福建寧德近岸海域海底淺層氣分布特征及成因分析

武 彬,林豐增,張藝武,彭 博,王繼龍,勞金秀,李 崴,于俊杰

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;2.寧德市自然資源局, 福建 寧德 352100;3.福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,福建 福州 350013)

近年來(lái),為加快福建省21世紀(jì)海上絲綢之路核心區(qū)建設(shè),服務(wù)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)的核心任務(wù),寧德市開發(fā)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展,沿海重點(diǎn)區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、港口碼頭、海底管線建設(shè)、海域橋梁隧道等近海工程建設(shè)不斷增加。已有案例表明近岸海域地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重的制約,在沿海軟土地區(qū)開發(fā)利用過(guò)程中,陸續(xù)遇到淺層氣釋放造成一系列工程事故。杭州地鐵1號(hào)線建設(shè)過(guò)程中受到淺層氣的影響[1];渤海海域曾于1999 年發(fā)生淺層氣藏井噴事故[2],渤中25-1區(qū)塊、蓬萊19-3區(qū)塊也曾發(fā)生淺層氣井噴事故,事故對(duì)施工方造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3];杭州灣跨海大橋工程施工過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重事故,導(dǎo)致淺層氣強(qiáng)烈噴發(fā),并引發(fā)淺層氣燃燒事故。不僅國(guó)內(nèi)事故頻發(fā),國(guó)外如美國(guó)墨西哥灣、阿拉斯加海、印度尼西亞爪哇海、英國(guó)北海、西亞波斯灣等多處海域進(jìn)行海洋油氣資源勘探開發(fā)過(guò)程中,同樣因?qū)５诇\層氣調(diào)查、認(rèn)識(shí)不足造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[4]。

隨著淺層氣事故頻發(fā),近年來(lái)陸續(xù)有學(xué)者開展了海域淺層氣研究,取得了一定的成果[5-8],受相關(guān)技術(shù)及施工難度的影響,近岸海域研究成果相對(duì)較少。寧德近岸海域?yàn)?zāi)害地質(zhì)相關(guān)資料匱乏,研究區(qū)海域地質(zhì)環(huán)境尚不清楚,難以反映寧德近岸海域淺層氣分布特征。本文基于最新地質(zhì)調(diào)查資料,開展寧德近岸海域淺層氣分布特征及成因研究。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于東南沿海中生代巖漿帶北部的閩東火山斷拗帶北部(圖1),以燕山期的火山巖和花崗巖廣泛分布為主要特征。自中生代以來(lái),研究區(qū)經(jīng)歷多期次、多階段的構(gòu)造-巖漿活動(dòng),由于不同階段所處的構(gòu)造層次、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的差異,形成了不同時(shí)期各具特色的構(gòu)造形跡組合。研究區(qū)均屬于燕山期—喜山期構(gòu)造層,以脆性變形活動(dòng)為主,地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)主要受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用的控制而發(fā)展演化,形成了研究區(qū)以NEE向構(gòu)造為主,NW向構(gòu)造次之的地質(zhì)構(gòu)造基本格架[9-10],同時(shí)該構(gòu)造格架控制了寧德海岸的發(fā)育。

第四紀(jì)地層在研究區(qū)分布范圍較小,受地形條件的限制,在平面上多呈小面積零星分布,主要分布于三都澳西側(cè)、河口及山間盆地中,厚度數(shù)米至數(shù)十米。海域除部分基巖出露外,基本為第四紀(jì)地層分布。項(xiàng)目鉆孔資料顯示,第四紀(jì)地層普遍發(fā)育在古近紀(jì)古風(fēng)化殼之上,古風(fēng)化殼由一套殘積黏土和風(fēng)化基巖地層組成,其下基巖為中生代火山巖、花崗巖類。第四紀(jì)地層底部普遍發(fā)育一套陸相沉積地層:下部為卵石層,卵石直徑可達(dá)5～10 cm,磨圓度較好,推測(cè)為古河床相;上覆沙質(zhì)和黏土層,推測(cè)為河流相-河漫灘相。這套陸相地層之上覆蓋著一套或兩套深灰色淤泥質(zhì)黏土沉積,普遍粒度較細(xì),均質(zhì),且含有大量貝殼和植物碎屑,推測(cè)為海相地層[12]。

淤泥層代表了第四紀(jì)海相沉積,根據(jù)淤泥地層發(fā)育的特征,進(jìn)一步將寧德地區(qū)第四紀(jì)地層劃分為無(wú)淤泥層、含淤泥層。無(wú)淤泥層主要分布于三都澳西部靠山地區(qū),第四紀(jì)地層較薄,下部主要為卵石層,部分地區(qū)卵石層上覆蓋薄層黏土;含淤泥層發(fā)育區(qū)位于研究區(qū)東側(cè),地層中普遍發(fā)育單層或多層深灰色黏土層。下部也普遍覆蓋卵石層,磨圓度較好,其上發(fā)育一層或多層深灰色淤泥質(zhì)黏土層,淤泥質(zhì)層通常含有較多碳化植物碎屑、有機(jī)質(zhì),為淺層氣的形成提供了條件[12-13]。

2 調(diào)查方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 調(diào)查方法

為精確研究海域淺層氣分布特征及埋深情況,在三都澳及灣外開展了單道地震測(cè)量及淺地層剖面測(cè)量、側(cè)掃聲吶等工作。單道地震地層穿透深度>150 m,東西向布設(shè)主測(cè)線43條,垂直主測(cè)線18條,對(duì)于淺層氣分布區(qū)域加密測(cè)線(圖2)。原始記錄中地層反射信號(hào)連貫清晰,反射界面易于連續(xù)追蹤。調(diào)查過(guò)程中,控制船速不超過(guò)5節(jié),以保證地層數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。淺地層剖面調(diào)查研究主要部署在淺層氣發(fā)育區(qū),沿東西向布設(shè)主測(cè)線12條,垂直主測(cè)線方向布設(shè)聯(lián)絡(luò)測(cè)線5條,淺層剖面工作頻率為8 kHz,工作量程范圍一般為水下2～70 m,實(shí)際探測(cè)地層深度一般>30 m,最大可達(dá)50 m。

圖2 研究區(qū)測(cè)線部署圖

本次海域綜合物探調(diào)查使用南方S82-T GNSS RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng),其包含S-82 T測(cè)量型GPS接收機(jī)和南方水上工程自由行導(dǎo)航軟件。淺層剖面測(cè)量采用德國(guó)SES-2000 Standard型參量陣淺剖系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含SES2000 standard淺剖主機(jī)單元、換能器以及數(shù)據(jù)采集和處理軟件等,利用SESWIN軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,記錄“ses”數(shù)字格式。正式施工前,利用Valeport miniSVP聲速剖面儀實(shí)測(cè)研究區(qū)海域聲速值,將該聲速輸入主機(jī),從而進(jìn)行聲速改正。單道地震測(cè)量采用英國(guó)Applied Acoustics Engineering公司生產(chǎn)的AAE CSP-D 2400單道地震系統(tǒng),該系統(tǒng)包含CSP-D 2400甲板能量發(fā)射單元、Squid 2400拖筏式電火花震源及20單元拖曳式水聽器陣帶前放。單道地震工作參數(shù)為電火花震源激發(fā)能量為500 J,激發(fā)間隔為500 ms,記錄長(zhǎng)度為300 ms。

2.2 數(shù)據(jù)處理

處理過(guò)程中應(yīng)用Trition Perspective軟件(圖3)并配合SeiSee軟件(圖4)進(jìn)行處理。首先,根據(jù)本次實(shí)測(cè)單道地震船后拖曳中心與GPS之間的相對(duì)距離值,將原始記錄中的GPS測(cè)量坐標(biāo)改正到單道地震記錄點(diǎn)的實(shí)際位置,再通過(guò)帶通設(shè)置、增益調(diào)整、直達(dá)波剔除、自動(dòng)TVG補(bǔ)償以及濾波技術(shù)達(dá)到最佳的可視效果。然后,通過(guò)聲學(xué)反射界面人工判讀的方式進(jìn)行數(shù)字化解譯,結(jié)合前期收集的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析研究,完成研究區(qū)內(nèi)聲學(xué)地層的劃分,圈定斷層、淺層氣等地質(zhì)特征分布范圍。利用Trition Perspectiver軟件輸出圖像及數(shù)據(jù),將處理后的數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后,進(jìn)一步利用MAPGIS 6.7成圖軟件繪制海區(qū)基巖埋深圖(國(guó)家85高程基準(zhǔn))、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布圖。

圖3 Trition Perspective軟件操作界面

圖4 SeiSee軟件操作界面

淺層剖面測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程中實(shí)時(shí)接收外部設(shè)備的NMEA0183或X、Y格式定位數(shù)據(jù),存儲(chǔ)為SES格式文件。處理過(guò)程中應(yīng)用ISE軟件進(jìn)行解譯,通過(guò)對(duì)逐個(gè)記錄文件進(jìn)行聲學(xué)反射層識(shí)別,對(duì)相位特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分,追蹤穩(wěn)定強(qiáng)相位,獲得地層分界面,識(shí)別測(cè)區(qū)內(nèi)的淺層氣分布及頂界埋深。

3 淺層氣分布特征

3.1 淺層氣識(shí)別標(biāo)志

本次識(shí)別出淺層氣的主要標(biāo)志為“麻坑”及空白帶,與葉銀燦等[14]研究認(rèn)為“麻坑”、洼坑及氣道、強(qiáng)反射與空白帶為淺層氣發(fā)育區(qū)主要識(shí)別標(biāo)志相符。地震波穿過(guò)含氣地層時(shí),由于氣體存在,會(huì)使反射系數(shù)和透射系數(shù)迅速變小,隨著氣體飽和度增加,透射系數(shù)繼續(xù)減小,但反射系數(shù)會(huì)負(fù)向逐漸增大[15]。單道地震剖面上淺層氣對(duì)其負(fù)載地層所致的聲學(xué)擾動(dòng)程度可以初步推斷含氣濃度的相對(duì)高低。含氣量相對(duì)較高的區(qū)段,其載氣地層及下伏地層的反射信息完全被屏蔽,在單道地震剖面上表現(xiàn)為高密度黑色斑點(diǎn)狀反射,即聲學(xué)空白區(qū),聲學(xué)空白區(qū)兩側(cè)邊緣清晰,一般呈垂直分布,截?cái)鄡蓚?cè)同相軸,在其側(cè)緣過(guò)渡區(qū)可見(jiàn)相位下拉現(xiàn)象(圖5)。含氣量相對(duì)較低的區(qū)段在單道地震剖面上表現(xiàn)為地層信息隱約可見(jiàn),聲學(xué)擾動(dòng)反射通常呈垂向延伸,此類淺層氣頂界面常見(jiàn)同相軸能量增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖5 東沖半島南部LND07測(cè)線埋藏淺層氣單道地震顯示

淺層氣在淺層剖面上的顯示特征同地震剖面上顯示的特征類似:載氣地層及下伏地層的反射信息完全被屏蔽,在淺層剖面上表現(xiàn)為高密度斑點(diǎn)狀反射,即聲學(xué)空白區(qū)、聲學(xué)空白區(qū)兩側(cè)邊緣清晰,一般呈垂直分布,截?cái)鄡蓚?cè)同相軸,在其側(cè)緣過(guò)渡區(qū)可見(jiàn)相位下拉現(xiàn)象。淺層氣蓋層的反射層連續(xù)性較好,具較高能量,顯示效果較單道地震剖面更清晰(圖6)。

圖6 浮鷹島北部19ZND13-1-1測(cè)線埋藏淺層氣淺層剖面顯示

側(cè)掃聲吶剖面識(shí)別標(biāo)志,海底淺層氣上溢可形成地表凹陷體,即所謂的“麻坑”地貌,為淺層氣體在一定深度下的地層內(nèi)發(fā)生聚集,隨氣體地層內(nèi)壓力的逐步增加,氣體沖破沉積物蓋層隨即蓋層發(fā)生沉降形成的凹坑,同時(shí)該凹坑代表氣體釋放過(guò)程中氣體通道位置,在海洋油氣勘查中具有一定的指示意義[14]。在寧德近岸海域側(cè)掃聲吶影像圖(圖7)上可明顯觀察到海底麻坑地貌。麻坑的形態(tài)多樣,以圓環(huán)形或蜂窩形為主。

圖7 白馬港LND03-2線麻坑地貌側(cè)掃聲吶聲學(xué)影像圖

3.2 淺層氣分布特征

根據(jù)上述識(shí)別標(biāo)志,通過(guò)對(duì)比分析,研究區(qū)內(nèi)埋藏淺層氣平面分布具有較好的規(guī)律性,相對(duì)分布于潮汐通道區(qū)、灣外環(huán)島海域。較大規(guī)模的淺層氣共揭露11處(圖2),主要分布于三都島與溪南鎮(zhèn)之間海域、白馬港內(nèi)、東沖半島以南、東吾洋西側(cè)海域、浮鷹島以東海域、羅源灣內(nèi)潮汐通道海域和黃岐半島西北部潮汐通道海域。此外,研究區(qū)還發(fā)現(xiàn)多處小規(guī)模的淺層氣埋藏區(qū),零星分布于島嶼周邊及各港灣內(nèi),主要分布于環(huán)大西洋島、環(huán)浮鷹島、環(huán)三都島、盧門港及鹽田港內(nèi),但發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小,平面分布范圍為0.03～1.1 km2。此類淺層氣雖然平面分布相對(duì)零散,但是主要分布于潮汐通道區(qū)、環(huán)島海域。在平面上從淺層氣分布范圍來(lái)看,淺層氣基本分布于海相淤泥層發(fā)育區(qū)域范圍內(nèi)。

4 淺層氣成因

淺層氣成因據(jù)前人有機(jī)地球化學(xué)及實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)分析研究,現(xiàn)代海底沉積物中淺層氣的成因有2種類型[14,16],即熱解成因淺層氣及生物成因淺層氣。熱解成因淺層氣一般與構(gòu)造有關(guān),氣體經(jīng)斷裂、裂隙構(gòu)造通道運(yùn)移至淺部形成;生物成因淺層氣一般為有機(jī)物質(zhì)經(jīng)較快沉積并快速掩埋,使有機(jī)物處于還原環(huán)境中,經(jīng)厭氧細(xì)菌的生物化學(xué)作用,最終轉(zhuǎn)變成以甲烷分子為主的可燃性氣體[2,17]。由上述可知,海底淺層氣的成因既可能為單一成因,也可能為上述兩種來(lái)源的淺層氣混合成因。前人研究表明,目前確定淺層氣成因的最精準(zhǔn)的方法是根據(jù)其組分、同位素變化測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行淺層氣成因識(shí)別[18],由于本次工作缺乏同位素?cái)?shù)據(jù),可根據(jù)海底淺層氣的分布、賦存特征、海侵海退、沉積環(huán)境及地質(zhì)條件進(jìn)行成因推測(cè)[19]。

研究表明，淺層氣賦存特征在指示淺層氣的成因上具有一定的意義。寧德近岸海域淺層氣多呈層狀、團(tuán)塊狀分布,該特征與前人認(rèn)為多發(fā)育在有機(jī)質(zhì)豐富的地層相符,為生物成因氣的可能性較大[20]。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)[21],研究區(qū)在第四紀(jì)經(jīng)歷多次海侵與海退事件,晚更新世以來(lái),本區(qū)海域共發(fā)生過(guò)3次較大的海侵,形成了地層具有海相地層與陸相地層交替出現(xiàn)的沉積特征[22]。隨著陸源碎屑物等有機(jī)質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境,豐富的有機(jī)質(zhì)處于缺氧還原環(huán)境,可能產(chǎn)生生物成因氣;通過(guò)單道地震及淺地層剖面解譯結(jié)果,結(jié)合海域鉆孔驗(yàn)證,表明研究區(qū)內(nèi)海域存在一較穩(wěn)定的灰色-灰黑色含有機(jī)質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土、粉砂等,多為流塑-軟塑,海底埋深為20 m以淺。與本區(qū)淺層氣普遍埋藏深度(一般為0～20 m)基本相符,推測(cè)研究區(qū)淺層氣為生物成氣。綜上,本文認(rèn)為寧德近岸海域淺層氣為生物成因淺層氣。

5 結(jié)論

(1)單道地震及淺地層剖面調(diào)查結(jié)果顯示,研究區(qū)內(nèi)埋藏淺層氣平面分布具有較好的規(guī)律性,主要分布于潮汐通道區(qū)、環(huán)島海域。揭露較大規(guī)模的淺層氣共11處,主要分布于三都島與溪南鎮(zhèn)之間海域、白馬港內(nèi)、東沖半島以南、東吾洋西側(cè)海域、浮鷹島以東海域、羅源灣內(nèi)潮汐通道海域和黃岐半島西北部潮汐通道海域。淺層氣普遍埋藏較淺,一般為0～20 m。

(2)通過(guò)對(duì)本次調(diào)查研究識(shí)別出的淺層氣分布狀態(tài)、埋藏深度及區(qū)內(nèi)海侵海退記錄研究,結(jié)合前人在鄰區(qū)的研究工作,基本確定研究區(qū)淺層氣成因?yàn)樯锍蓺狻?/p>

(3)海底淺層氣的存在對(duì)海域工程施工帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患,在寧德近岸海域開展工程施工前,應(yīng)充分研究淺層氣分布情況,同時(shí)對(duì)區(qū)內(nèi)淺層氣采取相應(yīng)的處理措施來(lái)保證施工安全。