美国大西洋陆缘北部广泛分布海底甲烷渗透

本文使用覆盖94,000km2海底的多波束水柱背散射数据识别出美国大西洋被动大陆边缘北部的大约570个气体羽流。若将渗透密度外推到全球的被动大陆边缘系统,有可能发现数万处渗透。

本文使用覆盖94,000km2海底的多波束水柱背散射数据识别出大约570个气体羽状流,这些气体羽状流位于美国大西洋被动大陆边缘北部哈特拉斯角和乔治浅滩水深50?1700m之间。在涵盖甲烷水合物稳定顶界带顶界的水深,约有440个渗透源自于此。将该大陆边缘的陆坡上部渗透密度外推到全球的被动大陆边缘系统,本文认为有可能发现数万处渗透。

要降低对海底释放全球甲烷估计的不确定性就需要更好地确定渗透分布的约束条件、综合气体通量和甲烷泄露的控制过程。为了研究美国大西洋边缘(USAM)的渗透,本文使用2011年9月至2013年8月间由俄刻阿诺斯者号科考船(Okeanos Explorer)获得的数据。哈特拉斯角以北,数据范围(图1)来自水深约180m(mbsl)的陆架坡折至陆坡的中部(1,500mbsl)。哈特拉斯角以南,调查关注哈特拉斯角和布莱克海岭底辟的渗透。

图1 使用水柱背散射数据解译的美国大西洋边缘甲烷渗透分布图

背散射数据分析表明,在哈特拉斯角和乔治浅滩之间至少有570处先前未曾发现的水柱异常(图1和附表1)。这些羽状气体异常可以追溯到海底之上数百米的水体,并经常受洋流影响而偏离。遥控潜水器(ROV)勘查了一个陆坡上部羽流站点(约425mbsl)和四个深水集群(1100?1450mbsl),发现了气泡流、化能自养区、自生碳酸盐矿物以及偶见的深海珊瑚和天然气水合物(图2)。

图2 弗吉尼亚近海的渗透和麻坑分布以及陆坡上部和深海渗透的海底照片

在更小的尺度上,渗透在空间上是与峡谷相关的,峡谷位于俯瞰陆架坡折峡谷头部的岬、峡谷内的山脊或峡谷己侵蚀陆坡的上部沉积物处(图2 a, c)。峡谷向下切割老地层,向陆切割陆坡上部和大陆坡折,而可能从物理上破坏天然气水合物或含游离气体沉积物(图3)。边缘最大的哈德逊峡谷一直被怀疑是渗透的主体。本文在497?580mbsl的峡谷谷底发现了至少25个渗透,该深度覆盖了天然气水合物稳定带(GHSZ)的顶界(505?585mbsl),该顶界根据观测的底部水温(BWTs)计算。在97?368mbsl之间,至少有另外25个渗透。

图3 美国大西洋边缘的渗透与地形和地质的特征关系示意图

USAM天然气羽流的57%来自哈特拉斯角和哈德逊峡谷之间的250?600mbsl深度,这说明天然气羽流与GHSZ动力学有关。

USAM北部是第一个有可能与众所周知的天然气水合物分解有关的陆坡上部广泛渗透的中纬度地区,说明该过程对可迅速使北极地区升温而异常重要。将含水合物的沉积物与下覆充气沉积物区分开来的海底模拟反射层(BSRs)—负阻抗地震反射层并未在USAM陆坡上部检测到;虽然BSRs在陆坡上部很罕见,但天然气水合物也经常赋存于BSRs缺失的地方。

甲烷水合物分解过程中释放的甲烷可能局部排出,通过透水层迀移到更浅部形成渗透,或保留在沉积物内增加了孔隙压力而易受海底破坏影响。与其他区域的发现一致,麻坑并不视为是活跃的渗透点。

海洋学过程驱动了BWT变暖,BWT变暖导致了陆坡上部的天然气水合物分解,造成甲烷多次释放。

背散射分析也发现了38个新的深水渗透(1000?1700mbsl)。一些是孤立的(例如,柯里塔克滑动岩礁内),但多数位于次线性集群内。

在陆架坡折(约180mbsl)向陆方向识别出了约90个渗透,该区域调查程度最低。用多波束调查探测的大多数陆架天然气羽流在峡谷上部顶端附近,少数陆架的渗透集群与附近陆坡上部渗透成对出现(图2a),这意味着天然气发生了上倾迀移。

来自USAM北部渗透的甲烷释放速率保守估计为约15~90 Mg/yr,相当于0.95?5.66×106 mol/yr。估计的范围反应了气泡大小、释放速率、每个渗透甲烷释放点的数量以及BWT状态的变化。

USAM陆坡上部渗透占总估计释放量的67%,这意味着大量甲烷被注入到中层水体当中,而可能提高中层水体的氧化作用。

USAM北部广泛的甲烷渗透填图方法适用于其他区域尺度的调查。在USAM北部,哈特拉斯角和乔治浅滩之间平均每千米有0.46个陆坡上部渗透(约950km有约440个渗透)。

研究方法

(1)羽流识别。俄刻阿诺斯探索者(Okeanos Explorer)在海上使用可安装在船体上的30kHz kongsberg Simrad EM302多波束测深系统获得了背散射数据。航次路线覆盖了120?150%的海底范围。使用QPS Fledemaus中层水软件评价了平行和垂直于航迹线的水柱背散射数据,以识别异常。

(2)渗透集群分析。使用ESRI ArcGIS软件,用圆圈(例如,50?5,000m)围绕每个渗透,以半径变化的分析渗透集群。有重叠圆圈的渗透被指定为一个集群,代表一个独特的甲烷释放区域,并暗示所有聚集的渗透为同一过程或同一天然气来源。本文也应用了基于Ripley’s K函数的多数据空间聚类分析,并对于整个渗透数据库和弥散渗透子集,在所有长度尺度上发现具统计学意义(p=0.01)的渗透空间聚类。

(3)甲院释放。在美国国家海洋与大气管理局深部发现者号(Deep Discoverer)ROV的2013年初次航行中,对5个渗透点位进行了6次下潜(3次ROV工程测试和3次调查下潜)。这几次下潜调查了约570个渗透站位中的不到1%,并且关于气泡大小、释放速率和每个渗透中确切释放点的数量等信息很有限,与深入研究相比,本文对甲烷释放几乎没有设定限制条件。

(4)甲烷水合物。使用CSMHYD程序,计算含33%NaCl海水平衡的甲烷水合物I型稳定性的压力-温度条件。按照天然气水合物文献中的惯例,沉积物中压力假定为静水压力。稳定性约束与BWT相结合,产生了对于甲烷水合物稳定性顶界的估算。

刘大为 译自:A. Skarke, C. Ruppel, M. Kodis, D. Brothers, and E. Lobecker. Widespread methane leakage from the sea floor on the northern US Atlantic margin. Nature Geoscience, 2014, 7: 657-661.(王铭晗 王艳红 审)

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