火星甲烷的來源、儲存與釋放機(jī)制一直是行星科學(xué)領(lǐng)域的重要前沿問題。甲烷不僅可能與火星地下潛在生命活動相關(guān)，同時也是未來火星基地原位能源利用的重要候選資源。然而，目前不同探測任務(wù)對火星大氣甲烷濃度的觀測結(jié)果存在顯著差異，其時空演化機(jī)制仍缺乏統(tǒng)一解釋。近期，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李守定、赫建明團(tuán)隊(duì)等基于多物理場耦合數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了火星地下甲烷水合物的穩(wěn)定性演化及其對火星大氣甲烷濃度變化的影響，提出了受封閉層控制的火星淺層甲烷水合物季節(jié)性演化模型。

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合祝融號雷達(dá)探測揭示的火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及近年來關(guān)于火星淺層“鹽封蓋層（salt cap）”實(shí)驗(yàn)研究成果，建立了包含過渡層、含冰風(fēng)化層及深部玄武巖層的二維火星地下結(jié)構(gòu)模型。研究認(rèn)為，火星淺層可能存在由鹽遷移形成的低滲透氣體封閉層，該封閉層能夠有效抑制地下甲烷逸散，并為甲烷水合物穩(wěn)定存在提供必要壓力條件。研究結(jié)果表明，在氣體封閉層約束下，火星地下形成了淺層次生水合物層與深部主水合物層共同存在的雙層結(jié)構(gòu)。隨著火星季節(jié)變化，淺層水合物與深部水合物表現(xiàn)出顯著不同的演化機(jī)制（圖1）。

圖1 水合物飽和度的季節(jié)性演化過程。(a) 第二個火星年周期的水合物演化；(b) 第八個火星年周期的水合物演化，其演化模式與第二個火星年相似。灰色箭頭表示次生水合物層的分解與形成過程，灰色虛線框突出顯示了深部水合物層飽和度的變化

在春夏季節(jié)，火星表面溫度升高導(dǎo)致淺層次生水合物發(fā)生分解，釋放甲烷氣體；與此同時，由于地下氣體熱膨脹導(dǎo)致壓力增加，深部水合物頂部飽和度反而增加。進(jìn)入秋冬季節(jié)后，隨著表面降溫，淺層區(qū)域重新形成次生水合物，而深部區(qū)域則因壓力降低出現(xiàn)部分水合物分解。研究進(jìn)一步指出，淺層水合物主要受溫度變化控制，而深部水合物則主要受壓力變化調(diào)控，從而形成一種典型的“淺層溫控、深層壓控”的耦合演化模式（圖2）。

圖2 火星淺層甲烷水合物的季節(jié)性演化模型；模型地質(zhì)結(jié)構(gòu)基于文獻(xiàn)Li et al., (2022) 建立

模擬結(jié)果顯示，淺層水合物的季節(jié)性分解與重建能夠引起地下甲烷氣體含量周期性波動。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了地下甲烷釋放—火星大氣甲烷濃度耦合模型，結(jié)果表明模擬得到的大氣甲烷季節(jié)變化趨勢與“好奇號”在蓋爾隕石坑觀測到的甲烷濃度變化具有較好一致性（圖3）。模型預(yù)測甲烷濃度在春季開始上升，并于夏末達(dá)到峰值，隨后在秋冬季降低，這為解釋火星甲烷季節(jié)性變化提供了一種可能的新機(jī)制。

圖3 火星甲烷濃度與Ls之間的關(guān)系（監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于Webster et al., 2018；設(shè)計(jì)參考Webster et al., 2018 ）。(a) 由游離甲烷體積估算的大氣甲烷濃度與所有測量值（包括直接攝取法和富集法）的比較；(b) 基于自由甲烷體積估算的大氣甲烷濃度與背景甲烷觀測結(jié)果的對比

該研究首次系統(tǒng)建立了受氣體封閉層控制的火星淺層甲烷水合物季節(jié)性演化框架，揭示了火星表層氣候變化與地下甲烷循環(huán)之間的耦合關(guān)系，為理解火星甲烷監(jiān)測及未來火星能源原位利用提供了新的參考。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Fuel（He Y, He J*, Wang J, Jiang J, Duan X, Zhang Z, Li S, Li X. A coupled model of Martian subsurface hydrate dynamics and methane flux[J].Fuel, 2026, 424: 139399.）