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近日，中國科學院深海科學與工程研究所王吉亮副研究員聯合中國地質調查局廣州海洋地質調查局張偉正高級工程師、青島海洋地質研究所李昂副研究員以及中國石油大學（北京）等天然氣水合物領域專家，在地球科學國際權威雜志《Earth and Planetary Science Letters》（Nature Index）上發(fā)表了題為“Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone”的研究成果。該研究系統分析了南海北部瓊東南深水盆地活躍冷泉區(qū)甲烷滲漏系統的結構特征與演化規(guī)律，為天然氣水合物（可燃冰）富集機制和深海冷泉活動碳循環(huán)機理提供了全新認識。

冷泉活動是地球系統中跨圈層物質循環(huán)和能量交換的重要方式，不僅支撐了獨特的化能合成生態(tài)系統，其釋放的甲烷還會導致海水酸化，并對全球氣候變化產生潛在影響。近年研究表明，冷泉活動在深海環(huán)境（水深 > 500 m）中廣泛發(fā)育。在細粒泥質沉積為主的深海淺地層，常發(fā)育水道砂體，形成“泥包砂”沉積結構。此類砂層的存在顯著改變了地層的滲透性，促使流體超壓擴散，并導致高飽和度天然氣水合物的富集，對冷泉活動規(guī)律與天然氣水合物資源勘查具有重要影響。然而，在天然氣水合物穩(wěn)定帶內，“泥包砂”地層控制甲烷滲漏的具體機制及其與天然氣水合物富集過程之間的成因聯系，目前仍存在較大認知空白。

針對上述問題，該研究在瓊東南深水盆地松南低凸起一處活躍的甲烷滲漏區(qū)發(fā)現了一個12.5米厚的砂層，其中富含天然氣水合物（圖1a）。三維地震數據圖像清晰顯示，這里存在兩個巨大的氣煙囪：一個位于砂層下方，另一個則從砂層直通海底(圖1b)。下方的氣煙囪負責“供氣”，其頂部與砂層接觸處呈現出顯著的地震異常，表明它正在向上方的砂層輸運甲烷。上方的煙囪負責“排氣”，它像一根導管，將砂層中的氣體源源不斷地輸送至海底，形成冷泉滲漏。

圖1. （a）W01站位測井數據。 圖中方框（Unit A和B）為富含水合物的砂層，砂層上下泥巖層中發(fā)育高角度裂隙，砂層中未發(fā)現垂向裂隙。（b）過W01地震剖面。 S1和S1-1分別為砂層的頂界面和底界面，砂層上下分別發(fā)育兩個氣煙囪。

研究發(fā)現，砂層在整個過程中扮演了極其重要的角色（圖2）：（1）捕獲與富集：砂層首先攔截了下伏氣體煙囪的向上延伸，并將深部遷移來的甲烷氣體“捕獲”在自己體內。在高壓低溫的環(huán)境下，這些氣體與水結合形成可燃冰，富集于砂層的孔隙中。（2）阻礙與增壓：天然氣水合物往往差異聚集，它們會優(yōu)先在某些部位大量生成，堵塞砂層的孔隙，形成“自封蓋”效應。此時，后續(xù)源源不斷的甲烷氣體被封堵在下部，導致其壓力逐漸積聚。（3）水力壓裂與逃逸：當被封閉的氣體壓力（超壓）大到足以突破上覆泥質蓋層的束縛時，便會在上覆泥巖蓋層中發(fā)生二次水力壓裂。這股強大的壓力會突破上覆的細粒低滲沉積物，形成一個新的、直達海底的氣體煙囪，從而開啟新一輪的氣體逃逸和冷泉活動。

圖2. 富甲烷超壓流體在“泥包砂”地層垂向運移的演化過程

該研究還表明上覆泥層中二次水力壓裂的發(fā)生，須具備特定的超壓與氣體供給條件（圖3）。當較低的甲烷通量在進入砂層后迅速形成天然氣水合物，導致孔隙堵塞、滲透率降低，從而引發(fā)自封閉效應。該過程抑制了氣體向上部的輸運，致使砂層頂界孔隙壓力無法有效累積至破裂壓力臨界值。這一機制很好地解釋了實際地質現象：盡管部分砂層下伏氣煙囪結構發(fā)育，但其對應上覆地層中并未形成貫穿至海底的氣體逸出路徑。原因在于低通量條件下氣體運移路徑被天然氣水合物阻斷，超壓體系未能充分發(fā)育，達不到泥巖破裂所需的最小壓力條件。

圖3. “泥包砂”地層中控制冷泉滲漏與天然氣水合物富集的動態(tài)演化模型

該成果對深化天然氣水合物成藏理論和深海冷泉活動性認識具有重要意義，同時也為理解全球深部碳循環(huán)過程提供了關鍵科學支撐。論文第一作者為中國科學院深海科學與工程研究所王吉亮副研究員，通訊作者為中國地質調查局廣州海洋地質調查局張偉正高級工程師。該研究受海南省國際合作研發(fā)專項、國家自然科學基金、海南省“南海新星”項目、崖州灣科技城專項和天然氣水合物勘查開發(fā)國家工程中心項目的共同資助。

論文信息：Jiliang Wang, Ang Li, Wei Zhang*, Jin Sun, Jiecheng Zhang, Xueqing Zhou, Shiguo Wu. Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone, Earth and Planetary Science Letters, Volume 669, 2025, 119595.

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25003930