火星甲烷的来源、储存与释放机制一直是行星科学领域的重要前沿问题。甲烷不仅可能与火星地下潜在生命活动相关，同时也是未来火星基地原位能源利用的重要候选资源。然而，目前不同探测任务对火星大气甲烷浓度的观测结果存在显著差异，其时空演化机制仍缺乏统一解释。近期，中国科学院地质与地球物理研究所深层油气理论与智能勘探开发重点实验室的李守定、赫建明团队等基于多物理场耦合数值模拟，系统研究了火星地下甲烷水合物的稳定性演化及其对火星大气甲烷浓度变化的影响，提出了受封闭层控制的火星浅层甲烷水合物季节性演化模型。
研究团队结合祝融号雷达探测揭示的火星浅层地质结构，以及近年来关于火星浅层“盐封盖层（salt cap）”实验研究成果，建立了包含过渡层、含冰风化层及深部玄武岩层的二维火星地下结构模型。研究认为，火星浅层可能存在由盐迁移形成的低渗透气体封闭层，该封闭层能够有效抑制地下甲烷逸散，并为甲烷水合物稳定存在提供必要压力条件。研究结果表明，在气体封闭层约束下，火星地下形成了浅层次生水合物层与深部主水合物层共同存在的双层结构。随着火星季节变化，浅层水合物与深部水合物表现出显著不同的演化机制（图1）。
图1 水合物饱和度的季节性演化过程。(a) 第二个火星年周期的水合物演化；(b) 第八个火星年周期的水合物演化，其演化模式与第二个火星年相似。灰色箭头表示次生水合物层的分解与形成过程，灰色虚线框突出显示了深部水合物层饱和度的变化
在春夏季节，火星表面温度升高导致浅层次生水合物发生分解，释放甲烷气体；与此同时，由于地下气体热膨胀导致压力增加，深部水合物顶部饱和度反而增加。进入秋冬季节后，随着表面降温，浅层区域重新形成次生水合物，而深部区域则因压力降低出现部分水合物分解。研究进一步指出，浅层水合物主要受温度变化控制，而深部水合物则主要受压力变化调控，从而形成一种典型的“浅层温控、深层压控”的耦合演化模式（图2）。
图2 火星浅层甲烷水合物的季节性演化模型；模型地质结构基于文献Li et al., (2022) 建立
模拟结果显示，浅层水合物的季节性分解与重建能够引起地下甲烷气体含量周期性波动。研究团队进一步建立了地下甲烷释放—火星大气甲烷浓度耦合模型，结果表明模拟得到的大气甲烷季节变化趋势与“好奇号”在盖尔陨石坑观测到的甲烷浓度变化具有较好一致性（图3）。模型预测甲烷浓度在春季开始上升，并于夏末达到峰值，随后在秋冬季降低，这为解释火星甲烷季节性变化提供了一种可能的新机制。
图3 火星甲烷浓度与Ls之间的关系（监测数据来源于Webster et al., 2018；设计参考Webster et al., 2018 ）。(a) 由游离甲烷体积估算的大气甲烷浓度与所有测量值（包括直接摄取法和富集法）的比较；(b) 基于自由甲烷体积估算的大气甲烷浓度与背景甲烷观测结果的对比
该研究首次系统建立了受气体封闭层控制的火星浅层甲烷水合物季节性演化框架，揭示了火星表层气候变化与地下甲烷循环之间的耦合关系，为理解火星甲烷监测及未来火星能源原位利用提供了新的参考。
研究成果发表于国际学术期刊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.）
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