南海陆坡海水溶解气体垂向分布特征及其对天然气水合物勘探的指示意义

《Regional Studies in Marine Science》：Vertical distribution patterns of dissolved gases in seawater along the south china sea continental slope and their implications for natural gas hydrate exploration

　　

本研究利用自主研发的全自动深海原位保压采样器（保压率>90%），对南海珠江口外陆坡区域（浅水站位W1与神狐海域站位W2）进行了高保真海水溶解气体采样，系统分析了N?、O?、CO?、Ar及C?–C?烷烃的垂向分布特征。研究结果表明，永久气体（氮气N?、氧气O?、氩气Ar）浓度随水深同步增加，主要受物理溶解平衡控制；二氧化碳（CO?）呈现显著非保守分布特征，在W2站位450 m深度处浓度高达60.5 μmol/L，其峰值层对应于温跃层底部强密度层结区，反映了有机质降解产生的内源CO?在垂向混合受抑条件下的有效滞留与累积。更为重要的是，研究首次在南海陆坡海域350–500 m水层发现显著的烷烃异常，W2站位400 m深度处总烷烃浓度峰值达47.5 nmol/L，C?/(C?+C?)比值介于7.6–10.9之间，落入典型热成因气范围，指示深部热成因流体沿断层或气烟囱通道向上运移并在密度跃层之下受阻聚集。该研究将海水溶解烷烃剖面纳入天然气水合物勘探指标体系，为识别深部流体活动、定位运移通道及评估水合物成藏系统活性提供了新的水柱地球化学依据。

南海海水溶解气体垂向分布及其对天然气水合物勘探的指示意义研究解读

**研究背景与科学问题**

南海作为西太平洋最大的边缘海之一，其北部陆坡珠江口外区域既是全球典型的水合物系统研究区域，也是中国天然气水合物开发的重点目标区。该区域发育厚层新生代沉积、丰富的有机质供给及有利的温度-压力条件，为天然气水合物的形成与聚集提供了优越的地质背景。然而，传统的地球物理勘探方法主要依赖似海底反射层（BSR）和振幅空白带等地震指标，在识别深部流体活动方面存在固有局限性；而地球化学勘探则侧重于海床沉积物孔隙水中的主要离子浓度和酸可提取烃类异常，难以直接捕捉流体运移的瞬时信息。实际上，深部来源的热成因流体沿断层和气烟囱间歇性释放，而传统的沉积物孔隙水和地震代理指标通常整合地质至季节时间尺度的信号，可能遗漏短期的渗漏事件。因此，准确捕捉流体运移的瞬时信息对于天然气水合物勘探至关重要。

**研究内容与主要结论**

针对上述技术瓶颈，研究人员自主研制了全自动深海原位保压采样系统（QDJQY-3000BZ），该系统通过船载光纤通信电缆连接甲板控制单元与水下单元，集成深水高清摄像头、温盐深仪（CTD）及50位压力自适应采样管组件。该装置的核心创新在于压力自适应采样管，其内置活塞式压力平衡结构，在采样过程中保持管内外海水压力动态平衡，并在上浮过程中同步释放压力，有效避免了传统采样方法因压力突变导致的气体大量损失，实现了溶解气体保真度超过90%。研究团队于2025年11月1日至3日搭载"向阳红10"号科考船，在珠江口外陆坡区域布设了两个采样站位：W1站位于珠江口浅水区，水深13.2 m，邻近现代陆源输入带；W2站位于神狐海域东南陆坡，水深550 m，距GMGS1水合物钻探站位约30海里，是南海天然气水合物勘探的重点目标区。

在样品分析方面，溶解气体采用顶空法结合气相色谱仪（Agilent 6890N）进行分析，配置火焰离子化检测器（FID）和热导检测器（TCD），分别测定烷烃气体（CH?、C?H?、C?H?、i-C?H??、n-C?H??）和永久气体（N?、O?、Ar）及CO?。主要海水阳离子采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定，阴离子采用离子色谱仪分析。所有样品分析均在青岛斯巴达分析测试有限公司完成。

**研究结果**

**水文环境特征：** W1站垂直温度变化微弱（表层25.98 °C，底层26.30 °C），盐度随深度增加（33.38至34.20），呈现明显的盐度层结，反映珠江冲淡水的显著影响。W2站呈现典型的三层结构：表层混合层（0–50 m）温度约28 °C；主温跃层（50–300 m）温度从27.85 °C急剧降至10.32 °C，盐度在93.5 m深度达到最大值34.64；深层均匀层（300–500 m）温度缓慢降至约8.6 °C，盐度稳定在34.5左右。依据温盐数据识别出南海表层水（>25 °C，盐度33.4–33.9，0–50 m）、南海次表层水（15–25 °C，盐度34.2–34.6，50–150 m）和南海中层水（8–15 °C，盐度34.4–34.5，150–500 m）三个水团。

**海水主要元素组成：** 两个站位海水主要元素（K?、Ca2?、Na?、Mg2?、Cl?、SO?2?）浓度顺序（Cl? > Na? > SO?2? > Mg2? > Ca2? > K?）与世界大洋一致，元素浓度均处于海水正常变化范围。相关性分析表明，所有元素与盐度呈强正相关，说明研究区海水元素组成主要受物理混合过程控制，符合大洋海水的保守混合模型。

**溶解气体组成与垂向变化：** 研究区海水溶解气体以N?、O?、CO?、Ar四种永久气体为主，并检出微量烷烃。W1站N?、O?、Ar浓度随水深同步增加，但表层N?/O?比值显著偏高，主要归因于极端溶解氧消耗。CO?表现出明显的非保守行为，在8 m深度出现峰值。W2站N?、O?、Ar浓度均与水温负相关、与盐度正相关，表明其垂向变化主要受温度、盐度和压力驱动的物理溶解平衡控制。CO?呈现显著非保守分布：从200至300 m缓慢增加，300至450 m急剧上升，在450 m深度达到最大值60.5 μmol/L，远超同温盐条件下的大气平衡溶解度（约1.7 μmol/L），该峰值层恰好对应于温跃层底部与烷烃异常带之间的强密度层结区。

**烷烃气体垂向分布：** W1站呈现底富集模式，CH?浓度从表层到底层逐渐增加，底层约为10.2 nmol/L，检出微量丁烷，总烷烃浓度低于15 nmol/L，指示浅海沉积物中有机质微生物厌氧降解的典型产物特征。W2站则以400 m深度为中心的烷烃富集带，总烷烃浓度峰值约47.5 nmol/L，C?–C?烷烃同时检出，C?/(C?+C?)比值约为7.6，落入热成因气的判别范围。在450 m深度，丙烷和丁烷消失，仅剩甲烷和乙烷，比值升至10.9，反映气源组分的分馏效应或运移路径条件的改变。两站位的鲜明对比表明：W1站以原位底栖输入微生物气为主，W2站则反映了深部热成因流体沿气烟囱-断层通道向上运移、在密度跃层之下受阻聚集的过程。

**讨论与结论**

在气体来源方面，N?、O?和Ar主要来源于大气输入，其垂向分布总体上受温度、盐度控制的物理溶解过程支配，但在特定水层（如400 m），生物地球化学过程显著扰动N?/O?比值，呈现物理溶解叠加局部非保守过程的复合特征。CO?的分布主要受生物活动控制：表层浮游植物光合作用消耗CO?，温跃层及其下方有机质降解和生物呼吸持续释放CO?，而强密度层结抑制垂向混合，导致生物成因CO?在该水层有效滞留和累积。

烷烃气体的来源具有微生物活动和潜在热成因流体的双重作用。W2站400 m深度C?–C?完整共现及C?/(C?+C?)比值约7.6，符合热成因气判别标准，与该区域白云凹陷恩平组煤系烃源岩（镜质体反射率Ro = 1.3%–2.0%）处于成熟-过成熟阶段的地质条件相吻合。垂向上C?/(C?+C?)比值从400 m的7.6增至450 m的10.9，反映重烃组分（丙烷和丁烷）在运移过程中因低溶解度和高化学反应活性而优先损失的分馏效应。

在天然气水合物勘探指示意义方面，海水溶解烷烃的垂向异常具有三重指示价值：其一，400 m深度C?–C?完整共现及低C?/(C?+C?)比值可有效示踪深部热成因流体的垂向运移；其二，烷烃富集层（400 m）与温跃层底部强密度层结带的空间耦合，表明上升流体受物理层结屏障发生侧向聚集，该层位可作为评估运移通道连通性和成藏系统活性的关键窗口；其三，溶解烷烃异常具有实时响应流体运移的优势，弥补了BSR等地震指标和长期沉积物孔隙水代理在捕捉瞬时信息方面的不足，有望建立"地震识别构造-沉积物地球化学定储-水柱溶解气体示踪活动"的多尺度勘探链条。

**研究结论翻译：**

（1）实现了海水溶解气体原位高保真采样：本研究独立研发了全自动深海原位保压采样器，首次在南海陆坡实现了溶解气体的压力自适应保压采样（保压率>90%），为获取真实海水气体剖面提供了关键技术支撑，对采样方法学具有重要创新意义。

（2）揭示了永久气体的分布特征与控制因素：W1和W2站位海水中N?、O?和Ar浓度随水深同步增加，表明这三种气体显著受压力和温度驱动的物理溶解过程影响。CO?呈现显著非保守分布特征，W2站位450 m深度CO?浓度高达60.5 μmol/L，其峰值层对应于温跃层底部强密度层结区，反映有机质降解释放的内源CO?在垂向混合受抑条件下被有效滞留和累积。

（3）首次揭示了南海陆坡海水溶解烷烃气体的垂向异常结构：神狐海域W2站位在350–500 m水层首次观测到显著烷烃异常，400 m深度总烷烃浓度峰值为47.5 nmol/L，C?–C?烷烃共存，该层位C?/(C?+C?)比值介于7.6至10.9之间，落入典型热成因气范围，指示深部热成因流体沿断层或气烟囱通道向上运移并在密度跃层之下受阻聚集。

（4）提出了溶解烷烃剖面用于水合物勘探的指示价值：海水溶解烷烃垂向异常（完整组分组合、低C?/(C?+C?)比值）可作为识别深部热成因流体活动和定位运移路径的有效指标。将溶解烷烃剖面纳入水合物勘探指标体系，有助于克服传统地球物理和沉积物地球化学方法在捕捉流体运移瞬时信息方面的局限，为南海北部天然气水合物勘探提供新的水柱地球化学依据。