甲烷分子结构
提到甲烷相信大家肯定都不陌生，它是天然气的组成成分，也是未来新能源可燃冰等的主要组成成分。它为我们的生活提供了便利，提高了生活质量，但是你对甲烷真的了解吗？近海沉积物中的甲烷又扮演着什么样的角色呢？
什么是甲烷
甲烷是一种无色、无味的气体，也是最简单的烷烃化合物。它由一个碳原子和四个氢原子组成，化学式为CH4。甲烷是一种非常稳定的化合物，具有低反应性和低毒性。它在常温下为气体状态，但在高压或低温条件下可以转化为液体或固体。
甲烷是天然气的主要成分，广泛存在于地下沉积物、油田、煤矿和沼泽等地方。它是一种重要的能源资源，被广泛用于燃料和化工工业。甲烷燃烧产生的二氧化碳和水蒸气相对较少，因此被认为是一种相对清洁的燃料。
同时甲烷也是一种强效的温室气体，它比二氧化碳的温室效应还要强大近30倍。它能够吸收并重新辐射地球上的热量，导致地球的温度上升，加剧全球气候变化，引发极端天气事件。2021年，大气中甲烷含量平均为1895.7ppb（1ppb为十亿分之一），比工业化时代前高约162%。据估计，大气中的甲烷有1%～5%来源于近海沉积物释放，随着大气中甲烷含量的持续增长，会进一步加剧全球变暖。
近海沉积物中的甲烷从哪里而“来”
甲烷在近海沉积物中形成的要过程是有机质的分解和产甲烷菌的活动。
首先，有机质的分解是指有机物在沉积物中被细菌和其他微生物分解的过程。当植物和动物死亡后，它们的残骸沉积在海底，在缺乏氧气的情况下，这些有机物质就会发生厌氧分解。这种分解过程会产生大量的有机小分子物质和二氧化碳（CO2），其中就包括产甲烷的前驱体。
其次，产甲烷菌也是甲烷在近海沉积物中形成的重要因素。这些微生物生活在厌氧的环境里，它们在有机质分解的过程中利用前体物质产生甲烷。产甲烷菌包括很多种，它们可以在特定的环境下利用二氧化碳和甲烷、乙酸、甲基化合物、甲氧基化合物及长链烷烃等产生甲烷。
最后，形成的甲烷会被包裹在沉积物的孔隙中，形成甲烷气泡或溶解在水中。在合适的储存条件下，气体也会聚集。
因此，甲烷在近海沉积物中形成的主要方式为有机质的分解和产甲烷菌的活动。甲烷在沉积物中以气泡或溶解气形式存在。
大气中甲烷含量增加会导致气候变化
近海沉积物中的甲烷在哪里“住”
近海沉积物中的生物成因甲烷通常以气囊、分散气泡或溶解态形式存在于沿海水域以及大陆架沉积物中，通常称为“浅层气”。其中沿海沉积物浅层气主要有两种存在形式，一种是以气囊的形式存在于下切河谷的冲蚀沟槽中，一般都具有较高的压力；另一种是以分散气泡和溶解气的形式存在于细粒沉积物（主要形成于全新世）或洪水事件等形成的细粒沉积物中。
气囊 在海平面上升期间，来自河流和沿海水域的细颗粒物被埋藏在浅水区域中或填入下切河谷、潟湖等，形成了富含有机碳的厚沉积层。海平面的波动导致粗颗粒和细颗粒的交替积累，形成底部富含有机质的细颗粒层、中部孔隙度高的粗颗粒砂层、顶部低渗透率的细颗粒层，这一沉积结构有利于气囊的形成。这也是在我国东部沿海，如江苏沿海、杭嘉绍平原等地区浅层气广泛分布的主要原因。一般来说，浅水沉积和下切河谷充填体中浅层气的形成和分布受第四纪海平面波动时期形成的地层结构控制。下切河谷的深度和宽度越大，沉积物就越厚，越有利于浅层气囊的形成。
近海地区浅层气主要赋存形式
分散气泡和溶解气 以分散气泡和溶解气形式存在的甲烷广泛分布于全球沿海细颗粒沉积物中，特别是三角洲地区。细粒沉积物中产生的甲烷首先以溶解气体的形式存在于孔隙水中，当产生足够的气体时，甲烷以小气泡的形式填充沉积物颗粒之间的空隙，形成含气沉积物。这是甲烷在近海沉积物中最常见的赋存形式，它只需要沉积物埋得足够深。一般来说，有机物从其来源到最终埋藏经历了反复的运输、沉积和再悬浮。即使在进入海洋后，有机物含量高的细颗粒也会被海浪和潮汐重新悬浮，并从河口运输到很远的地方。在这些重复循环中，生物和化学过程导致95%以上由初级生产和河流输入提供的有机碳矿化。相对而言，由于洪水或其他事件导致的短时间快速堆积而形成的沉积物是有利于产生甲烷的物质，因为从好氧环境到厌氧环境的快速转变所保留的有机物足够年轻，之后洪水或其他事件造成的厚沉积物为甲烷化提供了有利条件。在河流冲击平原上，经常受洪水影响的地区的甲烷和二氧化碳排放通量明显高于不受或很少受洪水影响的地区，表明高有机质含量的洪水成因沉积物具有较高的甲烷化潜力。
水中被冰封的甲烷气泡
近海沉积物中的甲烷会怎样“走”呢
甲烷在沉积物中的运移主要受到沉积物孔隙和裂隙以及环境条件的影响。
首先，甲烷会通过沉积物的孔隙和裂隙向水体中扩散。沉积物的孔隙结构和渗透性会影响甲烷的扩散速率。其次，沉积物孔隙水中的离子组成会对向上迁移的甲烷产生很大影响，向上缓慢扩散的甲烷基本都会在近海底沉积物中被甲烷氧化菌与硫酸盐还原菌的协同作用下消耗掉。而随裂隙进入水体的甲烷也会在微生物的作用下部分被消耗掉。
另外，潮汐、短期天气异常、季节水位变化、长时间尺度海平面波动等引起的静水压力变化对松散沉积物中浅层气体的释放也会有显著影响。水位的下降不仅降低了孤立气泡周围的有效应力，而且通过气泡的膨胀和变形推动气泡向上运移，导致上覆沉积物破裂。人们普遍发现，低潮时大量气泡从海底逸出，快速上升的气泡使沉积物中形成的大部分甲烷和二氧化碳逸出到水体。如当我们在湖边散步时，经常会看见气泡溢出水面，这就是典型的沉积物中形成的甲烷溢出。
水中产生的沼气
近海沉积物中的甲烷会产生什么危害
含气沉积物直接减少了对沉积物和海底设施的支撑，同时浅层气体运移或大量溢出会破坏土体结构和海底微地貌，威胁人类社会安全的同时也会影响生态系统功能。例如杭州湾大桥和杭州地铁建设在浅层气分布区，在施工过程中都发生过浅层气引起的井喷、海底坍塌等事故。沉积物中气体的存在使孔隙水压力显著增加，使沉积物中的脆弱层更加不稳定，如果孔隙水压力足够高，可能导致海底滑坡。另外，浅层气体也对海底电缆、石油或水管道构成致命威胁，沉积物中不断释放的气体使原本埋在海底浅层的管道暴露在海底之上，在海浪和潮汐不断的影响下会发生破裂。
甲烷产生的危害
甲烷作为一种重要的温室气体，对全球气候变化的影响应引起高度重视，特别是世界上最大的甲烷库——海洋沉积物。海洋甲烷排放量估计为6Tg/a～12Tg/a（注：1Tg/a=1012克/年）。目前，海洋向大气释放甲烷的潜力可能被严重低估了。根据在墨西哥湾开展的一项研究，至少在水深不超过600米的水域，溶解和氧化不会显著消耗从沉积物中逸出的甲烷。
在人为活动巨大影响下，向沉积物输送的碳正在减少，沉积溶解和再矿化正在增加，从而可能导致随后整体碳保存减少。这必然会使海底沉积物中的碳循环变得更加复杂和不可预测。虽然沉积物中的甲烷可能不会频繁造成严重的生态灾害，但是对生态系统的影响不可忽视，特别是对海洋生物生存环境的影响、生物种群的分布以及甲烷和其他物质对地下水污染的风险等。举一个惨痛的例子，1992年至1993年在纳米比亚大陆架爆发的浅层气溢出造成水体严重缺氧，导致该区域海角鳕鱼种群的一半以上（约20亿条）死亡，对当时纳米比亚的捕捞业造成严重打击。
尽管甲烷在能源利用、化学原料、环境保护等方面具有广阔的应用前景，我们也必须认识到其对环境影响的严重性。在利用甲烷的过程中，必须采取有效的措施来减少甲烷的直接排放，以降低其对气候变化的负面影响。同时，我们还需要加强对甲烷的监测和研究，以更好地理解其在气候系统中的作用，为应对气候变化提供科学依据。
