CN116738136B - 一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法,包括S1、现场观测数据的获取与处理；S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算；S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算；S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算；通过本发明的技术方案，本发明基于深海现场原位观测数据分析，实现了内孤立波作用下海底甲烷释放量的精准计算。本发现针对性的提出内孤立波作用下的再悬浮沉积物里面的游离甲烷气体和内孤立波影响下温度和压力作用下水合物分解甲烷气体的双重释放机制，并分别给出相应的数据方法和计算公式，从而定量化的描述了内孤立波作用下海底甲烷气体释放量。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程地质研究技术领域，具体而言，特别涉及一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法。
背景技术
近年来，内孤立波的对海底作用成为海洋研究热点，尤其在中国南海，海洋内孤立波是一种在海洋中常见而又极其重要的波动现象，波长范围从几千米到几百千米不等，能够产生极强的底部垂向流速，造成海底温度、压力变化，南海的内孤立波可扰动近千米的深海沉积物。海底水合物赋存区的表层沉积物往往赋存了大量的溶解态甲烷，而底层强流往往引起海底沉积物侵蚀再悬浮后；同时水合物赋存区往往有在海底表面形成了二次天然气水合物，相比于赋存在深部沉积物中的天然气水合物，这些天然气水合物对温度和压力条件变化更加敏感。而内孤立波的现场观测和数值模型均证明，内孤立波在传播过程中会造成海底突增的流速、改变海底的瞬时压力，并且将上层温度较高的海水带到下层，这一能量传播和耗散特点恰恰与海底沉积物再悬浮和天然气水合物分解条件吻合。
甲烷气体是海水中重要的碳源之一，甲烷的释放会使周围的海水溶解甲烷浓度升高，氧化后会使海水中二氧化碳浓度随之升高，会造成海底生物环境的变化，同时甲烷在沉积物释放过程中，会引起沉积物中孔隙水的地球化学异常，这与海底碳酸盐、锰结核的形成有着密切的联系。目前内孤立波对甲烷气体释放量的研究在世界范围内是空白，没有相应的计算公式和方法基础。本发明团队在2020年在中国南海水深655m的深海，布放了监测设备并首次监测到了内孤立波对甲烷气体释放量的影响，并根据观测的现场数据分析首次提出相应的计算方法。本发明将填补内孤立波对海底甲烷气体释放量的计算方法研究的空白，我们基于现场观测数据分析不仅可以获得全海深观测内孤立波诱发海底甲烷释放规律，还可以计算其定量关系。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
S1、现场观测数据的获取与处理：
对获取的现场数据进行处理，提取的数据包括流速剖面数据、底层压力、底层温度、底层浊度以及溶解甲烷浓度，其中流速剖面数据来识别内孤立波的信号；
内孤立波产生的流速计算公式为：
其中U是总水平流速，UISW，是内孤立波在水平方向的流速，WISW是内孤立波在垂直方向上的流速，W是总垂直流速，是1min内平均流速，/>是1min内垂直流速，u和v是东西方向和南北方向流速；
S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算：
S21、对海底压力、温度、浊度和溶解甲烷数据进行频谱分析，进一步确定其周期信号特征。使用的方法是各自的数据减去其平均值后的数据，然后使用快速傅里叶变换得到压力、温度、浊度、溶解甲烷浓度的频谱图，得到频谱图后再利用四阶巴特沃斯滤波法进行滤波，采用高通滤波的方式进行；
具体转化公式如下：
其中f(t)是时间域的函数，F(w)是频率域的函数，eiwt逆变换值；
S22、将内孤立波经过前后溶解甲烷的质量浓度(PISW2-PISW1)积分可以得到某个时间段内底层海水的溶解甲烷变化量，因此将时间选取在内孤立波扰动周期内，即得到一次内孤立波过程引起的海底甲烷释放通量FCH4，该计算公式为：
FCH4＝∑t，t+T(PISW2-PISW1)hΔt
其中，PISW2-PISW1是所述内孤立波作用下在悬浮沉积物中的海底甲烷浓度变化值；Δt表示积分求和的最小步长，即数据采集时间；h是海水单位深度，取1m，假设海底边界层1m范围的海水溶解甲烷浓度是均匀的；T表示内孤立波作用导致海底甲烷释放的影响周期，会随着不同时长和强度的内孤立波作用有不同取值；
S23、计算整个南海北部陆坡水合物赋存区在内孤立波影响下再悬浮沉积物中甲烷的释放量(mCH4)，计算公式如下：
其中，AH是南海北部陆坡的面积；M(CH4)是甲烷的相对分子质量16；
S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算：
对于压力的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程压力变化视为内孤立波作用扰动的等效压力平均值；对于温度的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程温度变化视为内孤立波作用扰动的等效温度平均值；
需要确定处于临界状态的海床表层水合物在的相态平衡公式：
ln peq＝(-1.94138504464560*105
+3.31018213397926*103*Teq
-2.25540264493806*101*Teq 2
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-1.30465829788791*10-4*Teq 4
+8.86065316687571*10-8*Teq 5)
水合物降压分解的动力学方程选取Kim-Bishnoi模型：
γg＝kdAs(p-pe)
其中，γg为单位时间单位体积水合物分解产甲烷气的摩尔质量，kd为水合物动力学反应速率，As为水合物分解比表面积，k0为水合物动力学反应常数，R为气体常数，T为开尔文温度，ΔEa是反应活化能，pe为水合物平衡压强，p是实际赋存状态下的压强；
As＝ΦShAgeo
Φ是多孔介质的孔隙比，Sh为水合物的初始饱和度；Ageo表示单位体积多孔介质比表面积；
S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算：
内孤立波对海底甲烷气体的释放主要是两个方面引起的，一种是内孤立波直接作用于海底表层沉积物，造成海底表层沉积物的再悬浮，随着沉积物颗粒中的溶解态甲烷随之解离释放到海水中；另一方面，内孤立波造成的海底温度升高和压力降低，形成了向上的压力梯度，温度和压力变化影响了海底水合物的分解，促使甲烷释放；
因此内孤立波作用下的海底甲烷气体释放量是两部分的综合，即
M＝mCH4+mCH4，s
其中M表示内孤立波作用下海底甲烷气体释放量；mCH4表示悬浮沉积物中甲烷释放量；mCH4，s表示水合物分解中甲烷释放量。
作为优选方案，步骤S1中流速剖面数据来识别内孤立波的信号，具体方法如下：对原始流速剖面信息进行垂向平均处理，平均时间为1分钟，原始流速剖面数据减去垂向平均数据，获得斜压流速信号，在水平方向流速上，在短时间内的突增的斜压流速，在垂向流速上，垂直方向的脉动流速具有短期相反的流速结构，左右对称。
作为优选方案，步骤S3中的水合物平衡压强pe，通过水合物平衡相态拟合公式可得到确定温度下的平衡压强数值。
作为优选方案，步骤S3中当pe-p为正时，判断该状态下水合物发生分解，当pe-p为负时对应状态水合物不会发生分解。
进一步地，步骤S3中水合物分解过程包括压力扰动和温度扰动造成的水合物分解两部分，具体包括以下步骤：
S31、计算内孤立波造成的降压扰动对应的水合物分解量。确定压力差后可以带入以上水合物分解动力学公式，压力差如下：
Δpi，su，p＝Pe
其中Δpisw，p是内孤立波作用下的压力差，即经过高频滤波后观测到的压力变化Pθ；
S32、计算内孤立波造成的升温扰动对应的水合物分解量；带入水合物分解的温压平衡公式等效代替：
其中Δpisw，T是内孤立波作用下的温度扰动对应的等效压力扰动；
S33、分别计算温度扰动和压力扰动导致的海床表层水合物的分解通量，即将以上公式联立，可得：
其中FCH4，S为单位面积单位时间水合物的分解量，即水合物分解的摩尔气体通量；h0是有水合物赋存的海床表层沉积物前提下，压力或者温度扰动可以影响到的等效值深度；
其中，mCH4·S是水合物分解中甲烷释放量；FCH4·S是水合物分解单位面积的分解；M(CH4)是甲烷的相对分子质量16。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：本发明基于深海现场原位观测数据分析，实现了内孤立波作用下海底甲烷释放量的精准计算。本发现针对性的提出内孤立波作用下的再悬浮沉积物里面的游离甲烷气体和内孤立波影响下温度和压力作用下水合物分解甲烷气体的双重释放机制，并分别给出相应的数据方法和计算公式，从而定量化的描述了内孤立波作用下海底甲烷气体释放量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明所述技术路线图；
图2为本发明所述内孤立波作用下流速剖面图；
图3为本发明所述内孤立波作用下悬浮沉积物过程中底层压力、温度、浊度和甲烷浓度数据图；
图4为本发明所述内孤立波作用下水合物分解中温度、压力和等效温度、压力图；
图5为本发明所述内孤立波作用下海底甲烷气体释放示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图5对本发明的实施例的内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法进行具体说明。
本发明提出了S1、现场观测数据的获取与处理
本实施例中以中国南海水合物试采区655m处的海底观测数据为例，对获取的数据进行处理，其中提取的数据有流速剖面数据、底层压力、底层温度、底层浊度以及溶解甲烷浓度。其中流速剖面数据来识别内孤立波的信号。利用流速剖面判定内孤立波的信号具体方法如下：
对原始流速剖面信息进行垂向平均处理，平均时间为1分钟，因为内孤立波的时间为10-30分钟，不能做长时间平均。原始流速剖面数据减去垂向平均数据，可以获得斜压流速信号，在水平方向流速上，在短时间内的突增的斜压流速，而且水体上下分层流速相反在南海北部陆坡的下凹型内孤立波一般是上层海水流向西，下层海水流向东。在垂向流速上，垂直方向的脉动流速具有短期相反的流速结构，左右对称。经以上处理方法后，内孤立波产生的流速计算公式为：
其中U是总水平流速，UISW是内孤立波在水平方向的流速，WISW是内孤立波在垂直方向上的流速，W是总垂直流速，是1min内平均流速，/>是1min内垂直流速，u和v是东西方向和南北方向流速；
S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算：
对海底压力、温度、浊度和溶解甲烷数据进行频谱分析，可以进一步确定其周期信号特征。使用的方法是各自的数据减去其平均值后的数据，然后使用快速傅里叶变换得到压力、温度、浊度、溶解甲烷浓度的频谱图，得到频谱图后再利用四阶巴特沃斯滤波法进行滤波，采用高通滤波的方式进行。
具体转化公式如下：
其中f(t)是时间域的函数，F(w)是频率域的函数，eiwt逆变换值；
将内孤立波经过前后溶解甲烷的质量浓度(PISW2-PISW1)积分可以得到某个时间段内底层海水的溶解甲烷变化量，因此将时间选取在内孤立波扰动周期内，即得到一次内孤立波(组)过程引起的海底甲烷释放通量(FCH4)，该计算公式为：
FCH4＝∑t，t+T(PISW2-PISW1)hΔt
考虑到采集到的不连续的甲烷浓度数据，因此使用不连续积分的方法，公式目的是将内孤立波作用期间的甲烷浓度值积分，作为一个内孤立波周期内海底甲烷释放量。其中，PISW2-PISW1是所述内孤立波作用下悬浮沉积物中的海底甲烷浓度变化值；Δt表示积分求和的最小步长，即数据采集时间，5s。h是海水单位深度，取1m，假设海底边界层1m范围的海水溶解甲烷浓度是均匀的；T表示内孤立波作用导致海底甲烷释放的影响周期，会随着不同时长和强度的内孤立波作用有不同取值。
据此可以进一步计算整个南海北部陆坡水合物赋存区在内孤立波影响下再悬浮沉积物中甲烷的释放量(mCH4)，计算公式如下：
其中，AH是南海北部陆坡的面积，该面积是较为粗略的估算，主要是南海北部内孤立波经过的海域，主要包括水深50～3000m的海域，使用Google Earth软件计算整个南海北部陆坡的面积约为5×105km2；M(CH4)是甲烷的相对分子质量16。内孤立波基本平均每天一个到达南海北部陆坡，因此一年中大约有365个内孤立波。本实例中得到内孤立波作用下南海北部陆坡海底甲烷释放量为1.85～10.05×104Mg·yr-1，平均为4.41×104Mg·yr-1。约占全世界海底甲烷年度释放量的1.2‰。
S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算
海底水合物赋存区的海床中有表层水合物埋藏或出露，而且在该地区的水合物处于临界分解状态。即认为稍有温度和压力的扰动水合物便会分解。对于压力的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程压力变化视为内孤立波作用扰动的等效压力平均值。对于温度的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程温度变化视为内孤立波作用扰动的等效温度平均值。
需要确定处于临界状态的海床表层水合物在的相态平衡公式
ln peq＝(-1.94138504464560*105
+3.31018213397926*103*Teq
-2.25540264493806*101*Teq 2
+7.67559117787059*10-2*Teq 3
-1.30465829788791*10-4*Teq 4
+8.86065316687571*10-8*Teq 5)
水合物分解是化学过程，该过程可以通过动力学指标表述。水合物降压分解的动力学方程一般选取Kim-Bishnoi模型
γg＝kdAs(p-pe)
其中，γg为单位时间单位体积水合物分解产甲烷气的摩尔质量，kd为水合物动力学反应速率，As为水合物分解比表面积，k0为水合物动力学反应常数，R为气体常数，T为开尔文温度，ΔEa是反应活化能。
pe为水合物平衡压强，通过水合物平衡相态拟合公式可得到确定温度下的平衡压强数值。p是实际赋存状态下的压强，可知当pe-p为正时，可判断该状态下水合物发生分解，当pe-p为负时对应状态水合物不会发生分解。
As＝ΦShAgeo
Φ是多孔介质的孔隙比，Sh为水合物的初始饱和度；Ageo表示单位体积多孔介质比表面积。
该分解过程包括压力扰动和温度扰动造成的水合物分解两部分。
首先，计算内孤立波造成的降压扰动对应的水合物分解量。确定压力差后可以带入以上水合物分解动力学公式，压力差如下：
Δpisw，p＝Pθ
其中Δpisw，p是内孤立波作用下的压力差，即经过高频滤波后观测到的压力变化Pθ。
然后，计算内孤立波造成的升温扰动对应的水合物分解量。因为是压力驱动下的水合物分解动力学公式，无法直接计算温度扰动产生的作用，所以需要将要温度扰动作用转化为等效的压力扰动，转化方法是带入水合物分解的温压平衡公式等效代替：
其中Δpisw，T是内孤立波作用下的温度扰动对应的等效压力扰动。
最后，分别计算温度扰动和压力扰动导致的海床表层水合物的分解通量，即将以上公式联立，可得：
其中FCH4，S为单位面积单位时间水合物的分解量，即水合物分解的摩尔气体通量；h0是有水合物赋存的海床表层沉积物前提下，压力或者温度扰动可以影响到的等效值深度；
其中，mCH4·S是水合物分解中甲烷释放量；FCH4·S是水合物分解单位面积的分解；M(CH4)是甲烷的相对分子质量16。根据南海北部陆坡海域，已划出6个天然气水合物成矿远景区带，总面积达14.84万平方公里，因此这里水合物面积取值1.484×105km2.
本实例中，内孤立波作用下海底水合物分解产生的甲烷气体平均释放量的为3.54×103Mg·yr-1。
S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算：
内孤立波对海底甲烷气体的释放主要是两个方面引起的，一种是内孤立波直接作用于海底表层沉积物，造成海底表层沉积物的再悬浮，随着沉积物颗粒中的溶解态甲烷随之解离释放到海水中。另一方面，内孤立波造成的海底温度升高和压力降低，形成了向上的压力梯度，温度和压力变化影响了海底水合物的分解，促使甲烷释放。
因此内孤立波作用下的海底甲烷气体释放量是两部分的综合，即
M＝mCH4+mCH4，s
其中M表示内孤立波作用下海底甲烷气体释放量；mCH4表示悬浮沉积物中甲烷释放量；mCH4，s表示水合物分解中甲烷释放量。
经计算，本实例中，内孤立波作用下甲烷气体释放量为4.764×104Mg.yr-1。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法，其特征在于,具体包括以下步骤：S1、现场观测数据的获取与处理：
对获取的现场数据进行处理，提取的数据包括流速剖面数据、底层压力、底层温度、底层浊度以及溶解甲烷浓度，其中流速剖面数据来识别内孤立波的信号；
内孤立波产生的流速计算公式为：
其中U是总水平流速，UISW是内孤立波在水平方向的流速，WISW是内孤立波在垂直方向上的流速，W是总垂直流速，是1min内平均流速，/>是1min内垂直流速，u和v是东西方向和南北方向流速；
S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算：
S21、对海底压力、温度、浊度和溶解甲烷数据进行频谱分析，进一步确定其周期信号特征；使用的方法是各自的数据减去其平均值后的数据，然后使用快速傅里叶变换得到压力、温度、浊度、溶解甲烷浓度的频谱图，得到频谱图后再利用四阶巴特沃斯滤波法进行滤波，采用高通滤波的方式进行；
具体转化公式如下：
其中f(t)是时间域的函数，F(w)是频率域的函数，eiwt逆变换值；
S22、将内孤立波经过前后溶解甲烷的质量浓度(PISW2-PISW1)积分能够得到某个时间段内底层海水的溶解甲烷变化量，因此将时间选取在内孤立波扰动周期内，即得到一次内孤立波(组)过程引起的海底甲烷释放通量(FCH4)，该计算公式为：
FCH4＝∑t，t+T(PISW2-PISW1)hΔt
其中，PISW2-PISW1是所述内孤立波作用下在悬浮沉积物中的海底甲烷浓度变化值；Δt表示积分求和的最小步长，即数据采集时间；h是海水单位深度，取1m，假设海底边界层1m范围的海水溶解甲烷浓度是均匀的；T表示内孤立波作用导致海底甲烷释放的影响周期，会随着不同时长和强度的内孤立波作用有不同取值；
S23、计算整个南海北部陆坡水合物赋存区在内孤立波影响下再悬浮沉积物中甲烷的释放量(mCH4)，计算公式如下：
其中，AH是南海北部陆坡的面积；M(CH4)是甲烷的相对分子质量16；
S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算：
对于压力的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程压力变化视为内孤立波作用扰动的等效压力平均值；对于温度的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程温度变化视为内孤立波作用扰动的等效温度平均值；
需要确定处于临界状态的海床表层水合物在的相态平衡公式：
ln peq＝(-1.94138504464560*105+3.31018213397926*103*Teq-2.25540264493806*101*Teq 2+7.67559117787059*10-2*Teq 3-1.30465829788791*10-4*Teq 4+8.86065316687571*10-8*Teq 5)
水合物降压分解的动力学方程选取Kim-Bishnoi模型：
γg＝kdAs(p-pe)
其中，γg为单位时间单位体积水合物分解产甲烷气的摩尔质量，kd为水合物动力学反应速率，As为水合物分解比表面积，k0为水合物动力学反应常数，R为气体常数，T为开尔文温度，ΔEa是反应活化能，pe为水合物平衡压强，p是实际赋存状态下的压强；
As＝ΦShAgeo
Φ是多孔介质的孔隙比，Sh为水合物的初始饱和度；Ageo表示单位体积多孔介质比表面积；水合物分解过程包括压力扰动和温度扰动造成的水合物分解两部分，具体包括以下步骤：
S31、计算内孤立波造成的降压扰动对应的水合物分解量；确定压力差后带入以上水合物降压分解的动力学方程，压力差如下：
Δpisw，p＝Pθ
其中Δpisw，p是内孤立波作用下的压力差，即经过高频滤波后观测到的压力变化Pθ；
S32、计算内孤立波造成的升温扰动对应的水合物分解量；带入水合物分解的温压平衡公式等效代替：
其中ΔPisw，T是内孤立波作用下的温度扰动对应的等效压力扰动；
S33、分别计算温度扰动和压力扰动导致的海床表层水合物的分解通量，即将以上公式联立，可得：
其中FCH4，S为单位面积单位时间水合物的分解量，即水合物分解的摩尔气体通量；h0是有水合物赋存的海床表层沉积物前提下，压力或者温度扰动影响到的等效值深度；
其中，mCH4，S是水合物分解中甲烷释放量；FCH4，S是水合物分解单位面积的分解；是甲烷的相对分子质量16；
S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算：
内孤立波对海底甲烷气体的释放主要是两个方面引起的，一种是内孤立波直接作用于海底表层沉积物，造成海底表层沉积物的再悬浮，随着沉积物颗粒中的溶解态甲烷随之解离释放到海水中；另一方面，内孤立波造成的海底温度升高和压力降低，形成了向上的压力梯度，温度和压力变化影响了海底水合物的分解，促使甲烷释放；因此内孤立波作用下的海底甲烷气体释放量是两部分的综合，即
M＝mCH4+mCH4，S
其中M表示内孤立波作用下海底甲烷气体释放量；mCH4表示悬浮沉积物中甲烷释放量；mCH4，S表示水合物分解中甲烷释放量。
2.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法,其特征在于,所述步骤S1中流速剖面数据来识别内孤立波的信号，具体方法如下：对原始流速剖面信息进行垂向平均处理，平均时间为1分钟，原始流速剖面数据减去垂向平均数据，获得斜压流速信号，在水平方向流速上，在短时间内的突增的斜压流速，在垂向流速上，垂直方向的脉动流速具有短期相反的流速结构，左右对称。
3.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法,其特征在于,所述步骤S3中的水合物平衡压强pe，通过水合物平衡相态拟合公式可得到确定温度下的平衡压强数值。
4.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法,其特征在于,所述步骤S3中当pe–p为正时，判断该状态下水合物发生分解，当pe–p为负时对应状态水合物不会发生分解。
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