作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 一项新的研究解开了甲烷气体柱如何以及为什么会流出甲烷水合物的谜团
气泡管和倒置的液滴都包裹在透明的气体水合物中
图片由美国国家海洋和大气管理局海洋勘探和研究办公室提供，墨西哥湾，2017
甲烷是天然气的主要成分，是所有化石燃料中燃烧最干净的，但当它排放到大气中时，它是一种比二氧化碳更强的温室气体
据估计，大陆边缘冰冻地层中的海底甲烷含量可能等于或超过全球所有其他储层中的煤、石油和天然气总量
然而，人们对甲烷从这些深层岩层中逃逸的方式知之甚少
特别是，科学家们面临着一个难题
对世界各地的观察显示，在一些地方，甲烷气体从这些地层中大量冒出，然而这些深海环境的高压和低温应该会形成一个固体冻结层，预计该层将起到一种顶石的作用，防止气体逸出
那么气体是怎么出来的呢？ 一项新的研究有助于解释气体柱如何以及为什么能够流出这些地层，即甲烷水合物
结合深海观测、实验室实验和计算机建模，研究人员发现了解释和预测气体从水和甲烷的冰冻混合物中脱离的现象
这项发现发表在今天的《PNAS》杂志上，由傅晓静撰写
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17，现在加州大学伯克利分校；麻省理工学院的鲁本·胡安内斯教授；另外五个在瑞士、西班牙、新墨西哥州和加利福尼亚州
令人惊讶的是，冻结水合物的形成不仅不能阻止甲烷气体逃逸到海洋柱中，而且在某些情况下，它实际上促进了这种逃逸
早些时候，傅看到了显示甲烷羽流的照片和视频，这些照片和视频是从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)在墨西哥湾的一艘研究船上拍摄的，揭示了海底气泡形成的过程
很明显，气泡本身通常是由周围的冰冻外壳形成的，它们会像小氦气球一样随着冰冷的外壳向上漂浮
后来，傅用声纳探测了弗吉尼亚海岸一艘研究船上类似的气泡羽流
“光是这次巡航就探测到了成千上万个这样的羽状物，”傅说，他是麻省理工学院的研究生和博士后，领导着这个研究项目
“我们可以跟随这些被水合物外壳包裹的甲烷气泡进入水柱，”她说
“那时我们第一次知道在这些气体界面上形成水合物是非常常见的
" 但是到底是什么在海底引发了这些气泡的释放仍然未知
通过一系列实验室实验和模拟，起作用的机制逐渐变得明显
对这些喷口区域海底表面的地震研究显示，气体通过一系列相对狭窄的管道或烟囱逸出
傅解释说，但是来自这些地层的大量气体水合物的存在清楚地表明，固体水合物和气体甲烷可能共存
为了模拟实验室的条件，研究人员使用了一个小的二维装置，在高压下将气泡夹在两块玻璃之间的水层中
信用:美国国家海洋和大气管理局海洋勘探和研究办公室 傅说，当一种气体试图通过海底上升时，如果它碰到冰冷的海水时形成了水合物层，这应该会阻碍它的进程:“它撞上了一堵墙
那么这堵墙怎么能不阻止它继续迁移呢？“通过微流体实验，他们发现了一个以前未知的现象，他们称之为地壳指法
如果气泡开始膨胀，“我们看到的是，气体的膨胀能够产生足够的压力，使水合物外壳破裂
它几乎就像是从自己的壳里孵化出来的，”傅说
但是，水合物的形成不是每次破裂都随着水合物的重整而冻结，而是沿着上升气泡的侧面发生，当气泡向上移动时，在气泡周围形成一种管道
“这几乎就像气泡能够凿出自己的路径，而这条路径被水合物固体所包围，”她说
他们的分析表明，他们在实验室小规模观察到的这种现象，也是海底大规模观察到的现象
她说，这一观察“实际上是我们第一次意识到这样一种现象，它可以解释水合物的形成如何不会抑制气流，但在这种情况下，它会促进气流，”通过提供一个导管和引导气流
没有这种聚焦，气体的流动将会更加扩散和扩散
随着水合物外壳的形成，它减缓了更多水合物的形成，因为它在气体和海水之间形成了屏障
因此，屏障下的甲烷可以以未冻结的气态形式持续很长时间
胡安内斯说，这两种现象的结合——水合物壁通道的聚焦效应和水合物层将甲烷气体从水中分离出来——在很大程度上解释了为什么由于水合物的形成，你可以进行这种剧烈的排气，而不是被它阻止
更好地了解这一过程有助于预测何时何地会发现这种甲烷渗漏，以及环境条件的变化会如何影响这些渗漏的分布和产出
虽然有迹象表明气候变暖可能会增加这种排放的速度，但傅说，迄今为止，这方面的证据很少
她指出，在这些地层出现的深度——600米(1900英尺)或更深——的温度预计会经历比触发冻结气体大范围释放所需的更小的温度上升
一些研究人员认为，这些巨大的海底甲烷层有朝一日可能会被用于能源生产
胡安内斯说，虽然这种用途会有很大的技术障碍，但这些发现可能有助于评估可能性
“天然气如何穿过水合物稳定带的问题，我们预计天然气会因转化为水合物而固定不动，而是在海底逃逸，这个问题还没有完全弄清楚，”奥斯汀得克萨斯大学石油和地质系统工程副教授休·戴格尔(Hugh Daigle)说，他没有参与这项研究
“这项工作提出了一种可能的新机制，这种机制有可能允许这一过程发生，并很好地将以前的实验室观察与更大规模的建模结合起来
" “从实际意义上来说，这里的工作以小规模的现象为基础，允许我们在只考虑大规模的模型中使用它，这将对未来工作的实施非常有用，”戴格尔说
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