三維地震與OBS聯(lián)合勘探揭示的神狐海域含水合物地層聲波速度特征

張光學(xué)，徐華寧，劉學(xué)偉，張明，伍忠良，梁金強(qiáng)，王宏斌，沙志彬

1國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075

2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

1 引言

天然氣水合物是由水和甲烷分子以氫鍵聯(lián)系并在合適的低溫高壓條件下形成的冰狀晶體（Brooks etal.，1986；Sloan and Koh，2007；Kastner etal.，1998），廣泛分布于世界海域的大陸斜坡及陸地的永久凍土帶區(qū)域，其存在對(duì)于全球未來能源和環(huán)境的影響意義重大（Lammers etal.，1995）.由于天然氣水合物具有較高的聲波速度，其充填孔隙空間或膠結(jié)沉積顆粒使含水合物沉積層的聲波速度也上升.含水合物高速層與飽氣或飽水低速沉積層之間的阻抗差使地震反射剖面上出現(xiàn)似海底反射（Bottom Simulating Reflectors，BSRs），這一具有強(qiáng)振幅、負(fù)極性特征的反射被認(rèn)為是水合物穩(wěn)定帶的底，也是水合物存在的最主要地震標(biāo)志（Singh etal.，1993；Shipley etal.，1979；Stoll and Bryan，1979）.目前，多道地震勘探方法依然是發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在的主要手段，在確定天然氣水合物的區(qū)域分布方面具有很大優(yōu) 勢(shì) （Kvenvolden，1993；Vanneste，2001；Katzman etal.，1994），但這一勘探手段只能獲得地層的縱波信息并且可能的含氣沉積層難以成像，因此難以精細(xì)刻畫天然氣水合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和BSR上下沉積層的速度關(guān)系.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2007年在南海北部神狐海域的鉆探取樣結(jié)果表明，含天然氣水合物沉積層位于海底之下153～225m深度區(qū)間，與強(qiáng)BSR具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（徐華寧等，2006；欒錫武等，2008；宋海斌，2001；吳能友等，2007；吳時(shí)國(guó)等，2009；徐華寧等，2010），在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為典型的高速異常和高電阻率異常，但由于鉆探取樣及測(cè)井深度的限制，水合物垂向分布特征尚不確定.

為了獲得與天然氣水合物的存在最相關(guān)的物性參數(shù)——聲波速度，在過去的10多年間，OBS及OBS與多道地震聯(lián)合勘探方法已經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)性研究.如利用P波走時(shí)分析研究水合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Schlesinger etal.，2012；Cheng etal.，2006；Netzeband etal.，2005；Bünz etal.，2005）、利 用OBS的橫波信息研究含水合物層的各向異性（Haacke etal.，2006；Exley etal.，2010）并利用轉(zhuǎn)換波直接對(duì)地層成像并估算水合物的飽和度（Haacke etal.，2009；Westbrook，2008；Carrière and Gerstoft，2013）等.本文的研究基于2009年我國(guó)首次在神狐海域?qū)嵤┑娜S地震與OBS聯(lián)合采集數(shù)據(jù)，以多道拖纜地震反射數(shù)據(jù)成像建立地質(zhì)模型框架，利用OBS記錄的縱橫波進(jìn)行聯(lián)合走時(shí)反演，獲得研究區(qū)縱橫波速度信息，了解水合物分布區(qū)間的速度變化特征，推測(cè)BSR之下是否存在游離氣，為資源量的估算提供更精確的參數(shù).

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)主體位于南海北部陸坡的前端，其總的趨勢(shì)為北向南傾斜（徐華寧等，2012），水深從1000m逐漸加深到1750m（圖1）.其中1350m等深線以北區(qū)域的地形較陡，海底坡降一般在0.03°左右，而南部地形坡度變化較緩，坡降值一般在0.02°左右并逐步進(jìn)入深海平原.海底地貌形態(tài)復(fù)雜，主要發(fā)育海丘、海谷、沖蝕溝、反坡向臺(tái)坎，以及海底溝槽等地貌類型.

自中新世末以來，該區(qū)先后發(fā)生過兩期構(gòu)造活動(dòng)（分別在5Ma和2Ma左右）（龔再升等，2004），是南海新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍的地區(qū).受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，在熱沉降過程中，斷層活動(dòng)加強(qiáng)并在大約1.5～2Ma期間出現(xiàn)斷層活動(dòng)高峰，致使北東向斷層大規(guī)模形成并誘發(fā)深部超高壓泥質(zhì)巖類塑性流動(dòng)，形成泥底辟活動(dòng)帶，使上覆地層產(chǎn)生大傾角的斷層和垂向裂隙系統(tǒng)，形成了天然氣水合物成藏的有利構(gòu)造條件（吳能友等，2009）.

研究區(qū)地層總體表現(xiàn)為典型的斷陷裂谷和坳陷沉降雙層結(jié)構(gòu)，由深至淺依次發(fā)育陸相、海陸過渡相或海相沉積層序，總體呈海進(jìn)趨勢(shì).根據(jù)地震資料所表現(xiàn)的反射特征，與水合物賦存相關(guān)的淺部地層可以劃分為三個(gè)主要的反射界面，分別對(duì)應(yīng)晚中新世以來的三個(gè)地震層序：1）全新世—更新世海相細(xì)粒碎屑沉積；2）上新世海相細(xì)粒碎屑沉積；3）晚中新世海相碎屑沉積.研究區(qū)鉆探取樣的綜合研究和樣品分析結(jié)果表明，水合物賦存層位沉積物類型差異較小，沉積類型單一，主要為粉砂和粘土質(zhì)粉砂.天然氣水合物賦存于以粗粉砂、中粉砂、細(xì)粉砂和極細(xì)粉砂為主要組分的沉積物中，沉積物組分主要為碎屑礦物、粘土礦物和碳酸鹽礦物三大類（陳芳等，2009）.由于晚白堊世以來多期幕式張裂及隨后熱沉降作用，導(dǎo)致南海北部陸緣區(qū)平均熱流值相對(duì)較高，但熱流的分布極不均勻，熱流值整體表現(xiàn)出周緣低、中央海盆高的特點(diǎn).比較明顯的特征是鉆探取樣發(fā)現(xiàn)天然氣水合物位置全部對(duì)應(yīng)低熱流值，并且基本位于低熱流值的中心區(qū)域.

圖1 （a）研究區(qū)位置；（b）地形地貌；（c）速度分析曲線；（d）典型地震反射剖面Fig.1 （a）Location；（b）Topography and geomorphology；（c）Profile of velocity analysis；（d）Representative seismic reflecting profile of study area

從地震反射剖面上看（圖1d），研究區(qū)淺部沉積表現(xiàn)為典型的含天然氣水合物地震反射特征，包括強(qiáng)振幅BSR、BSR橫穿地層、振幅空白等.更重要的是，天然氣水合物存在的最有力的地球物理證據(jù)——聲波（縱波）速度出現(xiàn)明顯高速異常，其反轉(zhuǎn)深度與BSR也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

3 地震數(shù)據(jù)采集與處理

本文所用的地震數(shù)據(jù)由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗四號(hào)”地震調(diào)查船于2009年7—8月完成.激發(fā)震源為GI槍，容量9013cm3，沉放深度5m，激發(fā)點(diǎn)間隔25m，漂纜水檢間隔12.5m，記錄道數(shù)192次，最小偏移距125m.野外施工采用三維地震與OBS記錄聯(lián)合采集技術(shù)，以同時(shí)記錄常規(guī)地震反射數(shù)據(jù)和OBS四分量地震數(shù)據(jù)，施工方法及地震波傳播示意圖如圖2所示.震源激發(fā)的下行P波經(jīng)過海底下的每一個(gè)層狀介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生反射、透射及波型轉(zhuǎn)換.其中有二種波型轉(zhuǎn)換模式最為典型：SS波（P波信號(hào)直接在海底轉(zhuǎn)化為S波，然后向下傳播和反射，綠色線表示）和PS波（P波信號(hào)在海底之下的界面轉(zhuǎn)換為S波，然后向下傳播并反射，紅色線表示）.通常，地震P波在淺地表處（包括近海底處）很難發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，因此，OBS記錄的PS波能量更強(qiáng)、也更容易被記錄.盡管SS波速度較慢，其垂向的分辨率高，但能量更弱，通常在地震記錄上很難識(shí)別，因此多分量地震記錄儀記錄的主要是PP波和PS轉(zhuǎn)換波（Berg etal.，1994；Stewart etal.，2002）.

野外聯(lián)合采集共投放20個(gè)OBS，實(shí)際回收13個(gè).考慮到OBS與海底的耦合度及靜止于海底后的穩(wěn)定性，施工時(shí)OBS的投放點(diǎn)選擇相對(duì)平緩的區(qū)域，以盡可能消除海流的影響，其間隔不大于300m，且OBS所處海底正下方具有明顯的BSR和水合物穩(wěn)定帶特征，以提高采集地震數(shù)據(jù)的針對(duì)性.深水作業(yè)中OBS的投放是在投放點(diǎn)位置處，以鋼纜控制OBS下降一定深度后在水中自由下落至海底，因此，每個(gè)OBS在海底的實(shí)際位置及其間隔與設(shè)計(jì)位置會(huì)不一致.

圖2 三維地震與OBS聯(lián)合采集及地震波型轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 The sketch of integrated 3Dseismic and OBS exploration and converted wave geometry in marine environment

圖3 聯(lián)合采集施工測(cè)線布設(shè)及OBS分布位置圖Fig.3 The deployment of seismic lines and the real location of OBSs

由于OBS野外回收率及OBS實(shí)際位置（重新定位后的實(shí)際位置見圖3）等不可控因素的影響，OBS采集的地震數(shù)據(jù)不足以成像，因此難以獲得可以與拖纜地震數(shù)據(jù)相比較的反射剖面，但可以利用OBS共檢波點(diǎn)地震數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究每個(gè)OBS所在位置處的垂向速度，以獲得縱橫波速度變化與水合物分布之間的規(guī)律.OBS地震數(shù)據(jù)的處理主要包括：1）OBS時(shí)鐘漂移校正.由于OBS自投放就開始連續(xù)記錄（采樣間隔可以預(yù)設(shè)），系統(tǒng)通過儀器內(nèi)部晶體時(shí)鐘計(jì)時(shí)，投放前需要與衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)時(shí).由于環(huán)境的變化及系統(tǒng)本身的誤差，回收后系統(tǒng)內(nèi)部記錄時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間肯定會(huì)存在差異，需要將這一時(shí)差分配至每一采樣點(diǎn)以消除系統(tǒng)時(shí)差；2）OBS位置的重新定位.船載GPS可以確定每一炮點(diǎn)的精確位置，但OBS投放后的位置是不確定的，儀器從船體開始下沉至海底后可能會(huì)有幾百米漂移，其實(shí)際位置取決于水深和水流速度.數(shù)據(jù)處理時(shí)需要根據(jù)OBS記錄的直達(dá)波初至走時(shí)進(jìn)行重新計(jì)算定位；3）噪音衰減及觀測(cè)系統(tǒng)定義.對(duì)大值、低頻等干擾進(jìn)行壓制，提高地震數(shù)據(jù)的信噪比.根據(jù)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)散點(diǎn)分布情況，確定合適的面元網(wǎng)格；4）坐標(biāo)旋轉(zhuǎn).將二個(gè)水平分量（X和Y）的記錄旋轉(zhuǎn)為沿徑向R方向（炮檢方向）和切向T方向（垂直炮檢方向）的分量，使R徑向方向能量最大，T方向能量最小.圖4為OBS9記錄的P、Z、X和Y四個(gè)分量的原始數(shù)據(jù).

4 速度反演結(jié)果及分析

圖4 OBS記錄的原始四分量數(shù)據(jù)Fig.4 The raw 4-component data recorded by OBS

由于OBS較為稀疏，橫向分布范圍有限且空間分布不均，地震數(shù)據(jù)難以直接成像.為了獲得淺部沉積的縱橫波速度信息，首先以三維地震反射數(shù)據(jù)的成像結(jié)果為約束條件，建立地層模型，然后對(duì)OBS采集的共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)進(jìn)行相干速度反演，以研究OBS位置之下淺層沉積的聲波速度特征.相干速度反演是使疊前地震道集的相干性達(dá)到最大為目標(biāo)的非線性動(dòng)力學(xué)方法（Landa etal.，1988），該方法首先根據(jù)給定的速度函數(shù)，利用零偏移距時(shí)間信息，通過射線偏移確定所選擇界面的位置；然后在所得到的深度模型中，通過射線追蹤計(jì)算走時(shí)，并沿走時(shí)曲線計(jì)算道集的相似值.實(shí)際反演采用從淺至深逐層反演的方法，最終獲得垂向上的縱橫波速度結(jié)構(gòu).

對(duì)于反演所需的速度函數(shù)，采用PP波和PS波速度聯(lián)合分析方法，獲得PP波的速度特征以及縱橫波速度比，進(jìn)而獲得PS波的速度，其分析過程如圖5所示，其中左圖為PP波道集及速度能量譜分析，右圖為縱橫波速度比能量譜及PS波道集.根據(jù)OBS的實(shí)際分布位置，選擇距OBS2、OBS5、OBS6、OBS8、OBS9、OBS12和OBS13最近（圖3）的Inline100線建立地層模型.模型層位標(biāo)定是以三維地震反射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考縱波的時(shí)間速度曲線，盡量追蹤能量較強(qiáng)連續(xù)性較好的同相軸.在同相軸能量不連續(xù)的情況下，參考其附近同相軸的大致走向進(jìn)行追蹤，最后與OBS數(shù)據(jù)對(duì)比以完成標(biāo)定.圖6左圖為經(jīng)過OBS9所在站位的三維地震反射剖面及反演層位模型，右圖為對(duì)應(yīng)的OBS9共檢波點(diǎn)數(shù)據(jù)及層位模型，其中綠色線所代表的層位與地震剖面上的BSR基本對(duì)應(yīng)，根據(jù)OBS共檢波點(diǎn)道集上的反射軸也可看出其層速度是明顯增大的.

將反演獲得的縱橫波速度與三維地震反射數(shù)據(jù)雙程走時(shí)對(duì)應(yīng)，可以得到OBS9處縱橫波速度隨時(shí)間變化的特征，結(jié)果見表1.

表1 OBS9位置處縱橫波速度變化Table 1 The velocity variation of P-and S-waves with depth at OBS9site

由表1的結(jié)果可以看出，海底之下沉積物的縱橫波速度總體符合地質(zhì)變化規(guī)律，在第4和第5層出現(xiàn)局部異常.其中第1層為水層，第2層的速度值較小，可能與海底表層沉積物未壓實(shí)及海底滑塌有關(guān)；第3層的速度值有一個(gè)快速上升，可能與壓實(shí)有關(guān)；第4層的速度急劇增加，結(jié)合這一區(qū)域的鉆井結(jié)果，應(yīng)該與沉積物含天然氣水合物有關(guān)，水合物的聚集造成縱橫波速度都顯著上升；第5層的縱波速度出現(xiàn)下降，而橫波速度稍有上升，暗示在水合物聚集帶之下可能含有部分游離氣或其他流體充填，但巖性及孔隙在第5層沒有很大變化，盡管這一點(diǎn)并沒有鉆井?dāng)?shù)據(jù)證實(shí)；第6層的橫波速度下降較快，但縱波速度的下降幅度很小，這意味著可能是巖性變化或者沉積物孔隙進(jìn)一步增大，降低了沉積物的剪切應(yīng)變；第7和第8層的縱波速度上升非?？?，而橫波變化較小，表明其巖性相對(duì)穩(wěn)定，壓實(shí)作用對(duì)地層速度的影響成為主要因素.

圖5 PP與PS波速度聯(lián)合分析（左圖為PP波速度譜與道集；右圖為PS波速度比的譜與PS波道集）Fig.5 Simultaneous velocity analysis of PP and PS wave（Left：Velocity spectrum and assemble of PP wave；Right：Spectrum of VP／VSratio and assemble of PS wave）

為了解縱橫波速度在橫向的變化特征，利用距離相對(duì)Inline100較近的OBS進(jìn)行更精細(xì)的聯(lián)合反演，結(jié)果如圖7所示，其中的綠色線與圖6中的綠色線對(duì)應(yīng)同一層位，也就是與BSR對(duì)應(yīng).圖7的結(jié)果表明，其他OBS所在位置處的縱橫波速度變化規(guī)律與OBS9處的特征基本是一致，BSR之下的縱橫波速度都是下降的（尤其是縱波），下降幅度不同可能是局部含氣或沉積物孔隙變化不一樣的結(jié)果.

5 結(jié)論

以三維地震與多分量OBS地震聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)海底之下淺部含天然氣水合物沉積地層進(jìn)行縱橫波聯(lián)合反演，可獲得縱橫波速度變化特征.三維地震與多分量OBS地震聯(lián)合勘探可以同時(shí)記錄PP波、PS轉(zhuǎn)換波，并且該勘探方法明顯提高野外作業(yè)效率.

圖6 地震反射數(shù)據(jù)及地層模型拾取（綠線與水合物穩(wěn)定帶底對(duì)應(yīng)）Fig.6 The seismic reflecting profile and the picks of strata model（green lines represent the bottom of hydrate stable zone）

圖7 OBS站位反演縱橫波速度曲線Fig.7 The velocity-time curves of P／S wave at all OBSs site

本文的研究結(jié)果表明：

（1）利用三維聯(lián)合勘探地震數(shù)據(jù)，不僅能夠獲得研究區(qū)海底之下地層的成像，而且能為目標(biāo)層的研究提供更多信息，以更好地估算其巖石物理屬性，這是單一的PP波難以確定的；

（2）由于OBS采集技術(shù)及OBS數(shù)量的限制，無法對(duì)PS轉(zhuǎn)換波直接成像、識(shí)別和解釋其與水合物相關(guān)的地震反射特征，但對(duì)縱橫波進(jìn)行速度反演的結(jié)果還是可以獲得研究區(qū)海底之下含水合物沉積層的縱橫波速度變化規(guī)律.含天然氣水合物沉積層的縱橫波速度值都會(huì)出現(xiàn)突然地上升，與地震剖面上的BSR有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在可能的含水合物穩(wěn)定帶之下，縱波速度出現(xiàn)急劇下降，下降幅度達(dá)到900m·s-1，而橫波的速度并沒有出現(xiàn)相同的變化；

（3）緊鄰BSR的下伏地層的縱波速度下降較大而橫波速度下降幅度較小，這意味著水合物穩(wěn)定帶之下很可能含有游離氣或者其他流體充填，其沉積物性變化的可能性相對(duì)較小但沉積物的孔隙空間可能趨向進(jìn)一步變大，這也為游離氣的運(yùn)移提供良好的通道.

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