渤海海域淺層氣分布及地震特征分析*

邢 磊， 焦靜娟， 劉雪芹， 劉懷山**， 尹燕欣

(中國(guó)海洋大學(xué)1.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

渤海海域淺層氣分布及地震特征分析*

邢 磊1,2， 焦靜娟2， 劉雪芹2， 劉懷山1,2**， 尹燕欣1,2

(中國(guó)海洋大學(xué)1.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

海底淺層氣嚴(yán)重影響海底地層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此成為近海海洋工程的重要安全因素。近年來(lái)，通過(guò)地震手段在渤海海域發(fā)現(xiàn)了多處疑似淺層氣區(qū)域。該區(qū)域中的淺層氣蘊(yùn)藏在海底以下地層或通過(guò)斷層從地層溢出到海水中。本文在渤海海域高分辨率地震勘探等物探調(diào)查資料基礎(chǔ)上，分析了渤海海域淺層氣地震反射特征。通過(guò)查閱相關(guān)資料，總結(jié)渤海海域淺層氣的一般成因。在將已發(fā)現(xiàn)的渤海海域淺層氣分布區(qū)域進(jìn)行總結(jié)并繪制分布圖的同時(shí)，結(jié)合了渤海地質(zhì)演化以及沉積歷史，推測(cè)了渤海淺層氣集中分布區(qū)域的成因。最后討論了淺層氣對(duì)近海海洋工程的嚴(yán)重危害。本文所研究的渤海海域海底淺層氣分布情況可以為渤海海域海洋工程建設(shè)提供重要參考。

渤海；淺層氣；海洋地球物理調(diào)查

一般認(rèn)為淺層氣是聚集在海底以下1 000 m以?xún)?nèi)地層的氣體，主要分為生物成因的沼氣以及油層氣等類(lèi)型[1-3]。淺層氣廣泛存在于世界各個(gè)海域，多數(shù)情況下淺層氣不能作為一種資源被開(kāi)采，但是其存在對(duì)于近海海洋工程有著重要影響。

受到上覆海水層、巖層壓力的影響，淺層氣會(huì)沿著斷層裂隙或者地層上傾方向向上運(yùn)移。由于淺層氣在地層中是以“氣”的形式存在，改變了地層的巖石物理性質(zhì)，使得上覆地層的強(qiáng)度降低，破壞了地層的穩(wěn)定性，在外部力量的作用下，含氣沉積物會(huì)發(fā)生蠕動(dòng)，并可能導(dǎo)致下陷、側(cè)向或旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，使得構(gòu)筑與其上的建筑物發(fā)生傾斜倒塌。有的油層氣由于含氣量大，具有高壓性質(zhì)，容易在石油鉆井中產(chǎn)生井噴，可能引起重大事故。

由于淺層氣與水下工程施工安全有密切聯(lián)系，世界各地都對(duì)淺層氣開(kāi)展了廣泛的研究工作。過(guò)去30年間，大量的證據(jù)證明了具有不同特點(diǎn)的淺層氣累積(包括凹坑，泥火山，天然氣水合物)廣泛存在于海洋地質(zhì)環(huán)境：其中凹坑是于1970年在南海第一次被發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是由氣體和液體從海底突然驅(qū)除出去時(shí)細(xì)粒物質(zhì)被取代所形成的坑。the North Sea愛(ài)爾蘭海的廣泛區(qū)域含有淺層氣積累[4]，并具有很多海底特性證明淺層氣遷移，例如：羽狀物，凹痕和海底凸起等[5]。Yuan、Ye、Gu、Li[6-8]的研究表明，在中國(guó)大陸架也賦存有豐富的淺層氣。

海底淺層氣的存在對(duì)地層的巖石物理性質(zhì)進(jìn)行改變，在地震和聲學(xué)探測(cè)剖面上有相應(yīng)顯示。淺層氣有時(shí)伴有海底“麻坑”等海底面地形地貌，甚至淺層氣逸出海底進(jìn)入水體，形成氣泡，則在海底面聲學(xué)探測(cè)和水體層探測(cè)中有相應(yīng)體現(xiàn)。實(shí)踐證明，地震和聲學(xué)探測(cè)手段是進(jìn)行淺層氣探測(cè)的即有效又經(jīng)濟(jì)的手段[9-11]，本文研究區(qū)涵蓋渤海海峽、渤中海域以及萊州灣海域等，本文通過(guò)對(duì)以電火花為震源的多道地震資料和淺地層剖面探測(cè)資料的處理和分析，研究渤海海域淺層氣聲學(xué)反射特征、成因、分布。

1 區(qū)域概況

1.1 渤海地質(zhì)

渤海是被山東半島和遼東半島包圍的半封閉內(nèi)海，由遼東半島，渤海灣，萊州灣，渤海中部和渤海海峽組成。

圖1 中國(guó)北部海域主要區(qū)域構(gòu)造劃分[12]Fig.1 The main division of regional tectonic of Northern Sea Area in China

渤海是中國(guó)的內(nèi)海。渤海地質(zhì)發(fā)展歷史大約可以分為三個(gè)階段，即前中生代、中生代和新生代。其中，在新生代時(shí)期，燕山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使渤海灣地區(qū)的大規(guī)模火山活動(dòng)停止，地殼普遍上升，未能接受古新世沉積。伴隨始新世幾次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并使?jié)u新世地層受到程度不等的剝蝕和輕微褶皺。進(jìn)入晚第三紀(jì)以來(lái)，本區(qū)地殼整體沉降，發(fā)育成以前任何時(shí)期所不能比擬的開(kāi)闊性統(tǒng)一廣盆，沉積層平緩地展布，顯示出現(xiàn)今渤海灣復(fù)式盆地面貌，此時(shí)的沉降和沉積中心巳遷移至渤海中部。第四紀(jì)以來(lái)，盆地繼續(xù)沉降，形成的更新世平原組為灰色黏土、粉砂質(zhì)黏土與砂層互層，底部為砂礫層。更新世期間曾發(fā)生多次海侵，使地層中頻繁出現(xiàn)海相層和陸相層的交替[13]。

渤海的海底地貌雖具有多類(lèi)型、多成因特色，但其現(xiàn)代地貌過(guò)程，主要表現(xiàn)為堆積地貌。由于渤海具有強(qiáng)烈隆起與斷裂的構(gòu)造格局，對(duì)其地貌發(fā)育的控制作用十分明顯?，F(xiàn)代渤海沿岸陸地上僅5 m高程以下，有被海水作用的痕跡，而海盆中埋藏的海底地貌較為單調(diào)。目前，河流帶入的陸源碎屑物大量充填入海，并參與現(xiàn)代海洋沉積過(guò)程。所以，在現(xiàn)代渤海中僅部分表現(xiàn)為淺海相沉積環(huán)境。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化概況

斷裂活動(dòng)是渤海構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要形式，是控制構(gòu)造格局，影響沉積環(huán)境和油氣分布的重要因素。按斷裂方向主要分為：北北向-北東向，近東西向和北西向三組，各組斷裂形成的時(shí)代，活動(dòng)時(shí)期，強(qiáng)度，性質(zhì)以及所產(chǎn)生的影響均有一定的差異。北北東-北東向斷裂：是渤海最發(fā)育的一組斷裂，其中出郯廬斷裂形成于前中生代，并在中新生代繼續(xù)活動(dòng)外，其余斷裂多生成于中新生代。近東西向斷裂：改組斷裂在渤海較為發(fā)育尤其在渤海南和渤海西更為明顯。斷裂一般規(guī)模較大，基底落差可達(dá)千米以上，具有長(zhǎng)期的多次活動(dòng)特點(diǎn)。北西向斷裂：除遼東灣以外的渤海其他海域，均有數(shù)量不等的北西向斷裂顯示，但其主要發(fā)育在海區(qū)的西南部。斷裂形成于前新生代，具有較長(zhǎng)期的多次活動(dòng)性，并多為張性正斷層，其規(guī)模和數(shù)量都小于另外兩組。

1.3 渤海淺層氣存在可能性分析

渤海地區(qū)在第四紀(jì)經(jīng)歷多次海侵事件，對(duì)應(yīng)沉積地層具有海相地層與陸相地層交替出現(xiàn)的特征[14]。海侵和海退引起海平面變化，導(dǎo)致原陸源碎屑物、泥質(zhì)沉積等豐富有機(jī)質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境處于還原條件，從而可能產(chǎn)生生物成因天然氣。另外，渤海區(qū)域已發(fā)現(xiàn)數(shù)量、儲(chǔ)量均可觀的油氣田[15]。渤海構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，構(gòu)造斷裂發(fā)育[13]，深部有機(jī)質(zhì)進(jìn)行熱分解形成的油氣向上運(yùn)移至淺部地層的情況也可能發(fā)生。

2 勘探方法

海底淺層氣勘探可以通過(guò)地震和聲學(xué)探測(cè)剖面中地震反射特征(例如聲學(xué)反射空白、聲學(xué)反射混濁等)識(shí)別含淺層氣地層外，還可以通過(guò)海底面聲學(xué)探測(cè)和水體層聲學(xué)探測(cè)，將海底淺層氣伴生現(xiàn)象(例如麻坑、水體氣苗等)進(jìn)行識(shí)別，綜合進(jìn)行海底淺層氣勘探。主要技術(shù)手段包括淺地層剖面、高分辨率小多道地震測(cè)量、側(cè)掃聲納和多波束測(cè)量等，其中高分辨率多道地震由于其高分辨率、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，成為海底淺層氣勘探的主要有效手段。

本次渤海海域調(diào)查儀器為淺地層剖面儀、高分辨率多道地震儀，利用淺層氣反射特征進(jìn)行識(shí)別可以海底淺層氣。施工震源是電火花震源，淺地層剖面儀主要使用的是AAE的CST1500、SIGFrance公司上產(chǎn)的SIG 2 Mille，主頻約為750 Hz，高分辨率多道地震儀主要使用的是SIGFrance公司的SIG 5Mille，主頻約為500 Hz。

研究區(qū)采集數(shù)據(jù)顯示本海域存在多處可疑海底淺層氣。該地區(qū)的淺層氣反射特征較為明顯且類(lèi)型呈現(xiàn)多樣化，主要包括聲學(xué)反射混濁、聲學(xué)幕、亮點(diǎn)、聲學(xué)擾動(dòng)以及區(qū)域兩側(cè)地層相位下拉等特征。本文將結(jié)合實(shí)際地震剖面對(duì)幾種淺層氣反射特征類(lèi)型進(jìn)行分析和說(shuō)明。

2.1 聲學(xué)反射混濁

聲學(xué)反射混濁區(qū)主要出現(xiàn)在淺地層剖面上，變現(xiàn)為無(wú)定形的混亂反射。主要是由于下面地層淺層氣的存在使得上下兩層的波阻抗差異較大形成了強(qiáng)反射界面進(jìn)而完全屏蔽了下面地層的地震信號(hào)。在淺地層剖面上，含有淺層氣的地層的頂界有時(shí)直接沿海底分布。聲學(xué)反射混濁區(qū)淺層氣存在以下區(qū)域的勘探可以利用多道地震勘探來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，多道地震勘探可以利用其遠(yuǎn)偏移距道的信息來(lái)了解下面地層的地質(zhì)信息。圖2所示測(cè)線為位于岐口凹陷附近研究區(qū)的淺地層剖面，圖中箭頭處為淺層氣導(dǎo)致的聲學(xué)反射混濁區(qū)域，較深地層的地震信號(hào)因淺層氣的存在被屏蔽。

(岐口凹陷附近淺地層剖面。Sub-bottom profile nearby Qikou sag.)

渤海海域的聲學(xué)反射混濁區(qū)有時(shí)表現(xiàn)為“簾”狀，稱(chēng)之為窗簾式反射區(qū)。Taylor認(rèn)為窗簾式反射特征的生成既有生物成因氣體又有熱成因氣體。淺層氣賦存區(qū)域兩側(cè)地層會(huì)出現(xiàn)明顯的垂直邊界，該地層將屏蔽淺層氣存在區(qū)域下面的地層信息。圖3為曹妃甸附近海域測(cè)線的淺地層剖面資料，剖面中同相軸具有窗簾式反射特征，即兩側(cè)具有明顯垂直邊界，而邊緣內(nèi)側(cè)地層信息被屏蔽。

(曹妃甸淺地層剖面。Sub-bottom profile of Caofeidian area.)

2.2 亮點(diǎn)

上述特征為信號(hào)消減特征，淺層氣還會(huì)引起地震信號(hào)放大特征。由于淺層氣存在區(qū)域的地層孔隙度大，有氣體存在，因此造成沉積物的縱波速度和密度均下降，導(dǎo)致含氣沉積層和非含氣沉積層的波阻抗差異較大，因此造成含淺層氣地層的頂界在地震剖面上反映為能量非常強(qiáng)，類(lèi)似于油氣地震勘探中的“亮點(diǎn)”。由于不同位置地層收到的壓力和下伏地層的浮力不同，同時(shí)由于上覆地層的孔隙度、密度等的差異，導(dǎo)致含氣地層頂界不規(guī)則，因此也造成了該“亮點(diǎn)”的不規(guī)則分布。例如，圖4為渤海海峽海域某測(cè)線的高分辨率多道地震剖面，反射走時(shí)處于60～140 ms區(qū)間的地層頂面由于淺層氣層的存在，與上覆沉積層具有顯著聲阻抗差異，產(chǎn)生高幅度的局部增強(qiáng)反射，即“亮點(diǎn)”。

(渤海海峽多道地震剖面。Multi-channels seismic profile of Bohai strait.)

2.3 同相軸下拉

含氣地層并不是在橫向上完全展布的，而是分布于某一特定區(qū)域。其兩側(cè)邊界與周邊地層完全接觸，由于含氣地層的孔隙度、滲透率、飽和度等巖石物理參數(shù)與周邊地層存在較大差異，因此導(dǎo)致波的傳播速度也存在較大差異，因此在去除正常時(shí)差影響的情況下，同一深度位置的地層的地震反射信號(hào)到達(dá)海平面水平拖纜的時(shí)間也出現(xiàn)了較大差異，表現(xiàn)在地震剖面上就像是含氣地層兩側(cè)的地層被頂上去了，含氣地層的相位被拉下來(lái)了。前面所述的幾種特征中都會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)地層相位下拉的情況。類(lèi)似于斷層的特征。例如，圖5為渤海海峽一測(cè)線的高分辨率多道地震剖面，在速度屏蔽區(qū)的邊緣地帶，如箭頭所指區(qū)域，存在同相軸下拉現(xiàn)象。

(渤海海峽多道地震剖面。Multi-channels seismic profile of Bohai strait.)

圖6為墾東地區(qū)淺地層剖面，圖中所示為淺層氣發(fā)育地區(qū)，剖面中箭頭位置處顯示出明顯的同相軸下拉現(xiàn)象，并且由于淺層氣富集，橢圓區(qū)域內(nèi)層位模糊。剖面中存在明顯淺層氣運(yùn)移通道。

(墾東地區(qū)淺地層剖面。Sub-bottom profile of Kendong area.)

3 渤海淺層氣分布及成因分析

3.1 淺層氣成因

一般認(rèn)為海底淺層氣的主要成因分為生物成因氣和熱成因氣兩種[16]。我國(guó)海域中淺層氣廣泛分布，以生物氣分布最廣。

生物成因氣是淺部地層沉積物有機(jī)物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)過(guò)細(xì)菌的生物化學(xué)作用而生成的氣體，是我國(guó)近海海域埋深十米以?xún)?nèi)的淺層氣的主要類(lèi)型[17]。熱成因氣是深層地層中有機(jī)質(zhì)經(jīng)熱分解得到的氣體。但氣體埋深不能作為判斷淺層氣成因的依據(jù)。淺層氣生成后,受到巖層孔隙壓力或浮力的作用不停運(yùn)移與聚集。埋深較大的熱成因氣可以沿?cái)鄬?、底辟等向上運(yùn)移,聚集于較淺地層,條件合適時(shí)可溢出海底，或者由于構(gòu)造抬升作用抬升至淺部地層[20]。埋深較淺的生物成因氣也可能由于地層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)埋藏至較深地層。

淺層氣可能為單一成因氣，也可能是由多種來(lái)源的淺層氣而組成的混合成因氣。確定淺層氣成因的最精準(zhǔn)的方法是根據(jù)組分、同位素變化測(cè)定數(shù)據(jù)而綜合進(jìn)行成因識(shí)別[19]。資料缺乏情況下，可結(jié)合海底淺層氣的賦存特征、沉積環(huán)境及地質(zhì)條件進(jìn)行成因推測(cè)。

賦存特征一定程度上可表明淺層氣的成因。層狀淺層氣、團(tuán)塊狀淺層氣在有機(jī)質(zhì)豐富的地層發(fā)育，為生物成因氣的可能性較大[18]。柱狀或羽狀、煙囪狀分布的淺層氣、高壓氣藏和氣底辟為熱成因氣的可能性較大。同時(shí)，淺層氣濃度也可以表明淺層氣成因。淺層氣聲學(xué)空白區(qū)即含濃度高的天然氣。大規(guī)?？瞻追瓷湫枰罅康臍庠囱a(bǔ)充，則一般認(rèn)為氣源來(lái)自于中深部地層。

沉積環(huán)境及地質(zhì)條件是推測(cè)淺層氣的成因的另一依據(jù)[20]。可根據(jù)具體研究區(qū)的地質(zhì)條件分析淺層氣的生烴條件、儲(chǔ)蓋條件，推測(cè)生物成因的可能性。斷層對(duì)淺層氣藏形成的控制作用、鄰近海區(qū)斷層與油氣洼陷的分布為熱成因氣可能性的判斷依據(jù)。

3.2 渤海淺層氣成因可能性分析

渤海地區(qū)在第四紀(jì)經(jīng)歷多次海侵與海退事件，各研究者對(duì)于具體次數(shù)無(wú)統(tǒng)一定論。晚更新世以前資料匱乏，暫不討論。晚更新世以來(lái)，渤海海域共發(fā)生過(guò)三次大范圍的海侵，其中已經(jīng)查明渤海灣西岸以及下遼河平原的晚更新世以來(lái)的地層均存在三次規(guī)模較大的海侵和介于中間的海退[14]。今日渤海為全新世海侵，海水進(jìn)入渤海，開(kāi)始渤海的全新世海相地層沉積。多次海侵導(dǎo)致地層具有海相地層與陸相地層交替出現(xiàn)的特征。海侵和海退引起海平面變化，原陸上碎屑巖等有機(jī)質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境。豐富有機(jī)質(zhì)處于缺氧還原環(huán)境，可能產(chǎn)生生物成因氣。生物成因氣在合適條件下可原地存儲(chǔ)，也可能沿運(yùn)移通道溢出海底，或者運(yùn)移至良好蓋層下的氣體儲(chǔ)集體中。

渤海灣盆地于早第三紀(jì)早期發(fā)育小范圍、彼此分割的單斷沉積凹陷，在中晚期形成統(tǒng)一湖盆，形成了兩套以深水沉積為主的暗色泥巖沉積，形成主力生油巖系。湖盆周邊以及湖盆內(nèi)水流作用，形成了大量的水下扇、三角洲等，后來(lái)成為主要的儲(chǔ)油巖。下第三系的泥質(zhì)巖、中生界的泥巖夾層，及上古生界的泥頁(yè)巖均可以做為古潛山油氣藏等的蓋層。綜上，渤海灣盆地具有良好生儲(chǔ)蓋條件。事實(shí)證明，渤海海域具有豐富的油氣田[15]。渤海灣盆地新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，構(gòu)造斷裂發(fā)育，斷裂甚至延伸至海面，創(chuàng)造了深部有機(jī)質(zhì)進(jìn)行熱分解的油氣向上運(yùn)移至淺部地層的條件，所以熱成因氣的淺層氣理論上也是可能發(fā)生的。

渤海海域淺層氣可能成因單一也可能成因多種并存，確切成因需要進(jìn)行深入分析。

3.3 渤海淺層氣分布及推測(cè)成因

本文在查閱書(shū)籍、文獻(xiàn)等資料的基礎(chǔ)上，將渤海海域淺層氣分布進(jìn)行總結(jié)。另外本文主要討論影響基礎(chǔ)施工的海底淺層氣，不考慮渤海海域淺層氣氣藏。本次研究區(qū)淺地層剖面和多道地震剖面資料所發(fā)現(xiàn)的淺層氣分布于渤海海峽以及曹妃甸附近海域，與部分已發(fā)表的渤海海域淺層氣的分布區(qū)域資料相一致，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，還有部分之前較少談及的淺層氣分布地區(qū)，進(jìn)行補(bǔ)充完善，并推測(cè)各個(gè)淺層氣分布區(qū)域的成因。

圖7 渤海海域淺層氣分布圖[16,20]

總結(jié)如下，渤海海域中海底淺層氣廣泛分布，已發(fā)現(xiàn)區(qū)域包括遼東灣東北端、黃河三角洲外海底、渤中地區(qū)、渤海灣北部的曹妃甸南堡附近海域、渤海灣西北部海區(qū)、渤海海峽[20]。

遼東灣灘海地區(qū)共發(fā)現(xiàn)特征明顯的淺層氣區(qū)四十余個(gè)，多呈不規(guī)則狀分布，頂面埋深在0.5～15 m 范圍內(nèi)，而3～5 m居多，一般延展寬度50～300 m不等。淺層氣多分布在雙臺(tái)子河河口以東區(qū)域、埋藏古河道周?chē)貙又衃20-23]。遼東灣地區(qū)淺層氣分布位置為古河道或古沼澤，推測(cè)該區(qū)域淺層氣成因?yàn)樯锍梢?，并且該區(qū)域與下遼河平原相鄰，為第四紀(jì)海侵事件發(fā)生地區(qū)，從而佐證生物成因的可能性。但是，該區(qū)域海底斷裂發(fā)育，所以不能排除淺層氣是由深層熱成因氣沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移至淺層的可能[20]。

黃河三角洲外海海底分布著大片的淺層氣區(qū)，但黃河三角洲近岸海域淺層氣分布極少，主要分布在老黃河口附近渤海海底，氣頂面距海底8～15 m[24-25]。埕島海域在海底以下15～30 m范圍內(nèi)有淺層氣發(fā)育，其延展寬度為30～50 m，分布范圍??；平面分布形狀復(fù)雜，在小范圍內(nèi)零散分布，未連成片。通過(guò)該區(qū)域淺層氣分布位置為老黃河口以及淺層氣埋藏深度，推測(cè)該區(qū)域淺層氣為生物成因氣，推測(cè)可能由河流搬運(yùn)作用的陸源有機(jī)質(zhì)進(jìn)入缺氧環(huán)境進(jìn)行還原作用生成。

渤中地區(qū)海底淺層氣資料主要來(lái)自于沿山東龍口登陸點(diǎn)至渤海中南部單點(diǎn)系泊、以及CFDl8-2采油平臺(tái)的海底管道路由。淺層地層剖面顯示多處淺層氣分布。淺層氣頂面距離海底面一般在3～8 m間，未發(fā)現(xiàn)噴逸現(xiàn)象[18]。渤中地區(qū)附近油氣田發(fā)育豐富，且渤海灣新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、海底斷裂發(fā)育，由此推測(cè)該區(qū)域淺層氣為深層熱成因氣運(yùn)移至淺層。

在渤海灣北部曹妃甸、南堡附近海域，有淺層氣分布現(xiàn)象。其中灤河三角洲是大面積淺層氣貯存的載體[26-27]。2005年10月—2006年8月在天津海域進(jìn)行的地質(zhì)地貌調(diào)查表明，渤海灣西北部天津市海域有淺層氣分布[28]。該區(qū)域?yàn)楹恿骱秃Ｑ鬆I(yíng)力共同作用的沉積地貌，淺層氣載體為灤河三角洲，并且處于渤海灣西岸，第四紀(jì)海侵事件涵蓋區(qū)域，推測(cè)氣體為生物成因。但該區(qū)域第四紀(jì)斷層發(fā)育，部分?jǐn)鄬由踔吝_(dá)到海底，并且附近存在若干油田(BFD2-1等)，熱成因淺層氣也可能存在[26]。

渤海海峽部分地區(qū)存在海底淺層氣[29]。淺層氣埋藏深度為8～13 m，平面分布局限于遼東半島西部廟島群島附近海域。該區(qū)域內(nèi)末次冰期古河道發(fā)育，富含陸源碎屑沉積物，這些有機(jī)物質(zhì)經(jīng)細(xì)菌腐化轉(zhuǎn)化為甲烷或沼氣，且廟島為全新世海侵后才被海水所淹，所以推測(cè)為生物成因氣。構(gòu)造活動(dòng)亦發(fā)育淺層氣也可能由深部油氣經(jīng)斷層運(yùn)移至淺部形成[29]。

4 對(duì)近海工程的影響

迄今為止，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起由于缺乏海底淺層氣調(diào)查而引起的嚴(yán)重工程災(zāi)害。例如我國(guó)于2002年杭州灣大橋工程的地質(zhì)勘探過(guò)程中鉆井時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈淺層氣井噴現(xiàn)象。渤海海域目前可查閱到的淺層氣事故較少，例如1999年淺層氣藏井噴事故等。淺層氣的存在嚴(yán)重影響近海工程的安全，所以海底淺層氣對(duì)近海工程的影響研究是十分必要的。

4.1 破壞沉積層的致密性.

富含有淺層氣的沉積層的骨架結(jié)構(gòu)將受到破壞，其致密性將降低，增大了沉積層的可壓縮性。此外，根據(jù)Whelan等的研究，沉積層中所含甲烷濃度和地層的抗剪強(qiáng)度成反比。一旦由于大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生導(dǎo)致淺層氣的大量逸出，將使得沉積層出現(xiàn)大的塌陷。所以，富含淺層氣的沉積層的這種高壓縮比、低抗剪強(qiáng)度的特點(diǎn)將嚴(yán)重影響海洋工程的安全。

4.2 海底淺層氣影響基礎(chǔ)施工

海底淺層氣對(duì)于鉆孔樁施工危害極大。鉆孔樁施工的成孔過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)卸荷過(guò)程，當(dāng)成孔至含氣層時(shí)，由于卸荷作用，在上覆土層壓力小于淺層氣的氣藏壓力時(shí)，淺層氣會(huì)從孔內(nèi)逸出，當(dāng)壓力差足夠大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的井噴，周?chē)哪嗌硶?huì)涌入孔內(nèi)，發(fā)生孔壁坍塌等事故，甚至造成施工平臺(tái)下陷、傾覆及至發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重威脅著施工人員的生命安全。

如前所述，淺層氣的存在會(huì)造成地層的不穩(wěn)定性，在一定的地質(zhì)條件下還可能會(huì)誘發(fā)海底地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生，因此淺層氣存在區(qū)域和賦存量的調(diào)查是評(píng)價(jià)淺層氣對(duì)海洋工程安全性影響評(píng)價(jià)的一個(gè)重要工作。前人主要依靠淺地層剖面和側(cè)掃聲納來(lái)進(jìn)行淺層氣的調(diào)查，以上調(diào)查方法能夠?qū)κ欠翊嬖跍\層氣進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，但是無(wú)法對(duì)淺層氣賦存區(qū)域的范圍和賦存淺層氣地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)而準(zhǔn)確的探測(cè)。本文利用在渤海進(jìn)行的多道地震調(diào)查的資料來(lái)闡述了多道地震資料進(jìn)行海底淺層氣識(shí)別相關(guān)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

海底淺層氣的探測(cè)方法較多，包括地震和聲學(xué)探測(cè)手段，例如多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面和高分辨率多道地震方法等，其中高分辨率多道地震方法是探測(cè)淺層氣的最佳方法。本次渤海海域采用淺剖和高分辨率多道手段探測(cè)，海底淺層氣在地震和聲學(xué)剖面上的突出特征主要有“聲學(xué)混濁區(qū)”、“亮點(diǎn)”和“剖面兩側(cè)相位下拉”等。此外，若用聲吶和多波束等探測(cè)方法進(jìn)行輔助，辨別海底淺層氣伴生現(xiàn)象，包括“麻坑”、“水體氣苗”等，則更加權(quán)威。

海底淺層氣的產(chǎn)因包括生物成因氣和熱成因氣兩種，渤海海域具備兩種成因氣的產(chǎn)生條件，淺層氣成因需要具體分析。淺層氣具體成因可通過(guò)賦存特征、沉積環(huán)境及地質(zhì)條件進(jìn)行推測(cè)，具體成因需要通過(guò)組分、同位素變化測(cè)定得到。本文中渤海海底淺層氣具體成因是根據(jù)渤海海域地質(zhì)演化以及沉積歷史推測(cè)得到，正確性有待考證，需要精確實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行驗(yàn)證。

渤海海域的淺層氣分布十分廣泛，分布區(qū)域包括遼東灣東北端、黃河三角洲外海底、渤中地區(qū)、渤海灣北部的曹妃甸南堡附近海域、渤海灣西北部海區(qū)、渤海海峽[16]。其中在遼東灣東北端、渤中海域較為聚集。由于海底淺層氣嚴(yán)重影響近海工程施工的安全，本文總結(jié)的渤海海域淺層氣分布可作為近海海洋工程施工的參考。

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Abstract: Due to the great destructive effect to the stability of the submarine strata, shallow seabed gas has become an important factor seriously impacting on coastal ocean engineering. In recent years, several suspected shallow gas zones have been found in Bohai Sea by means of seismic. Based on the data of the shallow seismic profile and high resolution multichannel seismic exploration, the acoustic reflection characteristics of shallow gas in Bohai Sea are analysed. Through consulting relevant data, the general theory of the shallow gas generation is summarized, and the effect of shallow gas in offshore Marine engineering is discussed. This paper describes the distribution of shallow gas area which have been found in Bohai Sea, and maps at the same time. Combined with the geological evolution of Bohai Sea and the sedimentary history in Bohai Sea, this paper speculates the cause of shallow gas in the concentration distribution area. The serious damage caused by shallow gas is discussed in the end and the results could provide an important reference for marine engineering construction in Bohai Sea.

Key words: Bohai Sea; shallow gas; geophysical prospecting

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Distribution and Seismic Reflection Characteristics of Shallow Gas in Bohai Sea

XING Lei1, 2， JIAO Jing-Juan2， LIU Xue-Qin2， LIU Huai-Shan1, 2， YIN Yan-Xin1, 2

(1.Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques. Ministry of Education； 2.College of Marine Geosciences, Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

P631

A

1672-5174(2017)11-070-09

10.16441/j.cnki.hdxb. 20160354

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41304096；41230318)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130132120014)；國(guó)家高級(jí)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA092501)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41304096 and 41230318)； Doctoral Fund of the Ministry of Education of China(20130132120014)；National High-tech R&D Program of China(2013AA092501)

2016-06-17；

2017-01-01

邢 磊(1984-)，男，博士，副教授，主要從事海洋地震勘探研究。E-mail：xingleiouc@ouc.edu.cn

** 通訊作者：E-mail：lhs@ouc.edu.cn