南海神狐海域水合物一維速度結(jié)構(gòu)研究： 基于中—低飽和度水合物區(qū)的約束

柳雷鋒 ，夏少紅 ，方允鑫 ，林 霖 ，范朝焰 ，孫金龍，趙 芳

1.中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室，中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301；

2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458；

3.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075；

4.中國科學(xué)院廣州分院，廣州 510070；

5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

天然氣水合物（以下簡稱“水合物”）是高壓、低溫條件下形成的一種冰晶狀固體，廣泛存在于溫壓適宜的海洋、湖泊及永久凍土環(huán)境中，同時作為一種易分解的新型清潔能源，其存在影響著大陸邊坡穩(wěn)定性與未來全球環(huán)境氣候變化。近年來，隨著全球資源的匱乏與環(huán)保理念的日益普及，越來越多的學(xué)者致力于深水資源的開發(fā)，專注于水合物性質(zhì)的研究。學(xué)者們普遍利用海底地震儀、多道地震等探測技術(shù)來研究天然氣水合物速度結(jié)構(gòu)、構(gòu)造成藏等，如利用海底地震儀（Ocean Bottom Seismograph，OBS）的縱橫波走時擬合技術(shù)研究水合物與游離氣的形態(tài)分布（張光學(xué)等, 2014;Wang et al., 2014; Sha et al., 2015; Xing et al., 2018;Zillmer et al., 2018, Singhroha et al., 2019; 李子正等,2020; Liu et al., 2020）、利用多道探測技術(shù)研究水合物分布、運移成藏模式等（Shelander et al., 2010;Shedd et al., 2012; Satyavani et al., 2016; Wang et al.,2018; Gorman et al., 2018; Berndt et al., 2019）、以及利用各種方法來確定水合物礦體與游離氣的速度（Pecher et al.，1998; Korenaga et al., 1997; Katzman et al., 1994; Holbrook，2001）。其中水合物礦體帶速度約為1.8至2.5 km/s（Pecher et al.，1996），與純天然氣水合物的縱波速度（3.3~3.8 km/s）相比較低（Sloan，1998）；水合物礦體帶下方多存在似海 底 反 射 層（BSR, Bottom Simulating Reflection），BSR是一個水合物礦體與游離氣帶間的相變面，受溫度和壓力控制；而BSR下方，由于游離氣的存在，通常觀察到低速特征（1.2~1.5 km/s）（Bünz et al.，2005；Korenaga et al.，1997；Tinivella et al.，2000）。

盡管針對水合物的研究取得了豐碩的成果，然而人們對水合物地震波速結(jié)構(gòu)等內(nèi)容仍了解較少。一方面多數(shù)學(xué)者把研究重心放在水合物飽和度與似海底反射層上（BSR, Bottom Simulating Reflection），另一方面每個區(qū)域的水合物富集特征及其控制因素，由于儲層、氣源、流體運移等條件不同，可能有較大差異，因此大部分研究重點關(guān)注單個水合物區(qū)。盡管不同水合物區(qū)富集特征存在差異，但其仍存在一些共同特征，這些共同特征能否為水合物的性質(zhì)研究以及OBS勘探水合物工作提供參考？為了解決該問題，同時為了探明全球天然氣水合物的分布規(guī)律、速度結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，筆者收集了全球各地水合物區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)，開展了水合物地震波速度變化特征、速度控制因素等內(nèi)容的研究，以確定水合物波速特征與具體影響因素；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合速度變化特征與神狐海域OBS探測數(shù)據(jù)，識別出OBS剖面上的不同反射震相，并建立了橫向均勻初始模型，通過射線追蹤與走時擬合得到了神狐海域的一維縱波速度結(jié)構(gòu)，并分析了初始模型與最終模型的速度差異。其研究有助于理解水合物速度變化成因，為后續(xù)獲取神狐海域OBS-L4測線精確速度結(jié)構(gòu)打下了堅實基礎(chǔ)，同時對我國南海天然氣水合物勘探以及未來深水資源的調(diào)查有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了得到水合物地震波速變化特征，筆者研究了世界各地不同的天然氣水合物區(qū)，其中以已探明地震波速結(jié)構(gòu)的水合物區(qū)的研究為主，包括挪威中部斯托雷加滑坡（Storegga Slide）、斯瓦爾巴群島西部維斯特內(nèi)斯山脊（Vestnesa Ridge）、臺灣西南部等18個水合物區(qū)（表1）。從收集到的水合物區(qū)的情況來看，天然氣水合物在海洋中分布十分廣泛，主要集中在被動大陸邊緣、主動大陸邊緣、邊緣海盆地三個構(gòu)造位置（圖1）。被動大陸邊緣如美國大西洋布萊克海臺（Blake Ridge）、波弗特海邊緣（Beaufort Sea）等；主動大陸邊緣如加拿大卡斯卡迪亞俯沖帶（Cascadia margin）、秘魯近海（Offshore Peru）等；邊緣海盆地如日本郁陵盆地（Ulleung Basin）、加拿大新斯科舍省邊緣海盆地（Nova Scotian margin）等?？傮w來說，研究的水合物區(qū)數(shù)量充分、類型豐富、分布廣泛（圖1），能反映全球水合物地震波速特征的一般規(guī)律。

表1 全球水合物區(qū)地震波速度結(jié)構(gòu)及成藏環(huán)境Table 1 Seismic wave velocity structure and reservoir forming environment in hydrate areas of the world

圖1 全球天然氣水合物分布及其地震波速探測現(xiàn)狀（據(jù)Walsh et al., 2009）Fig.1 Map showing the global gas hydrate distribution and regions where seismic wave velocity structures are established or to be constructed

1.2 數(shù)據(jù)特征與方法

數(shù)據(jù)來源于目前公開發(fā)表的水合物區(qū)地球物理信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究全球水合物區(qū)的速度共性特征，并結(jié)合速度變化特征與神狐海域OBS探測數(shù)據(jù)，利用射線追蹤與走時擬合獲得了神狐海域的一維縱波速度結(jié)構(gòu)，同時分析了速度變化特征對初始模型的參考作用。數(shù)據(jù)覆蓋了BSR上下方的P波和S波速度、水合物與游離氣的飽和度和厚度、水深、地形以及構(gòu)造對水合物分布的控制作用等內(nèi)容。從數(shù)據(jù)來看，橫波的數(shù)據(jù)相對缺失，且BSR上下兩層橫波速度變化不明顯，特別是在BSR下方，橫波速度基本不變。這是由于當(dāng)水合物作為沉積物骨架時能增大剪切模量從而影響橫波速度，相反作為沉積物孔隙中懸浮顆粒時剪切模量變化很小（Dash and Spence, 2011; Singhroha et al.，2019），而本研究統(tǒng)計到的水合物區(qū)多為中—低飽和水合物區(qū)，水合物顆粒與沉積物骨架不相連，因此，在BSR上方觀察到高P波地震速度，而BSR下方的游離氣體則降低了P波速度，S波速度則變化不明顯。由于P波和S波性質(zhì)的差異，對水合物性質(zhì)的研究通常以P波研究為主，或在P波研究結(jié)果的基礎(chǔ)上通過S波再次約束佐證，這也導(dǎo)致橫波的研究數(shù)據(jù)相對較少，因此本研究以分析P波速度特征為主。

18個不同水合物區(qū)數(shù)據(jù)中，南海神狐水合物區(qū)波速數(shù)據(jù)來源于SH02測井速度信息，其余水合物區(qū)波速數(shù)據(jù)來源于OBS獲取的速度信息，速度值多為水合物不同圈層的最大值、最小值、均值以及BSR相變面較為精準(zhǔn)的速度值，其均為文章直接給出的具體數(shù)值或圖件的直接反映。此外南極南設(shè)得蘭群島、秘魯中部兩個水合物區(qū)的飽和度數(shù)據(jù)由濃度與孔隙度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得。為了分析水合物速度與上覆壓強(qiáng)的關(guān)系，對深度數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換，其中上部沉積帶厚度Htop根據(jù)BSR深度與水合物厚度差值得到，沉積層密度采用淤泥層、淺部沉積層中砂巖與海水以體積比例加權(quán)平均獲得，砂巖密度采用2.6×103kg/m3，孔隙度φ=0.5，海水平均密度取1.03×103kg/m3，計算得出上部松軟沉積物的平均密度1.80×103kg/m3，g取9.8 N/kg，據(jù)此計算出上部壓強(qiáng)。

總體上，本文基于18個水合物區(qū)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用統(tǒng)計、壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換、數(shù)值擬合等方法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合神狐海域OBS探測數(shù)據(jù)，利用射線追蹤與走時擬合技術(shù)獲得了神狐海域的一維縱波速度結(jié)構(gòu)，此外，對數(shù)據(jù)處理過程中可能造成的誤差以及經(jīng)驗公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評估，客觀充分地論證結(jié)果的實際可靠性。

2 水合物速度特征

2.1 水合物速度圈層劃分

前人雖然對水合物區(qū)速度進(jìn)行了一定研究，但只是局限于單個或多個水合物區(qū)的水合物礦體與游離氣層兩個部分，對其上下方沉積層，以及全球范圍內(nèi)的水合物速度結(jié)構(gòu)未做詳細(xì)研究。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，利用全球綜合性數(shù)據(jù)進(jìn)一步詳細(xì)劃分了水合物區(qū)不同圈層的速度范圍（圖2a），這對單純從地球物理速度信息上判斷水合物的存在與富集情況有一定借鑒意義，同時能為OBS勘探水合物中初始模型的建立提供層位結(jié)構(gòu)與速度信息等方面的參考。

圖2 全球水合物分布區(qū)不同圈層速度結(jié)構(gòu)Fig.2 Velocity structures of different zones of hydrate-bearing regions in the world

水合物區(qū)圈層至上而下依次劃分為：海水層、淤泥質(zhì)沉積層、淺部沉積層、水合物礦體層、游離氣層、深部沉積層。海水層：1.46~1.53 km/s，受海水鹽堿度、溫度等影響，不同地區(qū)不同深度海水縱波速度存在些許差異（徐壽志，2011；駱模義等，2010）；淤泥質(zhì)沉積層：1.46~1.56 km/s，該層為海底淤泥層，一般發(fā)育蜂窩狀微結(jié)構(gòu)和疏松基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu)的淤泥和淤泥質(zhì)黏土，其孔隙度越大、密度越小、含水量越多，沉積物P波速度越?。ǔ虄魞舻龋?011）；淺部沉積層：1.57~1.75 km/s，水合物礦體上部的沉積層，與淤泥質(zhì)沉積層相比，含水量較少且更為壓實，內(nèi)部不含水合物顆粒，與下部水合物礦體層速度差異明顯；水合物礦體層：1.70~2.30 km/s（圖2b），水合物穩(wěn)定賦存的沉積層，縱波速度較高異常，隨飽和度增加P波速度增加；在水合物礦體層下方多存在BSR反射面，BSR是水合物礦體與游離氣層間的一種極性反轉(zhuǎn)的強(qiáng)反射相變面，BSR界面上下方速度急劇變化（圖2c）；游離氣層：1.80~1.25 km/s（圖2d），深部游離氣儲集的沉積地帶，游離氣的富集使縱波速度顯著降低；深部沉積層：1.65~3.00 km/s，沉積物較為致密壓實。

由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的限制，速度結(jié)構(gòu)只反映中低飽和度水合物區(qū)的一般特征，在某些水合物區(qū)的高富集區(qū)段，其縱波速度可能會明顯大于該范圍，如臺灣西南部GSGM2-08鉆井中水合物縱波速度最高達(dá)2.70 km/s（Wang et al.，2017）。水合物區(qū)圈層的劃分與速度值范圍的界定一定程度上能對OBS剖面上震相的識別以及初始模型的建立提供重要參考。

2.2 水合物縱波速度經(jīng)驗公式

統(tǒng)計結(jié)果表明，水合物P波速度整體與海水深度或相對壓強(qiáng)呈正相關(guān)（圖2b）。為了探究速度與海水深度或壓強(qiáng)是否呈某一確定關(guān)系，利用最小二乘法對速度與壓強(qiáng)進(jìn)行線性擬合。擬合時海水深度取研究區(qū)平均水深，但部分地區(qū)地形起伏較大，如新西蘭希庫朗伊（1000~2500 m），勢必會產(chǎn)生較大誤差，因此剔除了水深跨幅較大（500 m以上）的水合物區(qū)，并把海水深度與沉積層厚度轉(zhuǎn)化為上覆壓強(qiáng)（表2），其中相對壓強(qiáng)采用海水產(chǎn)生的壓強(qiáng)與不同沉積帶的平均深度轉(zhuǎn)換。根據(jù)數(shù)據(jù)分別擬合了水深與水合物礦體層波速（圖3a）、水合物礦體層上覆壓強(qiáng)與其波速（圖3b）、BSR上覆壓強(qiáng)與BSR界面速度的函數(shù)關(guān)系（圖3c），發(fā)現(xiàn)縱波速度不僅受海水深度的制約，同時受上覆沉積層厚度的約束，并最終以水深、沉積層巖石厚度為二維變量，擬合了二者與縱波速度的關(guān)系（圖3d）。

表2 全球水合物分布區(qū)深度/壓強(qiáng)與波速擬合數(shù)據(jù)表Table 2 Data for depth/pressure and wave-velocity fitting of hydrate-bearing areas in the world

擬合結(jié)果顯示，水合物礦體層波速（Vp）與海水深度（D）呈線性關(guān)系，Vp = 1.612×10-4D+1.607。該經(jīng)驗公式擬合度R2 = 0.70，而當(dāng)把淤泥層、淺部沉積層與水體產(chǎn)生的壓強(qiáng)（P）作為影響因素時，波速Vp=1.343×10-4P+1.596，R2=0.74，水合物礦體層相對壓強(qiáng)與波速的擬合度0.74，較水深與波速的擬合度明顯增加，這在一定程度上說明海水深度與沉積層厚度二者共同影響著水合物帶的縱波速度。上述兩個擬合均采用不同圈層平均深度與平均速度的數(shù)值擬合，因此其擬合度與真實值相比存在一定誤差。為了進(jìn)一步約束我們的結(jié)論，采用BSR界面上覆相對壓強(qiáng)與BSR相變面的最大速度進(jìn)行擬合，通常水合物礦體在BSR界面處有最大的縱波速度，因此擬合時用的最大速度和BSR上部的沉積厚度相對較為精確。在圖3c中發(fā)現(xiàn)BSR相對壓強(qiáng)與最大縱波速度呈良好的線性關(guān)系，波速Vp=1.969×10-4P+1.529，R2=0.80。

圖3 全球水合物區(qū)P波速度經(jīng)驗公式擬合Fig.3 Various regression methods for the empirical formula of P-wave velocity of hydrate-bearing areas in the world

上述三次擬合，隨著對海水深度與上部沉積物厚度的進(jìn)一步精確，其擬合度在不斷增高，且最高達(dá)0.8，呈良好的線性關(guān)系，能夠得到的結(jié)論是水合物縱波速度整體受海水深度以及其上部的沉積物厚度的共同控制。為了進(jìn)一步約束水深與沉積物厚度對水合物縱波速度的影響關(guān)系，我們進(jìn)行了二元函數(shù)關(guān)系擬合，以水深D與BSR上部沉積物厚度H為二維變量進(jìn)行擬合得到經(jīng)驗公式：Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H+1.515，其擬合度R2=0.84，均方根誤差RMSE=0.07。

通過對統(tǒng)計水合物區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，水合物礦體上部的沉積層厚度在100~600 m范圍，且通常單個水合物區(qū)的沉積層厚度波動不大，穩(wěn)定在某一定值附近，相反單個水合物區(qū)的海水深度跨幅較大，因此對于特定水合物區(qū)，其上覆海水深度主要影響水合物礦體層的縱波速度，據(jù)此筆者做了不同沉積層厚度情況下的水合物層縱波速度隨海水深度的函數(shù)走勢線（圖3d），以便針對不同水合物區(qū)的具體情況快速分析水合物區(qū)的縱波速度變化特征。

3 神狐水合物OBS探測

神狐海域位于南海北部陸坡中段，于珠江口盆地南東端，地處白云凹陷南側(cè)，東側(cè)毗鄰東沙隆起。2019年3~4月廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域組織天然氣水合物OBS調(diào)查航次，獲得了多分量OBS地震數(shù)據(jù)和多道地震數(shù)據(jù)（圖4），本研究利用置于神狐海域的OBS03、OBS32臺站并結(jié)合多道地震剖面開展速度結(jié)構(gòu)研究，其中OBS03位于神狐海丘西南側(cè)，OBS32置于海丘脊部正上方，其采樣間隔為2 ms，氣槍放炮測線長24 km，共激發(fā)960炮，炮間距25 m。

圖4 南海北部神狐海域OBS-L4測線與多道地震測線分布Fig.4 Distribution of OBS-L4 and multi-channel seismic lines in Shenhu Area, Northern South China Sea

3.1 震相識別

OBS層間反射震相的識別一直是水合物研究中的難點，也是后續(xù)構(gòu)建速度模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。水合物礦體及其上、下地層的層速度呈現(xiàn)典型的三段式，即上下低、中間高的特征（勾麗敏等，2017），因此BSR與海底反射波相比表現(xiàn)為明顯的極性反轉(zhuǎn)，即在波形上表現(xiàn)為其初始震動方向與海底反射相反的特征，這是識別BSR反射震相的重要依據(jù)。為了確定震相，首先對比了兩個OBS剖面中的不同震相（圖5，6）。與OBS03臺站相比，位于水合物礦體正上方的OBS32臺站的剖面上發(fā)現(xiàn)了一套其特有的強(qiáng)反射震相（圖6），其波形初動方向與海底反射相反且視速度較大、橫向延展性較好（圖6），因此該震相為BSR反射震相。此外，在BSR反射震相上、下方均發(fā)現(xiàn)了一套只存在于OBS32臺站中的特殊震相，說明這兩套震相均與水合物相關(guān)。其中位于BSR上方的震相反射較弱，橫向強(qiáng)度較小，向兩側(cè)逐漸殲滅（圖6）；由于水合物頂界反射震相通常反射較弱，只有在水合物濃度差異過大的地方反射更強(qiáng)，結(jié)合其橫向上向兩翼逐漸減弱的變化趨勢，認(rèn)為該震相為水合物頂界震相。對于BSR下方的震相，其視速度比直達(dá)水波震相大，但比BSR及水合物頂界震相小，結(jié)合劃分的速度范圍，認(rèn)為該震相為游離氣底界震相（圖6）。此外，在OBS03、OBS32臺站波形中直達(dá)水波震相下方均存在一套視速度與直達(dá)水波近乎相同的震相，結(jié)合前人的研究，該震相被確定為飽和海水的淺部松軟淤泥質(zhì)沉積層震相（程靜靜等，2011）。綜上，我們根據(jù)震相的極性、反射強(qiáng)度、視速度、震相空間關(guān)系等特征，把OBS記錄到的反射震相從上往下依次劃分為：海底反射震相、淤泥質(zhì)沉積層震相、水合物頂界震相、BSR反射震相、游離氣底界震相（圖6）。

圖5 神狐海域OBS03地震波形剖面震相（無水合物發(fā)育區(qū)）Fig.5 The OBS03 seismic waveform profile in Shenhu Area(no hydrate development area)

圖6 神狐海域OBS32地震波形剖面震相確定（水合物發(fā)育區(qū)）Fig.6 The phase determination of OBS32 seismic waveform profile in Shenhu Area (hydrate development area)

為了進(jìn)一步確認(rèn)在OBS剖面中識別到的反射震相，我們將OBS32臺站的剖面與鄰近多道地震剖面進(jìn)行拼合并對比。將OBS32臺站的位置投影到鄰近多道地震剖面中（圖7），結(jié)果顯示，OBS剖面的震相與多道地震剖面的強(qiáng)反射同相軸吻合較好（圖7），這也驗證了識別到的一系列反射震相的準(zhǔn)確性。

圖7 神狐海域OBS32震相與多道地震對比Fig.7 Comparison of the seismic phase of the OBS32 wave profile with multi-channel seismic image in Shenhu Area

3.2 模型建立

構(gòu)建良好的初始模型是后續(xù)精細(xì)結(jié)構(gòu)成像的關(guān)鍵，也能極大地減少后期正演模擬的工作量。本研究基于多道地震剖面時深轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，提取出OBS32兩側(cè)沿測線方向的海底、水合物頂界、BSR、游離氣底界等主要界面的深度（表3），從而將其作為初始模型各個界面的約束。對于層間速度，其中淤泥質(zhì)沉積層與游離氣底界面的速度是由全球共性特征設(shè)定，水合物頂界、BSR界面的速度則是采用擬合的經(jīng)驗公式計算得出，兩個界面的縱波速度分別為1.81 km/s、1.87 km/s。最終根據(jù)不同界面的深度、速度建立了橫向均勻初始模型（圖8）。

圖8 神狐海域速度結(jié)構(gòu)初始模型的建立Fig.8 The established initial model of the hydrate-bearing area in Shenhu area

表3 初始模型不同圈層厚度、速度值Table 3 Data for the velocity and thickness of different layers in the initial model

由于海底與淤泥質(zhì)沉積層反射面的速度與深度影響水合物頂界、BSR震相的射線追蹤與走時擬合結(jié)果，我們使用Rayinvr軟件結(jié)合射線追蹤理論，通過至上而下不斷調(diào)節(jié)海底、淤泥質(zhì)沉積頂界面的速度、深度值，直到所拾取到時與模型的理論到時殘差（RMS）最小，并得到模型1。與初始模型相比，模型1保證了海水層、淤泥質(zhì)沉積層震相的最佳匹配，同時保留了由經(jīng)驗公式獲得的水合物頂界、BSR界面的深度、速度值，其與最終模型的速度對比，可幫助分析經(jīng)驗公式對水合物礦體層速度值的估算效果。在模型1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用試錯法依次擬合水合物頂界、BSR、游離氣底界三種震相，保證最小的走時殘差，得到了最終模型。與模型1相比，最終模型水合物頂界深度平均抬高8 m，速度平均增加0.02 km/s；BSR界面深度平均抬升5 m，速度平均增加0.05 km/s。結(jié)果顯示，水合物頂界與BSR界面對應(yīng)的速度擾動均在0.05 km/s范圍內(nèi)，其速度值與模型1差異很小，即初始模型建立的速度值較為可靠，這在一定程度上說明經(jīng)驗公式能約束初始模型中水合物頂界面與BSR界面的速度值，為了進(jìn)一步得到精確速度模型提供保障。

本研究對模型1與最終模型分別進(jìn)行射線追蹤與走時擬合（圖9，10），并提取出OBS32臺站下方的一維縱波速（圖11），其中模型1共使用366條射線，RMS為7 ms，卡方值為10.612；最終模型共使用366條射線，RMS為2 ms，卡方值為1.080。我們使用Katzman（1994）等提出的方法分析了最終模型中RMS隨速度、深度變化的影響，由于最終模型具有最小的走時殘差，速度模型的擾動會導(dǎo)致模型和所選走時之間走時殘差增大。以水合物頂界面為例，固定其他界面不變，對水合物頂界深度、速度參數(shù)進(jìn)行擾動，選取最小RMS區(qū)間對應(yīng)的擾動范圍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)需要將速度模型擾動超過0.06 km/s或深度擾動超過4 m，RMS才會顯著改變，即最終模型中水合物頂界深度不確定性為±4 m，速度不確定性為±0.06 km/s（圖12），從圖12還可看出深度、速度兩參數(shù)波動范圍為以（0，0）為圓心的橢圓，指示了最終模型的可靠性。此外，本研究還對模型1中水合物頂界速度、深度兩參數(shù)進(jìn)行擾動，從圖13能看出二參數(shù)波動范圍為以（-0.02，0.008）為圓心的橢圓，與最終模型對比，初始模型的深度約束較差，速度約束相對良好，由于經(jīng)驗公式只為初始模型提供速度信息，不提供深度信息約束，因此指示了經(jīng)驗公式對初始模型速度值的約束效果。

圖9 （a）模型1射線追蹤，（b）模型1走時擬合，（c）OBS32剖面震相拾取Fig.9 (a) Ray tracing for Model 1, (b) Travel-time fitting for Model 1, (c) Seismic phase picking for the OBS32 profile

圖10 （a）最終模型射線追蹤，（b）最終模型走時擬合，（c）OBS32剖面震相拾取Fig.10 (a) Ray tracing of the final model, (b) Travel-time fitting of the final model, (c) Seismic phase picking of the OBS32 profile

圖11 模型1與最終模型OBS32下方縱波速度對比Fig.11 Comparison of P-wave velocities beneath the OBS32 between Model 1 and the final model

圖12 神狐水合物區(qū)最終模型不確定性分析Fig.12 Uncertainty analysis of the final model of Shenhu hydrate-bearing area

圖13 神狐水合物區(qū)模型1不確定性分析Fig.13 Uncertainty analysis of Model 1 of Shenhu hydrate-bearing area

從一維縱波速度曲線上發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)OBS臺站下方存在明顯的速度異常，BSR上方一層縱波速度：1.83~1.92 km/s，與背景速度場相比，BSR界面上方地層速度明顯增加了0.15~0.20 km/s，BSR下方一層縱波速度又急劇降低至1.60~1.70 km/s，這種速度變化異常指示了水合物礦體的存在，此外模型1與最終模型中OBS32正下方縱波速度曲線重合度較高，水合物頂界與BSR反射面速度差異在0.05 km/s范圍內(nèi)，縱波速度大體一致，說明了擬合公式能幫助約束初始模型中水合物礦體的速度值，一定程度極大地減少后期正演模擬的工作量，在水合物區(qū)速度建模中起重要參考作用。

4 討論

基于全球18個地區(qū)的波速數(shù)據(jù)，本研究開展了水合物地震波速度變化特征、速度控制因素等內(nèi)容的研究，以確定水合物地震波速度特征與具體影響因素；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合速度變化特征與神狐海域OBS探測數(shù)據(jù)，建立了橫向均勻初始模型，得到了神狐海域的一維縱波速度結(jié)構(gòu)，并分析了初始模型與最終模型水合物礦體層的速度差異以及經(jīng)驗公式對初始模型的參考作用。但在研究的過程中仍存在一些問題，如處理方法、數(shù)據(jù)質(zhì)量、地質(zhì)因素差異、以及經(jīng)驗公式的準(zhǔn)確性等，針對這些問題我們在本節(jié)做進(jìn)一步討論。

在擬合經(jīng)驗公式的過程中，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列處理，對深度與壓強(qiáng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理中的一些數(shù)值的估計勢必造成一些誤差，運用兩次壓強(qiáng)估計法擬合的目的是為了定性分析縱波速度是否受水深與沉積層厚度共同控制，盡管最終經(jīng)驗公式采用二元擬合，跳過了處理后的誤差數(shù)據(jù)，但若壓強(qiáng)估計法誤差較大，會影響對縱波速度控制關(guān)系的判斷。實際上，通過對部分水合物區(qū)的實測壓強(qiáng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)估計法得到的數(shù)值與水合物區(qū)實測數(shù)值非常接近，如南海神狐海域BSR處壓強(qiáng)最大為18 Mpa（吳能友等，2007），而運移壓強(qiáng)估計法得到的壓強(qiáng)為18.05 Mpa，二者非常接近，這在一定程度上驗證了壓強(qiáng)估計法的準(zhǔn)確性，不會對定性分析造成影響，更不會對最終經(jīng)驗公式的擬合產(chǎn)生誤差。

盡管使用的方法較為可靠，但天然氣水合物形成的控制因素較多，不同區(qū)域不同站位的主控因素可能不同，而我們幾乎不考慮地質(zhì)因素影響，假定了各區(qū)域沉積層密度、孔隙度等參數(shù)相同，基于純數(shù)學(xué)方法得到了P波變化的一般函數(shù)表達(dá)式，但這一函數(shù)的可信度有多高，值得商榷，從數(shù)據(jù)質(zhì)量與應(yīng)用范圍上來看，函數(shù)關(guān)系至少有兩點局限性。首先，獲取的原始數(shù)據(jù)，包括速度、深度等均為前人處理的結(jié)果，前人在處理過程中勢必會產(chǎn)生一系列誤差，這部分誤差無法判斷與估計，我們暫認(rèn)為前人的數(shù)據(jù)合理可靠，但基于公開發(fā)表論文獲得的數(shù)據(jù)通常只有最大、最小和均值，而含水合物層內(nèi)部P波速度的劇烈變化通常不會給出，因此，基于函數(shù)關(guān)系式得到的可能是較為粗略的結(jié)果。此外，本研究統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)主要來自全球中—低飽和度水合物區(qū)，針對高飽和度水合物區(qū)的案例較少，而中—低飽和度水合物顆粒多以懸浮、接觸模式賦存在沉積物中，高飽和度水合物顆粒以膠結(jié)模式賦存在沉積物中，二者在密度、體積模量等性質(zhì)方面差異 明 顯（Cathles et al.，2004；Priest et al.，2005；胡高偉等，2012），波速函數(shù)關(guān)系可能不適用于高飽和度水合物區(qū)，即本研究得到的函數(shù)關(guān)系可能只適用于中—低飽和度水合物區(qū)。

通過對數(shù)據(jù)處理方法、地質(zhì)因素、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的誤差分析，發(fā)現(xiàn)擬合的經(jīng)驗公式可能較為粗略，但其在神狐海域OBS速度初始模型建模中得到了很好的應(yīng)用，經(jīng)驗公式是否準(zhǔn)確，仍需我們進(jìn)一步驗證。在擬合時為了擬合經(jīng)驗公式的準(zhǔn)確性，剔除了水深跨幅超過500 m的水合物區(qū)，我們用剔除的水合物區(qū)進(jìn)行波速預(yù)測來驗證經(jīng)驗公式，以南極南設(shè)得蘭群島水合物區(qū)為例預(yù)測其水合物縱波速度區(qū)間。南極南設(shè)得蘭群島海水深度為1300~1950 m，BSR深度為550~650 m，水合物厚度為100 m，以D=1300 m，H=450 m計算出該地區(qū)水合物速度的下限為1.97 km/s；以D=1950 m，H=650 m計算出該地區(qū)水合物的最大速度值為2.18 km/s，計算出其速度在1.97~2.18 km/s之間，與實際數(shù)據(jù)2.00~2.25 km/s非常接近，此外，在印度西南部喀拉拉—康坎（KK）盆地、臺灣西南部、阿拉斯加北部波弗特海邊緣、加拿大新斯科舍省邊緣、秘魯近海邊緣等地區(qū)也做了一些預(yù)測（表4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在五個地區(qū)的水合物縱波速度預(yù)測與實際的水合物速度吻合良好，但在秘魯中部近海邊緣預(yù)測的速度與其他學(xué)者實測的速度差距較大，秘魯近海4000 m的水深也可能是產(chǎn)生誤差的因素，擬合公式可能不適用于超深海環(huán)境。

表4 部分水合物區(qū)縱波速度預(yù)測表Table 4 Predicted P-wave velocity of hydrate in different areas

總體來說，擬合公式Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H+1.515，其擬合度R2=0.84，均方根誤差RMSE=0.07，一定程度上反映了水合物縱波速度受海水深度與上覆沉積層厚度線性關(guān)系。盡管數(shù)據(jù)質(zhì)量一般，且擬合過程中忽略了地質(zhì)因素差異，但預(yù)測了6個地區(qū)，5個地區(qū)的縱波速度吻合良好，間接說明經(jīng)驗公式一定程度上能估算水合物區(qū)的縱波速度信息。此外，我們依據(jù)經(jīng)驗公式建立了橫向均勻初始速度模型，并通過不斷擾動各界面速度、深度信息獲得了最終模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種模型的OBS32臺站下方一維速度速度曲線匹配良好，水合物頂界與BSR反射面速度波動在0.05 km/s范圍內(nèi)，縱波速度大體一致，間接說明了擬合公式的可靠性，其一定程度上能減少模型速度調(diào)節(jié)過程中的工作量，對水合物區(qū)速度建模起重要參考作用。結(jié)合經(jīng)驗公式在6個地區(qū)的預(yù)測結(jié)果以及在神狐海域模型中的良好應(yīng)用，我們認(rèn)為擬合公式客觀上能夠幫助預(yù)測水合物礦體帶的縱波速度，其對未來水合物區(qū)的OBS勘探研究具有重要參考價值。

5 結(jié)論

本研究通過統(tǒng)計全球OBS和測井所獲得的水合物區(qū)的速度信息，界定了不同圈層速度范圍；擬合了縱波速度與海水深度、上覆沉積層厚度的經(jīng)驗公式；結(jié)合神狐海域OBS探測數(shù)據(jù)建立初始模型且得到了神狐水合物區(qū)一維縱波速度結(jié)構(gòu)，并分析了初始模型與最終模型中水合物礦體帶的速度差異以及經(jīng)驗公式對初始模型的參考作用。上述工作為獲取后續(xù)神狐海域精確速度結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，同時對未來神狐海域OBS探測水合物有重要指導(dǎo)意義?？傮w來說，我們對水合物區(qū)的速度結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得到了一些實質(zhì)性的結(jié)論：

（1）擬合公式Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H +1.515（D為海水深度，H為沉積層厚度）擬合度R2=0.84，均方根誤差RMSE=0.07，公式實際運用效果良好，一定程度上反映了水合物縱波速度與海水深度、上覆沉積帶厚度的線性關(guān)系，在水合物區(qū)速度建模中能有效約束水合物礦體層速度值，有望為獲取神狐海域二維/三維精確速度結(jié)構(gòu)提供可靠的初始模型，進(jìn)而指導(dǎo)水合物精細(xì)勘察與資源評估。

（2）神狐海域OBS-L4測線下方存在明顯的縱波速度異常，BSR上方一層具有高縱波速度（1.83~1.92 km/s），BSR下方一層具有低P波速度（1.60~1.70 km/s），與背景速度場相比，BSR界面上方地層速度明顯增加了0.15~0.20 km/s，這種速度變化異常指示了水合物礦體的存在。