基于SONIC軟件的鄂霍次克海淺表陸坡可燃冰勘探研究

臧鶴超，華志勵，劉波

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

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基于SONIC軟件的鄂霍次克海淺表陸坡可燃冰勘探研究

臧鶴超，華志勵，劉波

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

摘要：運(yùn)用自主研發(fā)設(shè)計的SONIC軟件，控制深海勘探設(shè)備Echo水聲探測系統(tǒng)，對位于西北太平洋邊緣的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷釋放情況進(jìn)行勘探研究。重點(diǎn)對薩哈林島東面淺表陸坡進(jìn)行了大規(guī)模的水聲測掃，通過采集回聲信號，應(yīng)用SONIC軟件處理和成像后，實(shí)現(xiàn)了海底甲烷氣體滲漏點(diǎn)(GF)、冷泉和海床的可視化。在發(fā)現(xiàn)甲烷氣體滲漏點(diǎn)后，運(yùn)用SONIC的成像功能，分析冷泉中甲烷氣體濃度及形態(tài)的變化，運(yùn)用GPS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時跟蹤與定位，利用重力取樣器等采樣工具，在多個海域成功采集到了可燃冰巖心樣本，并及時進(jìn)行了分析，得到了該地區(qū)可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等數(shù)據(jù)。另外，通過梳理本次考察的經(jīng)驗(yàn)，對規(guī)范我國可燃冰資源調(diào)查方法也會產(chǎn)生積極影響。

關(guān)鍵詞：SONIC軟件；鄂霍次克海；可燃冰

可燃冰[1-2](又稱天然氣水合物)是一種由天然氣和水分子組成的固體物質(zhì)，具有獨(dú)特的籠型結(jié)構(gòu)，通常呈現(xiàn)白色冰狀的外貌，故又稱為可燃冰。據(jù)粗略估算[3-4]，在海洋中可燃冰的儲量非常巨大，世界海洋可燃冰生成帶所含天然氣的儲量約8.5×1016m3,其中大部分存在于深海海底，其儲量大約為陸地儲量的100倍以上。在地球石油和煤炭資源日漸枯竭的今天，可燃冰勘探和開發(fā)的意義變得越來越重要。

可燃冰存在于海底泥層下沉積物中，必須通過特定的標(biāo)志來確定其埋藏地點(diǎn)。冷泉[5-6]是一種水氣(以烴類氣體為主)混合的海底排泄現(xiàn)象，其誘因是地殼活動和天然氣水合物礦床結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性[7-8]，當(dāng)?shù)貧せ顒雍偷V床發(fā)生垮塌時，就會有天然氣氣體外溢噴發(fā)，形成冷泉現(xiàn)象，所以冷泉是發(fā)現(xiàn)可燃冰礦床的一個重要標(biāo)志。

圖1　鄂霍次克海海域GF和冷泉噴溢點(diǎn)Fig.1GF and cold seep eruption points of the Okhotsk Sea

1　研究目的

在本次鄂霍次克海中俄聯(lián)合考察過程中，通過運(yùn)用自主研發(fā)的SONIC上位軟件，控制深海勘探設(shè)備Echo水聲探測系統(tǒng)，對遠(yuǎn)東地區(qū)薩哈林島東面的鄂霍次克海海域進(jìn)行了科學(xué)考察,發(fā)現(xiàn)多處甲烷氣體滲漏點(diǎn)(gas flare,GF)和冷泉噴溢點(diǎn)，如圖1所示(海圖上黑點(diǎn)標(biāo)示處為GF和冷泉噴溢點(diǎn))。通過聲納和GPS定位，應(yīng)用重力采樣器等取樣設(shè)備，對海床沉積物進(jìn)行了巖心取樣，成功地采集到了可燃冰巖心樣本。本文通過對冷泉中甲烷氣體濃度及壓力參數(shù)變化、可燃冰巖心樣本進(jìn)行分析，最終得出到了燃冰的分布情況，甲烷氣泡的滲漏形態(tài)和甲烷排放總量。

2　SONIC軟件應(yīng)用

2.1水聲系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)描述

Echo水聲探測系統(tǒng)由底層的兩臺聲納Sargan-HM Left、Sargan-HM Right、一臺深海水聲測深儀Sargan-EM和一臺高分辨率多道反射地震儀ELAC組成，由SONIC軟件實(shí)時控制，如圖2所示。該系統(tǒng)分別以12 kHz、20 kHz和135 kHz的頻率建立了4個獨(dú)立通道，來進(jìn)行水聲測量和定位。在聲學(xué)測量的同時，由全球定位系統(tǒng)(GPS)來輔助進(jìn)行準(zhǔn)確的巖心采樣器定位，可將海底深度、海底地貌和海床剖面模擬量信號及時傳送到SONIC上位軟件，由SONIC上位軟件進(jìn)行還原和成像，最后在顯示屏上顯示和記錄，使科學(xué)調(diào)查人員能夠?qū)崟r動態(tài)地掌握海底可燃冰的可能存在點(diǎn)和甲烷氣泡的滲漏形態(tài)。

該系統(tǒng)共有兩種運(yùn)行模式，如圖3所示。對被調(diào)查海域的聲學(xué)背景環(huán)境進(jìn)行探測的航行器，在全速前進(jìn)的條件下持續(xù)前進(jìn)時(大約9～12 kn)，應(yīng)使用測深儀Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以雙通道頻率(12 kHz和20 kHz)進(jìn)行聲學(xué)探測。

當(dāng)聲學(xué)調(diào)查的航行器以低速(大約3 ～ 6 kn)在預(yù)定海域運(yùn)行時，應(yīng)使用聲學(xué)測深儀Sargan-EM和ELAC以12 kHz和20 kHz的頻率，在垂直方向上形成兩條射線，同時，聲納Sargan-HM在20 kHz和135 kHz的頻率下，分別向兩邊與垂直方向形成30°的夾角進(jìn)行測量。船只在低速條件下應(yīng)用該方法對可燃冰氣體滲漏源進(jìn)行監(jiān)測，比高速條件下有效測量范圍擴(kuò)大3倍左右，能夠有效定位滲漏源地點(diǎn)和船體之間的相對位置關(guān)系。

圖2　Echo水聲探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure chart of Echo underwater acoustic detection system

圖3　聲學(xué)回聲掃描信號的兩種模式Fig.3　Two modes of echo scanning signal

2.2SONIC軟件

作為整個系統(tǒng)控制部分的SONIC軟件應(yīng)用VB 6.0 軟件開發(fā)，由參數(shù)設(shè)置界面、系統(tǒng)控制軟件、水聲信號處理軟件和水聲信號成像軟件4部分組成，具備系統(tǒng)功能控制、水聲發(fā)射器參數(shù)設(shè)置和對4個水聲通道發(fā)來的的實(shí)時水聲信號進(jìn)行收集、預(yù)處理、存儲和圖像化的功能，它的硬件配置包括：

(1)接口單元;

(2)雙聲卡Creative Labs;

(3)個人計算機(jī)(奔騰Ⅱ或更高);

(4)32位Windows操作系統(tǒng)。

在程序和初始化軟件的幫助下，可在SONIC軟件初始化界面對水聲發(fā)射器信號的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定(包括水深范圍、平均聲速等),如圖4所示。

圖4　SONIC軟件的初始化界面Fig.4　Initial interface of software SONIC

水聲發(fā)射器信號的記錄格式如下：首先，發(fā)送水聲“Ping”的日期和時間(該設(shè)定運(yùn)用Visual Basic 6軟件的不同日期類來編寫)；其次，發(fā)送水聲“Ping”的時間設(shè)定值隨著測量深度的增加，按照其回聲情況來設(shè)定。

每次計數(shù)(N)等于設(shè)定的深度范圍和深度測量結(jié)果之間的比率，因此，記錄一次“Ping”需要占用(8+2N) B的存儲空間。一個數(shù)據(jù)文件的名稱以測量所消耗的小時和分鐘數(shù)命名。例如，如果第一個回聲信號在2010年6月1日的02:25發(fā)出，那么這個回聲信號的數(shù)據(jù)文件就被命名為0225.1dt或0225.2dt,命名取決于以信道編號的文件夾是Data1Jun10 或 Data11Jun10，也取決于聲卡的編號。另外，包含有注冊回聲參數(shù)必要信息的配置文件0225.1cf 或0225.2cf，如表1所示，被作為初始化文件(INI-file)記錄在同一個文件夾內(nèi)。

表1　配置文件示例

應(yīng)用4路模數(shù)聲學(xué)變換器對水聲信號進(jìn)行數(shù)字化處理，其同步處理和低通濾波功能非常顯著，實(shí)時回聲信號經(jīng)水聲信號處理軟件可視化處理后，使用兩個標(biāo)準(zhǔn)的彩色顯示器進(jìn)行顯示，每個通道表示了兩個具有獨(dú)立深度范圍和獨(dú)立調(diào)色板的多色回聲圖，如圖5所示。SONIC軟件提供了在需要的深度范圍內(nèi)對回聲信號進(jìn)行同步探測、過濾、記錄和可視化的功能。

圖5　顯示器中的海床聲學(xué)信號Fig.5　Acoustic signals of the seabed in a monitor

3　SONIC軟件分析

3.1SONIC軟件在可燃冰勘探方面的分析

圖6為科考船只在全速運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)用測深儀Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以雙通道頻率(12 kHz和20 kHz)進(jìn)行聲學(xué)信號采集，經(jīng)SONIC軟件處理后，顯示在彩色顯示器上的圖像。

圖6　測深儀Sargan-EM和ELAC發(fā)現(xiàn)冷泉水柱Fig.6　Cold seep discovery with Sargan-EM and ELAC

圖中箭頭指出的密集的垂直信號部分是海底冷泉噴流形成的水柱[9-11]，其中豎線代表了水中上升的氣泡，冷泉的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著海底潛藏著烴類氣體，是發(fā)現(xiàn)可燃冰的重要標(biāo)志[12]。發(fā)現(xiàn)冷泉后，馬上運(yùn)用重力取樣器等取樣設(shè)備，對該地點(diǎn)海床進(jìn)行了巖心取樣，得到了包含可燃冰的沉積物巖心(圖7a)，并從中取得了可燃冰樣本(圖7b圖)。

圖7　采集到的可燃冰樣本Fig.7　Collected gas hydrate samples

本航次的科學(xué)考察共發(fā)現(xiàn)大約96處GF，其中有大約30處是首次發(fā)現(xiàn)，在其中的18處沉積物巖心中發(fā)現(xiàn)了可燃冰樣本，并利用分析儀器現(xiàn)場對其甲烷含量、沉積物和孔隙水進(jìn)行了化學(xué)成分檢測。

3.2SONIC軟件在甲烷氣泡形態(tài)方面的分析

圖8　GF點(diǎn)密集區(qū)域成像圖Fig.8　High concentration imaging of methane gas signal

圖8是利用SONIC軟件對200 m淺海陸坡海底GF點(diǎn)密集區(qū)域[13]的成像圖，可看到大量的甲烷氣泡從海床下涌出，形成冷泉。箭頭所指紅色區(qū)域?yàn)楦邼舛燃淄闅怏w信號，此GF點(diǎn)位于可燃冰穩(wěn)定帶(MHSZ)的上層或上層邊緣。

利用SONIC軟件動態(tài)分析可知，這些GF點(diǎn)的甲烷排放量一般為0.5～500 mmol/s不等，數(shù)量眾多，面積可達(dá)數(shù)平方公里；通過軟件測算單個氣泡的上升速度為10～39 cm/s，可測算出這里的平均海底甲烷通量為5 μmol/ km2s；根據(jù)淺海陸坡的面積推測和對不同區(qū)域甲烷排放量速度的測算，薩哈林島東部陸坡甲烷氣體滲漏的總量可達(dá)每年0.2 Mt。

4　研究結(jié)論

依靠SONIC軟件的成像功能、數(shù)學(xué)統(tǒng)計功能和圖像分析功能，經(jīng)過精確計算可以得到如下結(jié)論：

(1)可燃冰的分布情況

本次考察共進(jìn)行了為期兩周的海上航行，航程達(dá)2 300 n mile。利用SONIC軟件對GF的聲學(xué)勘探顯示，在薩哈林島東部海底坡地上大約有96處GF，其中有大約30處是首次發(fā)現(xiàn)。在從105 m到1 480 m的不同深度的海床上發(fā)現(xiàn)大量GF，但其中大多數(shù)GF集中在600～900 m深的海床上。

SONIC軟件能夠有效發(fā)現(xiàn)和鎖定GF和冷泉，判別甲烷濃度和研究甲烷氣泡形態(tài)等信息，為可燃冰樣本的勘探和開采提供有效信息。

(2)淺海陸坡GF的甲烷氣泡上升速度和氣體滲漏速度

利用SONIC軟件發(fā)現(xiàn)，單個GF的甲烷氣體滲漏速度從0.5～500 mmol/s不等，薩哈林島東部陸坡GF的甲烷氣泡上升速度為10～39 cm/s。

(3)甲烷排放總量統(tǒng)計

通過SONIC軟件對多個采樣點(diǎn)甲烷排放量的統(tǒng)計和估算，和對不同區(qū)域甲烷排放量速度的測算，估算出薩哈林島東部陸坡甲烷氣體滲漏的總量約為每年0.2 Mt。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.001

收稿日期：2016-04-18

基金項(xiàng)目：國際科技合作項(xiàng)目(2014DFR60490)

作者簡介：臧鶴超(1981-)，男，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ?、海洋環(huán)境監(jiān)測儀器開發(fā)和海洋物理學(xué)。Email：zanghechao@126.com

中圖分類號：P962

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)04-0001-06

SONIC based gas hydrate exploration in shallow slope of the Okhotsk Sea

ZANG He-chao,HUA Zhi-li,LIU Bo

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001,China)

Abstract∶We control deep-sea exploration equipment Echo underwater acoustic detection system with self-developed software SONIC to investigate methane release of gas hydrate at Okhotsk Sea of northwest Pacific edge. We perform large-scale acoustic sweep on east slope of Sakhalin Island. We implemented visualization of seabed gas flare(GF),cold seep and seabed through echo signal collection, processing and imaging via software SONIC. After GF discovery, we analyzed the variation of methane gas concentration and morphology in cold seep through imaging functionality of software SONIC. We successfully collected core samples of gas hydrate in multiple waters with GPS real-time tracking and positioning and gravity sampler, analyzed them in time, and acquired methane emission amount and rate in gas hydrate in the area. Moreover, the investigation experience will have positive effect on normalizing investigation methods of gas hydrate in China.

Key words∶SONIC software; Okhotsk Sea;gas hydrate

【海洋科技與裝備】