冷泉氣體滲漏過程海洋多電極電阻率法探測效果模擬分析

尚可旭，郭秀軍，2*，吳景鑫，賈永剛，2

(1.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100)

冷泉氣體滲漏過程海洋多電極電阻率法探測效果模擬分析

尚可旭1，郭秀軍1，2*，吳景鑫1，賈永剛1，2

(1.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100)

為分析評價一種新型海洋多電極電阻率法對海底沉積物中冷泉氣體滲漏過程的探測能力，根據(jù)前人理論研究，結(jié)合具體實例構(gòu)建沉積物中快速及慢速冷泉氣體匯聚、滲漏、噴發(fā)階段地電模型，模擬采用海洋多電極電阻率法進行探測，利用數(shù)值計算方法得到理論剖面圖像，并和室內(nèi)實驗實測剖面圖像進行對比分析。研究結(jié)果表明，在快速冷泉探測剖面圖像中，含氣層和滲漏通道會因冷泉氣體擴散狀態(tài)不同表現(xiàn)為不同的電阻率異常特征，但易于識別。在慢速冷泉探測剖面圖像中，淺層沉積物中氣體富集區(qū)呈明顯的高阻異常區(qū)，隨著氣體滲漏異常區(qū)逐步消失。兩種噴發(fā)過程形成的微地貌特征也可在探測圖像中得到反映。海洋多電極電阻率法是一種可以圖化描述沉積物中含氣層、滲漏通道及氣液界面空間分布位置的有效方法。

冷泉；氣體滲漏；海洋多電極電阻率法；異常圖像

1 引言

海底冷泉是指海底沉積層內(nèi)氣體或液體以泄露或噴涌形式進入海水層和空氣的海洋水文地質(zhì)現(xiàn)象，分布廣泛，從赤道到兩極，從淺海陸架到深海海溝都有發(fā)現(xiàn)[1]。海底冷泉可分為瞬時、快速和慢速噴發(fā)3種模式，不同類型冷泉賦存地質(zhì)環(huán)境有所差異。海底冷泉是形成海底災害、地球深部生物圈演化的重要因素[2]，冷泉噴出口是海底天然氣水合物尋找的標志之一[3]，冷泉噴出的甲烷、硫化氫和二氧化碳等氣體對全球碳循環(huán)和大氣變化產(chǎn)生巨大影響[4]。對海底冷泉氣體富集滲漏過程進行有效觀測和描述具有重要意義。

當前，海底冷泉觀測方式主要有原位和移動兩種。原位觀測主要采用化學和流體輸送測量儀[5]、渦輪滲漏帳篷[6]、容積法懸浮式收集器[7]、成像光譜儀[8]、聲學氣體流量原位在線測量儀[9]、拉曼光譜儀[10]等方式測量冷泉分布范圍、滲流通量、溫度、氣體成分等指標。移動觀測則主要采用聲波法[11]、地震波法[12]、回聲剖面法[13]、多波束聲吶法[14]等地球物理方法。這些方法在一定調(diào)查區(qū)域內(nèi)可迅速確定天然氣水合物穩(wěn)定層、冷泉噴發(fā)通道、噴發(fā)羽，噴發(fā)區(qū)地形地貌特征等問題。

最近20年來，多通道走航式海洋電阻率采集和數(shù)據(jù)處理技術取得長足發(fā)展，在海底沉積物調(diào)查[15]、海水入侵[16]，甚至深水區(qū)天然氣水合物的調(diào)查中[17]都取得良好效果。冷泉孕育噴發(fā)過程中，氣體、流體在不同驅(qū)動力作用下，沿地層中不同方向和運移通道擴散，氣液分布區(qū)的孔液組分和地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[18]，形成與周圍介質(zhì)較大的電性差異。這種差異性構(gòu)成了電阻映像法的應用前提。截至目前，采用多通道電阻率法探測海底冷泉實例尚未檢索到。本文通過數(shù)值分析方法計算得到不同噴發(fā)模式下沉積物中氣體滲漏過程探測剖面，分析電阻率剖面圖像特征，結(jié)合實驗結(jié)果討論該方法探測的可行性。

2 冷泉氣體滲漏過程地質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 地質(zhì)模型選取

瞬時噴發(fā)冷泉噴發(fā)時間短，速度快，過程劇烈且具有破壞性[19]，可探測性差，本文不做研究。周期性快速冷泉和慢速冷泉的地質(zhì)模型構(gòu)建主要參照Hikurangi大陸邊緣冷泉調(diào)查結(jié)果[20]。該實例中形成周期性快速噴發(fā)冷泉的天然氣水合物穩(wěn)定帶距海床面20～50 m。生成的甲烷及分解的天然氣水合物呈液態(tài)流或氣態(tài)流，通過斷層或裂隙向上運移，其寬度由幾米到幾百米。氣體中的甲烷來源較淺，其通量大于沉積物中的氧化過程，可以到達沉積物表層并釋放進入水體。形成慢速冷泉的天然氣水合物穩(wěn)定帶距海床面幾百米不等。由于斷層未貫穿整個地層，不足以形成由地層到海床面的通道，故出現(xiàn)下部管道(斷層)滲透，上部大面積擴散的情況。這一過程通常發(fā)生在以擴散作用為主的海岸帶沉積物中。兩種冷泉的地質(zhì)模型如圖1所示。

2.2 冷泉氣體滲漏過程模型構(gòu)建

參考蘇正等[21]構(gòu)建的水合物下浮游離氣滲漏模型，將冷泉氣體滲漏過程分為6個階段(圖2)，主要包括：(a)氣體被封閉在水合物層之下；(b)氣體刺穿封閉層開始滲漏；(c)氣柱高度增加，推動水流向外排除，水流柱高度相應縮短，流體運移速度不斷增加；(d)含水流沉積孔隙壓力超過靜巖壓力，海床面出現(xiàn)麻坑，形成柱狀氣流通道；(e)氣藏中游離天然氣被排空，孔隙超壓消失，流體通道中氣流柱開始退化；(f)氣流柱完全消失，在海底留下氣煙囪，并有水合物生成，水合物封閉作用恢復，并開始新的氣體聚集，形成新一輪冷泉噴發(fā)過程。

圖1 冷泉地質(zhì)模型[16]Fig.1 Geological model of cold seeps[16]

圖2 沉積物中冷泉形成過程[17]Fig.2 The forming process of cold seeps in sediments[17]

圖3 快速冷泉氣體滲漏過程電學模型Fig.3 The geoelectric model of fast gas migration process

圖4 慢速冷泉氣體滲漏過程電學模型Fig.4 The geoelectric model of slow gas migration process

圖5 海底多電極電阻率法采集示意圖Fig.5 Sketch map of marine resistivity imaging detection

圖6 快速冷泉氣體滲漏不同階段電阻率剖面圖像Fig.6 The resistivity profile of fast gas migration process

圖7 慢速冷泉孕育遷移過程電阻率影響剖面Fig.7 The resistivity profile of slow gas migration process

圖8 室內(nèi)實驗現(xiàn)場Fig.8 The scene of laboratory experiment

圖9 氣體沿通道滲漏過程探測剖面圖像Fig.9 The resistinity profile of fast gas migration process

圖10 慢速冷泉氣體滲漏過程探測剖面Fig.10 The resistinity profile of slow gas migration process

3 冷泉氣體滲漏過程電學模型構(gòu)建

3.1 快速冷泉氣體滲漏過程電學模型構(gòu)建

參考上述地質(zhì)模型和滲漏模型，快速冷泉氣體滲漏過程地電模型分6個階段構(gòu)建(圖3)。因滲透通道孔隙直徑在毫米、厘米級別[22]，故不細化通道。參數(shù)設置：海水電阻率0.3 Ω·m，表層黏土(厚度22～34 m)電阻率1.2 Ω·m，深部黏土層電阻率1.5 Ω·m，含氣土層電阻率2.5 Ω·m，滲透通道(寬5 m，孔隙率0.3)充氣后取2.0 Ω·m，羽狀氣流取5.0 Ω·m(假設除滲透管道外土層無氣體充填)。

3.2 慢速冷泉氣體滲漏過程電學模型

慢速冷泉氣體滲漏過程地電模型同樣分為6個階段(圖4)。參數(shù)設置：海水電阻率0.3 Ω·m，黏土層電阻率(厚度300 m)取1.2 Ω·m，含氣土層電阻率(約100 m)取2.0 Ω·m，碳酸鹽巖層(寬約200 m，厚約15 m)取3.0 Ω·m，含氣滲透通道(寬40 m，孔隙率0.3)取值2.5 Ω·m(假設除滲透管道外土層無氣體充填)。

4 多電極電阻率法探測效果數(shù)值模擬

4.1 探測方式

本文模擬采用水下拖曳式多電極電阻率采集系統(tǒng)開展工作(圖5)。系統(tǒng)布設方式參考日本海洋科學技術研究所(JAMSTEC)自主研發(fā)的MANTA水下多電極采集系統(tǒng)[17]。與MANTA不同的是，本文設計采用51極，串行采集方式開展工作。采集裝置選用偶極裝置，電極極距根據(jù)探測目標不同分別設置。利用SSBL定位，聲學應答器保證電纜距海底5 m，采用深拖系統(tǒng)進行動力牽引。正演采用RES2Dmod，反演采用RES2Dinv軟件實現(xiàn)。

4.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.2.1快速冷泉氣體滲漏過程電阻率剖面圖像特征

模擬采用極距5 m、51極的電纜系統(tǒng)對圖3所示的快速冷泉氣體滲漏模型進行探測。設計數(shù)據(jù)采集層數(shù)21層，計算理論剖面圖像如圖6所示。

圖6顯示當氣體未滲透時，深度25 m以下含氣層分布區(qū)表現(xiàn)為明顯的高阻異常區(qū)，視電阻率大于1.86 Ω·m，上部未充氣黏土層對應視電阻率值0.899～1.05 Ω·m之間。當氣體開始刺穿封閉層滲漏時，在120～130 m，對應氣體刺穿區(qū)域出現(xiàn)視電阻率1.05～1.37 Ω·m的高阻異常，但異常并不明顯。當氣體滲透至封閉層上部時，在水平位置110～120 m，對應氣體滲透區(qū)域出現(xiàn)視電阻率1.05～1.59 Ω·m的高阻異常區(qū)，異常特征較明顯。當氣體穿過封閉層進入海水時，在水平位置115～125 m，對應氣體滲透通道出現(xiàn)視電阻率1.05～1.58 Ω·m的明顯高阻異常條帶，高阻條帶旁側(cè)對應的低阻異常區(qū)應為麻坑地形的反映。當氣藏逐漸排空時，在水平位置110～125 m，仍有高阻異常區(qū)存在，但逐步減弱。冷泉氣體重新積聚階段，氣體滲透通道位置表現(xiàn)為視電阻率值為0.6 Ω·m左右的低阻異常區(qū)，反映含氣層的深部高阻帶界面變淺。

4.2.2 慢速冷泉氣體滲漏過程電阻率剖面圖像特征

模擬采用極距20 m、51極的電纜系統(tǒng)對圖4所示的慢速冷泉氣體滲漏過程進行探測。設計采集層數(shù)36層，計算理論電剖面圖像如圖7所示。

圖7顯示當氣體尚未滲透時，深度210 m以下充氣層呈明顯的高阻特征，雖然頂部地層有斷層存在但異常并不明顯，各沉積層電性層序明顯。當氣體開始刺穿封閉層并開始滲漏時，氣體刺穿影響區(qū)域呈高阻異常特征，與未噴發(fā)時比較，視電阻率變化約為0.25 Ω·m。當氣體滲透至封閉層上部時，頂部氣體富集區(qū)出現(xiàn)明顯的高阻異常區(qū)，視電阻率增大約為0.45～0.7 Ω·m。當氣體穿過封閉層進入海水時，由于氣體長期噴發(fā)產(chǎn)生碳酸鹽巖，使得表層視電阻率明顯增大，增大幅度約為2.50～3.60 Ω·m。當氣藏逐漸排空時，對應含氣層的深部高阻異常區(qū)范圍逐步變小，甚至消失。冷泉氣體重新積聚過程，含氣層上部沉積層中的垂向高阻條帶逐步變?nèi)酰瑲鈱与娮杪手抵匦略龃笾鸩叫纬筛咦鑼?。同時由于前期噴發(fā)的結(jié)果表層仍有高阻異常區(qū)存在。

5 冷泉氣體滲漏過程室內(nèi)模擬探測

5.1 實驗設計

在一個尺寸為150 cm×200 cm×150 cm的實驗槽中，裝填厚度為70 cm的砂土模擬沉積砂層，在其上裝填厚度約為2 cm的黏土模擬海底淤泥層；然后注入50 cm厚的海水模擬海水環(huán)境。利用空氣泵壓縮空氣產(chǎn)生氣體，將曝氣口按不同方式埋入土體模擬不同滲漏過程。為和實際相符，單位面積冷泉氣體噴出速率范圍控制在0～0.126 m3/h之間。探測裝置采用EN60分布式電法儀，電極數(shù)16個，電極布設距海床面0.05 m，極距采用0.10 m，偶極裝置采集(圖8)。

5.1.1 快速冷泉氣體滲漏過程模擬

將曝氣口埋設于土面以下0.2 m深度，曝氣口上部土層中布放Φ0.15×0.15 m的松散砂層模擬滲透通道?？刂茪饬吭?，0.016 6，0.033，0.067 m3/h，使氣體分4個階段在通道內(nèi)遷移。同時進行多電極電阻率法探測，結(jié)果如圖9所示。

5.1.2 慢速冷泉氣體滲漏過程模擬

將兩個曝氣口間隔0.6 m埋設于土面以下0.2 m深度?？刂茪饬吭?，0.016 6，0.033，0.067 m3/h，使氣體分4個階段在沉積物內(nèi)遷移。同時進行多電極電阻率法探測，結(jié)果如圖10所示。

5.2 實驗結(jié)果分析

5.2.1快速冷泉氣體滲漏過程探測剖面圖像特征分析

圖9左列圖為實驗模型，右列圖為實測電阻率圖像。圖9a顯示當氣體未滲透時，已有滲漏通道呈低阻條帶狀異常。當滲漏通道有氣體滲透時，氣體分布區(qū)呈現(xiàn)高阻異常特征，同時由于氣體存在橫向擴散，通道周邊的電阻率也升高(圖9b)。隨著氣體在通道內(nèi)持續(xù)滲漏，相應高阻異常區(qū)范圍不斷擴大(圖9c)。氣體噴出后，含氣滲漏通道呈現(xiàn)明顯的條帶狀高阻異常，同時橫向高阻區(qū)范圍變小(圖9d)。

5.2.2慢速冷泉氣體滲漏過程探測剖面圖像特征分析

圖10左列圖為實驗模型，右列圖為實測電阻率圖像。圖10a顯示氣體尚未滲透時，噴口位置無明顯電阻率異常。沉積物密實度不同導致電阻率非均一，電阻率高的區(qū)域滲透性強，電阻率低的區(qū)域滲透性差。當氣體開始滲漏時，噴口位置出現(xiàn)高阻異常(圖10b)，并隨注氣過程在沉積層中滲透性較好的位置出現(xiàn)不斷擴大的高阻異常區(qū)(圖10c)，說明氣體發(fā)生橫向和垂向滲漏。當氣體滲漏通道貫通時，相應位置出現(xiàn)明顯的高阻異常條帶(圖10d)。

兩組實驗均顯示當飽和砂土中有氣體侵入時，氣體分布區(qū)會表現(xiàn)為明顯的高阻異常特征，并且異常區(qū)大小和氣體分布區(qū)尺寸具有對應關系。當沉積物中有滲漏通道存在時，氣體會沿通道發(fā)生快速滲漏；相反情況下氣體會先富集發(fā)生橫向遷移，后會垂向遷移發(fā)生滲漏。這一過程可從實測電阻率圖像中得到刻畫。

6 結(jié)論

本文通過構(gòu)建不同分布深度兩種滲漏模式冷泉地電模型，進行實際尺度的電阻率探測圖像理論計算，并與小尺度室內(nèi)實驗結(jié)果進行比對。兩個研究過程初步證實了海底多通道電阻率法可實現(xiàn)不同尺度冷泉滲漏過程探測，并得到以下結(jié)論：

(1)通過通道滲漏的快速冷泉氣體分布區(qū)視電阻率異常幅度約為0.3～0.6 Ω·m。條帶狀高阻異常區(qū)和氣體分布區(qū)對應，并隨滲漏過程相應變化。冷泉噴發(fā)形成的麻坑地貌和含氣層變化也會在探測圖像中得到清晰反映。

(2)慢速冷泉氣體滲漏過程中，淺層沉積物中大面積的氣體匯聚帶也表現(xiàn)為高阻異常特征，異常幅度約為0.4～0.8 Ω·m。氣體噴發(fā)完成后，反映含氣層的高阻帶逐步消失。氣體長期噴發(fā)產(chǎn)生碳酸鹽巖，使得表層視電阻率明顯增大，在探測圖像上易于識別。

(3)不同探測尺度所得到的沉積物中氣體分布區(qū)呈現(xiàn)相同的異常特征。但探測精度會受探測系統(tǒng)尺寸、布放位置、探測裝置類型及目標體分布環(huán)境影響，應當進行深入研究。

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Detecting cold spring gas leakage in seabed sediment with marine multi-electrode resistivity method: numerical simulation and experiment

Shang Kexu1， Guo Xiujun1，2， Wu Jingxin1， Jia Yonggang1，2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China;2.KeyLaboratoryofMarineEnvironmentandGeologicalEngineeringofShandongProvince，Qingdao266100，China)

Ability of marine multi-electrode resisitivity method to detect the process of cold spring gas leakage in seabed sediment would been analysed and evaluated in this paper. In order to meet this object， on the base of predecessors’ research results and some concrete examples， the geoelectric models of sediments were built， then theoretical electrical resisitivity sections were calculated while marine multi-electrode resisitivity method was used to detect the gathering， leaking and erupting of fast or slow cold spring gas in seabed sediment. Compare the numerical simulation resisitivity images and experimental ones， some results have been generalized. In the detected section images of rapid cold spring. Gas bearing layer and leakage passages in different phases of leakage performanced for different anomaly resistivity image characteristics， but they were easy to identify. In the detected section images of slow cold spring， gas enrichment region in shallow sediment showed obvious high resistivity anomaly. As the gas leaked， abnormal area gradually disappeared. Two types of landforms formed by gas eruption process could also be reflected in the detected images. Marine multi-electrode resisitivity method was proved to be an effective method which could describe the gas bearing layer， leakage passage and spatial distribution of gas and liquid interface position with measured anomaly images．

cold spring; gas leakage; marine multi-electrode resistivity method; anomaly image

P738

A

0253-4193(2017)11-0085-12

尚可旭， 郭秀軍， 吳景鑫， 等. 冷泉氣體滲漏過程海洋多電極電阻率法探測效果模擬分析[J]. 海洋學報， 2017， 39(11):85-96，

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.008

Shang Kexu， Guo Xiujun， Wu Jingxin， et al. Detecting cold spring gas leakage in seabed sediment with marine multi-electrode resistivity method: numerical simulation and experiment[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(11):85-96， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.008

2016-12-08；

2017-03-20。

國家自然科學基金重大科研儀器研制項目(41427803)；國家重點研發(fā)項目(2017YFC0307701)；國家自然科學基金項目(41772307)。

尚可旭(1991—)，男，山東省淄博市人，主要從事海洋探測技術研究。E-mail：475724806@qq.com

*通信作者：郭秀軍，博士，教授。E-mail：guojunqd@ouc.edu.cn