近日,Chemical Engineering Journal期刊(中國科學院一區(qū))在線發(fā)表了題為“Methane hydrate formation kinetics in bottom seawater and cold-seep fluids”的文章,報道了中國科學院海洋研究所在原位水合物微觀生成動力學方面的最新研究成果,研究揭示了不同原位流體(底層海水和冷泉流體)中甲烷水合物形成的動力學過程,對深入了解不同原位流體中甲烷水合物的形成動力學機制及原位水合物生成動力學過程的認識具有重要意義。
天然氣水合物是氣體(自然界中主要是甲烷)與水分子在高壓低溫條件下形成的結晶化合物,廣泛分布于海底沉積物區(qū),并往往與深海冷泉滲漏關聯。自然環(huán)境為水合物研究提供了天然的實驗場所,以前的研究也證明冷泉環(huán)境對水合物形成有一定的促進作用,然而自然流體環(huán)境對水合物生成動力學的具體影響還尚不清楚,不同自然流體環(huán)境中甲烷水合物的微觀形成動力學過程也仍需要進一步探究。
針對上述問題,中國科學院海洋研究所欒振東團隊利用“科學”號科考船從我國南海北部臺西南冷泉區(qū)(Site F)通過保真取樣技術獲取的原位底層海水和冷泉噴口流體,在實驗室內利用兩種不同的原位流體進行了甲烷水合物的形成實驗,并采用連續(xù)時間序列拉曼光譜技術對其進行了實時監(jiān)測和觀察。本研究分別從時間和空間形態(tài)學兩個角度探究了純水、底層海水及冷泉流體中微觀甲烷水合物的形成過程。連續(xù)時間序列拉曼光譜以十秒為積分時間監(jiān)測了甲烷水合物成核動力學的細微變化,并分析了不同流體中溶解態(tài)與水合態(tài)甲烷的演化規(guī)律。結果表明:高鹽度底層海水(鹽離子濃度為冷泉流體的1.5倍)使溶解甲烷溶解度顯著降低30%,誘導期延長24%,水合甲烷整體轉化率下降5%、生成速率降低20%,并抑制小籠型結構的相對占有率達25%。盡管含微量顆粒的低鹽度冷泉流體會輕微降低溶解甲烷溶解度并延長誘導期,但能促進穩(wěn)定的sI型水合物形成。同時空間形態(tài)學觀測顯示,不同流體雖會影響水合物形成形貌,但不會顯著改變其空間分布特征。圖1展示了不同原位流體環(huán)境中甲烷水合物形成的微觀動力學過程。

圖1 不同原位流體環(huán)境中甲烷水合物形成的微觀動力學過程
中國科學院海洋研究所博士研究生張怡童為文章第一作者,張鑫研究員、杜增豐副研究員為文章共同通訊作者,欒振東正高級工程師為文章共同作者。研究得到了國家自然科學基金的資助。
論文信息:
Zhang,Y.,Zhao,K.,Ma,L.,He,W.,Xi,S.,Luan,Z.,Zhang,X*. & Du,Z*. (2025). Methane hydrate formation kinetics in bottom seawater and cold-seep fluids. Chemical Engineering Journal,163547.
(本文來源于中國科學院海洋研究所,“科學”號信息員封婧改編提供。)