国土报:地球化学探测:探寻海底天然气水合物蛛丝马迹

发布时间:2017-08-14

 

  天然气水合物埋藏于海底深处的沉积物中。那么,它在海底表层会留下蛛丝马迹吗?

  如果在海底表层发现蛛丝马迹,能判断下面存在天然气水合物吗?答案是肯定的。中国地质调查局广州海洋地质调查局的科学家们经过长期的研究,已经形成了一套专门用于天然气水合物探测的化学分析测试技术。

  天然气水合物的主要成分是甲烷和水。其形成的必要因素之一,就是存在充足的甲烷气源。甲烷分子体积小,扩散性强,可以通过沉积物间的微小孔隙扩散到海底表面。在此过程中,在细菌的作用下,甲烷会发生一系列化学反应,产生一些独特的化学成分。天然气水合物调查中的地球化学探测,就是基于这些化学反应而展开的。

  在地球化学探测技术中,最简单便捷、有效可行的方法,就是测试海底表层沉积物中的甲烷含量。通常情况下,深海海底十分贫瘠,有机物质极度缺乏,沉积物中甲烷含量也很低,大概是几个到十几个 ppm1ppm等于百万分之一)。在天然气水合物存在的海底,表层沉积物中的甲烷含量则会偏高成百上千倍,而且随着深度增加,甲烷含量会呈现指数级的增长。

  除了甲烷以外,判断水合物存在的另外一种标识 物就是硫化氢——一种具有臭鸡蛋味道的气体。硫化氢的形成,也和甲烷存在直接的关系。在海底沉积物中,溶解有一定的硫酸根离子。硫酸根离子具有氧化性,而甲烷具有还原性,二者相遇,在细菌作用下会发生化学反应,生成硫化氢和二氧化碳。因此,沉积物中硫化氢和二氧化碳含量的异常偏高,也可成为天然气水合物存在的证据之一。海上调查时,对二氧化碳的检测需要大型精密的仪器,而对于硫化氢的检测,靠科学家的鼻子就可以。因此,在样品描述记录表上,往往可以看到对硫化氢气味描述的词语:轻微、轻淡、较强、浓烈等。

  沉积物中硫酸根和甲烷相遇产生硫化氢的层位,在科学论文中称为“硫酸盐—甲烷氧化还原界面”,简称“SMI界面”。在天然气水合物存在的区域,沉积物中 SMI界面埋藏较浅,例如在南海北部陆坡东部海区,海底SMI界面的深度约为8米左右,通常的 取样手段很容易达到。通过对 SMI界面的研究,可以大致推断本区深部存在天然气水合物的可能性、深度、矿藏分布特征等。因此,SMI界面在天然气水合物调查和研究中,是重要和基础的科学依据。

  天然气水合物的成分中除了甲烷,就是水,而且是淡水。而海底沉积物中的水和海水一样含有大量盐分。天然气水合 物在形成的过程中,需要把水中的盐分排出,这样就会造成海底沉积物中水的盐 分偏高。而在天然气水合物分解过程中,释放出的淡水盐分明显降低。因此,可以根据对海底沉积物孔隙中的水(称为孔隙水)含有盐分的偏高或者偏低,来对天然气水合物的形成和分解过程进行研究。常用的方法,是将海底沉积物中的孔隙水“榨取”出来,然后使用离子色谱仪来测定阴阳离子的含量。

  海底沉积物中的甲烷,是形成天然气水合物的主要原材料。那么,它是从哪里来的?

  科学家经过研究发现,海底甲烷的成因主要有两种:热成因和生物成因。热成因就是从地球内部逸出来的,生物成因就是微生物分解有机质而产生的。区分甲烷的这两种来源,要借助一种大型仪器——稳定同位素质谱仪,通过甲烷中碳元素的同位素组成的比值,来判断甲烷出身何处。

  随着科学技术的发展和调查研究的深入,越来越多的高精尖分析仪器用于天然气水合物的探测。近年来,广州海洋地质调查局研制的“天然气水合物流体地球化学精密探测系统”是国家“863计划”研究成果。该系统可放入海底直接进行采样和测试,成为了天然气水合物地球化学探测的利器。

 

(作者系程思海中国地质调查局广州海洋地质调查局实验测试所化学室副主任、高级工程师,主要从事海洋地质样品分析测试工作。)

 

 

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