2002年至2022年间，太行山植被生态系统的碳和水利用效率显著下降

《Journal of Hydrology》：Carbon and water use efficiency of vegetation ecosystems in the Taihang Mountains has declined sharply over 2002–2022

本研究通过舟山海域多尺度实验室实验及孔隙压力分析，揭示了沉积物渗透率与气体迁移的耦合机制。CRS与NMR测试显示渗透率分别为1.26×10?1?至1.34×10?1? m2和2.48×10?1?至6.47×10?1? m2，差异与样品中6%磁性物质有关。双峰孔隙分布（0.09-0.3μm）及黏土含量与渗透率异常正相关，表明孔隙连通性主导渗透率演化。孔隙压力监测揭示垂直流体迁移模式，3-5米区间最大渗流速度达8.09×10?? m/s，证实气体迁移受渗透率动态控制。

　　

胡聪|纪爱民|贾永刚

中国海洋大学海洋工程地质与环境山东省重点实验室，中国青岛

摘要

本研究通过多尺度实验室实验和孔隙压力分析，研究了舟山海域沉积物的渗透性及其对浅层天然气迁移的影响。常速率应变固结（CRS）试验测得的渗透率值范围为1.26×10^-16至1.34×10^-15 m^2，而核磁共振（NMR）测得的渗透率值范围为2.48×10^-16至6.47×10^-15 m^2，两者之间的差异可能与样品中6%的磁性物质（Fe2O3）有关。孔隙大小分布主要为双峰型（0.09–0.3 μm），并且观察到粘土含量与渗透率之间存在异常的正相关关系。这归因于孔隙结构在较高粘土含量的情况下仍能保持较大的有效孔隙度。孔隙压力剖面偏离了静水平衡状态，显示出明显的垂直流体迁移模式：在1–3 mbsf区间以向上流动为主，在3–5 mbsf区间以向下流动为主，其他区域则表现为双向迁移，其中3–5 mbsf区间的最大渗流速度为8.09×10^-6 m/s。这些发现揭示了控制含气沉积物中流体迁移的复杂渗透动力学机制。

引言

沉积物渗透性是指沉积物在特定压力差下允许流体通过的能力。它是表征沉积物传导气体和液体能力的关键参数，从而影响这些流体在沉积物中的迁移（Hu等人，2024年）。沉积物渗透性的确定受到多种因素的复杂影响，包括沉积物颗粒的形状、大小和分选、孔隙度、饱和度、有效应力以及矿物组成（Scott和Reece，2025年；Daigle等人，2026年）。重要的是，渗透性不仅取决于总孔隙度，还取决于孔隙网络内的连通性以及该网络中狭窄部分的尺寸，这些因素最终控制着流体路径（Wang等人，2025年）。沉积物中的流体流动速度在很大程度上受渗透性的控制。因此，研究沉积物渗透性和内部流体流动速度对于理解沉积物中的流体迁移机制至关重要（Arya等人，2010年）。流体迁移可能影响地层稳定性，甚至引发海底地质灾害（Liu等人，2023年）。这一点在中国东海的舟山海域尤为明显，该地区经常发生海洋浅层天然气排放。此类排放引发的地质灾害可能导致石油和天然气管道失效以及桩基不稳定（Bernard，1979年；Li等人，2010年；Shen等人，2023年）。因此，研究沉积物渗透性对于评估海洋地质灾害的风险及其对海洋工程结构的影响至关重要。

研究沉积物渗透性的方法包括宏观尺度的岩土工程试验、微观尺度的孔隙分析，以及基于原位孔隙压力探针测量的孔隙压力衰减率的技术（Peng等人，2019年；Sultan和Lafuerza，2013年；Cui等人，2023年；Wang等人，2024年）。宏观方法，如常速率应变固结（CRS）试验，可以在受控应力条件下提供关于整体水力特性的见解。Daigle和Dugan（2011年）使用CRS试验定量计算了海洋沉积物的渗透性，并发现固结过程中孔隙度与渗透率之间存在线性关系。他们发现，随着孔隙度的减小，渗透率也减小。Dai等人（2019年）在单轴压缩条件下对粉砂进行了渗透率试验，发现渗透率随有效应力的增加而减小。Cardona等人（2023年）发现，在恒定应变率单轴加载下，含水合物的砂质粉砂的孔隙比随时间对数呈S形下降。微观方法，包括核磁共振（NMR）和扫描电子显微镜（SEM），可以表征孔隙大小分布和沉积物结构，这对于理解渗透性的基本控制因素至关重要（Minagawa等人，2008年；Daigle和Dugan，2009年）。Yoneda等人（2022年）根据NMR测井数据计算了渗透率，并比较了不同渗透率计算模型的预测准确性。Wang等人（2025年；Wang等人，2025年）将NMR方法与离心毛细压力实验相结合，阐明了孔隙连通性对渗透率演变的关键控制作用。Bennett等人（2008年）发现，由于细颗粒的重新排列，渗透率减小，这一现象通过SEM方法观察到。这种重新排列导致路径受限和孔隙喉部尺寸减小。因此，变化主要发生在控制流体流动路径的微观结构中。Wang等人（2023年；Wang等人，2023年）使用SEM和NMR方法记录了黄土的微观结构，发现孔隙比是控制渗透率的主要因素。Yuan等人（2025年）进行了NMR和环境SEM试验，以解释压实黄土的水力传导性和压缩行为的变化。对于现场尺度的渗透率估算，原位孔隙压力衰减方法提供了一种在自然条件下测量渗透率的方法。Bennett等人（2002年）通过探针杆的半径和孔隙水压的衰减率估算了海底沉积物的渗透率，发现渗透率随海底深度的增加和压实程度的减小而减小。Sultan等人（2020年）通过连续孔隙压力测量研究了潮汐对北极深海浅层沉积物中气体迁移速率的影响。Plaza-Faverola等人（2023年）利用原位孔隙压力测量揭示了Vestnesa海岭渗流系统从对流主导向扩散主导的流体流动系统的空间变化。尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键的研究空白：缺乏系统地将微观孔隙结构、宏观力学行为和原位流体动力学联系起来的综合多尺度研究。这一空白在含气浅层区域尤为明显，因为浅层气体的存在从根本上改变了孔隙压力制度和沉积物结构。在舟山海域，海底滑坡和坑洞与浅层天然气迁移直接相关（Xue等人，2023年）。然而，沉积物组成、孔隙结构演变和原位气体迁移共同控制渗透性的耦合机制尚不明确。这种对机制理解的缺乏阻碍了流体迁移路径的准确预测，并限制了全球类似沿海环境中地质灾害评估的可靠性。

本研究旨在通过多尺度研究舟山海域含气浅层区域的沉积物渗透性来填补这些空白。我们结合了物理性质试验、CRS试验、NMR试验、SEM分析和原位孔隙压力监测，以：（1）量化不同尺度下的渗透率并评估方法误差；（2）确定控制渗透率的关键沉积物性质（如孔隙大小、粘土含量、矿物组成）；（3）分析沉积物压缩对渗透率演变的影响；（4）表征原位孔隙压力制度和流体迁移模式，包括渗流速度和流动方向。研究结果为含气沉积物的渗透动力学和流体迁移机制提供了基本见解，对类似海洋环境中的海底稳定性和地质灾害评估具有意义。

研究区域和材料

舟山群岛位于浙江省东北部，由1300多个大小不一的岛屿组成，是中国最大的群岛（图1(a)）。该地区的沉积环境富含有机物质，分解过程产生了浅层生物气。这些气体主要是CH4。浅层气藏主要分布在几米到10米左右的深度，而更深处的聚集层位于200至300米之间。

实验室试验

实验室试验是在从研究区域采集的柱状沉积物样本上进行的。这些试验包括物理性质试验、CRS试验、NMR试验、SEM试验和Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积试验。各试验的采样深度见表1。

沉积物的物理性质

表2展示了六个不同样本的水分含量（w）、中值粒径（d50）和比表面积（Sa）。水分含量范围为20.5%至30.3%，最大值和最小值分别出现在3 mbsf和19 mbsf。中值粒径在7.05至11.62 μm之间，在9 mbsf时达到峰值，在19 mbsf时降至最低。根据标准分类协议，这些海洋沉积物根据粒径被分为三个不同的类别：粘土

CRS和NMR试验中渗透率测量的误差

多尺度结果显示了CRS和NMR试验所得渗透率之间的差异。两种方法测得的渗透率误差使用标准差进行了量化，如图5(b)所示。最大的误差出现在最浅的层，表明两种方法在靠近海底时的变异性较大。误差在9–11 mbsf附近显著减小，并达到最小值。在11 mbsf以下，误差随深度再次增加，尤其是

结论

本研究通过一系列物理性质试验、CRS试验和NMR试验研究了舟山海域的沉积物性质。通过将实验室数据与原位孔隙压力测量相结合，我们确定了控制渗透率的关键因素，并分析了深度依赖的流体迁移模式。主要发现总结如下：

(1)

通过CRS试验测得的沉积物渗透率范围为1.26×10^-16至1.34×10^-15 m^2。NMR测量结果显示

未引用的参考文献

Wang等人，2023年；Wang等人，2025年。

CRediT作者贡献声明

胡聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法学，研究，资金获取，正式分析，概念化。纪爱民：撰写 – 原始草稿，方法学，研究，正式分析，概念化。贾永刚：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42377142）、国家重点研发计划（2024YFC3082500）、中央高校基本科研业务费（202312024）和山东省高等学校青年创新团队计划（2022KJ052）的资助。