冷泉水體中的甲烷氣體濃度異常不僅是海底天然氣水合物賦存的重要標志,同時對于研究海洋環(huán)境以及全球氣候變化具有重要的意義。在現(xiàn)有海底冷泉特征分析研究的基礎(chǔ)上,建立了根據(jù)單波束測深數(shù)據(jù)定量獲取冷泉水體中的甲烷氣體濃度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千島盆地西北陸坡冷泉區(qū)為例,利用海試獲取的12 kHz和20 kHz聲學回波測深數(shù)據(jù),對研究區(qū)域內(nèi)冷泉水體中的溶解甲烷濃度進行了計算。通過與冷泉水體樣本的色譜分析結(jié)果進行比對可見,該反演方法的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)具有良好的一致性,并且由于在波束角和氣泡共振效應方面的優(yōu)勢,12 kHz測深數(shù)據(jù)對應的反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更為接近。同時,相關(guān)計算結(jié)果表明,該區(qū)域內(nèi)水體中的溶解甲烷主要來自于冷泉釋放的甲烷游離氣。此外,現(xiàn)場觀測結(jié)果表明,水合物穩(wěn)定帶底界以深區(qū)域內(nèi)冷泉氣泡表面的水合物結(jié)殼會顯著延長氣泡的上浮時間和距離。 

【文章來源】：山東科學. 2019,32(03)

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

研究區(qū)域內(nèi)海底冷泉的分布及水深范圍Fig．1Distributionanddepthrangeofcoldseepsinthestudyarea

第3期徐娟，等:冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法研究圖2為利用回波測深儀聲學剖面反演得到的冷泉水體中甲烷氣體的濃度分布結(jié)果。其中圖2a為12kHz和20kHz頻段下得到的冷泉聲學剖面，該冷泉位于千島盆地西北陸坡(47°24．030'N，143°43．606'E)，水深724m，獲得該聲學剖面時的航速和航向分別為5．9kn和326．5°。圖2b為該冷泉所處海水環(huán)境中的甲烷濃度分布，圖中的曲線分別對應12kHz和20kHz的聲學頻段，離散值為色譜儀分析得到的兩個站位的樣本水甲烷濃度，分別位于47°24．118'N、143°43．468'E和47°24．502'N、143°43．798'E，相距15．7km，相距圖2a所示海底冷泉的距離分別是6．8km和15．14km。以15cm/s的海流流速計算，冷泉水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位分別需要12．6h和28h。從圖2所示的反演結(jié)果可見，兩個聲學頻段反演結(jié)果具有較好的一致性，特別是在450～240m水深區(qū)間內(nèi)，濃度分布的規(guī)律性完全一致，在數(shù)值上存在3～4nmol/L的差值。隨著水深的減小，20kHz對應的甲烷濃度衰減速度更快。而在數(shù)值上，12kHz的計算結(jié)果與樣本水實測結(jié)果更為接近。原因主要來自兩個方面:一是20kHz對應的波束角更小，二是12kHz的氣泡共振效應更強。與此同時，需要指出的是，從聲學剖面可見該冷泉的溢出高度超過400m，取氣泡上浮速度20cm/s［11］，則冷泉氣泡的上浮時間可達2000s。若冷泉氣泡的半徑為10mm，則對應的氣泡收縮速度vshrink約1μm/s，這一結(jié)果與Ｒehder等［11］在Monterey灣的實測數(shù)據(jù)較為相近。根據(jù)水合物相邊界曲線可知，調(diào)查海域的水合物穩(wěn)定帶底界約為320～330m?

山東科學2019年圖3淺水冷泉甲烷濃度的反演結(jié)果及比對Fig3Inversionresultsandcomparisonofmethaneconcentrationinshallowwaterofcoldseep圖4a中的離散數(shù)據(jù)為海試期間13個站位水體樣本的采集分析結(jié)果，曲線為根據(jù)離散值擬合的結(jié)果，Ｒ2=0．8。圖4b為冷泉水體中甲烷氣體濃度分布的計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的對比，其中計算結(jié)果是根據(jù)海試期間87個海底冷泉的聲學探測數(shù)據(jù)平均計算得到。計算時，冷泉釋放區(qū)北部邊界至水體樣本采集站位的距離L取150km;深海冷泉個數(shù)為0．1km－2，流速為15cm/s。在這種流速下，水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位需要12d，遠小于海水中甲烷氣體的消散時間。圖中，兩條虛線分別對應12kHz和20kHz兩個頻段，實線取自圖4a的實測值擬合曲線。通過對比可以看出，無論是在趨勢上還是數(shù)值上計算結(jié)果與實測結(jié)果均較為接近，這表明聲學共振效應對于本文所用方法的影響基本可以忽略。同時，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的一致性也能夠一定程度上證明本文冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法的有效性。圖4冷泉水體甲烷濃度的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比Fig4Comparisonsbetweencalculatedresultsandmeasureddataofmethaneconcentrationincoldseepwater3結(jié)論本文綜合運用海試期間獲得的聲學數(shù)據(jù)和冷泉水體樣本數(shù)據(jù)，對鄂霍次克海千島盆地西部陸坡區(qū)的冷泉水體甲烷濃度的反演方法進行了研究。反演結(jié)果表明，本文提出的基于聲學數(shù)據(jù)的甲烷氣體濃度反演方法能夠較為準確地對冷泉水體中的甲烷濃度分布進行計算，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果具有較好的一致性。同時，該方法對于主動聲學探測的頻段不敏感，氣泡共振效應對計算結(jié)果的影響較小。此外，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，水合


本文編號：3268635