南海北部深海浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程数值模拟研究

发布时间：2019-10-29 17:18

【摘要】：富甲烷浅层海相沉积物中的生物地球化学过程已引起了国内外学者的广泛关注。研究采用数值模拟的方法对"海洋四号区"浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程进行定量研究。依据研究区域实际地质资料,使用Mathematica建立起一维反应运移稳态模型。模拟结果认为研究区深层沉积物内赋存有甲烷源,释放的甲烷气以气泡的形式运移至沉积物表层,并造成气泡淋滤现象。气泡淋滤使孔隙水中SO_4~(2-)等溶质浓度在海底以下0~2.8m的范围内保持不变。甲烷气泡在浓度梯度作用下向孔隙水中溶解,溶解通量为160mmol·m~(-2)·a~(-1),溶解甲烷在微生物作用下被SO_4~(2-)氧化,氧化速率为140mmol·m~(-2)·a~(-1)。甲烷通量与氧化速率均远小于水合物脊等甲烷渗漏活跃地区,SMTZ埋藏也相对较深,故推测甲烷源埋藏较深或规模较小,也有可能是良好的圈闭条件阻止了甲烷逸出。作为AOM过程的重要自生矿物,本地区碳酸盐和硫化物矿物沉淀速率都比较低(分别为35mmol·m~(-2)·a~(-1)和70mmol·m~(-2)·a~(-1)),且碳酸盐的沉淀受到了硫化物矿物的影响。
【图文】：

第３期吴雪停，等：南海北部深海浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程数值模拟研究初始条件见表１。图２沉积柱内的网格分布Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｕｎｅｖｅｎｇｒｉｄ表１初始条件及边界条件Ｔａｂｌｅ１Ｉｍｐｏｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ参数值单位沉积柱长１０ｍ网格数１００温度２．１℃压力３０７ａｔｍ盐度３４．６ＰＳＵ干燥沉积物密度２．５ｇ·ｃｍ－３孔隙水浓度１．０４１ｇ·ｃｍ－３表层沉积物孔隙度０．８５稳态压实后沉积物孔隙度０．５５孔隙度衰减系数０．０４ｃｍ－１ＣＨ４饱和度０．２１７７ｍｍｏｌ·ｃｍ－３沉积速率０．０１ｃｍ·ａ－１上边界条件Ｃａ２＋０．０１ｍｍｏｌ·ｃｍ－３Ｈ２Ｓ１×１０－９ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＣＨ４１×１０－６ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＳＯ４２－０．０２８５ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＴＡ０．００２４ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＴＣ０．００２２ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＣａＣＯ３４ｗｔ％２．３．３模型求解按照２．３．１的网格划分方法，将沉积柱划分为１００层，结合数学模型中的物理化学反应方程式，利用有限差分法，将质量守恒方程（ｅｑ．１）、（ｅｑ．２）离散化，转化为常微分方程。最后代入边界条件和初始条件，使用Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１０．１的ＮＤｓｏｌｖｅ功能对离散化的常微分方程求解，得到反应物含量在不同深度的分布情况。通过以下方法对模拟结果进行检验：（１）观测模拟的固相沉积物和孔隙溶质含量与实测值拟合程度；（

第３期吴雪停，等：南海北部深海浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程数值模拟研究初始条件见表１。图２沉积柱内的网格分布Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｕｎｅｖｅｎｇｒｉｄ表１初始条件及边界条件Ｔａｂｌｅ１Ｉｍｐｏｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ参数值单位沉积柱长１０ｍ网格数１００温度２．１℃压力３０７ａｔｍ盐度３４．６ＰＳＵ干燥沉积物密度２．５ｇ·ｃｍ－３孔隙水浓度１．０４１ｇ·ｃｍ－３表层沉积物孔隙度０．８５稳态压实后沉积物孔隙度０．５５孔隙度衰减系数０．０４ｃｍ－１ＣＨ４饱和度０．２１７７ｍｍｏｌ·ｃｍ－３沉积速率０．０１ｃｍ·ａ－１上边界条件Ｃａ２＋０．０１ｍｍｏｌ·ｃｍ－３Ｈ２Ｓ１×１０－９ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＣＨ４１×１０－６ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＳＯ４２－０．０２８５ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＴＡ０．００２４ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＴＣ０．００２２ｍｍｏｌ·ｃｍ－３ＣａＣＯ３４ｗｔ％２．３．３模型求解按照２．３．１的网格划分方法，，将沉积柱划分为１００层，结合数学模型中的物理化学反应方程式，利用有限差分法，将质量守恒方程（ｅｑ．１）、（ｅｑ．２）离散化，转化为常微分方程。最后代入边界条件和初始条件，使用Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１０．１的ＮＤｓｏｌｖｅ功能对离散化的常微分方程求解，得到反应物含量在不同深度的分布情况。通过以下方法对模拟结果进行检验：（１）观测模拟的固相沉积物和孔隙溶质含量与实测值拟合程度；（
【作者单位】： 中国科学院天然气水合物重点实验室中国科学院广州能源研究所;中国科学院大学;德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心(GEOMAR);国土资源部天然气水合物重点实验室青岛海洋地质研究所;海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室;
【基金】：国家自然科学基金面上项目(41376076) 广东省基金自由申请项目(2015A030313718) 中国科学院对外合作重点项目(GJHZ1404)
【分类号】：P736.41


本文编号：2553594