导读

滨海与深海生态环境研究中心团队在Energy & Fuels上发表了题为：“Methane Hydrate Formation Kinetics in Varied Sediment of Deep-Sea Cold Seep Environment”的研究论文。该研究对深海冷泉区含量较高的五种沉积物中甲烷水合物的生成动力学进行了调查，目标在于深入理解甲烷水合物在冷泉环境中的生成和赋存规律。

✦摘要✦

本研究对深海冷泉区含量较高的五种沉积物（绿泥石、钠长石、钾长石、石英砂、方解石）中甲烷水合物的生成动力学进行了研究。主要结论如下：（1）低水饱和度下，水合物形成的总体速率与沉积物的比表面积呈正相关，但没有严格成比例的相关性。（2）水饱和度的增加减缓了水合物的生成速率。（3）随着水饱和度增加，高比表面积沉积物较强的吸水性导致对水合物生成的促进作用消失。

✦引言✦

冷泉是深海中高产的化学合成生态系统，表现为从海底排放甲烷、硫化氢和其他碳氢化合物流体。目前在刚果海、中国南海及冲绳海槽等地区均发现了海底甲烷渗漏现象。

虽然海底甲烷渗漏持续时间长，渗漏总量大，但其从海底沉积物渗漏至海洋水柱的过程并不是畅通无阻，在海底沉积物中能生成甲烷水合物而被截留。

冷泉区是天然气水合物自然形成的典型区域，其沉积物中的孔隙结构、渗透性、有机质含量、矿物组成等物理化学性质直接影响甲烷的迁移。深海冷泉区的沉积物种类较多，成分复杂，本研究基于福尔摩沙冷泉区沉积物组分的分析，选取了含量较高的五种沉积物（绿泥石、钠长石、钾长石、石英砂、方解石），探究这五种单一沉积物中甲烷水合物的生成动力特性，并进一步考察了含水率的改变对不同沉积物中甲烷水合物形成规律的影响。

成果简介

01 单一沉积物对水合物生成动力学的影响

如图1所示，5种沉积物体系中甲烷水合物的生成过程基本一致，均可以分为3个阶段，其中，stage1表示水合物生成的第一阶段，stage2及stage3表示水合物生成的第二及第三阶段。通过对比t50的曲线，可以发现水合物整体生成速率的快慢与沉积物的比表面成正相关，但非严格的正比关系。在该水饱和度下（30 vol%），虽然甲烷水合物的生成速率不同，但最终水转化率差异较小，均在76.5%左右。

Fig. 1 (a)The water conversion ratios of methane hydrate formation and (b) the time taken to reach t50 for the different types of sediments when the initial water saturation was 30%.

02水饱和度提高对沉积物中甲烷水合物生成动力学的影响

如图2所示，水饱和度的增加没有改变水合物的生长过程，依旧可以分为3个阶段，其中除方解石外，前120 min内，其他4种沉积物中甲烷水合物的生成速率变化及水转化率非常接近，直到实验进行到约180 min之后，不同沉积物中甲烷水合物的生成速率逐渐出现较为明显的差异。此外，在该条件下，所有沉积物达到t50的时间整体上增大了1个数量级以上，表明甲烷水合物的生成速率降低。

Fig. 2 (a) The water conversion ratios of methane hydrate formation and (b) the time taken to reach t50 for the different types of sediments when the initial water saturation was 60%.

03水合物形成动力学特征分析

如图3a所示，水饱和度变化对水合物生成的影响程度存在明显差异。绿泥石、方解石及钠长石体系中的变化最为显著。这表明由于初始水饱和度的提高，导致了沉积物的比表面效应失效，这可归因于当沉积物的含水率较高时，水难以在沉积物的孔隙中均匀分布，而是可能沉降在底部，在水合物的生长过程中，首先在气液界面生成一层致密的水合物膜，之后需要溶解在水中的甲烷才能使水合物持续生长，极大地削弱了沉积物比表面对水合物形成的影响。

如图3b所示，采用动态水蒸气吸附法（DVS），对5种沉积物的水蒸气吸附能力进行了测量。根据测量结果可以看出，沉积物吸水能力排序为：绿泥石＞钠长石＞钾长石＞石英砂＞方解石。对于绿泥石最强的吸水能力，这与其介质内部的大量孔隙以及对应的高比表面有关。

Fig. 3 (a) Comparison of the effects of changes in the water saturation on the kinetics of the methane hydrate formation in five different sediment systems, (b) Water vapor adsorption curves of the different types of sediments.

结论与展望

冷泉区沉积物对甲烷的截留作用在防止甲烷泄漏到大气中和诱发全球变暖方面发挥着关键作用，此外，其对甲烷水合物的赋存也具有重要作用。本文探究了深海冷泉沉积物中含量较高的几种沉积物对甲烷水合物生成动力学影响，不仅有助于深入理解甲烷水合物在冷泉环境中的生成和赋存规律，还为甲烷水合物的勘探和开发利用提供了重要的理论支持。此外，研究冷泉区域的天然气水合物赋存特性，对于评估其对海洋和大气环境的影响也具有重要意义。

原文信息

Chen Xingyu, Feng Jing-Chun, Xie Yan, et al. Methane Hydrate Formation Kinetics in Varied Sediment of Deep-Sea Cold Seep Environment. Energy & Fuels, 2025, 39(8): 3954-3965. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c05800