南海北部陸坡東沙海域海底丘狀體氣體與水合物分布

劉斌

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075)

南海北部陸坡東沙海域海底丘狀體氣體與水合物分布

劉斌1

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075)

海底丘狀體在天然氣水合物發(fā)育區(qū)是一種常見的微地貌，對丘狀體的研究有助于理解海底流體滲漏模式以及水合物的賦存規(guī)律。本文研究南海北部陸坡東沙海域天然氣水合物發(fā)育區(qū)海底丘狀體的特征及其與水合物的關系。研究所用的數(shù)據(jù)包括準三維多道地震數(shù)據(jù)、多波束數(shù)據(jù)以及淺地層剖面數(shù)據(jù)。在多波束海底地形圖上，丘狀體表現(xiàn)為局部的正地形，直徑大約為300 m，高出周圍海底約50 m。淺地層剖面上存在明顯的聲空白以及同相軸下拉現(xiàn)象，指示了海底丘狀體氣體的分布以及流體運移的路徑。丘狀體周圍明顯的BSR表明局部區(qū)域可能發(fā)育有水合物，水合物鉆探結果也證實了這一推測。三維多道地震剖面上，丘狀體正下方存在空白反射區(qū)域，這與泥火山的地震反射特征類似。但空白反射區(qū)域內(nèi)存在強振幅能量，而且丘狀體正下方存在連續(xù)的反射層，這表明該丘狀體并非泥火山成因。綜合鉆探結果以及三維地震成像結果，認為水合物形成過程引起的沉積物膨脹以及海底碳酸鹽巖的沉淀是形成該丘狀體的主要原因。

南海；東北部陸坡；丘狀體；水合物

1 引言

海底流體滲漏對于海底化能生物群落獲取能量來源非常重要[1]。由于甲烷是一種溫室效應很強的氣體，海底流體滲漏可能對氣候變化也有重要的影響[2—3]。此外，海底流體滲漏與海底淺部水合物的賦存關系密切，流體滲漏區(qū)域往往發(fā)育高飽和度的水合物[4]。海底流體滲漏一般在海底留下特殊的微地貌，包括泥火山、麻坑以及丘狀體等。其中海底丘狀體在天然氣水合物發(fā)育區(qū)是一種常見的微地貌，如墨西哥灣[5]、新西蘭大陸架[6]、鄂霍次克海[7]、美國加利福尼亞灣北部[8]、黑海[9]、韓國Ulleung盆地[10]。

珠江口盆地東部海域多道地震剖面上普遍存在似海底反射(BSR)[11]，顯示南海東北部陸坡可能賦存著豐富的天然氣水合物。GMGS2鉆探航次證實了該區(qū)域存在大量的水合物[12—13]。大面積冷泉碳酸鹽巖的存在表明該區(qū)域長期存在天然氣滲漏活動[14]。前人對該區(qū)域的海底微地貌以及流體滲漏進行了一些研究，表明該區(qū)域存在海底麻坑、海底丘狀體以及海底泥火山等多種類型的微地貌[15—17]。本文利用該區(qū)域的鉆探結果以及地球物理數(shù)據(jù)研究海底丘狀體的形成過程及其相關的氣體和水合物分布。所用的數(shù)據(jù)包括多波束、淺剖數(shù)據(jù)以及三維多道地震。

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于南海東北部陸坡，珠江口盆地東部海域，臺西南盆地的中部隆起區(qū)附近(圖1a)。水深范圍為500～2 200 m，水深變化較大，地形地貌復雜，發(fā)育有海槽、海谷、陡崖沖刷溝等。區(qū)內(nèi)普遍存在BSR，且BSR特征典型，斜穿地層明顯，一般位于海底以下200～300 ms，大致與海底平行。多處地質(zhì)取樣獲得海底自生碳酸鹽巖，多處站位存在氣態(tài)烴和孔隙水的明顯異常，與天然氣水合物有關的指標顯示強烈。該區(qū)位于坳隆斷裂帶上，存在大量的底辟構造，滑塌構造以及快速堆積體等有利于水合物形成的構造[18]。大部分地區(qū)有機碳含量大于0.8%，沉積速率較大。此外，研究區(qū)為2004年夏季SO177中德聯(lián)合科考航次發(fā)現(xiàn)九龍甲烷礁的區(qū)域之一。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2013年的GMGS2鉆探航次證實了該區(qū)存在大量的天然氣水合物[12—13]。

圖1 研究區(qū)多波束水深以及淺剖、準三維多道地震測線范圍Fig.1 The bathymetric data of study area and the zone sampled by sub-bottom profiler and quasi-3D seismic dataa中紅色范圍表示研究區(qū)位于南海東北部陸坡珠江口盆地東部海域，2013年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在該區(qū)域進行水合物鉆探工作。b顯示了淺剖和準三維地震的測線范圍。c中黃色直線對應經(jīng)過丘狀體的成像剖面(主線-113)和淺地層剖面(DH-170000)，其中09站位布設在主線-113上，由于丘狀體規(guī)模較小，僅僅在主線110～117共8條成像剖面上識別出丘狀體The study area locates the eastern Pearl River Basin, northeast slope of the South China Sea, which is the target zone of GMGS2 gas hydrate drilling program in a. The yellow line in c indicates the inline of 3D seismic image and the sub-bottom profiler which pass through the seafloor mound. Site 09 is set on the inline 113 and near the seafloor mound. Seafloor mounds are only indentified on seismic line from 110 to 117 since it has small size

3 數(shù)據(jù)來源與處理

為詳細調(diào)查南海北部陸坡東部海域天然氣水合物資源情況，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2011年、2012年在該海域開展了大量的地球物理調(diào)查工作，采集了高精度多波束數(shù)據(jù)、淺剖數(shù)據(jù)以及高分辨率準三維多道地震數(shù)據(jù)，測線布設范圍如圖1b所示。

3.1 多波束數(shù)據(jù)

多波束測量設備為EM122系統(tǒng)，它具有波束聚焦、雙ping發(fā)射等優(yōu)點。多波束測網(wǎng)為100 m×700 m，聲波發(fā)射頻率為12 kHz。數(shù)據(jù)處理主要包括吃水校正、Base曲面建立以及曲面濾波等。

3.2 淺剖數(shù)據(jù)

淺剖數(shù)據(jù)的測量設備為德國ATLAS公司生產(chǎn)的Parasound P70全海域參量淺層剖面儀。該設備采用差頻技術，具有波束窄、穿透強和分辨率高等特點。該設備主要用于調(diào)查海洋區(qū)域淺地層結構以及淺層氣的發(fā)育情況，通過連續(xù)探測來獲得高分辨的淺地層剖面。淺剖數(shù)據(jù)與多波束基本同步采集，測網(wǎng)為100 m700 m。淺剖數(shù)據(jù)頻率范圍為1 000～3 000 Hz，數(shù)據(jù)采樣率為0.3 ms，道間距在4～5 m之間變化。淺剖數(shù)據(jù)的處理主要包括噪音衰減以及反射強度提取等。

3.3 準三維多道地震數(shù)據(jù)

水合物的前期調(diào)查以二維地震調(diào)查為主，其目的是發(fā)現(xiàn)與水合物相關的地震反射特征，如BSR、空白區(qū)域等。與二維地震勘探相比，三維多道地震具有數(shù)據(jù)量大，信息多，能實現(xiàn)復雜構造的準確成像等優(yōu)點。本文所用的三維地震數(shù)據(jù)采用單源、單纜的方式采集，其實質(zhì)是在一定的定位精度下，利用海流對電纜的影響，使密集的二維測線形成一個覆蓋面，從而達到采集三維地震數(shù)據(jù)的目的。這種通過密集采集二維測線來實現(xiàn)三維覆蓋的方式一般稱為準三維勘探。三維采集的炮線間距為50 m，而常規(guī)二維地震勘探的炮線間距一般為500 m。激發(fā)震源為GI槍組合震源，震源容量為540 cu.in(1 cu.in=16.387 cm3)，工作壓力為2 000 p.s.i(1 p.s.i=6.89 kPa)，沉放深度為5 m，炮間距25 m。接收電纜沉放深度5 m，接收道數(shù)192，最小偏移據(jù)125 m，道間距12.5 m，采樣率1 ms，記錄長度5 s。準三維地震數(shù)據(jù)處理包括觀測系統(tǒng)建立、噪音衰減、多次波衰減、速度分析以及三維偏移成像，其中成像面元大小為50 m12.5 m。

4 結果

在多波束海底地形圖上，丘狀體表現(xiàn)為明顯的局部正地形(圖2a)，直徑約300 m，高度約50 m。在淺地層剖面上，丘狀體正下方存在明顯的空白反射帶，其頂部則表現(xiàn)為云霧狀混濁反射，與周圍海底的反射特征明顯不一致(圖2b)。在聲學空白帶周圍可以看到明顯的同相軸下拉現(xiàn)象。丘狀體高出海底部分至海底的雙程時間大約為63 ms，按1 500 m/s速度計算，大約為48 m。圖2c顯示了丘狀體在三維地震成像剖面(主線-113)上的特征。在地震剖面上，BSR特征明顯，BSR位于海底以下大約200 ms，與海底平行，極性與海底相反，并切穿地層。在丘狀體正下方，存在聲學空白以及同相軸下拉現(xiàn)象。與淺地層剖面不同的是，在地震剖面上，丘狀體正下方存在強振幅能量。GMGS2水合物鉆探航次的站位09布設在主線-113測線上，在海底處獲得碳酸鹽巖，在海底以下9～21 m層段內(nèi)獲得結核狀水合物(圖2d)。

圖2 海底丘狀體在多波束(a)、淺剖數(shù)據(jù)(b)以及地震成像結果主線-113(c)上的特征，(d)為GMGS2水合物鉆探航次站位09的鉆探結果，修改自文獻[23]Fig.2 The characteristics of seafloor mound on the bathymetric data (a), SBP data(b) and seismic line 113(c), d shows the drilling result of GMGS2 Site 09, which is modified from reference [23]

丘狀體在三維地震成像剖面上的特征如圖3a～h所示，成像剖面與丘狀體的相對位置如圖1c所示。成像剖面的間距為50 m，由此可計算出丘狀體直徑大約為300 m，這與多波束數(shù)據(jù)估算的結果一致。在主線114～117上，丘狀體周圍BSR反射明顯，BSR與海底極性相反并且切穿地層，丘狀體正下方存在一些不連續(xù)的強振幅能量以及連續(xù)反射。

圖3 海底丘狀體在準三維地震數(shù)據(jù)成像結果上的特征Fig.3 The characteristics of seafloor mound on 3D seismic lines from line 110 to 117a～h依次對應主線110～117，在海底丘狀體正下方弱反射區(qū)域內(nèi)存在強振幅能量以及連續(xù)的地層，這表明該丘狀體可能并非泥火山成因a-h represent line 110-117, respectively, high amplitude reflection and continuous reflector in the acoustic blanking may indicate that the mound does not originate from mud volcano

5 討論

5.1 丘狀體的形成

海底丘狀體主要有3種形成機制:(1)深部物質(zhì)上涌噴發(fā)，一般對應泥火山；(2)淺部沉積物膨脹[19]；(3)碳酸鹽巖在海底沉淀。淺地層剖面顯示了泥火山的特征(如空白反射區(qū)以及同相軸下拉現(xiàn)象)，但地震成像結果并不支持泥火山成因機制。海底泥火山是深部高塑性的泥質(zhì)沉積物在沉積壓實、構造擠壓等作用下向上侵入、突破上覆地層，噴出海底形成的一種地質(zhì)構造[20—21]。首先，深部塑性物質(zhì)作為一個整體上涌應該有明確的邊界，但是這種明確的邊界在地震成像剖面上是難以識別的；其次，泥火山通道內(nèi)物質(zhì)比較均勻，聲學空白區(qū)域不應出現(xiàn)強振幅能量；最后，弱反射區(qū)域內(nèi)的連續(xù)地層也與泥火山物質(zhì)上涌刺穿上覆沉積地層不一致。因此，該海底丘狀體可能并非泥火山成因。

Hovland和Svensen等[22]首先提出水合物形成過程引起的沉積物膨脹作用可形成海底1～2 m高的丘狀體。該機制與陸地上由冰的膨脹作用形成小丘體類似。Paull等[19]利用水合物形成過程的膨脹作用解釋加州岸外Santa Monica盆地兩處高達15 m的海底丘狀體的形成。結合三維地震成像剖面和GMGS2水合物鉆探航次09站位的鉆探結果，可以推測水合物形成過程引起的沉積物膨脹在海底丘狀體的形成過程中有重要作用。但水合物形成過程引起的沉積物膨脹能否形成高達50 m的丘狀體呢？計算表明，要在海底形成一個15 m的丘體，則要求海底以下80 m范圍內(nèi)20%的體積被水合物占據(jù)[19]。本文研究區(qū)域BSR在海底200～300 ms處，按1 600 m/s的速度計算，穩(wěn)定帶厚度大約為160～240 m之間。鉆探結果表明，水合物飽和度超過40%[23]。因此，在理論上由水合物的膨脹作用形成高達50 m的海底丘狀體是可能的。

Serié等在研究安哥拉寬扎盆地水合物丘時，認為碳酸鹽沉淀和淺部水合物的脹起是形成高達30 m丘體的原因[24]。GMGS2水合物鉆探航次09站位布設在丘狀體的外圍，并在海底處獲得碳酸鹽巖[23]。據(jù)此可以推測碳酸鹽巖沉淀對丘狀體的形成也有一定的作用。在主線—111、115、116上存在一個古海底也支持這一推測。但在淺地層剖面上，丘狀體的能量較弱，并呈云霧狀，這表明碳酸鹽巖并沒有覆蓋整個丘體，丘狀體的頂部很可能以一種接近懸浮的狀態(tài)存在，接近懸浮的物質(zhì)應該是氣體飽和的松散沉積物。

5.2 氣體以及水合物的分布

綜合上述討論，丘狀體可能是由于水合物形成引起的沉積物膨脹以及局部碳酸鹽巖沉淀共同作用形成的。丘狀體的形成及其與水合物的分布關系總結為圖4，首先，深部氣體在水合物穩(wěn)定帶下聚集(圖4a)，然后氣體通過擴散和聚集流兩種方式運移至水合物穩(wěn)定帶內(nèi)。一方面，水合物在穩(wěn)定帶內(nèi)形成，引起沉積物膨脹；另一方面，氣體沿著斷裂往海底附近運移，并在局部地方滲漏到海底形成碳酸鹽巖(圖4b)。在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，水合物與游離氣可能是共存的[25]。游離氣可以穿過水合物穩(wěn)定帶達到海底附近，甚至進入海水層[26]。

圖4 海底丘狀體的形成模式以及氣體和水合物的分布示意圖Fig.4 The pattern of seafloor mound formation and the illustration of the distribution of gas and gas hydrate

6 結論

本文綜合利用三維多道地震數(shù)據(jù)、多波束以及淺剖數(shù)據(jù)對南海北部陸坡東沙海域水合物發(fā)育區(qū)一處丘狀體進行研究。丘狀體正下方的弱反射區(qū)域內(nèi)存在強振幅能量以及連續(xù)的反射層，這表明該丘狀體并非泥火山成因。結合鉆探結果以及多道地震剖面，認為該海底丘狀體是由水合物的脹起作用以及海底碳酸鹽巖沉淀共同作用導致的。深部氣體在水合物穩(wěn)定帶下聚集，然后通過擴散和聚集流兩種方式進入水合物穩(wěn)定帶形成水合物，并在局部地方滲漏到海底形成碳酸鹽巖。

致謝：廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查所的徐華寧教授提供了本文研究所用的三維多道地震數(shù)據(jù)，資料處理研究所的劉勝旋教授提供了研究區(qū)的多波束數(shù)據(jù)，薛花提供了海底丘狀體附近的淺地層剖面原始數(shù)據(jù)，在此表示感謝。圖1a中研究區(qū)位置示意圖由m_map開源程序制作。

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Gas and gas hydrate distribution around seafloor mound in the Dongsha area, north slope of the South China Sea

Liu Bin1

(1.KeyLaboratoryofMarineMineralResource,MinistryofLandandResource,GuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou510075,China)

Seafloor mound is common in gas hydrate reservoirs. The investigation of seafloor mound can help to understand the pattern of fluid seepage and the occurrence of gas hydrate. This paper investigated a seafloor mound in the Dongsha area, north slope of the South China Sea, where gas hydrate has been sampled. The data used include 3D seismic, multi-beam bathymetric and sub-bottom profiler data. On the multi-beam bathymetric data, seafloor mound manifests itself as an outstanding elevated morphologic feature, with height of ～50 m and diameter of ～300 m. Acoustic blanking zone in the sub-bottom profiler indicates the distribution of gas and the fluid migration pathway. Clearly observable BSR around the seafloor mound suggests the localized occurrence of gas hydrate, which is verified by the drilling program. Though acoustic blanking is also presented in the 3D seismic profiles, enhanced amplitude and continuous reflector directly beneath the mound indicates that the mound is probably not originated from mud volcano. Sediments expansion due to the formation of gas hydrate may be a better explanation.

South China Sea; the northeastern slope;seafloor mound; gas hydrate

2016-06-02；

2016-08-06。

同濟大學海洋地質(zhì)國家重點實驗室開放基金(MGK1406)。

劉斌(1988—)，男，江西省瑞金市人，工程師，主要從事水合物調(diào)查、全波形反演以及海底界面過程的研究。E-mail:liugele@163.com

P618.13

A

0253-4193(2017)03-0068-08