解冻冻土中气体突破的阈值驱动机制实验证据

《Frontiers in Environmental Science》：Experimental evidence of threshold-driven gas breakthrough in thawing permafrost

　　

： 引言： 气体突破是冻土升温过程中甲烷突然释放的重要但约束不足的机制。本研究通过受控冻结和渐进解冻过程，对饱和冻土模拟材料中的气体突破开展了实验研究。 方法： 采用采自阿拉斯加北坡的粉质砂土，通过整合未冻水含量（UWC）测量、直接拉伸试验、恒容气体突破实验以及代表浅层至深层冻土围压条件下的应力控制突破试验进行测试。 结果： 未冻水含量（UWC）测量显示，在0 °C以下出现急剧的非线性降低，低温下仍存在残余未冻水，且冻结与解冻路径之间存在轻微热滞回。抗拉强度随温度降低呈非线性增加，在接近?2 °C时表现为延性行为，在更低温度下转变为脆性破坏，而接近?1 °C时抗拉阻力可忽略不计。气体突破仅在气压超过由温度依赖性未冻水含量、抗拉阻力和围压共同控制的阈值时发生。在高围压条件下，突破压力显著超过无围压抗拉强度，且主要发生在接近?1 °C的解冻过程中。 讨论： 上述结果表明，冻土解冻显著增加了气体突破的敏感性，并为评估退化冻土中甲烷释放提供了实验约束。

论文解读文章：

一、研究背景与问题

冻土和海底天然气水合物沉积物是地球上最大的两个甲烷自然储库，在全球碳循环中扮演关键角色。仅北半球冻土就储存了约1,700 Gt有机碳，约为当前大气碳总量的两倍。除有机碳外，冻土环境还常赋存游离气藏，并与含水合物沉积物在空间上相关联，尤其是在北极和亚北极地区以及海底冻土之下。

气候驱动的冻土升温改变了冻结土体的热学、水力和力学状态，通过微生物分解和热成因过程促进储存碳向温室气体的转化。北极地区土壤岩芯中甲烷浓度升高以及甲烷突然排放的观测结果，凸显了这些系统对相对较小温度变化的敏感性。甲烷具有高全球变暖潜势，释放到大气后可显著放大气候反馈效应。

本研究聚焦于甲烷通过解冻诱导渗透通道（如taliks、裂隙和解冻管道）迁移的路径。该路径强调由渗透率、低温结构、应力状态和地下水流变化所控制的气体运移动力学，而非原位微生物生产或水合物分解。尽管已有大量研究关注冻土内部甲烷生成，但越来越多的证据表明，冻土同时充当控制深层来源（包括热成因气和天然气水合物）甲烷迁移的动态控制层。冻土不应被视为不可渗透的屏障，而应被视为气体可积聚、迁移并最终逸出的演化介质。渐进解冻、应力重分布和冰-水相变可能形成优先通道，促成快速气体突破，可能成为甲烷突然释放的临界点。

目前存在的一个关键问题是：尽管已有实验研究关注冻结及含水合物沉积物在升温、压缩和水合物相变过程中的气体过滤和渗透率演化，但这些研究主要聚焦于气体过滤、渗透率演化和气体迁移特征，而非气体突破本身的起始过程。因此，触发气体突破穿过初始冰封冻结土体所需的气压阈值及其随温度的系统演化，在实验上仍缺乏定量约束。这一空白尤为重要，因为气体突破是冻土升温过程中甲烷突然释放的重要机制。与渐进的扩散或平流输运不同，气体突破涉及一旦临界压力、应力和热学条件被超过，优先通道的突然形成。

二、研究内容与结论

本研究代表了首个专门设计用于在受控冻结和解冻条件下定量冻土模拟材料中气体突破阈值的实验研究。通过系统变化代表自然冻土环境的热学和力学边界条件，识别了控制气体突破、气体迁移和释放的阈值过程。研究结果为与冻土退化相关的甲烷释放路径提供了新的实验见解，有助于加深对寒冷地区系统中气候驱动反馈的理解。

三、主要关键技术方法

研究人员采用采自阿拉斯加北坡的粉质砂土（SM），其比重为2.55，液限36%，塑限27%，塑性指数9%，有机质含量8.56%，电导率5.2 dS/m。实验程序包括四项关键技术方法：未冻水含量（UWC）测量，用于表征冻结土体在目标亚冻结温度范围内的热学和相组成特征；直接拉伸试验，用于确定冻结土体在受控亚冻结温度下的抗拉强度和变形特性；恒容（完全约束）条件下的气体突破实验，模拟深层冻土环境中侧向约束的现场条件；以及应力控制（三轴）条件下的气体突破实验，模拟现场上覆应力条件。所有气体注入实验均采用氮气作为工作流体，以隔离冰饱和冻结土体对气体突破的力学阻力，避免甲烷水合物形成和分解带来的附加效应。

四、研究结果

4.1 未冻水含量曲线

未冻水含量测量显示，在正温条件下（20 °C和10 °C），重力水含量保持在约0.42，表明完全未冻和饱和状态。温度降至0 °C以下后，未冻水含量出现急剧降低，最显著的变化发生在?1 °C至约?2 °C之间，对应主体孔隙水向冰转变的主要相变区。在较低温度下（约?5 °C以下），未冻水含量降低趋于平缓和渐近，即使在?20 °C仍存在残余未冻水，归因于黏土矿物表面吸附和紧密结合的水膜。冻结与解冻路径之间存在轻微热滞回，在0 °C至?3 °C范围内可观察到明显分歧。冻结过程中，?1 °C时含水量仍相对较高，表明土体在该温度下基本未冻，符合过冷现象；解冻过程中，?1 °C时含水量显著较低，表明土体在该温度下仍部分冻结，明显融化需温度超过?1 °C才开始。

4.2 直接拉伸试验结果

直接拉伸试验在?2 °C至?15 °C温度范围内进行。结果表明峰值抗拉强度和变形行为均表现出显著的温度依赖性。在?2 °C时，试件表现出相对较低的峰值拉应力和较延性的响应，破坏前轴向应变较大。温度降至?3 °C和?5 °C时，峰值抗拉强度显著增加，应力-应变曲线呈现更明显的峰值后软化。在?7 °C、?10 °C和?15 °C时，试件达到显著更高的峰值拉应力（最低温度下超过2500 kPa），但破坏应变很小，表明脆性行为增强。峰值拉应力与冻结温度之间呈单调非线性增加关系，较低温度下强度增益速率更陡。值得注意的是，在0 °C或接近?1 °C时未进行拉伸试验，因为完全解冻状态或高未冻水含量导致试件无法承受可测量的拉应力，抗拉阻力可忽略且重复性差。延性向脆性响应的转变发生在约?1 °C至?5 °C的窄温度窗口内，恰与未冻水含量最剧烈变化的范围一致。

4.3 恒容条件下气体突破试验结果

在恒容条件下进行了三项气体突破试验。试验1中，试件在?7 °C下将气体注入压力从0逐步增加至5 MPa，持续1天，未发生突破。温度升至?5 °C后，在5 MPa注入压力下观察到突破。试验2中，3 MPa注入压力在?7 °C和?5 °C下均未引发突破，但在?4 °C下维持约2天后观察到明显气体突破。试验3中，1 MPa至2.0 MPa的注入压力在?7 °C至?2 °C范围内均未引发突破，最终在?2 °C下将注入压力升至2.5 MPa并维持2天后观察到突破。在?2 °C下2.5 MPa的突破压力显著高于无围压条件下的抗拉强度，反映了侧向约束对径向变形的限制作用。?2 °C下观察到的多个流动尖峰归因于试件处于部分冻结状态，裂隙打开和部分再封闭交替发生。三项试验共同表明，气体突破受温度依赖性未冻水含量、冰胶结和围压的耦合效应控制。

4.4 应力控制条件下气体突破试验结果

在应力控制条件下进行了七种工况的气体突破试验。假设冻结土体的近似上覆应力梯度为18–22 kPa/m，所施加的围压对应约20–30 m（500 kPa）至约180–220 m（4 MPa）的冻土深度。工况1（围压2.2 MPa，注入压力2.0 MPa）在?1 °C下未观察到气体突破，围压提供的侧向约束足以抑制裂隙扩展。工况2（围压3.5 MPa）在?1 °C下，当上游压力达到约2.7 MPa时首次检测到气体流出，突破压力显著超过无围压抗拉强度。工况3、4和5（围压0.5–1.0 MPa，注入压力0.2–0.5 MPa）即使在完全解冻至0 °C后也未观察到气体流出，表明饱和孔隙网络的水力阻力（毛细管入口压力）是独立于冻结土体抗拉强度的关键屏障。工况6（围压1.0 MPa，注入压力0.75 MPa）在0 °C完全解冻后观察到短暂的小流量气体流出峰，表明建立了低透射率的连通通道。工况7（围压4.0 MPa）在?1 °C下，注入压力约3.9 MPa时观察到气体突破，突破压力远高于无围压条件下的抗拉强度，且显著高于较低围压工况下的突破压力。

五、讨论与结论

综合七种工况的结果，气体突破行为受温度依赖性未冻水含量、低温吸力、施加气体压力和侧向围压的耦合效应控制。在最低施加气压下（工况3、4和5），无论冻结还是完全解冻状态均未观察到可测量的气体迁移，表明必须超过由饱和孔隙网络毛细管入口压力控制的最小气体超压，气体迁移才能发生。在相对较低围压下（工况6），气体突破仅在完全解冻至0 °C后发生，此时冰胶结和低温吸力已基本消失，表明浅层冻土在解冻接近完成时可能特别容易发生气体迁移。在高围压条件下，突破压力显著超过无围压抗拉强度，且主要发生在接近?1 °C的解冻过程中，表明冻土解冻显著增加了气体突破的敏感性。这些结果证明冻土解冻显著增加了气体突破的敏感性，并为评估退化冻土中甲烷释放提供了实验约束。研究还表明，与冻结路径性质推断的结果相比，现场正在解冻的土体在给定亚冻结温度下可能表现出更低的气体迁移阻力，这对评估冻结土屏障的完整性和冻土作为甲烷及其他地下气体密封层的有效性具有重要意义。