發(fā)布時(shí)間：2021-07-06 17:07

　　冷泉水體中的甲烷氣體濃度異常不僅是海底天然氣水合物賦存的重要標(biāo)志,同時(shí)對(duì)于研究海洋環(huán)境以及全球氣候變化具有重要的意義。在現(xiàn)有海底冷泉特征分析研究的基礎(chǔ)上,建立了根據(jù)單波束測(cè)深數(shù)據(jù)定量獲取冷泉水體中的甲烷氣體濃度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千島盆地西北陸坡冷泉區(qū)為例,利用海試獲取的12 kHz和20 kHz聲學(xué)回波測(cè)深數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)域內(nèi)冷泉水體中的溶解甲烷濃度進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)與冷泉水體樣本的色譜分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可見(jiàn),該反演方法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性,并且由于在波束角和氣泡共振效應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì),12 kHz測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近。同時(shí),相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明,該區(qū)域內(nèi)水體中的溶解甲烷主要來(lái)自于冷泉釋放的甲烷游離氣。此外,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明,水合物穩(wěn)定帶底界以深區(qū)域內(nèi)冷泉?dú)馀荼砻娴乃衔锝Y(jié)殼會(huì)顯著延長(zhǎng)氣泡的上浮時(shí)間和距離。 

【文章來(lái)源】：山東科學(xué). 2019,32(03)

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

研究區(qū)域內(nèi)海底冷泉的分布及水深范圍Fig．1Distributionanddepthrangeofcoldseepsinthestudyarea

第3期徐娟，等:冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法研究圖2為利用回波測(cè)深儀聲學(xué)剖面反演得到的冷泉水體中甲烷氣體的濃度分布結(jié)果。其中圖2a為12kHz和20kHz頻段下得到的冷泉聲學(xué)剖面，該冷泉位于千島盆地西北陸坡(47°24．030'N，143°43．606'E)，水深724m，獲得該聲學(xué)剖面時(shí)的航速和航向分別為5．9kn和326．5°。圖2b為該冷泉所處海水環(huán)境中的甲烷濃度分布，圖中的曲線分別對(duì)應(yīng)12kHz和20kHz的聲學(xué)頻段，離散值為色譜儀分析得到的兩個(gè)站位的樣本水甲烷濃度，分別位于47°24．118'N、143°43．468'E和47°24．502'N、143°43．798'E，相距15．7km，相距圖2a所示海底冷泉的距離分別是6．8km和15．14km。以15cm/s的海流流速計(jì)算，冷泉水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位分別需要12．6h和28h。從圖2所示的反演結(jié)果可見(jiàn)，兩個(gè)聲學(xué)頻段反演結(jié)果具有較好的一致性，特別是在450～240m水深區(qū)間內(nèi)，濃度分布的規(guī)律性完全一致，在數(shù)值上存在3～4nmol/L的差值。隨著水深的減小，20kHz對(duì)應(yīng)的甲烷濃度衰減速度更快。而在數(shù)值上，12kHz的計(jì)算結(jié)果與樣本水實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近。原因主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是20kHz對(duì)應(yīng)的波束角更小，二是12kHz的氣泡共振效應(yīng)更強(qiáng)。與此同時(shí)，需要指出的是，從聲學(xué)剖面可見(jiàn)該冷泉的溢出高度超過(guò)400m，取氣泡上浮速度20cm/s［11］，則冷泉?dú)馀莸纳细r(shí)間可達(dá)2000s。若冷泉?dú)馀莸陌霃綖?0mm，則對(duì)應(yīng)的氣泡收縮速度vshrink約1μm/s，這一結(jié)果與Ｒehder等［11］在Monterey灣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為相近。根據(jù)水合物相邊界曲線可知，調(diào)查海域的水合物穩(wěn)定帶底界約為320～330m?

山東科學(xué)2019年圖3淺水冷泉甲烷濃度的反演結(jié)果及比對(duì)Fig3Inversionresultsandcomparisonofmethaneconcentrationinshallowwaterofcoldseep圖4a中的離散數(shù)據(jù)為海試期間13個(gè)站位水體樣本的采集分析結(jié)果，曲線為根據(jù)離散值擬合的結(jié)果，Ｒ2=0．8。圖4b為冷泉水體中甲烷氣體濃度分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的對(duì)比，其中計(jì)算結(jié)果是根據(jù)海試期間87個(gè)海底冷泉的聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)平均計(jì)算得到。計(jì)算時(shí)，冷泉釋放區(qū)北部邊界至水體樣本采集站位的距離L取150km;深海冷泉個(gè)數(shù)為0．1km－2，流速為15cm/s。在這種流速下，水體從冷泉釋放區(qū)流至采樣站位需要12d，遠(yuǎn)小于海水中甲烷氣體的消散時(shí)間。圖中，兩條虛線分別對(duì)應(yīng)12kHz和20kHz兩個(gè)頻段，實(shí)線取自圖4a的實(shí)測(cè)值擬合曲線。通過(guò)對(duì)比可以看出，無(wú)論是在趨勢(shì)上還是數(shù)值上計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均較為接近，這表明聲學(xué)共振效應(yīng)對(duì)于本文所用方法的影響基本可以忽略。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性也能夠一定程度上證明本文冷泉水體甲烷氣體濃度反演方法的有效性。圖4冷泉水體甲烷濃度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig4Comparisonsbetweencalculatedresultsandmeasureddataofmethaneconcentrationincoldseepwater3結(jié)論本文綜合運(yùn)用海試期間獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)和冷泉水體樣本數(shù)據(jù)，對(duì)鄂霍次克海千島盆地西部陸坡區(qū)的冷泉水體甲烷濃度的反演方法進(jìn)行了研究。反演結(jié)果表明，本文提出的基于聲學(xué)數(shù)據(jù)的甲烷氣體濃度反演方法能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)冷泉水體中的甲烷濃度分布進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。同時(shí)，該方法對(duì)于主動(dòng)聲學(xué)探測(cè)的頻段不敏感，氣泡共振效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。此外，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，水合


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