的计算结果可见，由于共振频率上的优势，采用主频12 kHz进行冷泉探测能够获得更加准确的探测结果。

图3 浅水冷泉甲烷浓度的反演结果及比对Fig 3 Inversion results and comparison of methane concentration in shallow water of cold seep

图4a中的离散数据为海试期间13个站位水体样本的采集分析结果，曲线为根据离散值拟合的结果，R2=0.8。图4b为冷泉水体中甲烷气体浓度分布的计算结果与实测结果之间的对比，其中计算结果是根据海试期间87个海底冷泉的声学探测数据平均计算得到。计算时，冷泉释放区北部边界至水体样本采集站位的距离L取150 km；深海冷泉个数为0.1 km-2，流速为15 cm/s。在这种流速下，水体从冷泉释放区流至采样站位需要12 d，远小于海水中甲烷气体的消散时间。图中，两条虚线分别对应12 kHz和20 kHz两个频段，实线取自图4a的实测值拟合曲线。通过对比可以看出，无论是在趋势上还是数值上计算结果与实测结果均较为接近，这表明声学共振效应对于本文所用方法的影响基本可以忽略。同时，计算结果与实测数据的一致性也能够一定程度上证明本文冷泉水体甲烷气体浓度反演方法的有效性。

图4 冷泉水体甲烷浓度的计算结果与实测数据的对比Fig 4 Comparisons between calculated results and measured data of methane concentration in cold seep water

3 结论

本文综合运用海试期间获得的声学数据和冷泉水体样本数据，对鄂霍次克海千岛盆地西部陆坡区的冷泉水体甲烷浓度的反演方法进行了研究。反演结果表明，本文提出的基于声学数据的甲烷气体浓度反演方法能够较为准确地对冷泉水体中的甲烷浓度分布进行计算，计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。同时，该方法对于主动声学探测的频段不敏感，气泡共振效应对计算结果的影响较小。此外，现场观测数据表明，水合物稳定带底界以深区域内冷泉气泡表面形成的水合物结壳能够显著延长冷泉气泡的上浮距离和时间。在后续工作中，将进一步对冷泉气泡溢出的动力学特征进行研究，为构建冷泉系统甲烷气体排放的定量评价方法提供技术支撑。