南海北部陆坡 含天然气水合物沉积物特征

2017-09-08 广海局第276期 天然气水合物

 天然气水合物埋藏于海底深处的沉积物中。那么，它在海底表层会留下蛛丝马迹吗？

 如果在海底表层发现蛛丝马迹，能判断下面存在天然气水合物吗？

 答案是肯定的。

 中国地质调查局广州海洋地质调查局的科学家们经过长期的研究，已经形成了一套专门用于天然气水合物探测的化学分析测试技术。

 天然气水合物的主要成分是甲烷和水。其形成的必要因素之一，就是存在充足的甲烷气源。甲烷分子体积小，扩散性强，可以通过沉积物间的微小孔隙扩散到海底表面。在此过程中，在细菌的作用下，甲烷会发生一系列化学反应，产生一些独特的化学成分。天然气水合物调查中的地球化学探测，就是基于这些化学反应而展开的。

关键词：甲烷、硫化氢、“SMI界面”

 在地球化学探测技术中，最简单便捷、有效可行的方法，就是测试海底表层沉积物中的甲烷含量。通常情况下，深海海底十分贫瘠，有机物质极度缺乏，沉积物中甲烷含量也很低，大概是几个到十几个ppm（1ppm等于百万分之一）。在天然气水合物存在的海底，表层沉积物中的甲烷含量则会偏高成百上千

 ，而且随着深度增加，甲烷含量会呈现指数级的增长。

 除了甲烷以外，判断水合物存在的另外一种标识物就是硫化氢——一种具有臭鸡蛋味道的气体。硫化氢的形成，也和甲烷存在直接的关系。在海底沉积物中，溶解有一定的硫酸根离子。硫酸根离子具有氧化性，而甲烷具有还原性，二者相遇，在细菌作用下会发生化学反应，生成硫化氢和二氧化碳。因此，沉积物中硫化氢和二氧化碳含量的异常偏高，也可成为天然气水合物存在的证据之一。海上调查时，对二氧化碳的检测需要大型精密的仪器，而对于硫化氢的检测，靠科学家的鼻子就可以。因此，在样品描述记录表上，往往可以看到对硫化氢气味描述的词语：轻微、轻淡、较强、浓烈等。

 沉积物中硫酸根和甲烷相遇产生硫化氢的层位，在科学论文中称为“硫酸盐—甲烷氧化还原界面”，简称“SMI界面”。在天然气水合物存在的区域，沉积物中SMI界面埋藏较浅，例如在南海北部陆坡东部海区，海底SMI界面的深度约为8米左右，通常的取样手段很容易达到。

 通过对SMI界面的研究，可以大致推断本区深部存在天然气水合物的可能性、深度、矿藏分布特征等。因此，SMI界面在天然气水合物调查和研究中，是重要和基础的科学依据。

 化学分析测试现场工作照

天然气水合物中的水

 天然气水合物的成分中除了甲烷，就是水，而且是淡水。

 而海底沉积物中的水和海水一样含有大量盐分。天然气水合物在形成的过程中，需要把水中的盐分排出，这样就会造成海底沉积物中水的盐分偏高。而在天然气水合物分解过程中，释放出的淡水盐分明显降低。因此，可以根据对海底沉积物孔隙中的水（称为孔隙水）含有盐分的偏高或者偏低，来对天然气水合物的形成和分解过程进行研究。常用的方法，是将海底沉积物中的孔隙水“榨取”出来，然后使用离子色谱仪来测定阴阳离子的含量。

海底沉积物中的甲烷从哪里来?

 科学家经过研究发现，海底甲烷的成因主要有两种：热成因和生物成因。热成因就是从地球内部逸出来的，生物成因就是微生物分解有机质而产生的。区分甲烷的这两种来源，要借助一种大型仪器——稳定同位素质谱仪，通过甲烷中碳元素的同位素组成的比值，来判断甲烷出身何处。

 随着科学技术的发展和调查研究的深入，越来越多的高精尖分析仪器用于天然气水合物的探测。近年来，广州海洋地质调查局研制的“天然气水合物流体地球化学精密探测系统”是国家“863计划”研究成果。该系统可放入海底直接进行采样和测试，成为了天然气水合物地球化学探测的利器。