原位观测水动力学作用下的海洋浅层气体释放现象

《Journal of Hydro-environment Research》：In-situ observation of hydrodynamics induced marine shallow gas emission

本研究在东中国海舟山海域布放观测平台，监测潮汐、波浪、洋流及甲烷浓度，发现潮汐（退潮、低潮、高潮）显著触发气体排放，沉积物悬浮及温度升高协同促进排放，为海洋工程安全与碳循环研究提供依据。

　　海洋浅层气是一种在浅海沉积物中积累的天然气，主要成分是甲烷。由于其排放行为，它对海洋工程、海底地质以及全球气候均可能造成潜在影响。然而，目前对于海洋浅层气排放过程中各种水动力因素的综合影响机制仍缺乏深入理解。为了探究这一问题，研究人员在东海舟山海域的天然气聚集区部署了一台配备多种监测仪器的设备，用于实时记录水动力条件和浅层气排放情况。该设备成功记录了2019年11月23日至11月30日之间的一段浅层气排放过程，为研究提供了重要的实证数据。

研究结果表明，潮汐变化对浅层气排放具有显著影响，其中气排放主要发生在退潮、低潮和涨潮期间。在相对平静的海况下，波浪和洋流对气排放的直接影响较小。然而，水动力作用引发的沉积物再悬浮现象则在气排放过程中起到了关键作用，特别是在剪切应力达到或超过临界阈值时，沉积物被重新悬起进入上层水体，使得原本被封存于沉积物中的气体得以释放到水体中。此外，排放期间的微小温度上升也可能促进了气体的释放，这可能是通过增强甲烷的生成和降低其溶解度实现的。通过对交叉相关分析和熵权法的综合应用，研究发现沉积物再悬浮、潮汐变化和温度变化是影响浅层气排放的最主要因素。本研究为理解不同水动力因素对海洋浅层气排放的影响机制提供了更加全面和深入的视角。

海洋浅层气的形成与积累是海洋地质和地球化学研究的重要内容。根据其来源的形成机制，浅层气可以分为生物成因和热成因两大类。生物成因的浅层气主要由微生物在沉积物中分解有机质产生，而热成因的浅层气则源于沉积物中有机质的高温高压分解。这两种成因的气体在海底沉积物中不断积累，并可能随环境条件的变化而迁移或释放。浅层气的存在不仅增加了沉积物中的孔隙压力，还可能削弱海底的稳定性，降低地基的承载能力，从而引发海洋工程事故。例如，在某些工程现场，浅层气的突然释放可能导致土壤层的不稳定，进而造成塌陷或沉降问题。此外，浅层气的排放还可能引发海底地质灾害，如泥火山、海底滑坡和海底液化现象，这些现象对海洋工程安全和海底生态系统都具有潜在威胁。

除了对海底地质和工程安全的影响，海洋浅层气的排放还可能对全球气候产生影响。当浅层气中的甲烷进入大气层后，由于其温室效应比二氧化碳更强，可能会加剧全球变暖。因此，理解浅层气排放的机制不仅有助于海洋工程的安全管理，还对全球气候变化的预测和应对具有重要意义。目前，尽管已有大量研究关注海洋浅层气的排放，但大多数研究仅集中于单一水动力因素对排放的影响，缺乏对多种水动力因素综合作用的系统分析。

本研究选取了东海舟山海域作为研究对象，该区域位于长江口以南，靠近浙江沿海。长江在向南流动过程中，携带大量沉积物沉积于舟山海域附近，形成了典型的泥质海岸线。这些沉积物为浅层气的形成和储存提供了有利条件。因此，研究该区域的浅层气排放机制，有助于揭示水动力因素在不同海洋环境中对气体排放的影响规律。在实验过程中，研究人员通过部署设备，对潮汐、波浪、洋流以及甲烷浓度进行了同步监测，以全面捕捉排放过程中的动态变化。

研究发现，甲烷传感器在实验期间运行了约500小时，监测数据显示在2019年11月24日至11月30日期间，甲烷浓度出现了显著波动。这一时期内，共识别出四个明显的浅层气排放阶段，这些阶段在图中以灰色阴影区域标记。此外，研究还观察到12次海洋浅层气排放事件。通过对这些数据的分析，研究人员能够更清晰地了解排放过程中的时间特征和空间分布规律。例如，甲烷浓度的峰值往往出现在水平流速较低的时段，这表明流速的变化可能对气体的释放起到调控作用。

在对水动力因素与浅层气排放关系的分析中，研究人员发现潮汐变化是最直接的影响因素。当潮汐发生变化时，水体压力随之波动，这种压力变化可能对气体的释放起到关键作用。例如，退潮、低潮和涨潮期间，水体压力的变化可能促使沉积物中的气体向外扩散。此外，波浪和洋流虽然在某些情况下对气排放的影响较小，但在特定条件下，如平静海况下，波浪活动可能滞后于气排放，这种滞后现象可能与沉积物再悬浮的动态过程有关。因此，研究水动力因素与浅层气排放之间的相互作用，有助于揭示气体释放的复杂机制。

沉积物再悬浮现象在浅层气排放过程中起到了至关重要的作用。当水动力作用引发的剪切应力达到临界阈值时，沉积物被重新悬起进入上层水体，这为气体的释放提供了通道。此外，沉积物再悬浮还可能影响水体的温度变化，从而间接促进气体的释放。研究还发现，温度的变化在某些情况下可能对气体释放起到增强作用，这可能是通过影响甲烷的生成速率和溶解度实现的。因此，水动力因素与温度变化之间的相互作用，可能共同调控浅层气的排放过程。

研究还表明，水动力因素的变化可能对浅层气的排放模式产生显著影响。例如，在某些情况下，潮汐的变化可能与沉积物再悬浮和气体释放之间存在时间上的滞后现象，这种滞后现象可能与水体压力的波动和沉积物结构的变化有关。此外，波浪活动的增强可能在某些时段内促进气体的释放，但这种影响通常较为间接，可能通过改变水体的流速和压力分布实现。因此，理解这些水动力因素之间的相互作用，有助于更准确地预测浅层气的排放行为。

此外，研究还发现，浅层气的排放可能对海洋生态系统产生影响。例如，甲烷的释放可能改变水体的化学组成，影响水体中的微生物活动，进而影响整个生态系统的稳定性。因此，研究浅层气排放的机制不仅有助于工程安全和地质灾害的预测，还对海洋生态系统的保护具有重要意义。通过深入分析水动力因素与浅层气排放之间的关系，研究人员能够更全面地理解气体释放的动态过程，并为相关领域的研究提供新的视角。

综上所述，本研究通过实地观测和数据分析，揭示了水动力因素对海洋浅层气排放的重要影响。潮汐变化、沉积物再悬浮和温度变化被确认为影响浅层气排放的主要因素。研究结果不仅有助于海洋工程安全和地质灾害的预防，还对全球气候变化的预测和应对具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨水动力因素之间的相互作用，以及这些因素如何共同影响浅层气的排放行为。此外，研究还可以关注不同海域的浅层气排放特征，以揭示水动力因素在不同海洋环境中的作用规律。通过这些研究，可以为海洋资源的合理开发和利用提供科学依据，同时为海洋生态保护和全球气候变化应对提供新的思路。