贝加尔湖水合物稳定带边缘的含气水合物乳状渗漏

《Journal of Great Lakes Research》：Gas hydrate bearing Melky seep at the edge of the hydrate stability zone of Lake Baikal

　　

摘要

对贝加尔湖已知最浅的含气水合物溢流点（梅尔基溢流点）进行了详细描述和研究，该溢流点位于气水合物稳定带上边界附近，水深为372–388米。为评估当代水文制度下水合物的稳定性，开展了多年地质和水物理研究，包括测量底部沉积物和近底水体的热制度。根据水合物气体组成进行的压力–温度计算表明，梅尔基溢流点排放处的气水合物稳定带上边界约位于376米水深。沉积物岩心数据则显示，气水合物仅存在于水深大于376米处，且水合物顶界位于底部以下超过1.8米处。近底水温显示出至少0.14°C的年变化；但在监测期间，水合物层深度未检测到显著温度变化。水声调查表明，气体排放无论在空间还是时间上都保持相对稳定，仅冒气高度和气体通量有轻微变化。计算的水合物顶界的压力–温度条件仍保持在水合物稳定带内，稳定余量约为3米水柱和0.07°C温度。地质、测深和视频观测未发现水合物分解的证据，支持了气源位于更深沉积序列中的解释。这些结果表明，在当代季节性和年际环境变率下，梅尔基水合物系统保持稳定。

引言

海底沉积物中的甲烷水合物代表了一种潜在的巨大甲烷储库，如果失稳可能影响全球碳循环和气候（Tinivella等，2019）。甲烷是一种强效温室气体，因此理解控制气水合物稳定性和释放的条件对于预测未来大气排放至关重要。水合物分解还可能引发海底滑坡，对基础设施和生态系统构成地质灾害风险（Wang等，2026）。综合而言，这些原因使得研究水合物稳定性和动力学至关重要。气水合物在特定的压力–温度（P–T）条件下稳定，需要足够的气流。在自然条件下，这通常是碳氢化合物气体，最常见的是甲烷。在海洋和湖泊环境中，持续供气下水合物系统的稳定性主要取决于静水压力（水位）的变化和底部沉积物中的温度变化。气水合物稳定带通过CSMGem软件包进行理论计算（Sloan和Koh，2008）。对于世界上唯一含气水合物的淡水湖泊——贝加尔湖，其近底水温约为3.2–3.6°C（Shimaraev等，1994），早期粗略估计表明，甲烷水合物稳定带上边界的最小水深约为353米（Golubev，1997）。然而，对贝加尔湖沉积物中存在气水合物的间接地球物理标志（"底部模拟反射器"——BSR）的研究显示，它们仅出现在湖泊的南部和中部盆地，BSR边界仅在水深大于湖底以下500米处被识别（Golmshtok等，2000）。

贝加尔湖浅层气水合物堆积的首次报告是在2000年（Klerkx等，2003）。在接下来的20年里，搜索从350米的湖泊深度一直持续到其最大深度1642米。到2019年，已对超过300个可能与水合物相关的海底地形异常进行了地质测试，所有已知的气溢流点都记录在回声测深图上。总共，已发现60多个在底部沉积物前3米内存在气水合物堆积的地点（Khlystov等，2022a）。在2019年之前，仅发现两处溢流点，其水合物堆积接近稳定性上限，即"戈卢斯特诺耶"溢流点（402米）和"K-12"溢流点（410米）。这两处地点均以结构I型甲烷水合物为特征（Hachikubo等，2023；Khlystov等，2018；Khlystov等，2013）。随后，在梅尔基溢流点发现了更浅的水合物堆积，约在372米深度（Khlystov等，2022a）。进一步研究表明，这些是结构I型气水合物，主要由甲烷（99.54%）组成，含少量乙烷（0.45%）和丙烷（0.01%）（Hachikubo等，2023）。它们的存在更接近水合物稳定带上边界，为评估在贝加尔湖当前水文制度下水合物的稳定性提供了机会。

贝加尔湖的整个水柱都会受到季节性温度变化的影响；然而，在300米以下，温度波动明显较小（Shimaraev等，1994）。由于溢流点深度超过300米，它位于春季（6月）和秋季（12月）均温期发展时发生的自由热对流区之下，因此不会经历季节性翻动（Shimaraev等，1994）。因此，这些深度的温度在一年中变化很小，最大值通常出现在11–12月，由于晚秋增强的垂直交换（Naumenko等，2024）。对于中央贝加尔湖，在300–400米深度，温度变化的年变幅约为3.4–3.6°C（Shimaraev等，1994）。伊尔库茨克水电站大坝的建设和调试导致贝加尔湖平均长期水位上升了0.79米（Sinyukovich等，2024）。同时，平均年内水位变化几乎未变，季节性变化约为0.8米，最大出现在9–10月，最小出现在4–5月。尽管有人工调节，分水岭的河流径流仍显著调节贝加尔湖水位：在湿润年份，年均水位上升，而在干旱年份，则下降。因此，在调节之后，发生了两次主要低水位期：1976–1982年和最近的2015–2018年，年均水位分别降至455.86米和456.07米。因此，在湖泊调节后，水位波动的最大范围约为2.04米，这与自然条件下水位变化的最大范围（2.17米）基本接近（Sinyukovich等，2024）。

基于当代水位波动可能影响气水合物上边界附近的稳定性，并且在发生分解时可能触发破坏性海底过程的前提，在梅尔基溢流点区域开展了为期5年的观测周期。工作在2019年其被发现后开始，正值2015–2018年低水位年份之后，该时期湖泊水位下降了0.5–0.8米。尽管观测期间收集了大量数据集，但本文主要关注冬季在气体排放点获得的定期测量数据，这些测量在大约相同时间（2月下旬至3月上旬）进行，此时贝加尔湖水位接近其年度最低值。此外，与受波浪运动和风力漂移影响的船载测量不同，冬季观测从冰盖进行，因此提供了高位置精度，允许以高重复性在相同坐标处采样。

章节摘要

水声学调查

水声学数据汇编自2009年多波束（SEABEAM 1050）和2019–2024年单波束（Furuno FCV-1100）调查（表1），以及使用标记钢铅线和/或双通道记录仪RBRduet³ TD从冰上进行点深度测量。用于点深度测量的标记钢铅线由5毫米钢缆和50公斤重物组成，以减少因深度导致钢缆拉伸造成的误差，并最小化因水流引起的水平偏差。同时测量

溢流点水声学特征

使用铅线和压力记录仪获得的深度测量结果吻合良好；差异不超过0.5米。这使得此前从多波束调查导出的海底地形图得到显著细化。溢流点的湖底是一个平坦（缓坡）台地，在372–388米深度处约为60×120米，位于分水岭分支区。该区域内出现几个深度小于374米的小丘。最大的一个位于更靠近的位置

溢流点区域环境条件

梅尔基溢流点位于海岸斜坡上，受色楞格河影响，该河水流沿着贝加尔湖东岸向北传播（Shimaraev等，1994）。在溢流点上方水柱中温度和矿化度垂直分布的观测揭示了显著的年际和短期变率。例如，在2021年和2022年，记录了显著短暂的（1–2天）温度变化，高达0.06°C，伴有

结论

对贝加尔湖最浅的含气水合物溢流点（梅尔基）进行了综合研究，得出以下结论：

• 1.
  溢流点位于372–388米水深，接近根据测量的气体组成和观测沉积物温度计算的气水合物稳定带上边界（376米）。该边界比早期一阶估计的353米明显更深。这得到原位观测的支持，显示气水合物仅在

CRediT作者贡献声明

Oleg M. Khlystov：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。 Hirotsugu Minami：撰写 – 审阅与编辑，资金获取，数据管理。 Akihiro Hachikubo：撰写 – 审阅与编辑，资金获取，数据管理。 Andrey Yu. Manakov：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证。 Mikhail M. Makarov：撰写 – 审阅与编辑，

利益冲突声明

作者（Oleg M. Khlystov、Hirotsugu Minami、Akihiro Hachikubo、Andrey Yu. Manakov、Mikhail M. Makarov、Vyacheslav G. Ivanov、Ilya A. Aslamov）声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢

本工作由俄罗斯联邦科学与高等教育部在俄罗斯科学院西伯利亚分院林奈研究所（项目FWSR-2026-0009）预算资助框架内支持，以及俄罗斯科学院西伯利亚分院化学研究所（项目FWUZ-2025-0001）；2019–2022年的野外工作和气体分析由以下资助机构支持：日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）资助编号16H05760（H.M.）和20H04304（H.M.），以及北八户工业大学（日本）校长资助。航行季节期间的野外工作由

Oleg M. Khlystov|Hirotsugu Minami|Akihiro Hachikubo|Andrey Yu. Manakov|Mikhail M. Makarov|Vyacheslav G. Ivanov|Ilya A. Aslamov

俄罗斯科学院西伯利亚分院林奈研究所，伊尔库茨克，俄罗斯