深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法

1.本发明涉及海洋环境生态工程技术领域，特别是涉及一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法。


背景技术：

2.甲烷是比二氧化碳温室效应强二十多倍的温室气体，研究表明，海底甲烷释放可进入上覆水环境，甚至大气环境。目前全球甲烷和碳循环模型中较少来自海底甲烷释放的估算偏低。主要原因是对海底甲烷的释放的循环模式，尤其是沉积层-海水界面甲烷复杂的物理-化学-生物转换规律认识不清楚。由于深海进入的困难，以及长周期、大范围观测面临成本高，大型仪器装备运维难度大等难题，迫切需要对深海甲烷释放过程进行长周期连续原位模拟、参数在线监测的装置与技术方法，建立准确的海底甲烷循环核算方法。
3.现有公开的甲烷核算方法中，大体是废弃物焚烧处理产生的甲烷排放的核算方法等陆地大气环境中的核算方法，虽然可以针对废弃物焚烧处理产生的甲烷排放进行全面有效的核算，以解决现有废弃物焚烧处理产生的温室气体排放核算不全面的问题，建立健全温室气体统计核算制度和体系，但其并并未考虑深海甲烷实际的迁移转化过程，不适用于深海环境。


技术实现要素：

4.本发明为了解决以上至少一种技术缺陷，提供一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法，建立了在深海原位的温度、压力条件下，甲烷渗漏长周期连续过程模拟装置，建立能够适应不同深度的甲烷核算方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础装置和方法。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，包括连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元、增压单元和数据采集与显示单元；其中：
7.所述连续式流体供应单元用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到所述渗漏过程模拟与监测单元中；
8.所述渗漏过程模拟与监测单元用于模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程；并通过渗漏模拟实时记录各项环境参数条件，并且取样分析各项溶解性无机碳及各项金属离子含量变化；
9.所述增压单元与所述连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元均相连，保证模拟过程装置内部环境压力稳定一致；
10.所述数据采集与显示单元与所述连续式流体供应单元、所述渗漏过程模拟与监测单元、所述增压单元电性连接，用于实现甲烷渗漏模拟过程中对各个单元进行控制操作及各项环境数据信息的监控、采集和处理，完成对整个甲烷循环的表征过程。
11.上述方案中，提出一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，实现了在深海原位
温度、压力条件下，采用开放体系模式对甲烷渗漏过程进行连续模拟；开放体系模式有助于微生物介导的甲烷厌氧氧化过程中的代谢废物排除，有助于提高甲烷氧化的效率，且各项边界条件更接近于真实环境海底甲烷的渗漏过程；同时，通过对模拟过程中各项环境数据信息进行监控、采集和处理，建立能够适应不同深度的甲烷核算方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础装置和方法。
12.上述方案中，相对于封闭式的甲烷渗漏过程模拟，本方案在开放体系模式下，进行深海底甲烷渗漏过程的模拟，更加接近真实条件下甲烷渗漏过程中，渗漏的环境介质与周围流体有物质交换的特点；相对于封闭式环境模拟，本方案中参与甲烷渗漏过程的微生物的代谢废物得到及时的排除，且能实时得到必要的营养物质，有利于提高微生物介导的甲烷厌氧氧化过程效率。
13.其中，所述连续式流体供应单元包括气液溶解容器、注入泵、低温水浴容器、机械搅拌装置、背压阀、微流泵和海水培养基配置容器；其中：
14.为了接近真实海底情况下，含甲烷流体渗流进入渗漏区时同周围环境介质温差较小的特点，所述气液溶解容器置于低温水浴容器中，保证含甲烷流体进入渗漏过程模拟与监测单元时不会由于温差引起热流扰动，对模拟过程产生影响；气液溶解容器设置有气体进口、液体进口和液体出口；气液溶解容器通过气体进口与所述增压单元相连；气液溶解容器通过液体进口与所述海水培养基配置容器、注入泵依次连接；气液溶解容器通过液体出口与微流泵连接，通过微流泵向所述连续式流体供应单元微流量地注入饱和甲烷流体；
15.所述气液溶解容器内部设置有温度传感器、压力传感器，用于监测气液溶解容器内部的温度及压力数据并发送至所述数据采集与显示单元；
16.所述机械搅拌装置配置在所述气液溶解容器顶部，用于增强气液溶解容器内的溶质溶解；
17.所述背压阀设置在所述气液溶解容器顶部，用于保证气液溶解容器处于设定压力条件下完成溶解过程。
18.其中，在所述连续式流体供应单元模拟过程中，气液溶解容器的温度设置同所述渗漏过程模拟与监测单元一致，同为海底实际温度，但其压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在气液溶解容器中形成甲烷水合物。
19.其中，所述渗漏过程模拟与监测单元包括由上部海水环境模拟腔与下部沉积物环境模拟腔两部分法兰连接而成的深海沉积物-海水界面过程模拟釜、可视窗、多孔烧结板、电阻率测量系统、第二温度传感器、甲烷、二氧化碳传感器、颗粒成像传感器、pid阀和气液收集罐；其中：
20.所述可视窗设置在深海沉积物-海水界面过程模拟釜上，由上部海水环境模拟腔与下部沉积物环境模拟腔形成沉积物海水界面处，便于观测沉积物-海水界面甲烷水合物的形成情况；
21.所述多孔烧结板设置在沉积物海水界面处，用于防止甲烷渗漏过程中，下部沉积物环境模拟腔内的物质如海泥等在渗流扰动下运移至上部海水环境模拟腔中；
22.所述电阻率测量系统设置在下部沉积物环境模拟腔内，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元；
23.在上部海水环境模拟腔和下部沉积物环境模拟腔中，均设置有第二温度传感器，用于监测甲烷渗漏模拟过程内的环境温度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元；同时，在上部海水环境模拟腔还设置有甲烷、二氧化碳传感器和颗粒成像传感器，用于用于监测上部海水环境模拟腔的甲烷浓度和二氧化碳浓度变化及监测海水环境中甲烷水合物颗粒形成分布情况，并发送至所述数据采集与显示单元；
24.所述pid阀设置在所述深海沉积物-海水界面过程模拟釜与所述气液收集罐连接的管道上，用于进行pid调控，保证渗漏过程模拟与监测单元在整个渗漏过程中深海沉积物-海水界面过程模拟釜内的压力稳定；
25.所述气液收集罐具备压力和温度监控的功能，用于收集和计量从深海沉积物-海水界面过程模拟釜内排出的气液体积；
26.在下部沉积物环境模拟腔底部设置有气体进口，通过气体进口与所述增压单元相连。
27.在整个渗漏过程模拟中，深海沉积物-海水界面过程模拟釜的进出口同时打开，保持连续渗漏的过程，在接近真实海底环境提哦案件下，模拟甲烷渗漏的环境介质与周围环境的物质交换情况。
28.其中，在所述渗漏过程模拟与监测单元中，为了方便可视窗观测，深海沉积物-海水界面过程模拟釜的温度控制采用夹套式水浴的方式，即在深海沉积物-海水界面过程模拟釜的周围布置水浴夹套，水浴夹套中填充循环制冷液，且水浴夹套的外壁设置保温层，保证上部海水环境模拟腔与下部沉积物环境模拟腔内的低温环境。
29.其中，所述电阻率测量系统在下部沉积物环境模拟腔采用空间布点方式进行设置，沉积物内均匀布置3层测点，每层测点布置有5
×
5＝25个电阻率探头，每个电阻率探头的输出端均与所述数据采集与显示单元电性连接，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至数据采集与显示单元。
30.其中，所述气液溶解容器、深海沉积物-海水界面过程模拟釜均为耐压容器。
31.其中，所述增压单元包括空压机、增压泵、储气罐、调整阀及管阀件；其中：
32.所述增压单元通过管阀件与所述连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元的气体进口连接；所述空压机通过所述增压泵与所述储气罐输入端连接；所述储气罐输出端上设置有调整阀，通过调整阀与所述管阀件连接，用于向连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元的注入特定的气体。
33.上述方案中，数据采集与显示单元包括数据采集器、数据中央处理器、操作电脑等实现甲烷渗漏模拟过程中各项环境数据信息变化的监控、以及实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
34.上述方案中，本装置所涉及的深海甲烷连续式渗漏过程模拟方法主要包括一下过程：
35.首先，自下而上装配渗漏过程模拟与监测单元，依次在下部沉积物环境模拟腔中填充实际的深海甲烷渗漏区的沉积物，或者人工模拟的深海沉积物。若为人工配置的沉积物，需向深海沉积物-海水界面过程模拟釜内注入参与甲烷厌氧氧化的微生物富集液。在沉积物和海水界面安放好多孔烧结板，容许气液从下部沉积物环境模拟腔运移至上部海水环境模拟腔中，但阻止固体沉积物运移至上层海水环境中。然后在上部海水环境模拟腔中填
充好实际或者人工配置的深海海水。然后开启水浴制冷系统，使得渗漏过程深海沉积物-海水界面过程模拟釜内的温度保持与深海底部温度条件一致。然后打开增压单元，向深海沉积物-海水界面过程模拟釜内注入氮气，使釜内的压力值增加至深海底的压力条件一致。然后向配置好的供微生物生长的海水培养基配置容器和甲烷气体注入至连续式流体供应单元中，并且通过定压控制，使得气液溶解容器中的压力不超过设定值。开启气液溶解容器的水浴制冷系统，使得气液溶解容器中的温度值与深海沉积物-海水界面过程模拟釜内的温度一致。然后开启机械搅拌，待气液溶解容器中的甲烷达到饱和时，依次打开气液溶解容器的出口、微流泵、渗漏过程模拟釜的进口、和出口，以较缓速度向深海沉积物-海水界面过程模拟釜内连续注入含甲烷流体。
36.在整个模拟过程中，通过定压控制，保持深海沉积物-海水界面过程模拟釜内的压力条件保持恒定，且与深海实际环境条件一致。在整个过程中，深海沉积物-海水界面过程模拟釜的液体进入通道和出口都处于开启装置，模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程。通过渗漏模拟，实时记录各项环境参数条件，并且取样分析各项溶解性无机碳，及各项金属离子含量变化。
37.基于以上模拟过程，本发明还提出一种甲烷循环表征方法，甲烷循环表征方法具体表示为：
38.m
甲烷输入
＝q1t＝bρ
甲烷水合物v下腔
sh1 bρ
甲烷水合物
nv v
沉积物
x239. v
海水
x3 λ
甲烷氧化
t v1x440.其中，m
甲烷输入
表示甲烷输入质量；q1表示连续式流体供应单元向渗漏过程模拟与监测单元注入的流体流速，t表示甲烷渗漏模拟的时间；b为单位质量甲烷水合物中甲烷质量占比，ρ
甲烷水合物
表示甲烷水合物的密度，v
下腔
表示下部沉积物环境模拟腔的体积，sh1表示甲烷水合物的饱和度，bρ
甲烷水合物v下腔
sh1表示沉积层中甲烷水合物中的甲烷量；n表示单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数，v表示平均体积，bρ
甲烷水合物
nv表示海水中甲烷水合物中的甲烷量；v
沉积物
表示沉积物的体积，x2表示沉积物内的甲烷浓度，v
沉积物
x2表示沉积物孔隙水中溶解的甲烷量；v
海水
表示海水的体积，x3表示海水内的甲烷浓度，v
海水
x3表示海水中甲烷溶解量；λ
甲烷氧化
表示甲烷氧化速率，λ
甲烷氧化
t表示甲烷氧化量；v1表示气液收集罐内的液体量，x4表示甲烷溶解度，v1x4表示出口排除的甲烷量。如果模拟的海水深度范围较小，体系的压力值较低，如海水深度在600米以内，则不考虑水合物的形成过程，主要考量溶解和生物化学转化过程。
41.其中，sh1通过电阻率值变化进行估算，单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数n和平均体积v通过颗粒成像测得，颗粒成像是通过颗粒成像传感器多次拍摄，获得连续图像内的颗粒个数与体积分布，通过图像识别技术和统计计算获得水合物颗粒的个数值和平均体积；甲烷氧化速率λ
甲烷氧化
是通过实时取样的溶液中溶解性无机碳的浓度的实时变化值来进行表征，由此，得到深海甲烷渗漏过程中甲烷源汇守恒模型，用于精确表征深海甲烷渗漏过程中的甲烷循环过程。
42.其中，如果是人工填充的砂质沉积物，则直接根据阿尔奇公式对sh1进行估算，具体计算过程为：
43.44.其中，φ为孔隙度，a为阿尔奇系数，m为胶结指数，b为饱和指数，rw为地层水的电阻率，r
t
为底层电阻率；
45.如果是天然海泥沉积物，则采用修正的阿尔奇公式对sh1进行估算，具体计算过程表示为：
[0046][0047]
其中，φ为孔隙度，a为阿尔奇系数，rw为地层水的电阻率，r
t
为底层电阻率；k为沉积层中黏土矿物的组分，g，f，c均为常数。
[0048]
通过阿尔奇公示获得沉积层内各测点的水合物饱和度，根据体积差分法，认为该测点的水合物饱和度值代表该单元体积内值，然后整个沉积层内水合物体积为差分的小块沉积物体积与该体积内水合物饱和度的乘积的加和。
[0049]
上述方案中，本发明涉及的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置及甲烷循环表征方法，具备深海原位温度、压力环境条件下对甲烷渗漏的连续过程的模拟能力，改进现有海底甲烷相变过程如水合物形成模拟多为封闭体系，与真实海底连续反应环境有偏差的问题。同时对甲烷的物理、化学以及生物转化具备多参数在线监测和实时测量的能力，建立同时考虑物理和生物化学转化过程的海底甲烷循环核算方法；改进了现有的甲烷厌氧氧化等生物化学转化过程与甲烷相态转变等物理过程相脱节等问题，准确的认识海底甲烷释放的源汇机制，建立更准确的甲烷循环核算方法。
[0050]
本发明提出了对沉积层和海水环境中甲烷渗漏过程的各项参数条件进行在线监测和实时测量，考虑到人工填充沉积物和真实海底沉积物中甲烷水合物饱和度的测量与差分计算方法，并且提出了海水中甲烷水合物颗粒形成的监测和水合物质量的计算方法，充分考虑了甲烷在深海环境中，在沉积物、海水环境中发生溶解、相变、生物化学转化对甲烷循环过程的影响，并建立了完整的核算方法，根据此核算方法，可监测和计算海底甲烷渗漏过程中的源汇通量以及甲烷氧化的效率。
[0051]
本发明还提出了基于图像观测的海水环境中甲烷水合物颗粒形成的量的计算方法，能通过实时在线测量表征深海甲烷渗漏过程中，沉积层和海水环境中甲烷水合物形成量的精确表征；本发明还综合考虑了渗漏过程中甲烷物理和生物化学转化过程，提出了深海甲烷渗漏过程中的甲烷源汇项的各项计算方法，提出了甲烷循环表征模型。
[0052]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0053]
本发明提出了一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法，实现了在深海原位温度、压力条件下，采用开放体系模式对甲烷渗漏过程进行连续模拟；开放体系模式有助于微生物介导的甲烷厌氧氧化过程中的代谢废物排除，有助于提高甲烷氧化的效率，且各项边界条件更接近于真实环境海底甲烷的渗漏过程；同时，通过对模拟过程中各项环境数据信息进行监控、采集和处理，建立能够适应不同深度的甲烷核算方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础装置和方法。
附图说明
[0054]
图1为本发明所述系统结构示意图；
[0055]
图2为本发明所述采集过程连接示意图；
[0056]
图3为本发明所述表征方法的基本流程图；
[0057]
其中：1、连续式流体供应单元；11、气液溶解容器；12、注入泵；13、低温水浴容器；14、机械搅拌装置；15、背压阀；16、微流泵；17、海水培养基配置容器；18、温度传感器；19、压力传感器；2、渗漏过程模拟与监测单元；21、深海沉积物-海水界面过程模拟釜；211、上部海水环境模拟腔；212、下部沉积物环境模拟腔；22、可视窗；23、多孔烧结板；24、电阻率测量系统；25、第二温度传感器；26、甲烷、二氧化碳传感器；27、颗粒成像传感器；28、pid阀；29、气液收集罐；3、增压单元；4、数据采集与显示单元；5、水浴夹套。
具体实施方式
[0058]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0059]
本实施例为完整的使用示例，内容较丰富
[0060]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0061]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0062]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0063]
实施例1
[0064]
如图1、图2所示，一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，包括连续式流体供应单元1、渗漏过程模拟与监测单元2、增压单元3和数据采集与显示单元4；其中：
[0065]
所述连续式流体供应单元1用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到所述渗漏过程模拟与监测单元2中；所述渗漏过程模拟与监测单元2用于模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程；并通过渗漏模拟实时记录各项环境参数条件，并且取样分析各项溶解性无机碳及各项金属离子含量变化；所述增压单元3与所述连续式流体供应单元1、渗漏过程模拟与监测单元2均相连，保证模拟过程装置内部环境压力稳定一致；所述数据采集与显示单元4与所述连续式流体供应单元1、所述渗漏过程模拟与监测单元2、所述增压单元3电性连接，用于实现甲烷渗漏模拟过程中对各个单元进行控制操作及各项环境数据信息的监控、采集和处理，完成对整个甲烷循环的表征过程。
[0066]
在具体实施过程中，本实施例提出一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，实现了在深海原位温度、压力条件下，采用开放体系模式对甲烷渗漏过程进行连续模拟；开放体系模式有助于微生物介导的甲烷厌氧氧化过程中的代谢废物排除，有助于提高甲烷氧化的效率，且各项边界条件更接近于真实环境海底甲烷的渗漏过程；同时，通过对模拟过程中各项环境数据信息进行监控、采集和处理，建立能够适应不同深度的甲烷核算方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础装置和方法。
[0067]
在具体实施过程中，本实施例相对于封闭式的甲烷渗漏过程模拟，在开放体系模式下进行深海底甲烷渗漏过程的模拟，更加接近真实条件下甲烷渗漏过程中，渗漏的环境介质与周围流体有物质交换的特点；相对于封闭式环境模拟，本方案中参与甲烷渗漏过程的微生物的代谢废物得到及时的排除，且能实时得到必要的营养物质，有利于提高微生物介导的甲烷厌氧氧化过程效率。
[0068]
实施例2
[0069]
更具体的，在实施例1的基础上，如图1、图2所示，所述连续式流体供应单元1包括气液溶解容器11、注入泵12、低温水浴容器13、机械搅拌装置14、背压阀15、微流泵16和海水培养基配置容器17；其中：
[0070]
所述气液溶解容器11置于低温水浴容器13中，保证含甲烷流体进入渗漏过程模拟与监测单元2时不会由于温差引起热流扰动，对模拟过程产生影响；气液溶解容器11设置有气体进口、液体进口和液体出口；气液溶解容器11通过气体进口与所述增压单元3相连；气液溶解容器11通过液体进口与所述海水培养基配置容器17、注入泵12依次连接；气液溶解容器11通过液体出口与微流泵16连接，通过微流泵16向所述连续式流体供应单元1微流量地注入饱和甲烷流体；
[0071]
所述气液溶解容器11内部设置有温度传感器18、压力传感器19，用于监测气液溶解容器11内部的温度及压力数据并发送至所述数据采集与显示单元4；所述机械搅拌装置14配置在所述气液溶解容器11顶部，用于增强气液溶解容器11内的溶质溶解；所述背压阀15设置在所述气液溶解容器11顶部，用于保证气液溶解容器11处于设定压力条件下完成溶解过程。
[0072]
更具体的，在所述连续式流体供应单元1模拟过程中，气液溶解容器11的温度设置同所述渗漏过程模拟与监测单元2一致，同为海底实际温度，但其压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在气液溶解容器11中形成甲烷水合物。
[0073]
更具体的，所述渗漏过程模拟与监测单元2包括由上部海水环境模拟腔211与下部沉积物环境模拟腔212两部分法兰连接而成的深海沉积物-海水界面过程模拟釜21、可视窗22、多孔烧结板23、电阻率测量系统24、第二温度传感器25、甲烷、二氧化碳传感器26、颗粒成像传感器27、pid阀28和气液收集罐29；其中：所述可视窗22设置在深海沉积物-海水界面过程模拟釜21上，由上部海水环境模拟腔211与下部沉积物环境模拟腔212形成沉积物海水界面处，便于观测沉积物-海水界面甲烷水合物的形成情况；所述多孔烧结板23设置在沉积物海水界面处，用于防止甲烷渗漏过程中，下部沉积物环境模拟腔212内的物质在渗流扰动下运移至上部海水环境模拟腔211中；所述电阻率测量系统24设置在下部沉积物环境模拟腔212内，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元4；在上部海水环境模拟腔211和下部沉积物环境模拟腔212中，均设置有第二温度传感器25，用于监测甲烷渗漏模拟过程内的环境温度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元4；同时，在上部海水环境模拟腔211还设置有甲烷、二氧化碳传感器26和颗粒成像传感器27，用于用于监测上部海水环境模拟腔211的甲烷浓度和二氧化碳浓度变化及监测海水环境中甲烷水合物颗粒形成分布情况，并发送至所述数据采集与显示单元4；所述pid阀28设置在所述深海沉积物-海水界面过程模拟釜21与所述气液收集罐29连接的管道上，用于进行pid调控，保证渗漏过程模拟与监测单元2在整个渗漏过程中深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内的压力稳定；所述气液收集罐29具备压力和温度监控的功能，用于收集和计量从深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内排出的气液体积；在下部沉积物环境模拟腔212底部设置有气体进口，通过气体进口与所述增压单元3相连。
[0074]
在整个渗漏过程模拟中，深海沉积物-海水界面过程模拟釜21的进出口同时打开，保持连续渗漏的过程，在接近真实海底环境提哦案件下，模拟甲烷渗漏的环境介质与周围环境的物质交换情况
[0075]
更具体的，在所述渗漏过程模拟与监测单元2中，为了方便可视窗22观测，深海沉积物-海水界面过程模拟釜21的温度控制采用夹套式水浴的方式，即在深海沉积物-海水界面过程模拟釜21的周围布置水浴夹套5，水浴夹套5中填充循环制冷液，且水浴夹套5的外壁设置保温层，保证上部海水环境模拟腔211与下部沉积物环境模拟腔212内的低温环境。
[0076]
更具体的，所述电阻率测量系统24在下部沉积物环境模拟腔212采用空间布点方式进行设置，沉积物内均匀布置3层测点，每层测点布置有5
×
5＝25个电阻率探头，每个电阻率探头的输出端均与所述数据采集与显示单元4电性连接，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至数据采集与显示单元4。
[0077]
更具体的，所述气液溶解容器11、深海沉积物-海水界面过程模拟釜21均为耐压容器。
[0078]
更具体的，所述增压单元3包括空压机、增压泵、储气罐、调整阀及管阀件；其中：所述增压单元3通过管阀件与所述连续式流体供应单元1、渗漏过程模拟与监测单元2的气体进口连接；所述空压机通过所述增压泵与所述储气罐输入端连接；所述储气罐输出端上设置有调整阀，通过调整阀与所述管阀件连接，用于向连续式流体供应单元1、渗漏过程模拟与监测单元2的注入特定的气体。
[0079]
在具体实施过程中，数据采集与显示单元2包括数据采集器、数据中央处理器、操作电脑等实现甲烷渗漏模拟过程中各项环境数据信息变化的监控、以及实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
[0080]
在具体实施过程中，本装置所涉及的深海甲烷连续式渗漏过程模拟方法主要包括一下过程：
[0081]
首先，自下而上装配渗漏过程模拟与监测单元2，依次在下部沉积物环境模拟腔212中填充南海1400米水深环境实际的甲烷渗漏区的沉积物。在沉积物和海水界面安放好多孔烧结板23，容许气液从下部沉积物环境模拟腔212运移至上部海水环境模拟腔211中，但阻止固体沉积物运移至上层海水环境中。然后在上部海水环境模拟腔211中填充好实际或者人工配置的深海海水。然后开启水浴制冷系统，使得渗漏过程深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内的温度保持与深海底部温度条件一致：4℃。然后打开增压单元3，向深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内注入氮气，使釜内的压力值增加至14mpa。然后向配置好的供微生物生长的海水培养基配置容器17和甲烷气体注入至连续式流体供应单元中，并且通过定压控制，使得气液溶解容器11中的压力不超过设定值2mpa。开启气液溶解容器11的水浴制冷系统，使得气液溶解容器11中的温度值与深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内的温度一致：4℃。然后开启机械搅拌装置14，转速120转/分钟待气液溶解容器11中的甲烷达到饱和时，依次打开气液溶解容器11的出口、微流泵16、深海沉积物-海水界面过程模拟釜21的进口、和出口，以10ml/min的速度向深海沉积物-海水界面过程模拟釜21内连续注入含甲烷流体。
[0082]
在整个模拟过程中，通过定压控制，保持深海沉积物-海水界面过程模拟釜内21的压力条件保持恒定14mpa，且与深海实际环境条件一致。在整个过程中，深海沉积物-海水界面过程模拟釜21的液体进入通道和出口都处于开启装置，模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程。通过渗漏模拟，实时记录各项环境参数条件，并且取样分析各项溶解性无机碳，及各项金属离子含量变化。
[0083]
实施例3
[0084]
基于以上模拟过程，本实施例提出一种甲烷循环表征方法，具体过程如图3所示。其中，在整个连续式甲烷渗漏模拟过程中，甲烷循环表征方法具体表示为：
[0085]m甲烷输入
＝q1t＝bρ
甲烷水合物v下腔
sh1 bρ
甲烷水合物
nv v
沉积物
x2[0086]
v
海水
x3 λ
甲烷氧化
t v1x4[0087]
其中，m
甲烷输入
表示甲烷输入质量；q1表示连续式流体供应单元1向渗漏过程模拟与监测单元2注入的流体流速，t表示甲烷渗漏模拟的时间；b为单位质量甲烷水合物中甲烷质量占比，ρ
甲烷水合物
表示甲烷水合物的密度，v
下腔
表示下部沉积物环境模拟腔212的体积，sh1表示甲烷水合物的饱和度，bρ
甲烷水合物v下腔
sh1表示沉积层中甲烷水合物中的甲烷量；n表示单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数，v表示平均体积，bρ
甲烷水合物
nv表示海水中甲烷水合物中的甲烷量；v
沉积物
表示沉积物的体积，x2表示沉积物内的甲烷浓度，v
沉积物
x2表示沉积物孔隙水中溶解的甲烷量；v
海水
表示海水的体积，x3表示海水内的甲烷浓度，v
海水
x3表示海水中甲烷溶解量；λ
甲烷氧化
表示甲烷氧化速率，λ
甲烷氧化
t表示甲烷氧化量；v1表示气液收集罐29内的液体量，x4表示甲烷溶解度，v1x4表示出口排除的甲烷量；
[0088]
更具体的，sh1通过电阻率值变化进行估算，单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数n和平均体积v通过颗粒成像测得；甲烷氧化速率λ
甲烷氧化
是通过实时取样的溶液中溶解性无机碳的浓度的实时变化值来进行表征，由此，得到深海甲烷渗漏过程中甲烷源汇守恒模型，用于精确表征深海甲烷渗漏过程中的甲烷循环过程。
[0089]
本实施例中由于是天然海泥沉积物，故采用修正的阿尔奇公式对sh1进行估算，具体计算过程表示为：
[0090][0091]
其中，φ为孔隙度，a为阿尔奇系数，rw为地层水的电阻率，r
t
为底层电阻率；k为沉积层中黏土矿物的组分，g＝0.827，f＝2.662，c＝3.281。
[0092]
通过阿尔奇公示获得沉积层内各测点的水合物饱和度，根据体积差分法，认为该测点的水合物饱和度值代表该单元体积内值，然后整个沉积层内水合物体积为差分的小块沉积物体积与该体积内水合物饱和度的乘积的加和。
[0093]
在具体实施过程中，本发明涉及的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置及甲烷循环表征方法，具备深海原位温度、压力环境条件下对甲烷渗漏的连续过程的模拟能力，改进现有海底甲烷相变过程如水合物形成模拟多为封闭体系，与真实海底连续反应环境有偏差的问题。同时对甲烷的物理、化学以及生物转化具备多参数在线监测和实时测量的能力，建立同时考虑物理和生物化学转化过程的海底甲烷循环核算方法；改进了现有的甲烷厌氧氧化等生物化学转化过程与甲烷相态转变等物理过程相脱节等问题，准确的认识海底甲烷释放的源汇机制，建立更准确的甲烷循环核算方法。
[0094]
本实施例提出了对沉积层和海水环境中甲烷渗漏过程的各项参数条件进行在线监测和实时测量，考虑到人工填充沉积物和真实海底沉积物中甲烷水合物饱和度的测量与差分计算方法，并且提出了海水中甲烷水合物颗粒形成的监测和水合物质量的计算方法，充分考虑了甲烷在深海环境中，在沉积物、海水环境中发生溶解、相变、生物化学转化对甲烷循环过程的影响，并建立了完整的核算方法，根据此核算方法，可监测和计算海底甲烷渗
漏过程中的源汇通量以及甲烷氧化的效率。
[0095]
本实施例还提出了基于图像观测的海水环境中甲烷水合物颗粒形成的量的计算方法，能通过实时在线测量表征深海甲烷渗漏过程中，沉积层和海水环境中甲烷水合物形成量的精确表征；本发明还综合考虑了渗漏过程中甲烷物理和生物化学转化过程，提出了深海甲烷渗漏过程中的甲烷源汇项的各项计算方法，提出了甲烷循环表征模型。
[0096]
综上所述，本方案提出了一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法，实现了在深海原位温度、压力条件下，采用开放体系模式对甲烷渗漏过程进行连续模拟；开放体系模式有助于微生物介导的甲烷厌氧氧化过程中的代谢废物排除，有助于提高甲烷氧化的效率，且各项边界条件更接近于真实环境海底甲烷的渗漏过程；同时，通过对模拟过程中各项环境数据信息进行监控、采集和处理，建立能够适应不同深度的甲烷核算方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础装置和方法。
[0097]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。