南海北部陸坡氣泡羽狀流的發(fā)現(xiàn)：多波束水體數(shù)據(jù)

劉斌,劉勝旋

(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)

南海北部陸坡氣泡羽狀流的發(fā)現(xiàn)：多波束水體數(shù)據(jù)

劉斌1,劉勝旋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)

利用2016年在南海西北部陸坡瓊東南海域采集的多波束水體數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了海底氣體滲漏至海水中形成的羽狀流。在多波束數(shù)據(jù)上, 羽狀流成火焰狀，直徑大約為30～50 m，從1 380多米的海底延伸至大約650 m的深度，高度超過700 m。在經(jīng)過羽狀流的淺剖剖面上，存在顯示淺層氣存在的聲學空白區(qū)域，并識別出斷裂和裂隙區(qū)域，但在水體中并無明顯的異常。這可能是由于淺剖數(shù)據(jù)的分辨率不夠未能捕捉到水體異常，或者氣體滲漏具有間歇性。該海域存在明顯的似海底反射顯示，氣體滲漏可能與水合物系統(tǒng)之間存在復雜的相互作用。由于缺乏經(jīng)過羽狀流的多道地震數(shù)據(jù)，難以對羽狀流的形成機制進行進一步的推測。南海北部陸坡羽狀流的發(fā)現(xiàn)對于理解被動大陸邊緣的甲烷滲漏機制、水合物的形成與分解具有重要的意義。

南海北部陸坡；瓊東南盆地；氣體滲漏；羽狀流；水體圖像

1 引言

海底氣體(主要是甲烷)滲漏是一種常見的現(xiàn)象[1]。快速的甲烷滲漏可能是氣候變化、海底滑坡以及海底坍塌的觸發(fā)機制[2-3]。而緩慢而持續(xù)的滲漏活動可能是全球碳循環(huán)的重要組成部分[4]。滲漏活動與海底化能生物群落密切相關(guān)，如菌席、蛤類及管狀蟲等[5]。甲烷滲漏與水合物形成分解之間也存在密切的關(guān)系，海底氣體滲漏過程對于理解水合物在穩(wěn)定帶內(nèi)的形成分解過程有重要的意義[6]，這是海底氣體滲漏現(xiàn)象得到廣泛關(guān)注的另一個非常重要的原因。

海底化能生物群落或者自生碳酸鹽巖的存在都能提供海底滲漏活動存在的證據(jù)，但聲學圖像上的羽狀流無疑是最直觀、最確切的證據(jù)。當氣泡滲漏進入海水層時，由于氣泡與海水間存在較大的波阻抗差異，在高頻聲學圖像上會出現(xiàn)“火焰狀”反射。羽狀流形成的“火焰狀”現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)的多個海域都有發(fā)現(xiàn)。如Svalbard群島西部大陸邊緣[7-9]、巴倫支海[10]、黑海[11]、水合物脊[12]、鄂霍次克海[13]、日本海[14]、加利福尼亞灣[15]、美國東部大西洋邊緣[16]以及南極南喬治亞海[17]。

南海是西太平洋最大的邊緣海之一，多道地震上廣泛發(fā)育的似海底反射(Bottom Simulating Reflector, BSR)以及多個航次的水合物鉆探結(jié)果表明南海北部陸坡蘊藏著豐富的天然氣水合物[18-20]。南海北部陸坡流體活動非常強烈，發(fā)育有大量的泥火山和麻坑構(gòu)造[21]以及冷泉碳酸鹽巖[22]。但據(jù)我們所知，尚未發(fā)現(xiàn)有明確的氣泡羽狀流。利用2016年在南海北部陸坡采集的多波束水體回聲數(shù)據(jù)，在瓊東南海域發(fā)現(xiàn)了氣體滲漏形成的羽狀流。

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于南海西北部陸坡瓊東南盆地(圖1)，瓊東南盆地屬于新生代被動大陸邊緣型盆地，處于印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的接合部位。瓊東南盆地海水深度由西北向東南增大，陸架區(qū)水深變化較小(90～200 m)，往海槽(西沙北海槽)方向水深迅速從200 m變化2 000 m左右。該區(qū)新生代沉積層最大厚度達到12 km，盆地沉積層內(nèi)發(fā)育大量泥底辟和“氣煙囪”結(jié)構(gòu)[23]，并在海底采集到冷泉碳酸鹽巖[24]，這些都說明在瓊東南盆地很可能存在滲漏體系形成的天然氣水合物儲藏。

圖1 研究區(qū)位于南海西北陸坡瓊東南海域。利用多波束水體數(shù)據(jù)在A位置發(fā)現(xiàn)一個羽狀流，在B位置上發(fā)現(xiàn)3個羽狀流。其中A位置在2013年淺剖調(diào)查范圍(黑色方框)之內(nèi)，淺剖測線DH-1218150經(jīng)過羽狀流A。羽狀流B1至B3處海底平坦，而在羽狀流A處海底局部下凹Fig.1 The study area is located in the Qiongdongnan sea area, the northwestern slope of the South China Sea. Using multi-beam water column data, we discovered one plume in site A and three in site B. Site A lies in the zone investigated using sub-bottom profiler in 2013(black rectangle). And the line DH-1218150 passes through the plumes observed in site A. The seafloor is almost flat at site B, while a small depression exists at site A

3 數(shù)據(jù)來源與處理

多波束水體數(shù)據(jù)來源于2016年在瓊東南海域的調(diào)查航次，這也是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局首次采集水體影像數(shù)據(jù)。多波束系統(tǒng)為挪威Kongsberg的EM122系統(tǒng)，該系統(tǒng)固定安裝于“海洋六號”科考船上。系統(tǒng)采用了波束聚焦與變頻波發(fā)射模式，發(fā)射信號的頻率為11.25～12.60 kHz。在普通模式下，每一脈沖信號可獲得288個波束(在加密模式下為432個波束)，每一個波束同時均包含有水深與回波強度信息，同時還記錄了每一脈沖的水體影像數(shù)據(jù)。多波束測線間距為700 m。調(diào)查船航行速度為4 m/s(大約為7節(jié))，脈沖激發(fā)間隔根據(jù)水深調(diào)整，大約為2.5 s。

調(diào)查區(qū)內(nèi)的水深范圍為1 200～1 400 m。在1 400 m水深區(qū)域、90°的覆蓋角、7節(jié)的航行速度以及加密模式下，多波束系統(tǒng)可獲得高密度、高質(zhì)量的多波束水深數(shù)據(jù)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形100%的覆蓋。由于系統(tǒng)自動采用了深水環(huán)境下連續(xù)正弦波發(fā)射模式，水體影像數(shù)據(jù)大小約為水深數(shù)據(jù)大小的3倍，分辨率稍低，垂直與橫向的分辨率大約分別為4 m與10 m。水體影像數(shù)據(jù)處理軟件為CARIS 8.1。在逐個脈沖顯示水體影像時，由于羽狀流受到海流的影響而呈彎曲狀，因此有些脈沖僅探測到羽狀流的頂部，而有些脈沖又僅探測到羽狀流的根部。為了能夠更好的展現(xiàn)整個羽狀流的形態(tài)，我們將所有探測到羽狀流的多個水體影像加以疊加然后再繪圖顯示。

我們還收集了該區(qū)域的淺剖數(shù)據(jù)。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2013年在該海域進行了淺地層調(diào)查工作，淺剖調(diào)查范圍如圖1黑色方框所示，調(diào)查測網(wǎng)為150 m×700 m，其中測線QH-1218150經(jīng)過位置A處的羽狀流。測量設(shè)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(shè)備采用差頻技術(shù)，具有波束窄、穿透強和分辨率高等特點，主要用于海洋區(qū)域淺地層結(jié)構(gòu)、淺層氣和淺地層斷裂發(fā)育情況的調(diào)查。淺剖頻率范圍為1 000～3 000 Hz，數(shù)據(jù)采樣率為0.2 ms，道間距變化范圍4～5 m。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。

4 結(jié)果

在調(diào)查區(qū)的兩個位置上(圖1中的A和B)發(fā)現(xiàn)了4個氣泡羽狀流。其中A位置上觀測到一個羽狀流，命名為羽狀流A。B位置上觀測到3個羽狀流，分別命名為B1、B2和B3。羽狀流的完整形態(tài)如圖2所示。在水體影像上，羽狀流呈火焰狀，沿著彎曲的路徑往上延伸。4個羽狀流均形成于水深為1 380多米的海底，延伸至海面以下650 m左右，高度超過700 m。根據(jù)多波束數(shù)據(jù)估計羽狀流的直徑為30～50 m。

圖2 水體影像上4個羽狀流(A，B1，B2，B3)的形態(tài)Fig.2 The shapes of four plumes on the water column image

圖3 經(jīng)過羽狀流A的淺剖剖面QH-1218150Fig.3 The sub-bottom profiler QH-1218150 passes through plume A淺剖數(shù)據(jù)穿透海底約23 m，淺剖數(shù)據(jù)上存在明顯的聲學空白區(qū)域，顯示了海底淺部可能存在較多的游離氣，淺剖數(shù)據(jù)上還可看到微小的斷裂和裂隙區(qū)域，這些裂隙提供了氣體運移的通道 The penetration is about 23 m beneath the seafloor. Acoustic blanking zones are clearly observed on the sub-bottom profiler, which indicates the occurrence of shallow gas. Fault and fracture can also be identified，they may function as the pathway of gas migration

圖3顯示了經(jīng)過羽狀流A的淺剖測線QH-1218150。淺地層剖面穿透海底以下約30 ms，按1 500 m/s計算，穿透厚度約為23 m。在淺地層剖面上，存在較多的空白區(qū)域，顯示海底淺部存在較多的游離氣。還識別出多個斷裂和裂隙區(qū)域，這些區(qū)域提供了氣體運移至海底的通道，但在海水層中并未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。此外，羽狀流A正下方雖然存在一定的空白區(qū)域，但羽狀流并非出現(xiàn)在淺層氣體大量聚集區(qū)域的正上方。

5 討論

利用多波束水體數(shù)據(jù)，在南海西北陸坡發(fā)現(xiàn)了由于氣體滲漏形成的羽狀流。在多波數(shù)水體影像上，羽狀流呈彎曲火焰狀。此次觀測到的羽狀流與其他海域觀測到的羽狀流在形態(tài)上是相似的。氣泡群之所以沿著彎曲的路線上升，是由于海流的作用。由于海流的速度在垂直方向上不一致，羽狀流的彎曲程度在不同的深度上也不一致。在靠近海底附近，羽狀流幾乎呈直線上升。

羽狀流的形成必須有充足的氣體供應，該氣源既可以是深部的熱解氣，也可以是淺層的生物成因氣體。在斷裂性的油氣盆地和活動大陸邊緣，深部有大量的氣源并且存在延伸至海底附近的斷層使得甲烷可以逃逸至海底。在被動大陸邊緣的沉積區(qū)，深部的甲烷氣主要通過溶解的方式運移，在到達海底以前，大部分都被氧化了[25]。在此種環(huán)境中，羽狀流的氣源主要是淺部的生物成因氣體，或者淺部的水合物受到擾動分解產(chǎn)生的氣體[16]。本文研究區(qū)域處在新生代被動大陸邊緣，多道地震調(diào)查表明，該區(qū)域BSR明顯[23]。據(jù)此，我們推測羽狀流的形成可能與水合物的形成分解有關(guān)，與美國東部被動大陸邊緣Black Ridge發(fā)現(xiàn)的羽狀流類似[16]。但由于缺乏經(jīng)過羽狀流的多道地震信息，難以對羽狀流的氣體來源作進一步的推測。

在水深大于500 m的海域，海底淺部沉積層處于水合物穩(wěn)定帶中，游離氣體在通過海底進入海水以前必須先通過水合物穩(wěn)定帶[26]。本文研究區(qū)域水深超過1 300 m，必須有某種機制阻止游離氣形成水合物才有可能形成水體中的氣泡羽狀流。從淺剖剖面上，看到氣泡羽狀流A下方存在斷裂以及裂隙，這些斷裂和裂隙提供了游離氣運移的通道。阻止游離氣形成水合物的可能機制是孔隙水的鹽度上升[27]或者先前形成的水合物把氣體和孔隙水隔離開了[28]。

在經(jīng)過羽狀流A的淺地層剖面上，發(fā)現(xiàn)了淺層氣體存在的聲空白特征，但是在水體中并無明顯異常?？赡艿脑蛴袃蓚€：(1)由于淺剖數(shù)據(jù)的主頻較低(4 kHz)，分辨率不夠未能捕捉到水體異常；(2)或者氣體滲漏具有間歇性。此外，觀察到羽狀流A并不是出現(xiàn)在淺層氣體大量聚集部位的正上方，而是出現(xiàn)在側(cè)邊上，這可能與局部海底的底質(zhì)有關(guān)。同時這表明淺層氣體除了垂向運移之外，可能還存在較強的橫向運移。

海底滲漏形成的甲烷能否進入到大氣層是研究人員非常關(guān)心的一個問題。因為甲烷氣體是一種溫室效應很強的氣體，如果甲烷能夠進入大氣層，那么有可能對氣候產(chǎn)生重要的影響。氣體要進入大氣層的前提是在海水中不會被氧化，水合物“外衣”被認為是阻止氣體被氧化的一種重要機制[29-30]。該假設(shè)認為，氣泡在上升的過程中，其外面被水合物包裹。從水體影像可以看到4個羽狀流均結(jié)束于海面以下600 m左右，而這一深度接近于南海北部陸坡大部分地區(qū)水合物穩(wěn)定帶頂部的深度[31]。由此，觀測結(jié)果支持水合物“外衣”這一假設(shè)。

該活動冷泉的發(fā)現(xiàn)為今后在該區(qū)域開展天然氣水合物立體研究提供了精確靶點?？梢栽诶淙c上開展ROV攝像、深拖側(cè)掃聲吶、表層取樣、海水取樣、原位觀測等研究，獲取海底淺表層、冷泉水體的物理化學異常特征，還可以布設(shè)地震測線、淺層剖面測線等。這是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局首次在南海水合物調(diào)查中采集高頻的多波束水體影像數(shù)據(jù)，隨著該技術(shù)的普遍應用，有可能在南海北部陸坡發(fā)現(xiàn)更多的羽狀流。

6 結(jié)論

利用高頻(11.25～12.60 kHz)多波束水體回聲數(shù)據(jù)，我們在南海北部陸坡瓊東南海域發(fā)現(xiàn)了氣體滲漏形成的羽狀流。羽狀流呈火焰狀，直徑大約為30～50 m，從1 380多米的海底延伸至大約650 m的深度，高度超過700 m。在羽狀流下方的淺剖剖面上，存在明顯的聲空白區(qū)域，表明存在游離氣的聚集。此外，在淺剖剖面上還識別出斷層和裂隙構(gòu)造，這些構(gòu)造提供了氣體運移的通道。羽狀流結(jié)束于約650 m處，而這一深度與該海域水合物穩(wěn)定帶的上限一致。我們的觀測似乎支持“水合物外衣”的假設(shè)。

致謝：感謝2016年度瓊東南海域水合物調(diào)查航次“海洋六號”科考船上的工作人員。感謝肖波提供多波束數(shù)據(jù)采集方面的信息。

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Gas bubble plumes observed at north slope of South China Sea from multi-beam water column data

Liu Bin1, Liu Shengxuan1

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

Methane emission from seabed is a wide phenomenon around the world. Gas bubble plumes were observed in the Multi-Beam(MB) water column echo image with the newly (2016) acquired data in the north slope of South China Sea. Gas bubbles manifest themselves as flares on the MB image, and have the diameter of about 30 to 50 m. Plumes emanating from the ～1 380 m depth seabed to the ～650 m depth, resulting heights of >700 m. On the sub-bottom profile passing through the plume, we found the acoustic blanking zone which may indicate the gas migration pathway, but no clear anomalies were observed in the water column. This may be explained by the low resolution of the sub-bottom profiler image or the intermittence of the gas seepage. Lacking of multi-channel seismic and geochemistry data, we cannot further infer the formation mechanism of the gas plumes. The discovery of gas bubble plumes in the north slope of south china may improve our understanding of the methane seepage on the passive continental marginal, and the formation and dissociation of gas hydrates.

north slope of South China Sea; Qiongdongnan Basin; gas flares; plume; water column image

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.008

2016-12-08；

2017-02-08。

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

P738

A

0253-4193(2017)09-0083-07

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