中國科學院深海科學與工程研究所副研究員王吉亮等研究人員，系統分析了南海北部瓊東南深水盆地活躍冷泉區甲烷滲漏系統的結構特征與演化規律，為天然氣水合物（可燃冰）富集機制和深海冷泉活動碳循環機理提供了全新認識。相關成果近日發表于《地球和行星科學快報》。
“泥包砂”地層中控制冷泉滲漏與天然氣水合物富集的動態演化模型。研究團隊供圖
論文第一作者王吉亮表示，冷泉活動作為地球系統中跨圈層物質循環和能量交換的關鍵途徑，意義重大。它不僅孕育了獨特的化能合成生態系統，其釋放的甲烷還會引發海水酸化，進而對全球氣候變化產生潛在影響。近年來的研究顯示，冷泉活動在深海環境（水深超過500米）中廣泛存在。
據介紹，在以細粒泥質沉積為主的深海淺地層中，常發育有水道砂體，形成“泥包砂”的沉積結構。這種砂層的出現極大地改變了地層的滲透性，促使流體超壓擴散，進而導致高飽和度天然氣水合物的富集，對冷泉活動規律的研究以及天然氣水合物資源勘查工作具有重要影響。然而，在天然氣水合物穩定帶內，“泥包砂”地層如何控制甲烷滲漏，以及其與天然氣水合物富集過程之間的內在成因聯系，目前仍存在諸多認知空白。
為解決上述問題，在國家自然科學基金等項目的資助下，王吉亮聯合中國地質調查局廣州海洋地質調查局正高級工程師張偉、中國地質調查局青島海洋地質研究所副研究員李昂以及中國石油大學（北京）等在瓊東南深水盆地松南低凸起的一處活躍甲烷滲漏區有了重要發現。他們探測到一個厚度達12.5米的砂層，其中富含天然氣水合物。通過三維地震數據圖像清晰可見，該區域存在兩個巨大的氣煙囪：一個位于砂層下方，另一個則從砂層直通海底。下方氣煙囪承擔著“供氣”任務，其頂部與砂層接觸處呈現出明顯的地震異常，這表明它正在源源不斷地向上方的砂層輸送甲烷。而上方的氣煙囪則負責“排氣”，它如同導管一般，將砂層中的氣體持續輸送至海底，形成冷泉滲漏現象。
該研究發現，砂層在冷泉系統中呈現三重作用機制：首先通過孔隙結構捕獲下伏氣煙囪的甲烷，在高壓低溫條件下形成天然氣水合物富集；其次因水合物差異聚集導致孔隙堵塞，形成"自封蓋"效應使下部氣體壓力持續累積；最終當超壓突破上覆泥巖蓋層時，觸發二次水力壓裂形成新氣體通道。該機制解釋了為何部分下伏氣煙囪發育區未形成海底氣體逸出路徑——低甲烷通量條件下水合物快速生成導致滲透率驟降，超壓體系未能達到泥巖破裂臨界值。
此外，當較低通量的甲烷進入砂層后，會迅速形成天然氣水合物，導致孔隙堵塞、滲透率降低，進而引發自封閉效應。這一過程抑制了氣體向上部的輸運，使得砂層頂界孔隙壓力無法有效累積至破裂壓力臨界值。這一機制很好地解釋了實際地質現象：盡管部分砂層下伏氣煙囪結構發育，但其對應上覆地層中并未形成貫穿至海底的氣體逸出路徑。原因在于在低通量條件下，氣體運移路徑被天然氣水合物阻斷，超壓體系未能充分發育，無法達到泥巖破裂所需的最小壓力條件。
論文通訊作者張偉指出，該項成果對深化天然氣水合物成藏理論和深海冷泉活動性認識具有重要意義，同時也為理解全球深部碳循環過程提供了關鍵科學支撐。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119595
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