南海海马冷渗区深部甲烷气泡羽流的命运

《Marine Pollution Bulletin》：Fate of deep methane bubble plumes at the Haima cold seeps in the South China Sea

甲烷冷泉气泡运移与稳定带（HSZ）相互作用机制研究——基于南海Haima冷泉区现场观测与数值模拟，揭示了气泡速度（11.1-33.4 cm/s）、三维形态（蛇形扩散与锥形倾斜）及HSZ上界（580-645 m）对气泡高度的调控作用，量化了727 m最大水平位移与1.5 nM次生浓度异常，提出分层抑制效应。

　　

郭斌斌|苏丹毅|杨胜雄|徐安迪|布贤海|陈宗恒|吴绪民|冯强强|陈春亮|王峰|吴阳|董一飞|肖希|梁倩勇

中国地质调查局广州海洋地质调查所，广州，中国

摘要

海底甲烷渗漏是碳从地球地下转移到海洋的主要途径。本研究通过综合野外观测和数值模拟，研究了南海（SCS）最大活跃渗漏区——海马冷渗漏区（深度1408–1522米）深部甲烷气泡羽流的命运。被水合物壳包裹的甲烷气泡以11.1–33.4厘米/秒的速度上升。局部水文条件形成了不同的羽流形态：HM01渗漏点形成蜿蜒的羽流，而HMS18渗漏点形成向东倾斜的圆锥形羽流，最大观测高度为797米，宽度为244米。羽流在达到水合物稳定区（HSZ）上边界时终止，该边界由于中尺度涡流（垂直振幅：32.5米）和潮汐（5.6米）的影响而在580至645米深度之间波动。增强的水流或减弱的喷发可能会间歇性地抑制羽流超过这一边界。九个月的固定观测将气泡的最大侧向位移限制在727米范围内。溶解的甲烷在海底喷口处达到5.3微摩尔/升，但在喷口上方20–40米范围内减少了1–2个数量级，表明高浓度异常由于溶解相排放而被密度分层作用限制在海底附近。数值模拟预测在水合物稳定区上边界处会出现二次甲烷浓度异常（增加1.5纳摩尔/升），这是由于大气泡的水合物壳解离所致。本研究为设计南海天然气水合物开发过程中的甲烷泄漏监测策略提供了关键见解。

引言

海底甲烷渗漏是全球大陆边缘普遍存在的地质现象，是碳从地球地下转移到上方海洋的主要通道（Campbell, 2006; Judd and Hovland, 2009; Ni et al., 2025; Suess, 2014）。它向海洋释放大量甲烷，通过化能合成途径深刻改变局部生物地球化学循环和生物多样性（Kessler et al., 2011; Peng et al., 2025）。重要的是，甲烷是一种强效的温室气体，其20年内的全球变暖潜力是二氧化碳的79.7倍，一个世纪内的全球变暖潜力是二氧化碳的27倍（Forster et al., 2021）。部分释放的甲烷可以逃避海洋吸收过程（例如微生物氧化）并进入大气层，加速全球气候变化（James et al., 2016）。目前估计，海底渗漏每年向大气中贡献约20太克（Tg）的甲烷——约占全球排放量的4%（Etiope et al., 2008; Judd, 2004）。因此，量化渗漏甲烷的命运对于理解全球碳循环和气候动态至关重要。最近的人为海底甲烷泄漏事件——如2010年的深水地平线井喷（Bracco et al., 2020）和2022年的北溪管道泄漏（Dissanayake et al., 2023）——加剧了这项研究的紧迫性。

甲烷以气泡或溶解气体的形式释放到水柱中，随后可能被微生物消耗、被海洋 currents分散并转移到大气中。其命运在很大程度上取决于排放深度和气泡特性（例如，数量、大小、表面涂层）（Leifer, 2010; McGinnis et al., 2006）。较大且表面涂有表面活性剂的气泡比较小且较干净的气泡具有更大的上升潜力（Leifer and Patro, 2002）。据认为，只有在足够浅的海底（即<100米）和/或在大规模泄漏时，才会发生显著的大气逃逸。例如，在东西伯利亚北极大陆架（平均深度：45米），超过80%的底层水和超过50%的表层水表现出甲烷过饱和现象，表明有大量的甲烷排放到大气中（Shakhova et al., 2010）。在北溪管道泄漏事件中（深度：约88米），94.9%的释放甲烷（约225千吨）通过上升的气泡羽流立即进入大气（Dissanayake et al., 2023）。在这种浅水环境中，有限的微生物氧化时间和弱的分层作用使得气泡高效地转移到大气中。风暴可以通过增加水柱中的混合进一步间歇性地增强这一过程（Shakhova et al., 2014）。

对于位于水合物稳定区（HSZ）内的深部渗漏，由于气泡表面形成了水合物，气泡的传输变得极其复杂。这种水合物涂层改变了气泡表面的流动性，影响了其流体动力学行为，并显著降低了甲烷的溶解速率（Fu et al., 2021; Liu et al., 2022; Rehder et al., 2002）。因此，气泡可以在水柱中上升非常高的距离。在黑海（深度2080米）的泥火山上方观察到了异常高的（>1300米）声学羽流，在墨西哥湾南部（深度3400米）的一个自然渗漏点，由甲烷和油组成的羽流上升了3000米（R?mer et al., 2019）。已经开发了数值模型（例如TAMOC、MEGADEEP）来模拟深部甲烷气泡羽流的命运（Yapa et al., 2010; Dissanayake et al., 2018; Liu et al., 2022; Jun et al., 2025），但需要通过现场测量甲烷氧化速率、气泡传输效率和渗漏引起的上升流效应来验证这些模型（James et al., 2016）。

在天然气水合物丰富的地区，如水合物岭、墨西哥湾、黑海、马克兰大陆边缘和南海（SCS），深部甲烷渗漏现象已有详细记录（Suess, 2014）。然而，由于深部甲烷羽流的空间尺度小于千米且具有强烈的时空变异性（Razaz et al., 2020; Wang et al., 2020），对其命运的详细观测仍然很少，这严重限制了我们对气泡羽流的理解。特别是在南海，直到2004年才确认存在深部冷渗漏（Feng et al., 2018）。作为南海最大的活跃渗漏区，海马冷渗漏区含有丰富的甲烷水合物，存在于浅层沉积物中（Liang et al., 2017）。海马的深度（1408–1522米）接近关键的水合物储层，如琼东南和深湖地区（图1a），这些地区的海底位于水合物稳定区上边界（约600米）以下（Wei et al., 2019）。因此，研究海马地区的甲烷气泡羽流动力学对于南海水合物开发的环境风险评估至关重要。

本研究结合了野外观测和数值模拟，研究了海马冷渗漏区HM01（深度1408米）和HMS18（深度1522米）的深部甲烷气泡羽流的命运（图1）。第2节详细介绍了观测数据集和模型配置。第3节分析了气泡上升动力学、羽流形态和甲烷浓度分布。第4节阐明了控制羽流时间变异性的机制，并讨论了水合物开发中的环境风险。第5节总结了主要发现。

部分内容摘录

多波束水柱声学数据

为了绘制海马冷渗漏区甲烷气泡羽流的三维形态特征，在R/V Haiyangdizhi 10号调查船的两次航行期间（HYDZ10–201905（2019年6月）和HYDZ10–202005（2020年8月），对HM01和HMS18渗漏点进行了水柱声学调查。使用船体安装的Kongsberg EM302多波束回声探测器获取了中层反射体的声学后向散射数据。回声探测器的工作频率为30千赫兹，扫描宽度为120度。

不同大小甲烷气泡的上升特性

2020年5月的ROV观测显示，甲烷气泡在HM01和HMS18渗漏点周围迅速形成了水合物（图3）。这些被水合物包裹的气泡呈现出独特的哑光银色外观，与表面透明的正常气泡形成对比，并在ROV镜头上积聚形成一层银膜，暂时遮挡了视线（图3a）。这一过程的发生是因为周围水中的溶解甲烷达到了饱和状态，而周围压力

甲烷羽流高度的时间变化机制

海马冷渗漏区内甲烷气泡羽流的最终深度始终位于或低于水合物稳定区（HSZ）上边界，这意味着中层水温的变化——通过其对HSZ边界深度的控制——可以调节羽流高度。为了验证这一联系，我们首次使用18个月的固定观测温度记录以及甲烷水合物相平衡图（Wei et al., 2019）重建了HM01的HSZ上边界时间序列（图11b）。

总结

本研究利用2019–2020年夏季的综合野外观测和数值模拟，研究了南海海马冷渗漏区（深度1408–1522米）深部甲烷气泡羽流的命运。从海底喷口释放后，甲烷气泡迅速被水合物壳包裹。上升的小气泡在深水中逐渐溶解，而较大的气泡（例如直径>2.75毫米）可以上升到HSZ上边界，然后经历快速的水合物解离和溶解。

CRediT作者贡献声明

郭斌斌：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析。苏丹毅：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析。杨胜雄：项目管理、资金获取。徐安迪：调查。布贤海：正式分析。陈宗恒：调查。吴绪民：调查。冯强强：调查。陈春亮：调查。王峰：方法论、正式分析。吴阳：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢南京大学地球科学与工程学院的曹晓斌博士提供的有益讨论。本研究得到了国家自然科学基金（编号42276087）、广州市基础与应用基础研究基金（编号2025A04J4401和2024A04J4368）、科学技术基础资源调查计划（编号2024FY101000）以及广东省重点研发计划的支持。