摘要海底冷泉羽状流是海底冷泉活动最直接的表现形式，与天然气水合物动态成藏和动态油气系统密切相关。近年来，因其对全球气候变化的影响和潜在的资源前景，冷泉流体活动受到越来越多重视。本文对全球重要海域海底冷泉羽状流的分布和通量相关研究进行总结分析，发现冷泉羽状流广泛分布在主动和被动大陆边缘，而在弧后地质背景和走滑大陆边缘发现较少，研究不够深入。在构造活动活跃、沉积速率和运移通道渗透率高的地质背景下，冷泉羽状流一般呈区域性聚集发育，规模与通量较大。目前研究发现，通常单个羽状流渗漏孔的通量一般介于3.5ml/min~13.9L/min之间，但受制于观测技术和成本，羽状流的通量估算具有不确定性，且易受到不同地质和海洋控制因素的影响。另外，冷泉羽状流发育区往往对应或指示重要海洋油气富集区，通过与海域天然气水合物试采结果和天然气水合物工业生产指标进行对比分析，认为大型单体冷泉羽状流以及与水合物赋存或深部油气藏相关的区域性羽状流群具有重大资源效应，主要体现在羽状流本身的气体通量资源效应、与天然气水合物的密切联系以及对于海洋深部动态油气藏的指示三个方面。建议重视对海底冷泉羽状流发育区的调查与探测，尤其针对大型单体冷泉羽状流，加强对其活动特征的长期观测，从而明确其时序渗漏特性、活动机制以及海洋与地质因素的控制作用。通过研究有效的通量测量技术和方法，建立冷泉羽状流资源评价技术标准，从而推进其进一步开发与利用。
关键词天然气水合物;冷泉;羽状流;甲烷通量;流体活动
0引言
海底冷泉是由于地层压力或构造活动造成的一种海底流体渗漏现象，是继洋中脊热液后又一种新的流体渗漏类型(陈多福等，2002)，冷泉不会像热液一样表现出明显的温度异常(Levin,2005)，但都在它们周围发现了生物群落(BoetiusandWenzhofer,2010)。全球冷泉分布广泛，从浅海陆架到深海海沟，从热带海域到两极地区都有发育(陈忠等，2007)。由于冷泉气体渗漏对岩石圈(Talukder,2012)、生物圈(Macdonaldetal.,2003)、水圈(Suessetal.,1999)和大气圈(Solomonetal.,2009)的重要影响，近些年来引起了国际研究人员的广泛关注(Judd,2003)。
气体羽状流是海底活动冷泉的重要指示标志，利用地球物理方法可以有效识别羽状流(陈江欣等，2017;韩同刚等，2018;段旻良等，2019)。冷泉区通常与天然气水合物的分解有关(陈忠等，2007;李灿苹等，2016)，例如在水合物脊(Torresetal.,2002)、墨西哥湾(Smithetal.,2014)、卡斯凯迪亚大陆边缘(Suessetal.,1999)、黑海(Naudtsetal.,2006;Romeretal.,2012a)、南海(陈江欣等，2015,2017;Huetal.,2019)和新西兰海域(Naudtsetal.,2010;Netzebandetal.,2010)等活动冷泉区都发现了天然气水合物。在应对气候变暖和可持续发展的国际背景下，天然气水合物作为一种新型的、环保的非常规能源，愈加受到各国的重视(于兴河等，2019)，尤其与冷泉相关的天然气水合物研究也愈加受到研究人员的重视(Duetal.,2018;Fangetal.,2019)，如黑海、地中海东部和墨西哥湾等海域研究较为深入(Suess,2018)。但由于对冷泉羽状流的分布特征、冷泉活动的时空变化以及影响羽状流的地质过程仍然认识不足，大多数仍缺乏有效量化指标(Sauteretal.,2006;Luoetal.,2016;Fengetal.,2020)。目前来看，针对活动冷泉的区域性或全球甲烷通量研究报道有限，最早见于对加利福尼亚州的CoalOilPoint甲烷羽状流通量进行测量(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2019)。相比于浅海，对深海冷泉单个渗漏孔羽状流通量的研究也仍然比较缺乏(Romeretal.,2019a)。
相关期刊推荐：《地球物理学进展》(双月刊)1986年创刊，本刊是中国科学院主管，中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物理学会共同主办的地球物理学及相关领域的综合性学术刊物，国内外公开发行。主要报道国内外地球物理学研究的最新进展和成果，探讨地球物理学的发展战略，评价地球物理学科的现状和发展趋势。
海底冷泉羽状流一方面作为所在海域深浅层油气藏的重要指示标志，资源意义重大，通过追溯其气体来源，可以加深对海底流体运移和油气动态成藏的理解与认识(Talukder,2012;Johansenetal.,2017);另一方面对海底沉积物的特性和海床稳定性具有重大的影响，可能对海洋基础设施(通信电缆、石油钻井平台、管道)构成危害(Ceramicolaetal.,2018)。此外，量化海底冷泉羽状流通量对于明确全球碳循环的周期与过程也有重要的研究意义(Dietal.,2020)。本文通过总结国内外对活动冷泉羽状流的气体通量研究进展，探讨了羽状流的归宿和通量控制机制，并利用天然气水合物工业生产指标，分析和论述了气体羽状流的资源效应，为今后全球海底油气资源的勘探开发、气候变化研究及资源评价等方面提供参考。
1海底冷泉羽状流及其分布
天然气从地壳内部往上运移，这些气体通过断层、裂隙等运移通道进入海水后，会以气泡的形式向上运移，形成海底冷泉羽状流(陈多福等，2002;樊栓狮等，2007;JuddandHovland,2007)。海底冷泉羽状流是海底活动冷泉最直接、最确切的表现形式(陈江欣等，2017)，其气体主要成分是甲烷，其余是乙烷、丙烷等小分子量烷烃、二氧化碳和其他微量气体(LeiferandPatro,2002)。近些年来，研究人员通过多波束、原位观测和实验模拟对冷泉羽状流进行了广泛深入的研究(GreinertandNutzel,2004;Romeretal.,2012b,2019b)(图1)。在冷泉喷口处，大量无色透明的气泡在海水中上升，气泡直径通常为几毫米左右，且随着气泡的上升不断增大，并在到达水合物稳定带上界时会最终破裂(Romeretal.,2014)。
充足的气体供应是海底冷泉羽状流形成的必要条件，气源可以是浅部的生物成因气或深部的热成因气，也可能是混合成因气(Judd,2004;陈林和宋海斌，2005;刘斌和刘胜旋，2017)。其中来自深部热成因气的气体羽状流最有资源价值，能加深对动态油气系统的认识，包括油气产生以及运移的内在机制，如在墨西哥湾附近地区发现的冷泉羽状流，其特征是部分甲烷气泡表面存在油渍(Macdonaldetal.,2004;Wangetal.,2016)，指示其深层存在油气藏。在深海，冷泉活动与天然气水合物的赋存和分解密切相关，在水合物赋存区域的上覆海水中经常发现气泡羽状流(李灿苹等，2013,2016)。当水合物赋存区域由于海底地质环境改变或全球气候变化而导致温压条件改变时，水合物会发生分解(Westbrooketal.,2009)，产生的甲烷气体会通过运移通道(断层、底辟、泥火山等)进入水体，形成羽状流，因而在天然气水合物富集区，水合物分解也可能是一种气体来源(樊栓狮等，2007)。甲烷气泡在上升过程中，如果温压条件合适，会再次生成天然气水合物(Wenauetal.,2015;李进等，2017;杨力等，2018)，如在墨西哥湾海底附近，观察到释放到水体中的甲烷气泡表面包裹有“天然气水合物外衣”(Romeretal.,2019a)。
自从King和MacLean(1970)首次使用侧扫声纳在NovaScotia边缘对麻坑进行成像以来，随着海底探测技术的不断发展，尤其是海底探测分辨率的不断提高，不仅可以发现通量较大且形态明显的海底气体渗漏，而且大陆边缘相对较小的渗漏点也有所发现(Gayetal.,2007)。迄今为止，人们在全球各大洋和不同大陆边缘发现了大量甲烷气体天然渗漏、喷溢的现象(Milkov,2000;Campbell,2006;JuddandHovland,2007;Huuseetal.,2010;Suess,2010,2014,2018;Ceramicolaetal.,2018)，图2为世界上主要冷泉的分布，可以发现海底冷泉活动多分布在主动大陆边缘和被动大陆边缘，而在走滑大陆边缘发现相对较少(Chenetal.,2010,2015;Romeretal.,2012b;Suess,2014,2018;TorresandBohrmann,2016;Ceramicolaetal.,2018;Huetal.,2019)。主动大陆边缘的冷泉通常发育在板块汇聚处(Suess,2014,2018)，在太平洋俯冲带和弧前增生楔体如Makran大陆边缘(Romeretal.,2012b)等地已对海底冷泉羽状流进行了较为深入的研究，但是弧后地质背景下的冷泉活动特征及其活动机制理解不够深入;在被动大陆边缘海域，冷泉活动多分布在非洲、格陵兰、北欧和澳大利亚的海岸等地(TorresandBohrmann,2016)，各地地质条件比较复杂，具体的构造域与沉积单元包括水合物脊(Heeschenetal.,2005)、盐构造如墨西哥湾(LeiferandMacdonald,2003;Romeretal.,2019a)、厚沉积扇如黑海第聂伯河古扇(Naudtsetal.,2006)和油藏自然渗漏区(Macdonaldetal.,2004)等。而在走滑大陆边缘，有限的研究发现，活动冷泉多集中分布在板块边界断层附近，如马尔马拉海(Dupreetal.,2015)，但是气体羽状流发现较少。同时，在这些海域也发现了大量与海底冷泉活动相关的麻坑、泥火山等海底流体逃逸地貌特征。
目前，主要通过海底可视技术、声呐系统和地震技术来识别气泡羽状流(李灿苹等，2016;韩同刚等，2018)，研究发现其具有以下特征：(1)冷泉喷口羽状流单个气泡半径通常介于1~5mm之间(LeiferandMacDonald,2003;Romeretal.,2012b;Chen,2018);(2)羽状流形态不一，在声学图像上呈细而长的“火焰”(flare)形态(包括宝石体、倾斜体和椎体)且直径差异较大，最大可达300~500m(段沛然等，2020);(3)大部分羽状流在到达海面以下200~300m，气泡会发生破裂溶解。形成于陆坡和深海的羽状流规模巨大，气泡流上升过程中受到“水合物外衣”的保护，弱化了水溶作用，其直径从几十米到几百米不等，高度可达百米或千米量级，在回声测深仪上有强后向散射特征。比如，刘斌和刘胜旋(2017)在南海北部陆坡琼东南海域利用多波束数据发现直径约为30~50m、高度超过700m的大型冷泉羽状流;在巴伦支海Mosby泥火山发现的羽状流，在声学剖面图上呈宽约300m、高约500m的火焰状异常(Sauteretal.,2006);在黑海Dvurechenskiy泥火山和Makran大陆边缘发现的巨型羽状流，高度都超千米，个别羽状流高达2000m，是迄今发现最大的羽状流之一(Greinertetal.,2006;Romeretal.,2012b)。而陆架和浅海羽状流规模不及深海，且受潮汐运动影响，静水压力发生变化，退潮时羽状流规模相对较大。但是在废井22/4b和CoalOilPoint等受人为因素影响导致下伏储层破坏的浅海区，也发现了剧烈喷溢的羽状流(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2015)。
2海底冷泉羽状流的通量与归宿
2.1通量计算与对比
几十年来，很少有定量数据可以评估羽状流在资源方面的作用和意义，特别是对深水冷泉区大型甲烷羽状流的通量测量和估算。近年来，在不同海域相关研究人员正在开展对海底冷泉羽状流通量的测量和时序变化的相关研究(SchneidervonDeimlingetal.,2011)。通常单个渗漏孔的通量很小，最小一般可达3.5ml/min(LeiferandMacDonald,2003)，最高可超13.9L/min(LeiferandBoles,2005;Artemovetal.,2007)，同时存在极少数喷溢剧烈的羽状流通量接近90L/s(SchneidervonDeimlingetal.,2015)。为了便于比较文献中冷泉区的气体通量，本文将公布的气体通量的单位统一换算成106mol/a和m3/a(表1)。
以往关于海底冷泉羽状流的研究使用了不同的气泡通量测量方法，包括声学探测、光学直视和原位测量装置等。其中，原位观测成本较高且无法进行大面积的海底羽状流调查。多数研究根据可压缩气体定律(n=ZPV/RT)确定单个气泡中的甲烷含量，其中，Z是甲烷的可压缩性，R是通用气体常数(8.314m3·Pa·mol-1·K-1)，n是在给定温度T和静水压力P等条件下体积为V的气泡释放的甲烷通量。乘以假设的渗漏孔数量和每个渗漏孔的气泡产生速率，可估算出渗漏区的甲烷通量，从而确定年排放量(Skarkeetal.,2014)。但是，各个冷泉喷口处的气泡释放和气泡特性存在很大差异，简单根据单个渗漏孔的气泡释放率无法准确估算出冷泉发育区的整体气体逃逸通量。因此，需要长时间测量不同渗漏区域的多个冷泉喷口。
2.2归宿
甲烷是大气中最丰富的碳氢化合物，同时也是一种强大的温室气体，对全球气候变化的影响仅次于水蒸气和二氧化碳(Jessenetal.,2011;Dietal.,2019)。由于到达海面的甲烷气体的量具有不确定性，针对海底活动冷泉所排放的羽状流中的甲烷等气体的归宿问题的研究越来越多。
影响水体中气泡羽状流归宿的因素主要有水深、初始气泡的大小、水温、盐度以及甲烷浓度等(LeiferandPatro,2002;Sauteretal.,2006)。初始气泡的大小对于甲烷的运输量至关重要，因为与较小的气泡相比，较大的气泡包含的甲烷量更多，可能将更多的初始甲烷气体带入浅水区(Macdonaldetal.,2002)。在浅海，大多数海底释放的甲烷气泡逃逸到大气中(LeiferandPatro,2002)，例如在南海莺歌海盆地的冷泉喷口，不断有甲烷气泡排出(单个气泡的直径为1~2cm)，形成高度超过10m的甲烷羽状流(图3b)，并最终到达海面扩散到大气中(Huangetal.,2009;Dietal.,2014)。而在深海释放的甲烷归宿更为复杂，当甲烷气泡在水深超过100m的海底释放时，甲烷无法到达海面(Mcginnisetal.,2006)，因为大量的气泡溶解于水体以及微生物氧化作用都会消耗甲烷(LeiferandJudd,2015)。深海溶解的甲烷气体为深海生态系统提供了能源，这在冷泉喷口附近发现的生物群落得到了验证(陈忠等，2007)。研究发现，在天然气水合物稳定带内上升的气泡会受到天然气“水合物外衣”的保护，不受水溶作用的影响，一旦这些气泡接近天然气水合物稳定带的上界，它们就开始溶解并最终消失(图3c、图3d)(Romeretal.,2012b,2014)。例如，在黑海Vodyanitskii泥火山进行的声学和视频观测表明，渗漏点排放出的甲烷气泡掺杂着部分喷溢的天然气水合物，形成了巨大的甲烷羽状物，由于“水合物外衣”的保护，从海底上升约1200m，整体呈火焰状(图3a)(Sahlingetal.,2009)。同时，由于上升的气泡加速水流而产生上升流，减少了羽状流垂直运输的时间，使其有可能到达海平面(Leiferetal.,2006)。除此之外还发现气泡羽状流的归宿受羽状流成分的控制(LeiferandMacdonald,2003)，含油的气泡可能会到达海面，例如在墨西哥湾海面上出现的浮油气泡(Solomonetal.,2009;Romeretal.,2019a)。虽然纯净甲烷气泡(无表面活性剂)运移速度快，但是气泡尺寸随时间变化速度快，容易破裂(LeiferandPatro,2002)。——论文作者：赵文宇1,2,3,童思友3,陈江欣1,2*,吴能友1,2,宋海斌4,贾永刚5,徐华宁1,2,段旻良1,2,3,刘斌6,陈珊珊1
