冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究
发布时间：2021-07-06 17:07
冷泉水体中的甲烷气体浓度异常不仅是海底天然气水合物赋存的重要标志,同时对于研究海洋环境以及全球气候变化具有重要的意义。在现有海底冷泉特征分析研究的基础上,建立了根据单波束测深数据定量获取冷泉水体中的甲烷气体浓度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千岛盆地西北陆坡冷泉区为例,利用海试获取的12 kHz和20 kHz声学回波测深数据,对研究区域内冷泉水体中的溶解甲烷浓度进行了计算。通过与冷泉水体样本的色谱分析结果进行比对可见,该反演方法的计算结果与现场实测数据具有良好的一致性,并且由于在波束角和气泡共振效应方面的优势,12 kHz测深数据对应的反演结果与实测数据更为接近。同时,相关计算结果表明,该区域内水体中的溶解甲烷主要来自于冷泉释放的甲烷游离气。此外,现场观测结果表明,水合物稳定带底界以深区域内冷泉气泡表面的水合物结壳会显著延长气泡的上浮时间和距离。
【文章来源】：山东科学. 2019,32(03)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
研究区域内海底冷泉的分布及水深范围Fig．1Distributionanddepthrangeofcoldseepsinthestudyarea
第3期徐娟，等:冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究图2为利用回波测深仪声学剖面反演得到的冷泉水体中甲烷气体的浓度分布结果。其中图2a为12kHz和20kHz频段下得到的冷泉声学剖面，该冷泉位于千岛盆地西北陆坡(47°24．030'N，143°43．606'E)，水深724m，获得该声学剖面时的航速和航向分别为5．9kn和326．5°。图2b为该冷泉所处海水环境中的甲烷浓度分布，图中的曲线分别对应12kHz和20kHz的声学频段，离散值为色谱仪分析得到的两个站位的样本水甲烷浓度，分别位于47°24．118'N、143°43．468'E和47°24．502'N、143°43．798'E，相距15．7km，相距图2a所示海底冷泉的距离分别是6．8km和15．14km。以15cm/s的海流流速计算，冷泉水体从冷泉释放区流至采样站位分别需要12．6h和28h。从图2所示的反演结果可见，两个声学频段反演结果具有较好的一致性，特别是在450～240m水深区间内，浓度分布的规律性完全一致，在数值上存在3～4nmol/L的差值。随着水深的减小，20kHz对应的甲烷浓度衰减速度更快。而在数值上，12kHz的计算结果与样本水实测结果更为接近。原因主要来自两个方面:一是20kHz对应的波束角更小，二是12kHz的气泡共振效应更强。与此同时，需要指出的是，从声学剖面可见该冷泉的溢出高度超过400m，取气泡上浮速度20cm/s［11］，则冷泉气泡的上浮时间可达2000s。若冷泉气泡的半径为10mm，则对应的气泡收缩速度vshrink约1μm/s，这一结果与Ｒehder等［11］在Monterey湾的实测数据较为相近。根据水合物相边界曲线可知，调查海域的水合物稳定带底界约为320～330m?
山东科学2019年图3浅水冷泉甲烷浓度的反演结果及比对Fig3Inversionresultsandcomparisonofmethaneconcentrationinshallowwaterofcoldseep图4a中的离散数据为海试期间13个站位水体样本的采集分析结果，曲线为根据离散值拟合的结果，Ｒ2=0．8。图4b为冷泉水体中甲烷气体浓度分布的计算结果与实测结果之间的对比，其中计算结果是根据海试期间87个海底冷泉的声学探测数据平均计算得到。计算时，冷泉释放区北部边界至水体样本采集站位的距离L取150km;深海冷泉个数为0．1km－2，流速为15cm/s。在这种流速下，水体从冷泉释放区流至采样站位需要12d，远小于海水中甲烷气体的消散时间。图中，两条虚线分别对应12kHz和20kHz两个频段，实线取自图4a的实测值拟合曲线。通过对比可以看出，无论是在趋势上还是数值上计算结果与实测结果均较为接近，这表明声学共振效应对于本文所用方法的影响基本可以忽略。同时，计算结果与实测数据的一致性也能够一定程度上证明本文冷泉水体甲烷气体浓度反演方法的有效性。图4冷泉水体甲烷浓度的计算结果与实测数据的对比Fig4Comparisonsbetweencalculatedresultsandmeasureddataofmethaneconcentrationincoldseepwater3结论本文综合运用海试期间获得的声学数据和冷泉水体样本数据，对鄂霍次克海千岛盆地西部陆坡区的冷泉水体甲烷浓度的反演方法进行了研究。反演结果表明，本文提出的基于声学数据的甲烷气体浓度反演方法能够较为准确地对冷泉水体中的甲烷浓度分布进行计算，计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。同时，该方法对于主动声学探测的频段不敏感，气泡共振效应对计算结果的影响较小。此外，现场观测数据表明，水合
本文编号：3268635
【文章来源】：山东科学. 2019,32(03)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
研究区域内海底冷泉的分布及水深范围Fig．1Distributionanddepthrangeofcoldseepsinthestudyarea
第3期徐娟，等:冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究图2为利用回波测深仪声学剖面反演得到的冷泉水体中甲烷气体的浓度分布结果。其中图2a为12kHz和20kHz频段下得到的冷泉声学剖面，该冷泉位于千岛盆地西北陆坡(47°24．030'N，143°43．606'E)，水深724m，获得该声学剖面时的航速和航向分别为5．9kn和326．5°。图2b为该冷泉所处海水环境中的甲烷浓度分布，图中的曲线分别对应12kHz和20kHz的声学频段，离散值为色谱仪分析得到的两个站位的样本水甲烷浓度，分别位于47°24．118'N、143°43．468'E和47°24．502'N、143°43．798'E，相距15．7km，相距图2a所示海底冷泉的距离分别是6．8km和15．14km。以15cm/s的海流流速计算，冷泉水体从冷泉释放区流至采样站位分别需要12．6h和28h。从图2所示的反演结果可见，两个声学频段反演结果具有较好的一致性，特别是在450～240m水深区间内，浓度分布的规律性完全一致，在数值上存在3～4nmol/L的差值。随着水深的减小，20kHz对应的甲烷浓度衰减速度更快。而在数值上，12kHz的计算结果与样本水实测结果更为接近。原因主要来自两个方面:一是20kHz对应的波束角更小，二是12kHz的气泡共振效应更强。与此同时，需要指出的是，从声学剖面可见该冷泉的溢出高度超过400m，取气泡上浮速度20cm/s［11］，则冷泉气泡的上浮时间可达2000s。若冷泉气泡的半径为10mm，则对应的气泡收缩速度vshrink约1μm/s，这一结果与Ｒehder等［11］在Monterey湾的实测数据较为相近。根据水合物相边界曲线可知，调查海域的水合物稳定带底界约为320～330m?
山东科学2019年图3浅水冷泉甲烷浓度的反演结果及比对Fig3Inversionresultsandcomparisonofmethaneconcentrationinshallowwaterofcoldseep图4a中的离散数据为海试期间13个站位水体样本的采集分析结果，曲线为根据离散值拟合的结果，Ｒ2=0．8。图4b为冷泉水体中甲烷气体浓度分布的计算结果与实测结果之间的对比，其中计算结果是根据海试期间87个海底冷泉的声学探测数据平均计算得到。计算时，冷泉释放区北部边界至水体样本采集站位的距离L取150km;深海冷泉个数为0．1km－2，流速为15cm/s。在这种流速下，水体从冷泉释放区流至采样站位需要12d，远小于海水中甲烷气体的消散时间。图中，两条虚线分别对应12kHz和20kHz两个频段，实线取自图4a的实测值拟合曲线。通过对比可以看出，无论是在趋势上还是数值上计算结果与实测结果均较为接近，这表明声学共振效应对于本文所用方法的影响基本可以忽略。同时，计算结果与实测数据的一致性也能够一定程度上证明本文冷泉水体甲烷气体浓度反演方法的有效性。图4冷泉水体甲烷浓度的计算结果与实测数据的对比Fig4Comparisonsbetweencalculatedresultsandmeasureddataofmethaneconcentrationincoldseepwater3结论本文综合运用海试期间获得的声学数据和冷泉水体样本数据，对鄂霍次克海千岛盆地西部陆坡区的冷泉水体甲烷浓度的反演方法进行了研究。反演结果表明，本文提出的基于声学数据的甲烷气体浓度反演方法能够较为准确地对冷泉水体中的甲烷浓度分布进行计算，计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。同时，该方法对于主动声学探测的频段不敏感，气泡共振效应对计算结果的影响较小。此外，现场观测数据表明，水合
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