我國近海海底淺層氣分布特征

李萍，杜軍，劉樂軍，曹成效，徐元芹

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061;2.中國海洋大學，山東青島 266003)

我國近海海底淺層氣分布特征

李萍1，杜軍1，劉樂軍1，曹成效1，徐元芹2

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061;2.中國海洋大學，山東青島 266003)

海底淺層氣是一種海洋災害地質類型，一旦發(fā)生災害，將對經濟造成不可估量的損失。本文在相關文獻資料和調查結果的基礎上編制了1∶50萬我國近海海底淺層氣分布圖。對已發(fā)現的我國近海海底淺層氣分布特征進行了初步總結與探討，以期為海上工程建設及減災防災提供重要的環(huán)境資料與參考。我國近海海底分布著大面積的淺層氣，在遼東灣、山東半島濱淺海、長江口、杭州灣、浙江近岸、珠江口、北部灣、瓊東南近海、黃河水下三角洲外海海底、長江水下三角洲前緣和前三角洲相，存在大面積以生物成因為主的淺層氣;而黃海、東海、南海陸架油氣資源區(qū)數百米地層中的淺層氣受斷裂控制，分布有熱成成因的淺層高壓氣囊和氣團。

近海;海底淺層氣;分布特征;油氣資源

0 引言

海底淺層氣是一種海洋災害地質類型，一般指海床淺地層內聚集的氣體，有時以含氣沉積物存在，有時以超常壓狀態(tài)的氣囊出現，有時候直接向海底噴逸［1］。我國在建設杭州灣大橋前期地質勘探過程中，曾多次發(fā)生淺層氣強烈井噴現象;在美國墨西哥灣、英國北海、印尼爪哇海、阿拉斯加海、波斯灣、加勒比海等水域進行海洋油氣資源勘探開發(fā)時，由于對淺層氣調查不足，都曾造成嚴重災害［2］。為了避免淺層氣災害的發(fā)生，國內外學者對其進行了廣泛的調查和研究［3－7］，并利用各種聲學方法確定海底沉積物中的淺層氣賦存形態(tài)、特征及其分布范圍。

隨著我國海洋經濟的開發(fā)，各種港口、跨海大橋的建設和工程項目的實施，均需了解海底狀況。淺層氣的存在，無疑威脅著海底構筑物的安全，一旦發(fā)生災害，將對經濟造成不可估量的損失。我國近海海底分布著大面積的淺層氣，研究淺層氣在海底的分布情況及成因，可以為海洋工程建設提供重要的環(huán)境參數，對海洋減災防災具有重要科學和實用意義。本文在我國大陸架勘測專項和我國近海海洋環(huán)境調查與研究專項的基礎上，結合收集的文獻資料，編制了1: 50萬我國近海海底淺層氣分布圖，對我國近海區(qū)域淺層氣分布特征進行了初步總結和探討。

1 海底淺層氣性質與賦存形態(tài)

淺層氣根據成因可分為兩種類型［1］。一種是生物成因，大量陸源碎屑物質在海底沉積時，帶來了豐富的生物碎屑和有機質，甲烷菌從腐爛的有機物中分解出甲烷，形成含氣沉積物。另一種是熱成甲烷成因，是在海底以下較大深度，在高溫高壓下由于干酪根裂解，形成許多碳氫化合物，其性質取決于原始有機物質的特性和生油巖所處的溫度與壓力。但熱成甲烷上升到海底淺層時受到細菌作用，

其性質可能發(fā)生改變［5］。淺層氣形成后隨時隨刻都在運移與聚集。一般淺層氣沿著水平和上傾方向運行，在高滲透性沉積物—砂性土中聚集。有時淺層氣被低滲透性淤泥類土覆蓋，就形成一層含氣沉積物層。含氣沉積物層中淺層氣在某些部位又相對富集。熱成甲烷氣體有時沿著巖層孔隙、裂隙、斷層面上升、運移、聚集。如果淺部地層的封閉條件和存儲條件很好時，就為淺層氣的富集創(chuàng)造了有利條件，可以聚集形成高壓氣囊、氣團和氣層。

淺層氣形成后，經過地質時期的運移與聚集，一般穩(wěn)定地埋藏于海底之下。通常以下面4種形式存在于海底［8］:(1)層狀淺層氣，局部海域淺層氣成片分布，但埋藏的地層深度不一。(2)團塊狀淺層氣，由于海區(qū)不同沉積物中富集有機質的多寡不同，沉積物孔隙率大小不同，淺層氣不是均勻分布，而是成團地相對富集;(3)高壓氣囊，深部天然氣體沿巖層的孔隙、裂隙、斷層面上升到海底淺部，為不透氣粘土層覆蓋，隨著地質時期增長壓力越來越大，形成高壓氣囊。(4)氣底辟，高壓氣囊聚集時間過長，在強大的壓力下，向覆蓋層薄弱處沖擠，形成氣底辟，最終沖破全部地層向海底直接噴逸。

2 淺層氣的危害

海底淺層氣的存在會影響海上工程施工和構筑物安全。淺層氣對海底沉積物膠結、硬度、強度等均產生較大影響，使海底構筑物地基條件發(fā)生改變，導致地質災害事件發(fā)生。如果沉積物中含有淺層氣，隨著含氣量的增加會引起土體膨脹，孔隙壓力增大，有效應力降低，從而破壞了土體的骨架結構，增大了土的壓縮性，降低了土的抗剪強度［9］。淺層氣的存在可以造成海底坍塌和滑坡，使輸油管線懸空甚至斷裂損壞［10］。含氣沉積物還會增強海底管線的腐蝕性。鉆探施工中海底高壓氣囊是導致井噴的重要原因。國際海岸考察理事會(ICES)報導在工程地質鉆探過程中有22%的井噴是由淺層氣造成的［11］。在早期勘探活動，一旦鉆桿或樁腳穿通淺層高壓氣囊，則會引起井口地基土體沖垮、氣體噴逸，平臺傾覆及起火燃燒。由于淺層氣的分布經常是不均勻的，氣壓大小不等會造成地層承載力的差異，特別是在淺層氣釋放過程中，會加大地層工程性狀的差別，引起地層的不均勻沉降，破壞構筑物的基礎而引發(fā)多種工程危害。

3 我國近海海底淺層氣分布特征

調查顯示我國近海從北到南分布著大面積的淺層氣。近岸海底分布的淺層氣多為生物成因，而陸架油氣資源區(qū)數百米地層中的淺層氣則多為熱成成因，且具有高壓特征。

3.1 黃渤海分布區(qū)

遼東灣灘海地區(qū)共發(fā)現特征明顯的淺層氣區(qū)有43處之多，載氣面積最大者可達280000m2，最小者僅2500m2［12］;多呈不規(guī)則狀分布，頂面埋深在0.5～15m范圍內，而3～5m居多，一般延展寬度50～300m不等;在淺地層上顯示反射灰度明顯比周圍弱，顏色較淺，沉積層理中斷，地層反射被掩蓋或異常，圖譜似云霧狀，上升到海底面以下高度不等。由于相當數量的淺層氣區(qū)位于古河道或具有洼地填充沉積特征的古沼澤地帶，推斷本區(qū)淺層氣可能為沼澤氣［13］。

2001年在國土資源調查時和2007年在我國近海環(huán)境調查時發(fā)現在黃河三角洲外海海底分布著大片的淺層氣區(qū)。淺地層剖面上表現為聲學擾動，載氣層頂距海底8～15m，從海底地形上看，未在淺層氣上部見到淺坑地形［14］。在以往井場路由調查中，黃河三角洲近岸海域淺層氣分布極少，淺層氣主要存在于遠離海岸的海底［15］。埕島海域在海底下15～30m范圍內有載氣層沉積，其延展寬度為30～50 m，分布范圍小;從反射強度上分析，未達到富集高壓程度，不會出現氣體外溢;平面分布形狀復雜，在小范圍內零散分布，未連成片［16］。

2001年在國土資源調查時和2007年在我國近海環(huán)境調查時均發(fā)現山東半島濱淺海分布著連接成片的淺層氣(圖1)。大約以水深30m為界分為兩個分布區(qū)［17］。環(huán)山東半島東北部近岸-30m以淺水域，有3個淺層氣分布帶，這些賦存的淺層氣形成的規(guī)模比較小且埋藏淺，頂面埋深4～15m，平均埋藏深度在9m左右，3個分布帶的總面積約有1560km2。－30m以深區(qū)域同樣存在3個淺層氣分布帶，與近岸淺層氣相比分布范圍更大些，且埋藏變深，頂面埋深4～5m，平均埋藏深度18m左右，是近岸淺層氣平均分布深度的2倍多，3個分布帶的總面積達到2787km2，比近岸淺層氣分布面積多出近一倍。

南黃海近海淺層氣分布非常廣泛(圖1)。在南黃海平原中部淺海地帶、廢黃河三角洲、蘇北淺灘及長江水下三角洲外側地區(qū)等均有分布［18］。淺層氣在垂向上分布很淺，其頂界深度距海底只有5～18 m。地震反射特征以各種形態(tài)的聲學擾動為主，聲學空白反射區(qū)成片分布于廢黃河三角洲、蘇北淺灘東南部外緣。在122.5°E以西的濱淺海地區(qū)，這個地區(qū)的第四紀地層主要由古三角洲、古沖積扇、古河道、古湖沼沉積等組成，含有泥炭夾層及其他富含有機質堆積層，這些有機物質經腐敗細菌分解就會轉化為甲烷或沼氣等，淺層氣多為生物成因，主要成分是甲烷［19］。南黃海油氣資源開發(fā)區(qū)斷裂構造發(fā)育，深部的石油天然氣會沿著斷裂等裂隙上升到淺層沉積物中，可形成高壓淺層氣。2000年在南黃海油氣資源開發(fā)區(qū)調查時，發(fā)現位于蘇北淺灘北部邊緣區(qū)(121°55′E 35°12′N)有一處淺層氣，埋深約15m，地震調查剖面上的寬度約12km，由于附近為早第四紀地層的隆起區(qū)，這種隆起是對基底斷裂活動的響應，故推測該處的淺層氣為深部的石油或天然氣通過斷裂向上運移聚集而成，具有高壓性質(表1)。

圖1 黃渤海淺層氣分布Fig.1 Distribution of the shallow gas in offshore seabed in the Yellow Sea and Baohai

表1 南黃海部分淺層氣分布特征Table 1 characteristics for seven points of the shallow gas in the south Yellow Sea

3.2 東海分布區(qū)

東海近海沿岸從長江口、杭州灣、舟山群島、浙江近岸到現代長江三角洲前緣和前三角洲沉積相中，廣泛分布著淺層氣，水深范圍0～25m［21］，東部水深達35m。淺層氣頂面埋藏最淺數米至十余米，深者達200～300m，大多在100m以內。淺層氣常見的形態(tài)為層狀含氣沉積物、氣囊和氣團，有的淺層氣溢出海底呈氣苗壯和麻點狀［22］。淺層氣主要為生物成因，賦存于湖沼、淺海、河口灣和三角洲沉積環(huán)境中(圖2)。這些沉積環(huán)境富含有機質堆積層，有機物質分解過程產生甲烷等氣體，形成生物成因的淺層氣。

圖2 東海淺層氣分布Fig.2 Distribution of the shallow gas in offshore seabed in the East China Sea

東海陸架地層中的淺層氣，主要分布在內陸架平原區(qū)，而東海外陸架殘留砂平原地層中，很少見淺層氣分布。2000年在東海油氣資源開發(fā)區(qū)調查時發(fā)現大面積的淺層氣，根據其生、儲地層的不同，大致將其劃分為二類。第一類淺層氣來源于地層的深部，主要分布于東海油氣資源區(qū)西部內陸架區(qū)，含氣地層呈模糊狀地震相，邊界直立，頂界幾乎直達海底。含氣地質體內具有地層界面意義的反射界面具有弱振幅特征，由于含氣導致地層密度變小，地震波傳播速度降低，反射波到達時間延長，含氣地質體邊界兩側地震反射波不連續(xù)，出現假性斷層。多頻剖面也呈現半透明相的反射波特征，邊界直立，與地震剖面所揭示的淺層氣位置相同。推測第一類淺層氣可能來源于地層深部含油氣層。深部的石油天然氣沿著斷裂等裂隙上升到淺部地層，形成高壓淺層氣。第二類淺層氣儲存于古三角洲和河流相地層，屬于自生自儲或局部運移的氣體，此類含氣地層由于含氣導致地震反射波振幅變弱，反射難以或不能連續(xù)追蹤，出現“半空白”反射區(qū)。淺層氣呈零散不規(guī)則分布，造成模糊或“半空白”反射區(qū)。此類淺層氣所在地層含有泥炭夾層及其它富含有機質堆積層，有機物質分解產生甲烷等氣體。推測第二類淺層氣主要為生物成因氣。

3.3 南海分布區(qū)

珠江口近岸共發(fā)現二處大的淺層氣區(qū)和多處小范圍的淺層氣區(qū)，淺層氣區(qū)總面積大約900km2，其中以伶仃洋西側海域淺層氣分布范圍最廣，淺層氣區(qū)位于伶仃洋水道西側，從東四門沿水道下行，至桂山島南側，面積約600km2;磨刀門外出現一大范圍的分布區(qū)，面積約150km2［2］(圖3)?？傮w說來，珠江口淺層氣分布主要沿珠江的八大門下行，在河流下切形成的入海古河道、分支河道、河漫灘等分布較廣，主要貯存于第四紀沉積物中，淤泥層為蓋層。淺層剖面和單道地震記錄顯示，含氣沉積物層間反射雜亂，連續(xù)性較好的反射波突然中斷，同相軸時隱時現，或完全消失，或反射模糊，伴有空白帶，呈柱狀、囊狀、條帶狀或不規(guī)則狀，在不同水深，都發(fā)現了這種沉積層的含氣特征。在淺層氣大量溢出的地方常引起海底地形的凹凸不平，聲吶記錄上多為麻坑狀顯示［23］。珠江口沉積物厚度較大，以富含有機質的陸源碎屑沉積物為主，有利于生物氣生成。

圖3 南海淺層氣分布Fig.3 Distribution of the shallow gas in offshore seabed in the South China Sea

南海陸架海區(qū)分布著大面積的淺層氣(圖3)，如北部灣盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地、萬安盆地、珠江口盆地、臺西南盆地，以及油氣高集區(qū)廣大海區(qū)。統(tǒng)計資料表明，油氣藏分布區(qū)淺層氣分布更廣，如潿洲10—3N、潿洲114、潿洲12—8、文昌13.2、文昌19—1、文昌19—2、東方1.1、樂東15.1、樂東22—1、崖城13.1、崖城35—1、蓬萊19.3、番禺4.2、惠州21—1、惠州26—1、惠州26—2、惠州32—3、惠州32—5、西江24一I、西江30.2、陸豐13—1、陸豐22.1等海區(qū)海底都發(fā)現淺層氣，而且常以高壓氣囊出現［1］。2000年在鶯歌海油氣資源開發(fā)區(qū)調查時，發(fā)現少部分淺層氣呈微弱或較強程度的溢出海底，有五片分布區(qū)。鶯歌海測區(qū)內淺層氣上升至海底以下的深度大部分為5～10m，個別地方15m，最大的載氣沉積區(qū)面積大于1400km2。從所圈定的區(qū)域來看，氣區(qū)一般分布在洼地內，有可能是淺層沼澤氣，但也有可能是深部石油天然氣運移而成。

其中有一測線上的淺層氣溢出海底高度十幾米，并在該處發(fā)現層中下部地層有斷層錯動跡象。在珠江口盆地共發(fā)現10處可能的淺層氣，其中大萬山島外、北尖島外和衛(wèi)灘附近海域均出現3處較大范圍的分布區(qū)，頂面埋深30～40m，這種氣多是生物形成的甲烷氣，常出現在古三角洲發(fā)育區(qū)。其余的淺層氣零星分布，往往與斷層作用有關，可能是深部油氣層通過斷層向淺部運移形成的，對鉆井平臺構成一定的威脅。上世紀80年代前，蘇聯在萬安盆地調查中，在108°～110°E，7°～11°N范圍的陸架外緣，水深200m，也揭示了氣體異?，F象，而且異常位置多在SN向斷裂上，這些氣體是從下部地層運移上來的［24］。

4 結語

我國近海海底分布著大面積的淺層氣，在遼東灣、山東半島濱淺海、長江口、杭州灣、浙江近岸、珠江口、北部灣、瓊東南近海、黃河水下三角洲外海底、長江水下三角洲前緣和前三角洲相，存在大面積以生物成因為主的淺層氣;而黃海、東海、南海陸架油氣資源區(qū)數百米地層中的淺層氣受斷裂控制，分布有熱成成因的淺層高壓氣囊和氣團。

本文僅對以往調查工作進行了初步的小結，然而目前我國近海大范圍的海域還未開展專項淺層氣調查，一旦發(fā)生災害，將會給海洋油氣勘探，海底輸油管道和通訊電纜鋪設、港口碼頭建設等造成巨大損失。為了減少和防止此類災害的發(fā)生，應開展我國近海海底淺層氣專項調查。通過調查，查明淺層氣分布及其賦存特征，識別出各種形態(tài)的淺層氣，確定其成因，建立淺層氣分布的數據庫和信息系統(tǒng)，對科學避讓淺層氣及減災防災具有重大的現實意義。

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Abstract:The sub-bottom gas was one of the marine geological disasters.It would cause tremendous loss to the economy.According to the relevant literatures and various types of survey data，the map of the shallow gas distribution in our country’s offshore seabed was drawn，scaled in 1∶500000.The distribution characteristics of the shallow gas found in the seabed was preliminary summarized and discussed to provide important environmental data and reference to the marine engineering construction and the reduction and prevention of disasters.Large area of shallow gas distributed in our country’s offshore seabed.In Liaodong Bay，Shandong Peninsula in shallow Sea，Yangtze River Estuary，Hangzhou Bay，Zhejiang coastal waters，the Pearl River estuary，North Bay，southeast of Hainan coast，Yellow River Delta outside the seabed，and the leading edge of the Yangtze subaqueous delta and its pre-delta facies，a large area of shallow biogenic gas existed.In a few hundred-meter continental shelf bearing oil and gas resources in Yellow Sea，East China Sea，South China Sea，there were high-pressure gas bags or gaseous mass with thermal genesis controlled by faults.

Key words:offshore seabed;the shallow gas;distribution characteristics

Distribution characteristics of the shallow gas in Chinese offshore seabed

LI Ping1，DU Jun1，LIU Le-jun1，CAO Cheng-xiao1，XU Yuan-qin2
(1.Fist Institute of Oceanography，SOA，Qingdao266061，China; 2.Ocean University of China，Qingdao266003，China)

1003-8035(2010)01-0069-06

P67

A

2009-09-08;

2009-11-20

國家908專項(908-02-03-03;908-01-zh)

李萍(1972—)，女，博士，副研究員，從事海洋地質與災害地質研究。

E-mail:liping@fio.org.cn