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近日，中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所王吉亮副研究員聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局張偉正高級(jí)工程師、青島海洋地質(zhì)研究所李昂副研究員以及中國(guó)石油大學(xué)（北京）等天然氣水合物領(lǐng)域?qū)＜遥诘厍蚩茖W(xué)國(guó)際權(quán)威雜志《Earth and Planetary Science Letters》（Nature Index）上發(fā)表了題為“Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone”的研究成果。該研究系統(tǒng)分析了南海北部瓊東南深水盆地活躍冷泉區(qū)甲烷滲漏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與演化規(guī)律，為天然氣水合物（可燃冰）富集機(jī)制和深海冷泉活動(dòng)碳循環(huán)機(jī)理提供了全新認(rèn)識(shí)。

冷泉活動(dòng)是地球系統(tǒng)中跨圈層物質(zhì)循環(huán)和能量交換的重要方式，不僅支撐了獨(dú)特的化能合成生態(tài)系統(tǒng)，其釋放的甲烷還會(huì)導(dǎo)致海水酸化，并對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生潛在影響。近年研究表明，冷泉活動(dòng)在深海環(huán)境（水深 > 500 m）中廣泛發(fā)育。在細(xì)粒泥質(zhì)沉積為主的深海淺地層，常發(fā)育水道砂體，形成“泥包砂”沉積結(jié)構(gòu)。此類(lèi)砂層的存在顯著改變了地層的滲透性，促使流體超壓擴(kuò)散，并導(dǎo)致高飽和度天然氣水合物的富集，對(duì)冷泉活動(dòng)規(guī)律與天然氣水合物資源勘查具有重要影響。然而，在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，“泥包砂”地層控制甲烷滲漏的具體機(jī)制及其與天然氣水合物富集過(guò)程之間的成因聯(lián)系，目前仍存在較大認(rèn)知空白。

針對(duì)上述問(wèn)題，該研究在瓊東南深水盆地松南低凸起一處活躍的甲烷滲漏區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)12.5米厚的砂層，其中富含天然氣水合物（圖1a）。三維地震數(shù)據(jù)圖像清晰顯示，這里存在兩個(gè)巨大的氣煙囪：一個(gè)位于砂層下方，另一個(gè)則從砂層直通海底(圖1b)。下方的氣煙囪負(fù)責(zé)“供氣”，其頂部與砂層接觸處呈現(xiàn)出顯著的地震異常，表明它正在向上方的砂層輸運(yùn)甲烷。上方的煙囪負(fù)責(zé)“排氣”，它像一根導(dǎo)管，將砂層中的氣體源源不斷地輸送至海底，形成冷泉滲漏。

圖1. （a）W01站位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。 圖中方框（Unit A和B）為富含水合物的砂層，砂層上下泥巖層中發(fā)育高角度裂隙，砂層中未發(fā)現(xiàn)垂向裂隙。（b）過(guò)W01地震剖面。 S1和S1-1分別為砂層的頂界面和底界面，砂層上下分別發(fā)育兩個(gè)氣煙囪。

研究發(fā)現(xiàn)，砂層在整個(gè)過(guò)程中扮演了極其重要的角色（圖2）：（1）捕獲與富集：砂層首先攔截了下伏氣體煙囪的向上延伸，并將深部遷移來(lái)的甲烷氣體“捕獲”在自己體內(nèi)。在高壓低溫的環(huán)境下，這些氣體與水結(jié)合形成可燃冰，富集于砂層的孔隙中。（2）阻礙與增壓：天然氣水合物往往差異聚集，它們會(huì)優(yōu)先在某些部位大量生成，堵塞砂層的孔隙，形成“自封蓋”效應(yīng)。此時(shí)，后續(xù)源源不斷的甲烷氣體被封堵在下部，導(dǎo)致其壓力逐漸積聚。（3）水力壓裂與逃逸：當(dāng)被封閉的氣體壓力（超壓）大到足以突破上覆泥質(zhì)蓋層的束縛時(shí)，便會(huì)在上覆泥巖蓋層中發(fā)生二次水力壓裂。這股強(qiáng)大的壓力會(huì)突破上覆的細(xì)粒低滲沉積物，形成一個(gè)新的、直達(dá)海底的氣體煙囪，從而開(kāi)啟新一輪的氣體逃逸和冷泉活動(dòng)。

圖2. 富甲烷超壓流體在“泥包砂”地層垂向運(yùn)移的演化過(guò)程

該研究還表明上覆泥層中二次水力壓裂的發(fā)生，須具備特定的超壓與氣體供給條件（圖3）。當(dāng)較低的甲烷通量在進(jìn)入砂層后迅速形成天然氣水合物，導(dǎo)致孔隙堵塞、滲透率降低，從而引發(fā)自封閉效應(yīng)。該過(guò)程抑制了氣體向上部的輸運(yùn)，致使砂層頂界孔隙壓力無(wú)法有效累積至破裂壓力臨界值。這一機(jī)制很好地解釋了實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象：盡管部分砂層下伏氣煙囪結(jié)構(gòu)發(fā)育，但其對(duì)應(yīng)上覆地層中并未形成貫穿至海底的氣體逸出路徑。原因在于低通量條件下氣體運(yùn)移路徑被天然氣水合物阻斷，超壓體系未能充分發(fā)育，達(dá)不到泥巖破裂所需的最小壓力條件。

圖3. “泥包砂”地層中控制冷泉滲漏與天然氣水合物富集的動(dòng)態(tài)演化模型

該成果對(duì)深化天然氣水合物成藏理論和深海冷泉活動(dòng)性認(rèn)識(shí)具有重要意義，同時(shí)也為理解全球深部碳循環(huán)過(guò)程提供了關(guān)鍵科學(xué)支撐。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所王吉亮副研究員，通訊作者為中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局張偉正高級(jí)工程師。該研究受海南省國(guó)際合作研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、海南省“南海新星”項(xiàng)目、崖州灣科技城專(zhuān)項(xiàng)和天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)國(guó)家工程中心項(xiàng)目的共同資助。

論文信息：Jiliang Wang, Ang Li, Wei Zhang*, Jin Sun, Jiecheng Zhang, Xueqing Zhou, Shiguo Wu. Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone, Earth and Planetary Science Letters, Volume 669, 2025, 119595.

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25003930