【摘要】：富甲烷淺層海相沉積物中的生物地球化學(xué)過程已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究采用數(shù)值模擬的方法對"海洋四號區(qū)"淺層沉積物中甲烷生物地球化學(xué)過程進(jìn)行定量研究。依據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)資料,使用Mathematica建立起一維反應(yīng)運移穩(wěn)態(tài)模型。模擬結(jié)果認(rèn)為研究區(qū)深層沉積物內(nèi)賦存有甲烷源,釋放的甲烷氣以氣泡的形式運移至沉積物表層,并造成氣泡淋濾現(xiàn)象。氣泡淋濾使孔隙水中SO_4~(2-)等溶質(zhì)濃度在海底以下0~2.8m的范圍內(nèi)保持不變。甲烷氣泡在濃度梯度作用下向孔隙水中溶解,溶解通量為160mmol·m~(-2)·a~(-1),溶解甲烷在微生物作用下被SO_4~(2-)氧化,氧化速率為140mmol·m~(-2)·a~(-1)。甲烷通量與氧化速率均遠(yuǎn)小于水合物脊等甲烷滲漏活躍地區(qū),SMTZ埋藏也相對較深,故推測甲烷源埋藏較深或規(guī)模較小,也有可能是良好的圈閉條件阻止了甲烷逸出。作為AOM過程的重要自生礦物,本地區(qū)碳酸鹽和硫化物礦物沉淀速率都比較低(分別為35mmol·m~(-2)·a~(-1)和70mmol·m~(-2)·a~(-1)),且碳酸鹽的沉淀受到了硫化物礦物的影響。
【圖文】：

第３期吳雪停，等：南海北部深海淺層沉積物中甲烷生物地球化學(xué)過程數(shù)值模擬研究初始條件見表１。圖２沉積柱內(nèi)的網(wǎng)格分布Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｕｎｅｖｅｎｇｒｉｄ表１初始條件及邊界條件Ｔａｂｌｅ１Ｉｍｐｏｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ參數(shù)值單位沉積柱長１０ｍ網(wǎng)格數(shù)１００溫度２．１℃壓力３０７ａｔｍ鹽度３４．６ＰＳＵ干燥沉積物密度２．５ｇ·ｃｍ－３孔隙水濃度１．０４１ｇ·ｃｍ－３表層沉積物孔隙度０．８５穩(wěn)態(tài)壓實后沉積物孔隙度０．５５孔隙度衰減系數(shù)０．０４ｃｍ－１ＣＨ４飽和度０．２１７７ｍｍｏｌ·ｃｍ－３沉積速率０．０１ｃｍ·ａ－１上邊界條件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的網(wǎng)格劃分方法，將沉積柱劃分為１００層，結(jié)合數(shù)學(xué)模型中的物理化學(xué)反應(yīng)方程式，利用有限差分法，將質(zhì)量守恒方程（ｅｑ．１）、（ｅｑ．２）離散化，轉(zhuǎn)化為常微分方程。最后代入邊界條件和初始條件，使用Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１０．１的ＮＤｓｏｌｖｅ功能對離散化的常微分方程求解，得到反應(yīng)物含量在不同深度的分布情況。通過以下方法對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗：（１）觀測模擬的固相沉積物和孔隙溶質(zhì)含量與實測值擬合程度；（

第３期吳雪停，等：南海北部深海淺層沉積物中甲烷生物地球化學(xué)過程數(shù)值模擬研究初始條件見表１。圖２沉積柱內(nèi)的網(wǎng)格分布Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｕｎｅｖｅｎｇｒｉｄ表１初始條件及邊界條件Ｔａｂｌｅ１Ｉｍｐｏｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ參數(shù)值單位沉積柱長１０ｍ網(wǎng)格數(shù)１００溫度２．１℃壓力３０７ａｔｍ鹽度３４．６ＰＳＵ干燥沉積物密度２．５ｇ·ｃｍ－３孔隙水濃度１．０４１ｇ·ｃｍ－３表層沉積物孔隙度０．８５穩(wěn)態(tài)壓實后沉積物孔隙度０．５５孔隙度衰減系數(shù)０．０４ｃｍ－１ＣＨ４飽和度０．２１７７ｍｍｏｌ·ｃｍ－３沉積速率０．０１ｃｍ·ａ－１上邊界條件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的網(wǎng)格劃分方法，，將沉積柱劃分為１００層，結(jié)合數(shù)學(xué)模型中的物理化學(xué)反應(yīng)方程式，利用有限差分法，將質(zhì)量守恒方程（ｅｑ．１）、（ｅｑ．２）離散化，轉(zhuǎn)化為常微分方程。最后代入邊界條件和初始條件，使用Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１０．１的ＮＤｓｏｌｖｅ功能對離散化的常微分方程求解，得到反應(yīng)物含量在不同深度的分布情況。通過以下方法對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗：（１）觀測模擬的固相沉積物和孔隙溶質(zhì)含量與實測值擬合程度；（
【作者單位】： 中國科學(xué)院天然氣水合物重點實驗室中國科學(xué)院廣州能源研究所;中國科學(xué)院大學(xué);德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心(GEOMAR);國土資源部天然氣水合物重點實驗室青島海洋地質(zhì)研究所;海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金面上項目(41376076) 廣東省基金自由申請項目(2015A030313718) 中國科學(xué)院對外合作重點項目(GJHZ1404)
【分類號】：P736.41


本文編號：2553594