海洋学研究 >

2023 , Vol. 41 >Issue 1: 26 - 44

DOI: https://doi.org/10.3969-j.issn.1001-909X.2023.01.003

综述

海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术

  • 刘莉萍 , 1, 2 ,
  • 初凤友 , 1, 2, * ,
  • 郭磊 3 ,
  • 李小虎 1, 2
展开
  • 1.自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012
  • 2.自然资源部海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012
  • 3.山东大学 海洋研究院, 山东 青岛 266237
* 初凤友(1964—),男,研究员,主要从事海底资源与成矿系统研究,E-mail: 。

刘莉萍(1988—),女,山东省寿光市人,主要从事海洋天然气水合物与锰成矿作用研究,E-mail: 。

Copy editor: 段焱

收稿日期: 2022-09-22

  修回日期: 2022-11-15

  网络出版日期: 2023-04-28

基金资助

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(JB2303)

中国大洋协会项目(DY135-N1-1)

中国大洋协会项目(DY135-N2-1)

中国大洋协会项目(DY135-N1-1-01)

收起

Explorations of marine gas hydrate deposits and the signatures of hydrocarbon venting using in situ techniques

  • LIU Liping , 1, 2 ,
  • CHU Fengyou , 1, 2, * ,
  • GUO Lei 3 ,
  • LI Xiaohu 1, 2
Expand
  • 1. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. Institute of Marine Science and Technology, Shandong University, Qingdao 266237, China

Received date: 2022-09-22

  Revised date: 2022-11-15

  Online published: 2023-04-28

Fold

摘要

海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括:走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。

关键词： 水合物; 冷泉; 碳循环; 原位探测; 海底观测网络

本文引用格式

刘莉萍 , 初凤友 , 郭磊 , 李小虎 . 海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术[J]. 海洋学研究, 2023 , 41(1) : 26 -44 . DOI: 10.3969-j.issn.1001-909X.2023.01.003

Abstract

Marine gas hydrate deposits are significant temporal reservoirs for hydrocarbons migrating from deep sources. This is crucial to our understanding of ocean carbon cycling. The cold seep, a geological process regarding gas leakage from deep or shallow sources, is usually linked with gas hydrate decomposition. In this thesis, we reviewed the latest applications of in situ monitoring and detecting methods regarding the leakage plumes, migration pathways, and seafloor geomorphologies associated with gas hydrate and cold seep systems, primarily including vessel-and land-based gas plume measurements, surface ocean-lower atmosphere hydrocarbon emission detections, seafloor visualization techniques, and in situ observation networks. The integrated applications of these in situ observation methods provide a nuanced view of the temporal and spatial variability of hydrate and cold seep systems, facilitate understanding of the fate of hydrocarbons, and expand our knowledge of cold-seep biota in a watery desert.

Key words： gas hydrate; cold seep; carbon cycling; in situ observation; cabled observatory network

0 引言

水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部气源运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环的重要一环。甲烷(CH4)是海底天然气水合物最重要的气体组分(占总烃的99%以上),是一种重要的温室气体,在百年尺度上的增温效能是CO2的28~34倍[1-2]。水合物藏可比喻为一个有机的系统,基本要素包括:气源、流体运移、汇聚和渗漏[3-4]。其中,气源好比是该系统的“心脏”,流体是“血液”,运移通道是“血管”,为水合物形成提供有利空间的沉积体代表“聚”。
海底水合物及冷泉流体渗漏会产生一系列与地质、物理、化学及生物等相关的环境效应[2],为开展水合物观测和勘查提供了依据。相比于传统的取样、测试和分析手段,原位观测技术可为深入研究海底甲烷渗漏对碳循环以及全球气候的影响提供更直接的证据。
本文介绍了甲烷等烃类气体渗漏的主要标志及控制机制,分析了全球海域水合物藏勘查动向,并讨论了水合物环境效应的原位观测技术以及海底观测网络等最新进展,以期为同类研究工作提供科学参考和借鉴。尤其在我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”奋斗目标的当下,利用原位探测技术深入开展由于水合物分解或冷泉系统活动产生的渗漏甲烷等烃类的归趋分析,未尝不是一条用科学方法、更精准地指导减碳的道路。

1 甲烷等烃类气体的运移及渗漏

依据水合物的富集深度,可将其分为2类:中-深层水合物(海底之下120~400 m)和浅层水合物(海底之下0~120 m)[4]。除温压条件外,中-深层水合物成藏主要受控于扩散气体运移,以细粒或砂质沉积物为储集体[5-6];浅层水合物成藏通常与汇聚型气体沿流体通道的运移相关联[7⇓-9],且与冷泉流体渗漏密切相关(本文中冷泉特指与浅层水合物藏分解有关的气体渗漏活动)。这类由汇聚型气体产生的浅层水合物,一般不受储集体岩性的控制[10-11],浅层水合物生长导致海底隆起,生成水合物丘,或由渗漏气直接在海底形成纯净的水合物块体。
浅层水合物成藏系统的运移通道主要包括4类[11](图1):断层-气烟囱、底辟-断层、断层和泥火山。通道的根部是甲烷等烃类气体最聚集的部位,汇聚气体产生的超压是其在非渗透地层中沿通道运移的重要驱动力。气烟囱通常起源于具有断层网络(或多边形断层)的区域,超压前缘产生水力裂隙,形成垂直气烟囱,成为后续流体的运移通道[12];底辟作用伴生的位于上覆地层的断层也是汇聚气体向海底运移的通道[13-14];主动大陆边缘的活跃断层是深部超压气体向上运移的通道[15];泥火山具有中心运移通道,气体通量向边缘逐渐减小,形成温度、气体通量和水合物含量的同心圆状分布模式[16-17]。
图1 海底浅层水合物成藏系统示意图[11]

Fig.1 Diagram showing various shallow subsurface and near-seafloor gas hydrate systems[11]

甲烷等烃类气体穿越水合物稳定带在海底发生渗漏,主要表现为3种形式[18]:1)以扩散为主的渗漏(通常被厌氧氧化作用消耗,只有少量到达海底),这类气体常在细粒泥质沉积体中形成低饱和度、浸染状的水合物,或在渗透率高的砂质沉积体中形成饱和度较高的孔隙填充型水合物[5,19];2)沿着断层、裂隙等渗漏进入水体;3)与底辟、泥火山等相关的大规模气体释放。从运移能效看,游离气或流体通过运移通道可以实现快速运移,在海底发生渗漏或形成浅层汇聚型水合物[3,20]。
气体运移是水合物稳定带内甲烷等烃类气体聚集的必要途径,其驱动作用主要包括:1)游离气的浮力作用;2)溶解气的浓度梯度扩散[4];3)气体累积导致的超压[21];4)外界因素触发,如海底地震[22]、底流[23]等,均是烃类气体在短期内释放增强的诱因。
甲烷等气体在海底渗漏会塑造独特的海底地貌[21],该过程受到渗漏流体的通量、性质等因素影响[2-3,24 -25]。一般而言,高通量塑性流体的快速运移会在海底产生较大型的泥丘或凹陷[26];汇聚型流体及其扩展生成的弥散流,会在海底产生麻坑等[27]。气体穿越水合物稳定带,维持水合物露头稳定或渗漏到海水中,会形成独特的深海沙漠“绿洲”——冷泉生态系统(图2)。
图2 冷泉系统近海底渗漏结构、生态群落及甲烷厌氧氧化过程[17]

Fig.2 Sketch showing the seepage structures, communities, and by-products of anaerobic oxidation of CH4[17]

海底渗漏的甲烷与海水中的 SO 2 4 -发生厌氧氧化作用(CH4 + SO 4 2 -→ HCO 3 -+ HS- + H2O),可形成冷泉碳酸盐岩在海底堆积,成为记录富甲烷流体活动及其与水合物关系的忠实“档案”[21,28](图2)。冷泉也支撑了活跃繁盛的化能自养生物群落,包括微生物、依赖HS-或直接消耗甲烷的动物等[29-30],例如管蠕虫、巨蛤、矩蛏螂,其出现和分布均与甲烷渗漏通量有关(图2)。
甲烷等烃类气体运移及在海底发生的渗漏,塑造了海底特有的地形地貌,改变了沉积物的物理化学性质及组成,也滋养了独特的冷泉系统生物群落,它们是海底冷泉活跃的“信息载体”,是开展海底原位冷泉观测及水合物勘查的依据。

2 海底水合物及冷泉流体渗漏的走航式原位观测

2.1 运移通道的观测

水合物可记录地层声学属性,利用地震反射剖面可识别与水合物相关的地质构造,这也是水合物藏勘探的主要技术。常用的地震勘探方法有:浅地层剖面,单道地震,二维、三维多道地震测量与勘探以及海底高频地震探测(OBS)等。在含水合物地层中,地震波(尤其是纵波)速度显著高于周围地层,地震波从海水低速层进入含水合物高速层,再进入含游离气低速层,最后进入正常地层[31]。此外,水合物胶结沉积物颗粒,降低了其孔隙度,使含水合物地层内声波阻抗均一,在似海底反射层(bottom simulating reflector,BSR)之上产生“振幅空白带”[11]。
根据船载浅地层剖面图像上呈现出的杂乱反射、帘式反射、增强反射和声学空白带等,可有效识别出泥火山及浅层气聚积[32⇓⇓-35]。二维地震一般用于初步判定水合物存在、研究成藏地质因素、圈定水合物范围等[31]。三维地震主要用于判定水合物钻探靶区,刻画水合物三维空间分布及估算资源量[31,34-35]。
如今,与二维、三维地震开展联合探测的海底高频地震探测系统(HF-OBS),可以摆脱拖缆置于目标区上方,高保真地接收海底地震纵横波,从而更好地揭示水合物富集层运移通道及邻区地层等的地球物理特征。

2.2 羽状流的观测

甲烷等烃类气体通过运移通道至浅地层,其中一部分会在温压合适的水合物稳定带内形成水合物,其他部分以游离气形式和温压波动产生的水合物分解气混合,继续上移至海水,形成羽状流[11]。由于气体与海水之间存在声阻抗差异,声波在海水中传播时遇到气泡将发生散射[36⇓-38],在船载声呐发射波束“扫描”海底时,羽状流处会产生明显异常的声学反射图像,可以此实现大范围海域垂向、瞬时的甲烷渗漏观测[2,39]。目前,广泛应用于海底羽状流识别的声呐系统主要包括船载多波束和侧扫声呐系统等。
多波束声呐发射垂直于海底的扇形波束(图3a),羽状流会在声学图像上呈现“火焰”状异常(图3b),不同渗漏规模及水文条件会导致不同形状的“火焰”。多波束声呐在水合物和冷泉探测领域中的应用已是常态化,因其扫描规模大、效率高的优势,通常用在其他探测手段之前,以缩小搜寻目标区的范围。
图3 (a)船载多波束声呐实时探测羽状流示意图[37];(b)从多波束声学图像中识别出的羽状流[38];(c)船载侧扫声呐示意图;(d)从侧扫声纳图像上辨识出的鄂霍次克海海底冷泉喷口[40]

Fig.3 (a)Acoustic exploration of the plume using the vessel-based multibeam sonar system[37]; (b)Multibeam acoustic image of a gas bubble plume in a water column[38]; (c)Vessel-based side-scan sonar system; (d)Cold seep venting captured by the side-scan sonar system in Okhotsk[40]

虽然多波束声呐探测效率高,但其定位精度存在一定误差,且不是所有“火焰”反射均为羽状流[37,41]。因此,在多波束声呐锁定甲烷渗漏目标区后,可利用搭载于声学拖体的侧扫声呐系统进一步确认。侧扫声呐向其载船两侧发射扇形脉冲波束(图3c),由于气体渗漏对海底的遮蔽作用会形成一个强波阻抗界面[42],海底逆向散射返回的声波一般会在声呐图像上呈现亮斑异常(图3d)。如在鄂霍次克海[40]、新西兰北岛西库朗伊边缘海[43]均通过侧扫声呐探测到了羽状流。安装在船体的多波束系统易受水深和波束角的限制,而侧扫声呐系统适宜安装在各类水下载体(如拖体、水下机器人或载人潜器等),可以调节与海底的距离,灵活地开展细致观测,获取直观的海底地形声学图像,且能区分海底冷泉流体渗漏区的底质特征。两者具有较好的互补性,同时应用可以提高冷泉区海底地貌解译的准确性。
基于散射波理论,地震探测技术也能识别海底羽状流,如韩同刚 等[44]总结了羽状流的地震图像形态特征。地震探测属于“线”状探测,不及声呐覆盖面广,且不及声呐成像清晰,但其优势是能将水层和地层地震剖面联合起来,更系统、立体地分析羽状流、运移通道及与水合物的关系。例如,陈江欣 等[45]利用南海东沙冷泉流体渗漏区的多道地震数据,将底层水和地层地震剖面拼接后,发现羽状流与运移通道存在良好的对应关系(图4)。流体渗漏呈羽状几何特征,内部反射振幅弱(图4),渗漏口具有明显麻坑,对应下方垂向烟囱构造,由此全景展示了深部气体突破上覆地层,沿着气烟囱上移并在海底发生渗漏的现象。
图4 经过处理的海水层和地层地震反射剖面[45]

(深部流体突破地层后沿气烟囱垂直运移,在海底发生渗漏,形成麻坑和羽状流。白色虚线为圈定的羽状流轮廓。)

Fig.4 Combined seismic profile of the water column and sediment layers[45]

(The deep sourced fluids migrate through the chimney and discharge on the seafloor, generating pockmarks at the seabed and plumes in the water column. The white dashed lines were demarcated based on the boundaries of the plumes.)

2.3 冷泉流体渗漏区海底微地貌的观测

甲烷等烃类在海底渗漏塑造出独特的海底地貌特征,例如,泥火山、麻坑、自生碳酸盐岩等。这些海底微地貌因影响海底的粗糙度,会在侧扫声呐图像上呈现增强的逆向散射[42](图3d),从而为冷泉渗漏点的原位观测和取样工作提供可靠的位置信息。

3 海底边界层冷泉流体渗漏的原位观测

沉积物-海水界面是物质交换的重要边界,探测冷泉流体渗漏的存在、追溯其归宿一直备受瞩目[46]。海底边界层原位观测克服了传统CTD甲板取水测试等手段因污染或气体逸散造成误差的缺陷,具有原位、实时、可不同时间尺度定量观测的优势。目前对海底边界层冷泉流体渗漏的原位观测主要针对甲烷。

3.1 海底甲烷浓度原位监测技术

近20年来原位甲烷传感器研发取得重要进展,主要基于膜脱气、光学传感和甲烷生物技术[2],分别依据渗透膜与海水压差、甲烷光谱特性以及甲烷氧化菌耗氧等,实现溶解甲烷浓度原位监测[47],例如德国Capsum公司生产的METS传感器、日本研制的METS MH-21传感器和红外吸收型甲烷传感器[48]、原位激光拉曼光谱仪[49]等。为同时获取多种监测数据,普遍使用集成多种探头(如CO2、溶解氧、海流、温度、盐度、深度等)的海底着底器(bottom lander,图5a),通过自由坠落或借助潜器投放至海底目标区,监测完成后抛弃载重返回海面。在南海北部陆坡[50⇓⇓-53]、墨西哥湾C118区块[54]、日本水合物试开采平台[55]等水合物区均已开展有关集成海底着底器原位观测海底边界层甲烷渗漏试验。除此之外,还有将各类传感器挂在着底锚系上的垂向剖面器系统,可对水柱剖面的物化参数进行观测,类似装置出现在加拿大NEPTUNE-Canada海底观测网(见6.2节)和日本水合物试开采平台[48]。海底着底器可以记录地震活动造成的甲烷的突发释放,但其探测气体渗漏的时间序列长短通常受制于电池能效。
图5 (a)集成甲烷等传感器的海底着底器布放过程[56];(b)ROV机械手操纵带刻度的倒立漏斗装置测量单束羽状流的渗漏通量[57];(c)涡轮渗漏帐篷示意图[58];(d)坐底式水平声呐羽状流观测系统示意图[59-60]

Fig.5 (a)Case diagram showing the deployment process of a bottom lander equipped with various sensors, such as CH4 sensor[56]; (b)Inverted funnel mounted on an ROV measuring the flux of a single plume[57]; (c)Turbine seep-tent schematic[58]; (d)Schematic sketch of the horizonal multibeam system monitoring on a plume[59-60]

3.2 海底边界层甲烷通量原位测定技术

当前主要有4种坐底式原位方法可实现海底边界层甲烷羽状流通量的测定:1)化学和流体输送测量仪(CAT),主要利用化学示踪剂的稀释程度测量通过仪器收集箱顶部的流体通量[61],该方法已在水合物脊冷泉区应用[61]。2)采用ROV机械手臂携带有刻度的倒扣漏斗采集单束羽状流,结合采集时间估算通量(图5b)。3)采用固定架配置涡轮渗漏帐篷(图5c),由上升气泡推动底层海水驱动涡轮旋转,通过涡轮旋转速率计算气体渗漏通量,该方法已成功应用于圣塔芭芭拉COP冷泉区[58,61-62]。4)采用固定于海底的垂直或水平多波束声呐系统。例如,在黑海和北海的甲烷渗漏区,多波束系统GasQuant发射平行海底的波束(图5d),由于渗漏通量的不同会在波面呈现大小不一的“斑点”,基于此建立了声散射强度与渗漏通量的对应关系[59-60]。值得注意的是,这类短期地将测量设备安置在单束羽状流附近,所测的通量值可能并不具代表性,因为受深部超压、水合物分解程度等影响,渗漏通量具有空间和时间的变化性。

4 海面及低空渗漏甲烷的监测

水合物在浮力的作用下,可能会脱离沉积物漂浮至海面,成为水合物存在的最直接证据,目前此类现象只在卡斯卡迪亚俯冲带的水合物脊有过报道。在该区域有来自深源的游离气沿断层运移至浅地层生成水合物[15,63]。水合物脊存在2类浅层水合物(海底之下0~30 m)[64-65]:1)致密块状水合物;2)具多孔结构的水合物。后者多出露于海底,密度比海水低,当水合物往深处生长遇到向上运移的流体,浮力超过沉积物静态负荷时,可能导致水合物块体浮上海面。SUESS et al[64]对这一现象进行了报道:水合物脊海面漂浮着白色块体,其周围分布着甲烷气泡。
一些受运移通道控制的浅层汇聚型水合物藏的气源与深部油气系统相关联,例如墨西哥湾北部陆坡布什山GC185站(图6a)和巴克利峡谷(图6b)。由于含有油膜,白色水合物露头会夹杂着黄棕色(如图6b)。水合物分解时会在海面形成油渍,导致海表面张力和光滑度发生变化,利用能探测海面光滑效应的合成孔径雷达(SAR)向目标区发射特定长度的微波,可探测甲烷渗漏的空间分布[2]。例如,在刚果盆地盐底辟区[66]、路易斯安那州外海[67]、澳大利亚Yampi陆架[68]等海域,均已利用SAR配合多波束、测扫声呐等技术圈定了冷泉渗漏区。
图6 (a)墨西哥湾北部陆坡布什山的浅层水合物系统[69];(b)巴克利峡谷含有油膜的水合物露头[70]

Fig.6 (a)Sketch showing the shallow hydrate system at Bush Hill, in the northern Gulf of Mexico[69]; (b)Yellow hydrate outcrops stained by oil at the Barkley Canyon[70]

甲烷沿运移通道渗漏至海水中,特别是地震等突发性构造活动引起的局部大规模甲烷释放,若能逃脱海水对其的氧化,便会释放到海面及低空大气,从而可能在卫星遥感影像中有所反映。目前已有2种遥感技术应用于海面及低空甲烷探测:1)多/高光谱遥感探测。由于甲烷渗漏造成的反射波谱特征变化,可被多/高光谱探测器捕捉[71]。2)卫星热红外遥感。海底地震时,在大地电场或太阳辐射作用下,局部释放的CH4、CO2等气体激发极化效应或温室效应,致使低空大气增温,可在卫星热红外图像中呈现亮温异常[2,72]。在实际应用中以卫星热红外遥感居多,例如,在北冰洋[73]、墨西哥湾北部[74]、南海(西沙海槽、东沙群岛、南沙海槽、吕宋海槽)[72]等地区的研究均已证实,由于季节性极端温度变化或者地震活动,产生的卫星热红外异常与水合物赋存地带、BSR、地化异常、运移通道等水合物存在的标识分布相一致。

5 海底视像观测

在水合物或冷泉系统的调查领域,发展海底可视化技术,能实现对海底微地形、地貌、地质、化学和生物特征的直接勘查,配合其他附加设备可实现勘查对象的可视化、定点、原位探测和精细化采样[2,75]。当前,国内外应用于此领域的海底视像观测设备主要包括:海底摄像系统、无人遥控潜水器(ROV)、自主水下航行器(AUV)、声学深拖系统、载人潜水器(HOV)、海底爬行车等(图7)。本节主要列举了国内将海底可视化技术应用于水合物或冷泉调查领域的案例。
图7 几种国内外的海底水合物及冷泉视像观测系统

(a.“海马号”ROV; b.“海蜇号”ROV; c.“探索4500”AUV; d.声学拖体系统; e.加拿大海底观测网Barkley Canyon节点海底爬行车“Wally”; f.“深海勇士号”HOV。)

Fig.7 Selected visual systems for investigating on hydrate or cold seep areas

(a.Haima ROV; b.Haizhe ROV; c.Tansuo 4500 AUV; d.Deep-tow geo-acoustic system; e.Crawl vehicle “Wally” deployed at the Barkley Canyon Node of the NEPTUNE-Canada; f.Shen Hai Yong Shi HOV)

海底摄像系统是早期常用的可视化观测设备,通过水下摄像单元可获取冷泉微地貌及分布状况,利用深拖铠装同轴电缆进行数据传输,通过监控图像和水深数据对水下对象进行观察[76]。例如,由广州海洋地质调查局与中国地质科学院共同研制的“深海彩色数字摄像系统”, 在2004年,成功在南海北部陆坡圈定“九龙甲烷礁”的范围。
无人遥控潜水器是目前海底水合物或冷泉调查的常规技术,脐带缆与母船相连并传递信息,通过机械手遥控潜水器上的摄像机、声呐、传感器及激光拉曼等附加设备对冷泉流体渗漏开展实时观测[2,77],其优点是运行时间不受电源限制、信息传输方便、无人员安全风险等。目前我国应用于水合物或冷泉调查领域的无人遥控潜水器有“海马号”、“发现号”、“海狸号”和“海蜇号”。2015年,“海马号”(图7a)在南海北部陆坡西部海域首次发现了与冷泉流体渗漏相关的标志,包括双壳类生物群、甲烷生物礁、自生碳酸盐岩结壳和羽状流等[78];2016年,集成了海底多波束、侧扫声纳和浅地层剖面等综合声学调查设备的“发现号”,成功应用于台西南冷泉区的识别和地形地貌研究[79];2017年,“海狸号”成功应用在东海冲绳海槽冷泉活动调查中;“海蜇号”(图7b)是国内最新研发的,集成了移动探测、原位保真取样、无损转移的近海底面移动探测系统。
自主水下航行器(AUV)靠自带能源供电,可不经人工干预,通过预编程来完成既定任务。相比ROV,AUV具有运行范围广、可自主避障、无脐带缆纠缠、可探索复杂地形及维修费用低的优势[77],可搭载摄像机、传感器以及多波束、侧扫声呐等地球物理探测设备[2]。AUV可应用在ROV、HOV等作业之前,以缩小冷泉区的搜寻范围。2017年,“探索4500”AUV(图7c)与“发现号”ROV在南海北部冷泉区开展了我国首次 AUV 和 ROV 的协同联合作业试验。
声学拖体系统(图7d)可自主集成海底摄像、浅地层剖面、侧扫声纳和多波束声呐等水下单元,更贴近海底实施探测,通过分析视像及高分辨率声学图像,可快速定位冷泉活动区[80]。2017年,我国利用自主集成的针对水合物勘查的3 000 m级声学拖体系统,对东海水合物潜在区开展了精细的海底微地貌及浅地层构造探测[81]。
载人潜水器(HOV)协同搭载设备可实现对冷泉区的高效观察、原位测试和取样工作,目前国内已应用于冷泉探测的有7 000 m级HOV“蛟龙号”和4 500 m级HOV“深海勇士号”[77]。2013年,利用“蛟龙号”首次在南海观测到2 000 m2的冷泉生态群落[81];2018年,“深海勇士号”(图7f)与“海马号”,首次在“海马”冷泉区开展了双潜器联合作业,进一步圈定了冷泉区;2022年,基于“探索二号”科考船,“深海勇士号”在“海马”冷泉区东北部又发现2处新生冷泉区[82-83]。
海底爬行车是着底观测器的拓展,装有轮子或履带,基于互联网操作,搭载传感器,可在一定范围的海底冷泉区移动并取样。目前,唯一应用于水合物探测领域的海底爬行车(图7e),布放在东北太平洋巴克利峡谷水合物露头区(约890 m水深),隶属于加拿大海底观测网(NEPTUNE-Canada)[23]。该海底爬行车由德国不来梅雅各布大学研制,设计水深6 000 m,装载5个可同时工作的传感器:CTD、甲烷传感器、浊度计、荧光光度计和剖面流速仪,通过脐带缆与海底主基站相连,可实时传回数据。为观察水合物露头的形状和大小随时间的细微变化,此海底爬行车安装有分辨率高达1 mm的激光成像系统。

6 与水合物及冷泉流体渗漏相关的海底原位观测网络

6.1 欧洲ESONET-EMSO海底观测网

欧盟在20世纪90年代早期开始提出海底观测计划,根据其不断更迭的计划及名称,主要归结为2项[84-85]:1)欧洲海洋观测网计划(European sea observatory NETwork,ESONET);2)欧洲多学科海底观测计划(European multidisciplinary seafloor observatory, EMSO),两者协同推进,前者主管设计、示范,不建网;后者负责实施与建网[77]。欧洲ESONET-EMSO海底观测网由11个深水和4个浅水子网组成,几乎覆盖了30°N—80°N,35°W—45°E范围内欧洲大陆边缘的全部海域(图8)[77,85-86]。如表1所示,本文重点介绍了欧洲ESONET-EMSO海底观测网中与水合物分解或甲烷渗漏观测相关的子网络。
图8 欧洲ESONET-EMSO海底观测网的15个子网位置

(图片修改自文献[87]。)

Fig.8 Fifteen sub-networks belonging to ESONET-EMSO

(Figure was modified from reference[87].)

表1 欧洲ESONET-EMSO海底观测网中与海底水合物及冷泉流体渗漏相关的子网络

Tab.1 Sub-networks of ESONET-EMSO that are associated with marine gas hydrate or methane leakage

子网络 最大水深/m 深/浅水 所属海域 建设国 原有基础 研究目标
黑海子网 2 000 深水 黑海 黑海周边国家 CRIMEA等 甲烷渗漏、水合物分解、海底泥火山活动及地质灾害
挪威大陆边缘子网 1 200 深水 北大西洋 挪威 HMMV泥火山活动及水合物分解对海底稳定性的影响
北冰洋子网 >5 000 深水 北冰洋 德国 HAUSGARTEN站 海底水合物分解及甲烷渗漏对气候的影响
东地中海子网 3 800 深水 地中海 希腊 NESTOR 甲烷渗漏与构造运动的关系、流体通道的水声学研究、地震、海啸等
马尔马拉海子网 >1 000 深水 地中海与
黑海交界		 土耳其 MARMARA-DM 观测北安那托利亚断层活动、甲烷渗漏、地震及海底滑坡
伊比利亚半岛子网 4 000 深水 大西洋 葡萄牙,西班牙 NEAREST, LIDO 地震、海啸;加的斯湾甲烷渗漏相关的泥火山、麻坑、丘体及碳酸盐岩烟囱体等
黑海子网。黑海为全球最封闭的内陆海,全海盆150 m水深以下缺氧,具有较高的微生物多样性和甲烷生产率,如海底潜器在黑海观察到了烟囱状微生物造礁结构[88]。黑海中适合水合物生成的区域约占68%,甲烷渗漏主要发生在浅海陆架和陆坡[89]。图9a展示了黑海海底泥火山、甲烷渗漏和水合物的分布图。虽然先前欧盟已有针对黑海甲烷探测的框架计划,如“黑海强烈气体释放对大气甲烷排放的贡献”计划、“大陆边缘沉积物甲烷释放的通量控制”计划等,但均未涉及长期性的原位海底观测。ESONET设计的黑海海底观测网位于其西北海区(图8,图9a),主要监测目标为海底甲烷渗漏、地震滑坡和泥火山活动等。
图9 (a)黑海海底观测网示意图[89];(b)挪威大陆边缘海底观测网节点[77]

(图9a中粗黑虚线代表陆架边缘;密方形虚线代表构造单元;红色圆点表示甲烷渗漏点;冰蓝色正方形表示水合物;黑色三角形代表泥火山;红线和蓝色圆点分别表示海底电缆和节点;黄色矩形表示甲烷渗漏密集的第聂伯罗古三角洲。)

Fig.9 (a)Sketch showing the submarine seafloor observatory network in the Black Sea[89]; (b)Seafloor observatory network and nodes at Norwegian Continental margin[77]

(In Figure 9a, bold dashed lines in black represent shelf edge; bold squared lines represent boundaries of tectonic units; dots in red represent methane seeps; ice blue squares represent gas hydrate; black triangles represent mud volcanoes; red lines represent cables; blue dots represent nodes; the yellow rectangle represents the Dnipro palaeo-delta area with intensive methane seepages.)

挪威大陆边缘子网。该子网的监测目标是北冰洋的暖流变化、甲烷渗漏和水合物分解引起的海底失稳,计划建设的2个海底观测平台分别为位于北部的哈康莫斯比泥火山区(Håkon Mosby Mud Volcano, HMMV)及南部的Storegga海底滑坡区域(图8,图9b)。HMMV区广泛发育天然气水合物,是最活跃的泥火山型冷泉区之一。ESONET对HMMV的观测主要包括泥火山活动的物理现象、冷泉地化特征、微生物生境和大型生物区系分布等[87]。另外,作为ESONET的示范点,2009年德国启动LOOME项目(Long-term observatory on Mud-volcano Eruptions),开始在HMMV建立海底观测平台,旨在监测甲烷喷发前后环境的物化特征、水合物稳定性、海底微地貌变化等[77]。
北冰洋子网。该子网计划建于挪威斯瓦尔巴特群岛附近的弗拉姆海峡(图8),旨在研究由于海冰消融诱发的全球变化以及水合物分解和甲烷释放对气候的影响。已有大量走航探测研究发现斯瓦尔巴特群岛海底存在成百上千的甲烷渗漏点,且可能已有几千年的历史[90],主要分布在水合物稳定带上边缘或更浅的地层。因此,对此区域开展海底原位观测研究,意义深远。
其他如东地中海子网、马尔马拉海子网、伊比利亚半岛子网等(图8),并非是以甲烷渗漏或水合物稳定性为主要监测目标,但也曾在一些海域捕捉到了甲烷渗漏信号,如加的斯海湾、克里特岛等海域。

6.2 NEPTUNE-Canada海底观测网

NEPTUNE网的初始目标是建立覆盖胡安德夫卡板块的“海王星”联网观测系统。由于当时美国财政危机,加拿大先在其西海岸建成“海王星”北段,即“NEPTUNE-Canada”。该观测网是以800 km海底光缆为主干形成的一个回路(图10),从温哥华西海岸,向外延伸至洋中脊扩张中心。
图10 NEPTUNE-Ganada海底观测网及节点分布

(图片修改自文献[93]。)

Fig.10 NEPTUNE-Canada and the distribution of nodes

(Figure was modified from reference[93].)

NEPTUNE-Canada海底观测网有6个观测节点,其中针对海底水合物及冷泉流体渗漏原位观测的是Barkley Canyon节点和ODP889节点(现改为Clayoquot Slope节点)(图10),两地分别有裸露的水合物丘和浅层水合物分布[91-92]。在Clayoquot Slope节点,主要围绕浅层水合物及邻近大洋钻孔开展地震与滑坡对水合物活动的影响研究,已布放声呐以及各类传感器(包括温度、潮流、潮汐压、水文等)。例如,在Clayoquot Slope节点附近的Bullseye冷泉布放了原位甲烷监测设备,且长期开展孔隙水取样工作[23]。
Barkley Canyon节点配置的观测设备最多,其目的之一是监测水合物丘和冷泉生态群落的动态。该节点具有NEPTUNE网仅有的2个可移动观测平台:垂直剖面仪POGO和世界上首个海底爬行车Wally,两者可在水合物区进行非破坏、长期连续观测。前者可挂在坐底的锚系上,集成各类传感器,垂直上下移动对水体开展监测;后者可搭载甲烷和海流传感器,爬行到水合物丘位置,观测甲烷浓度、丘体和菌席的演化。
值得说明的是,美国建立的OOI海底观测网(包括局域网、近海网和全球网)中的局域网就是“海王星”计划中美国负责的区域,位于胡安德夫卡板块南部,在其5个主节点中,有2个计划安置在俄勒冈州岸外的水合物脊(Hydrate Ridge Node)。

6.3 墨西哥湾MS-SFO海底观测网

墨西哥湾北部陆坡是水合物及冷泉流体渗漏研究较多的海域之一。普遍发育的盐底辟将大量深部游离气迁移至浅层,通过衍生的上覆断层运移至合适的温压环境生成水合物,或者运移至海底生成水合物露头或冷泉[94]。
美国墨西哥湾水合物研究联盟在密西西比峡谷水合物研究区块Mississippi Canyon 118 (MC118) 的水合物丘Woolsey Mound建立了海底观测网(the monitoring station/seafloor observatory,MS-SFO)(图11)。此观测网由一系列各司其职的监测阵列组成,搭载各类传感器对水合物储层动态进行监测,包括储层的物理、化学和热状况。其中,水平(VLA)和垂直(HLA)监测阵列搭载水听器,主要用以评估海床稳定性及气体渗漏活动[95];海底着底器(CSA)搭载甲烷浓度等传感器,以实现定点、原位水合物活动监测[54];孔隙流体监测阵列(PFA)可插入沉积物,原位获取浅层沉积物孔隙流体、气体的地球化学数据[96];海底边界层监测阵列(BBLA)搭载甲烷传感器以监测底层海水甲烷浓度。
图11 墨西哥湾密西西比峡谷MC118区块Woolsey Mound水合物丘的海底观测网

(图片修改自文献[95]。)

Fig.11 Diagram of the seafloor observatory network at the Woolsey Mound in Mississippi Canyon 118 (MC118) located in the Gulf of Mexico

(Figure was modified from reference[95].)

7 结论

冷泉与海底天然气水合物密切相关,是深源或浅层气或水合物分解气在海底发生渗漏的现象[3]。实时原位探测技术是深入研究水合物形成和演化过程以及冷泉流体渗漏的重要手段和发展方向,有助于解决深埋海底碳的收支平衡问题及其在全球气候变化中的角色等关键问题[97]。
本文总结了国内外海底水合物及冷泉流体渗漏探测和研究的主要技术和实例,包括针对羽状流、流体运移通道、海底微地貌等冷泉系统各要素的声学、地震及海底可视化技术等。海底冷泉的探测虽犹如大海捞针,但由于冷泉系统各要素之间息息相关,各探测方法的应用并非孤立,如多波束及侧扫声呐等声学探测-地震探测-海底视像探测等手段联合应用,可以逐步缩小探测目标范围,实现自上而下地识别羽状流、海底地貌、运移通道的连续性立体观测。
目前,水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术仍存在如下问题:1)在估算海底甲烷渗漏通量时,大多数研究侧重于对固定渗漏点或单一指标的观测,也可能主观地倾向于观测某些活跃的渗漏点或者未能全方位考虑海水、沉积物等对甲烷的消耗作用;即使某一渗漏点通量估算合理,评估全球海洋碳收支仍存在较高难度。2)目前已有海底原位、实时观测网络,在水合物或冷泉活动区开展长期化、组网化和动态化的监测,但是大部分观测网仍处于规划建设阶段,且受资金支持、责任分配等因素的影响,一些建设计划也被无限期地拖延。3)在深海海底电池供电时效以及原位仪器维护等技术上也面临新的挑战。
海底原位探测技术能够为冷泉活动区描绘更细致的地形地貌特征,提供更全面的时空“景象”,拓展了对深海环境下生命潜在界线的认知。同时,海底原位探测技术可以更好地协助厘清渗漏甲烷归趋及其与温室效应、气候变化之间的关系。

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