海洋沉积物中天然气水合物分解释放气体的氧化特性研究

Gas hydrate, as a potential climate change factor, may exert a great negative impact on the global climate and marine ecological environment during its decomposition. However, the aerobic/anaerobic oxidation processes in marine sediments play an important role in consuming the released gases from gas hydrate decomposition. By far, little is done on the continuous high-pressure oxidation of released gases during gas hydrate decompostion continously in marine sediment, and the oxidation characteristics keep unkown. Here, we use the continuous high-pressure bioreactor integrated with hydrate formation-decomposition apparatus, conduct series experiments about the continuous high-pressure aerobic/anaerobic oxidation of C1~C3 hydrocarbons released from gas hydrate decomposition in sediments from South China Sea drilling area. During the experiments, the C1~C3 oxidation rates and carbon isotope fractionation factors can be obtained by real-time and on-line monitoring the C1~C3 contents and δ13C values in the formation/decomposition and oxidation of gas hydrate. Based on these experimental data, the oxidation rule of decomposed C1~C3 in marine sediment, the effect law of gas hydrate decomposition rates on gases oxidation, and the selective oxidation characteristics between 12C and 13C in the same guest molecule will be revealed. Finally, the oxidation characteristics of released gases from gas hydrate decomposition in marine sediment can be clarified, which may be helpful for the reasonable evaluation of negative environmental effects due to abnormal decomposition of marine gas hydrate.

天然气水合物是一个潜在的气候致变因子，其分解释放气体有可能对全球气候、海洋生态环境产生巨大的负面影响，而海底沉积物中好氧/厌氧氧化作用是消耗这些气体的一个重要过程。目前，尚未见针对天然气水合物动态分解释放气体在沉积物中连续高压氧化过程的研究，其氧化特性亦尚不清楚。本项目拟利用“水合物生成-分解与气体连续高压氧化”一体化实验装置，实验模拟C1~C3水合物分解气在南海钻探区沉积物中的连续高压厌氧/好氧氧化过程。通过对水合物生成-分解-氧化过程中气体含量和δ13C值的实时在线监测，计算水合物分解释放气体的氧化速率和碳同位素分馏因子，揭示海底沉积物层中水合物分解气体C1~C3的氧化规律、水合物分解速率对气体氧化过程的影响规律、以及同一客体分子内12C和13C原子的选择性氧化特性等，阐明天然气水合物分解释放气体在海洋沉积物中的氧化特性，为合理评估海洋天然气水合物异常分解的负面环境效应提供科学依据。

天然气水合物是21世纪的重要能源，作为温室气体甲烷的最大载体，其分解释放气体可能引发一系列的负面环境效应。水合物释放气体运移过程中的氧化作用可有效削弱气体通量，对缓解以甲烷为主的水合物分解气的环境效应具有重要意义。.本项目利用自主研制的实验装置，结合气相色谱及同位素质谱技术，模拟水合物生成-分解以及水合物分解气体氧化过程，探讨了海底沉积物层中水合物分解气体的氧化速率及氧化规律，获得温度、气体组分、氧含量、气体流速等对氧化速率的影响。同时，对水合物生成-分解-氧化过程中各阶段气体的δ13C和δD值进行监测，探讨气体碳氢同位素分馏效应，阐明同一客体分子内不同碳原子（12C、13C）及氢原子（1H、D）的选择性氧化特性。.研究结果表明：水合物的生成-分解过程中，气体（C1~C3）的碳氢同位素分馏效应并不十分显著，这为氧化实验中利用稳定同位素示踪技术研究水合物分解气体的氧化特性提供了科学依据。水合物分解释放气体的氧化过程中，气体流速和氧化温度是影响其氧化速率的主要因素，即温度和气体流速与氧化速率均呈正相关。此外，水合物分解释放气体（C1~C3）的氧化优先顺序为C1>C2>C3，降解速率C1>C2>C3。同时，伴随着烃类组分含量的减少，同一客体分子内不同碳原子及氢原子发生了选择性氧化，并呈现出不同程度的富集趋势。C1、C2和C3的碳同位素富集变化量分别为71.05‰、12.03‰和4.61‰，碳同位素分馏系数（εC）的平均值分别为-11.219‰、-2.951‰和-1.539‰。氢同位素富集变化量分别为368.64‰、156.00‰和111.97‰，氢同位素分馏系数（εH）的平均值分别为-56.092‰、-99.696‰和-73.303‰。可见，三者的碳同位素富集程度C1>C2>C3，而氢同位素富集程度C2>C3>C1。此外，气体碳氢同位素的分馏效应主要受氧化温度制约，分馏程度与温度呈正相关，因此，温度是影响气体碳氢同位素分馏规律的重要因素。.本项目通过模拟实验定量研究了水合物分解释放气体在海底沉积物中的氧化特性，有助于进一步认识水合物的异常分解对全球气候、海洋生态环境的负面影响，对准确评估其生态环境效应具有重要的科学意义。