沖繩海槽中部海底氣體排放分布特征及其控制因素

李昂，蔡峰，吳能友，李清，閆桂京，孫運(yùn)寶，董剛，駱迪

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

氣體排放（gas vents）廣泛分布在海洋環(huán)境中，該地質(zhì)過(guò)程可以將碳物質(zhì)從沉積物轉(zhuǎn)移到海水中[1]。通常來(lái)講，淺表層海相沉積物對(duì)于向上運(yùn)移的氣體（主要是甲烷）是一種有效的屏障。該效果體現(xiàn)在物理和化學(xué)兩個(gè)方面：近海底沉積物通常巖性較為均一，垂向滲透率較差，對(duì)于下伏游離氣體可以形成物理封閉[2-3]。此外，海底附近的甲烷會(huì)被微生物通過(guò)甲烷厭氧氧化反應(yīng)（AOM）大量消耗，從而難以進(jìn)入到海水中[4-6]。然而，該屏障是可以被突破的，當(dāng)沉積物孔隙壓力增大至靜巖壓力時(shí)裂隙便會(huì)形成,富含游離氣體的超壓孔隙流體將會(huì)優(yōu)先通過(guò)這些裂隙向上快速運(yùn)移直至進(jìn)入到海水中[7]。甲烷在海水中溶解會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的生成以及隨后的海水酸化和缺氧[8-9]。小部分排出的甲烷可能會(huì)形成羽狀流（gas flare）甚至可以進(jìn)入到大氣當(dāng)中，由于甲烷是一種有效的溫室效應(yīng)氣體，該過(guò)程可能會(huì)加劇溫室效應(yīng)[10]。但是，定量評(píng)價(jià)這一過(guò)程在全球氣候變化中的效果較為困難，這是由于尚不清楚海洋環(huán)境中有多少甲烷從沉積物中逃逸并進(jìn)入到大氣中[11]。

海底氣體排放的地質(zhì)表征會(huì)隨著排放強(qiáng)度和時(shí)間而變化，形成的海底地貌特征包括泥火山（mud volcano）、泥流（mud flow）、小丘（pingo）、海底凸起（ seabed dome） 、 麻 坑（pockmark） 和 碳 酸 鹽 巖（carbonate buildup）[12-13]。它們可以以不同的組合同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)地方且互相疊加[14]，它們的存在指示了甲烷排放，這些甲烷逃逸是碳物質(zhì)進(jìn)入到海水中的重要組成部分[15-16]。氣體排放在地震數(shù)據(jù)中通常呈現(xiàn)為氣煙囪（gas chimney），其地震剖面特征是圓柱狀的異常聲學(xué)帶，其中通常伴隨著反射層的上拱和下凹以及局部震幅異常[17-18]。氣煙囪的高度通常有數(shù)百米，最大高度可達(dá)約1 km[19]。

本次研究使用了多波束回聲測(cè)深（MBES）數(shù)據(jù)以及二維多道地震（MCS）數(shù)據(jù)，揭示了2013—2016年沖繩海槽中部部分海底發(fā)育有氣體排放，分析了盆地構(gòu)造活動(dòng)及斷層作用對(duì)于氣體排放分布的控制，海底氣體排放和斷層分布的空間位置關(guān)系說(shuō)明海底氣體排放可以廣泛出現(xiàn)在以拉張應(yīng)力為主的深海環(huán)境中。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖 1 沖繩海槽弧后盆地位置圖底圖數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。Fig.1 The location map of the back-arc basin of the Okinawa Troughthe bathymetric data are from the database of the National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA.

沖繩海槽是位于中國(guó)東海的早期弧后盆地，其延伸方向基本平行于琉球島弧[20]（圖1）。沖繩海槽南起于宜蘭平原，北止于九州島，盆地水深向北東方向逐漸減小，最小值可達(dá)約200 m（圖1）。沖繩海槽寬度從南部的60～100 km 向北增加至約230 km，這一寬度變化是由于沖繩板塊繞著臺(tái)灣北部極點(diǎn)產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致[21]。自中新世以來(lái)，菲律賓海板塊向歐亞板塊之下的俯沖導(dǎo)致了上馱板塊巖石圈的拉伸，從而在弧后位置形成了沖繩海槽，持續(xù)的俯沖作用造成了沖繩海槽晚中新世和早更新世的斷陷作用[22-25]。自上新世以來(lái)沖繩海槽受到右旋張扭作用的影響，該作用源于南海板塊向北-北北東方向運(yùn)動(dòng)的擠壓[26]。當(dāng)前沖繩海槽發(fā)育兩組斷裂系統(tǒng)，一是平行于海槽延伸方向的平行斷裂系，二是斜交或正交于海槽走向的橫切斷裂系，其北部有一系列雁列狀地塹和半地塹[27-28]。沖繩海槽的平均熱流量為3.34 ± 2.75 HFU，該數(shù)值高于其他西北太平洋邊緣盆地?zé)崃髁縖29-31]。在沖繩海槽北部，海底火山分布于盆地東部，平行于陸坡走向[32-33]。重力取樣表明沖繩海槽更新世—全新世沉積物主要類(lèi)型包括半深海軟泥、凝灰軟泥、濁流沉積物和生物碎屑灰?guī)r[20]。

沖繩海槽發(fā)育有甲烷和二氧化碳流體排放，其中前者出現(xiàn)在宮古段西部槽底附近，地震剖面中異常聲學(xué)現(xiàn)象指示了直徑約2.2 km 的海底氣泉[34]。在JADE 熱液活動(dòng)區(qū)兩個(gè)地點(diǎn)曾觀察到富含二氧化碳流體排放，淺層沉積物中氣泡通過(guò)上覆固結(jié)沉積物中的斷裂向上運(yùn)移至海底，之后在海床上形成約10 cm 長(zhǎng)、由水合物包裹的中空運(yùn)移通道，氣泡最終通過(guò)該通道進(jìn)入海水當(dāng)中[35]。重力取樣中孔隙水地化數(shù)據(jù)表明沖繩海槽中部西坡泥火山周緣存在有溶解態(tài)甲烷滲漏[36-37]。沖繩海槽北部和中部外陸架和陸坡上部也發(fā)育有泥火山，它們是由于富含氣體的孔隙流體通過(guò)正斷層向上運(yùn)移至海底所形成[38]。海底聲學(xué)成像顯示后向散射局部數(shù)值較高，這些異常高值可能來(lái)源于向上運(yùn)移的氣泡、生物構(gòu)造和碳酸鹽巖膠結(jié)的沉積物[38]。

2 方法

本次研究中數(shù)據(jù)是使用康斯貝格EM122 船載深水多波束系統(tǒng)采集，由東方紅2 號(hào)（2013—2015 年）和海大號(hào)（2016 年）4 個(gè)航次實(shí)施，該系統(tǒng)可以發(fā)射和接收1°×1°的波束，工作頻率12 kHz，雙條幅模式下可發(fā)射波束864 個(gè)，水深測(cè)量誤差±0.2 %。水體聲速剖面是通過(guò)使用聲速剖面儀（SVP）和拋棄式溫鹽深儀（X-CTD）獲取。多波束數(shù)據(jù)、船體航跡數(shù)據(jù)和水體聲速剖面匯總到QPS Qimera 軟件進(jìn)行處理，Qimera 和Fledermaus 軟件分別用來(lái)在扇面和三維空間中觀察羽狀流。海底地貌和后向散射強(qiáng)度分別使用Qimera 和FMGeocoder 軟件進(jìn)行處理和成像。地震數(shù)據(jù)使用法國(guó)SIG L5 電火花震源采集，頻率為20～1 000 Hz，地震數(shù)據(jù)接收采用48 個(gè)通道數(shù)字纜，總長(zhǎng)294 m，采樣間隔為0.5 ms，采集的數(shù)據(jù)隨后使用ProMAX 系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，處理步驟包括預(yù)濾波、反褶積、震幅回復(fù)、速度分析、動(dòng)校正、疊加、去噪等。主測(cè)線間隔為8 km 且覆蓋深水盆地，大部分主測(cè)線終止于陸架邊緣附近。二維多道地震的穿深最高可達(dá)約400 ms（雙程時(shí)差），剖面中海底多次波對(duì)于數(shù)據(jù)觀察的干擾較為嚴(yán)重。本次研究將綜合使用多波束和地震數(shù)據(jù)分析海床凸起幾何形態(tài)、海水中羽狀流聲學(xué)特征以及淺層沉積物中氣體的垂向運(yùn)移。

3 結(jié)果及解釋

3.1 海床地貌及后向散射特征

圖 2 研究區(qū)海底坡度圖紅色箭頭指示了圖6 和圖7 中氣體排放地質(zhì)模型的位置，更多細(xì)節(jié)見(jiàn)圖6 和圖7。Fig.2 The map of the seabed slopeThe red arrow marks the location of the geological model of gas venting in Fig.6 and Fig.7, respectively.More details are shown in Fig.6 and Fig.7.

圖 3 海底凸起長(zhǎng)軸長(zhǎng)度（a）和高度直方圖（b）及羽狀流深度（c）和高度直方圖(d）Fig.3 Histograms of the long-axis length(a) and the height of the seabed domes(b),histograms of the depth (c)and the height of the gas flares(d)

研究區(qū)內(nèi)海床地貌特征包括斷層崖和海床凸起（圖2）。斷層崖在多波束海底地貌數(shù)據(jù)和多道地震剖面中均可以識(shí)別，兩者可以交叉驗(yàn)證說(shuō)明斷層的分布模式，海床斷層崖集中分布在外陸架―陸坡環(huán)境中，總體走向?yàn)楸睎|-南西，向深盆方向逐漸過(guò)渡為北東東-南西西（圖2）。在陸坡附近斷距較大，向深盆方向逐漸減小，以至于部分?jǐn)鄬友聼o(wú)法在海床地貌圖中肉眼識(shí)別出來(lái)（圖2）。海床凸起位于海槽西坡底部附近，在高分辨率多波束海底數(shù)據(jù)中可識(shí)別出72 個(gè)，水深范圍為843～1 050 m。這些凸起具有似圓形、似橢圓形的平面形態(tài)，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度范圍為95～659 m，凸起高度為1.3～20.9 m（圖3），側(cè)翼坡度為0.7°～12.5°，平均坡度為3.2°。凸起的幾何形態(tài)和世界上已知的深海泥火山相似，但規(guī)模較?。ɡ缰薪吓璧豙39]）。引起海底發(fā)生局部凸起有如下4 種機(jī)理：①海底之下液化泥質(zhì)沉積物隨著超壓孔隙流體向上運(yùn)移至海底，進(jìn)入水體時(shí)流體動(dòng)力環(huán)境發(fā)生改變，卸下的沉積物不斷堆積形成類(lèi)似于火山外形的沉積體[40]；②向上運(yùn)移的富甲烷流體運(yùn)移至海底附近時(shí)形成甲烷水合物，孔隙流體從氣/液相向固相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中會(huì)伴隨有體積增大，從而導(dǎo)致海底向上發(fā)生凸起[41]；③運(yùn)移至海底附近的游離氣會(huì)在海底下部聚集形成連續(xù)的垂向氣柱，產(chǎn)生的浮力會(huì)導(dǎo)致海底附近沉積物向上凸起[42]；④在甲烷滲漏海底附近會(huì)有碳酸鹽巖通過(guò)甲烷厭氧氧化作用形成，在該處有時(shí)可以形成碳酸鹽巖丘和/或礁的正地形[43]。

聲學(xué)成像顯示海底存在有多處高亮后向散射區(qū)域，這些區(qū)域平面上為似橢圓形或不規(guī)律幾何外形，局部會(huì)合并到一起從而形成一個(gè)較大的區(qū)域（圖4）。從平面上看，高亮后向散射區(qū)域分布于斷塊之上，或沿著斷層崖分布（圖4），最大面積可達(dá)0.44 km2（位于28°35′34.8491″N、127°17′12.3909″E）。這些高亮后向散射區(qū)域的出現(xiàn)通常被解釋為源于海底附近的天然氣水合物和/或自生碳酸鹽巖，該兩者均能產(chǎn)生高于周?chē)貙拥牟ㄗ杩?，且是富甲烷孔隙流體在海底附近發(fā)生的物理和化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物[13]。共有45 處高亮后向散射區(qū)域與海床凸起相吻合，地震剖面顯示海床凸起之下是垂向并行排列的不連續(xù)反射層，這些反射層比周?chē)瓷鋵诱鸱停ǔ?huì)向上凸起，有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)空白反射。

3.2 水體聲學(xué)特征

使用多波束聲學(xué)水體數(shù)據(jù)識(shí)別出的氣體羽狀流需要符合下述條件：①水體異常聲學(xué)帶需要與海底相連；②羽狀流在形態(tài)上是孤立的、異常高后向散射強(qiáng)度的垂向疊加；③異常聲學(xué)帶中后向散射強(qiáng)度需要隨著水深變淺而降低[1]。多波束數(shù)據(jù)顯示在研究區(qū)海底以上附近存在有129 處異常聲學(xué)帶（位置如圖5 所示），通過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)分析該異常聲學(xué)帶均存在有氣體羽狀流。氣體羽狀流在多波束聲學(xué)水體數(shù)據(jù)中通常顯示為傾斜的或彎曲的束狀高后向散射強(qiáng)度集合，它們的出現(xiàn)顯示了研究區(qū)域海底在2013—2016 年期間普遍發(fā)育有氣體泄露。識(shí)別出的羽狀流根部水深為750.5～1 192.1 m，高度為77.7～647.4 m（最高羽狀流位于28°31′31.7500″N、127°35′26.9500″E），部分羽狀流根部位于海底高亮后向散射區(qū)域中，頂部終止于水深394.5～937.6 m處，該深度可能代表了氣體溶解入水中、氣泡消失的深度。大部分羽狀流沿著北東-南西方向延伸的斷層分布，或集中在海床凸起的最高點(diǎn)和翼部。分別有34 和73 處羽狀流與海底凸起和高亮后向散射區(qū)域相吻合。

圖 4 海底后向散射強(qiáng)度放大圖Fig.4 Zoom-in figure of the backscattering intensity of the seabed

圖 5 多波束回聲測(cè)深數(shù)據(jù)覆蓋圖與羽狀流分布位置圖Fig.5 Bathymetric map derived from multi-beam echo-sounder data and the location map of the gas flares

3.3 實(shí)例

為了展示不同聲學(xué)數(shù)據(jù)在空間中的配置關(guān)系，在研究區(qū)中選取一處實(shí)例加以描述（位置如圖2 紅色箭頭所示，位于28°49′33.1073″N、127°20′41.5494″E），從而刻畫(huà)研究區(qū)中氣體排放的地質(zhì)表征和模型。如圖6 和圖7 所示，該氣體排放自上而下具有氣體羽狀流—海底凸起—碳酸鹽巖—柱狀運(yùn)移通道的構(gòu)成要素，各個(gè)要素均是氣體從沉積物中向海洋淺層乃至大氣圈遷移這一地質(zhì)過(guò)程在不同空間位置的地質(zhì)表征。該處氣體排放水深939 m，地震剖面相切于該海底凸起外緣，海底凸起最高處距該剖面約121 m，地震剖面顯示海底下部具有柱狀的異常聲學(xué)帶，寬度約600 m，根部難以識(shí)別，推測(cè)其高度至少為240 ms（約216 m），地震反射特征具體表現(xiàn)為上拱反射層的垂向疊加，并在海底下80 ms（約72 m處）伴有局部的異常高震幅，該震幅特征沿固定的反射層向兩側(cè)延伸（圖6d）。海底凸起具有近似圓錐形的表征，高度約8.5 m，長(zhǎng)軸寬度約156.2 m，其凸起部分基本都被高亮后向散射區(qū)域覆蓋（圖6c），這是由于海底附近含水合物或/和碳酸鹽巖膠結(jié)沉積物較周?chē)练e物與水體產(chǎn)生了更高的波阻抗差異。水體聲學(xué)數(shù)據(jù)顯示該凸起在2013 年9 月和2016年7 月分別發(fā)育有5 和4 處羽狀流，在兩個(gè)時(shí)間段中氣體羽狀流噴出位置和傾向皆不相同（圖8），其中2013 年羽狀流總體上呈樹(shù)枝狀，高度為250～380 m，2016 年羽狀流向北傾斜，高度為256～315 m（圖8）。氣體羽狀流隨著時(shí)間在空間上發(fā)生改變是由于海底附近沉積物物性發(fā)生改變?cè)斐傻模５淄蛊鹛幖淄楹退畷?huì)在較短時(shí)間內(nèi)形成甲烷水合物從而堵塞沉積物孔隙，產(chǎn)生封閉效應(yīng)，下伏游離氣會(huì)發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，從而在凸起翼部發(fā)生泄漏。此外，這種封閉效應(yīng)也可能來(lái)源于甲烷在淺表層沉積物中發(fā)生的厭氧氧化反應(yīng)，生成的碳酸氫根會(huì)導(dǎo)致自生碳酸鹽巖膠結(jié)的形成[44]。

沖繩海槽深海環(huán)境中甲烷為混合成因[45]，來(lái)自深部地層（＞1 km）熱解成因的甲烷游離氣可以在浮力作用下通過(guò)沉積物孔隙和喉道以及垂向滲透率較高的斷層向上運(yùn)移至淺部地層，在該運(yùn)移路徑中遇到蓋層時(shí)便會(huì)形成氣藏，同時(shí)淺部地層中生物成因的甲烷也會(huì)匯入到該氣藏當(dāng)中。隨著氣藏厚度的不斷增加，氣藏頂部沉積物孔隙壓力會(huì)不斷增大直至上覆沉積物中出現(xiàn)垂向裂隙從而形成疏導(dǎo)通道[46-47]，富含甲烷的孔隙流體便會(huì)沿著該通道迅速疏導(dǎo)至海水中。隨著氣體的釋放孔隙壓力會(huì)逐漸下降，直至游離氣無(wú)法克服毛細(xì)管封閉從而導(dǎo)致甲烷運(yùn)移的暫時(shí)停止。在海底排出的甲烷游離氣會(huì)在海水中形成孤立的氣泡或串狀的氣泡流，在上升過(guò)程中甲烷會(huì)不斷地溶入到周?chē)w中，同時(shí)會(huì)有氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)入到氣泡中[48]。

圖 6 沖繩海槽中部海底氣體排放地質(zhì)表征a.羽狀流，b, c.具有高后向散射強(qiáng)度的海底凸起，d 裂隙疏導(dǎo)通道。Fig.6 Geological expressions of gas venting from the seabed in the Mid-Okinawa Trougha.gas flare, b, c.seabed domes having a high-backscattering intensity and d vertical migration conduits consisting of fractures.

4 討論

圖 7 沖繩海槽中部海底氣體排放地質(zhì)模式圖Fig.7 Geological model of gas venting from the seabed in the Mid-Okinawa Trough

圖2 表明大部分海底凸起和氣體羽狀流在空間上與斷層具有較好的吻合關(guān)系。此外，海底后向散射數(shù)據(jù)也表明高亮區(qū)域基本上沿?cái)鄬臃植迹ɡ鐖D4），可以看出，氣體排放的不同地質(zhì)表征在沖繩海槽研究區(qū)內(nèi)均與斷層活動(dòng)有關(guān)。之前研究表明，沖繩海槽作為早期弧后盆地，其構(gòu)造主應(yīng)力主要是來(lái)源于盆地自中新世以來(lái)的斷陷和拉張作用。此外，沖繩海槽還受到少許走滑作用的影響，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)北東-南西走向斷層的性質(zhì)為張扭斷層[26,49]。海底斷層崖的走向從陸坡附近的北東-南西向深盆方向逐漸過(guò)渡為北東東-南西西，在深盆處地層受到走滑作用影響較小，平面上垂直于該處附近斷層走向的方向代表了盆地主應(yīng)力方向，該方向與Fabbri等研究結(jié)果一致[28]。斷層崖走向變化以及略微向盆地外側(cè)凸起的平面形態(tài)均與斜向裂谷作用（oblique rifting）物理模擬結(jié)果一致[50]，這表明研究區(qū)內(nèi)斷層模式很可能是斜向裂谷作用的結(jié)果。綜上所述，筆者認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)氣體排放受到了盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制作用。

研究區(qū)內(nèi)氣體排放形成機(jī)制不同于擠壓和剪切應(yīng)力背景中泥火山活動(dòng)和甲烷滲漏（methane seepage），這兩種情景中區(qū)域規(guī)模的擠壓和剪切應(yīng)力作用于低滲透率巖層，均會(huì)造成孔隙流體壓力高于該深度靜水壓力，當(dāng)孔隙流體壓力到達(dá)臨界值時(shí)會(huì)在上覆地層形成裂隙，孔隙流體會(huì)隨著液化沉積物運(yùn)移至海底[47,51-52]。在沖繩海槽中部，拉張斷層作用本身無(wú)法使孔隙壓力升高，然而，形成的斷層可以為深部地層中孔隙流體提供運(yùn)移通道，斷層面附近被改造的沉積物可能會(huì)具有較大的孔隙和喉道，高壓孔隙流體更容易克服毛細(xì)管封閉發(fā)生運(yùn)移[53]。在拉張和剪切作用共同作用時(shí)，甲烷排放更容易出現(xiàn)在拉張應(yīng)力影響的區(qū)域中[54]。

5 結(jié)論

圖 8 不同時(shí)期觀測(cè)到的羽狀流（黑色箭頭所指）Fig.8 Gas flares detected at different times (The black arrows mark the gas flares)

（1）2013—2016 年期間沖繩海槽中部海域的部分海底發(fā)現(xiàn)有多處氣體排放，該地質(zhì)作用通過(guò)如下地球物理現(xiàn)象識(shí)別：二維地震剖面中柱狀異常聲學(xué)帶、海底高反射率區(qū)域和凸起以及海水聲學(xué)數(shù)據(jù)中束狀高后向散射強(qiáng)度集合，通過(guò)對(duì)這些構(gòu)成要素空間疊置關(guān)系的分析提出了研究區(qū)氣體排放的典型地質(zhì)模型，該模型在空間上自上而下包括氣體羽狀流、具有高反射率的海底凸起以及近似垂直的裂隙運(yùn)移通道。

（2）沖繩海槽研究區(qū)內(nèi)氣體排放在2013—2016年期間隨時(shí)間發(fā)生變化，其分布總體上受到盆地構(gòu)造作用的控制，自中新世以來(lái)斜向裂谷作用導(dǎo)致了當(dāng)前斷層模式的發(fā)育，以拉張為主的斷層作用導(dǎo)致了斷層面附近垂向運(yùn)移通道的形成，地層中富甲烷流體通過(guò)該通道運(yùn)移至海水-沉積物界面并在海水中最高上升至水深394.5 m 處。