海底沉积物声学原位测量方法与南海天然气水合物勘探的应用研究

邹大鹏 ，阎 贫

（1.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；2.广东工业大学机电学院，广东 广州 510006）

海底沉积物声学原位测量方法与南海天然气水合物勘探的应用研究

邹大鹏1，2，阎 贫1

（1.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；2.广东工业大学机电学院，广东 广州 510006）

研究原位测量技术中表层沉积物声学原位测量技术、声波测井技术和OBS测量技术的特点和差异，得出3种技术的分辨率虽然依次降低，但测量尺度依次增大，可以应用不同深度和结构层序的海底沉积物声学物理性质研究。3种原位测量技术基于海底原位状态，可以测得海底沉积物的纵波和横波特性，通过比较纵波特性、纵横波速比和计算泊松比可以提高沉积物中分辨出天然气水合物的精度。基于OBS测量技术可以同时实现水合物的勘探与监测，基于表层沉积物声学原位测量技术和声波测井技术可以同时实现原位测量和采样，3种技术结合可以促进南海天然气水合物勘探与监控的实际应用。

原位测量；声波测井；沉积物；天然气水合物；海底地震仪

海底沉积物是水声传播的下边界，又是海底声波传播的上边界，其声学特性研究在海洋军事环境、海洋工程建设、海底资源勘探开发以及海底环境监测等领域具有重要的应用价值。目前，在南海主要通过声学遥测方法和海底沉积物取样样品的实验室测量方法获得海底沉积物的声学特性[1-4]。其中，声学遥测方法透过海水获得海底沉积物的反射和折射特征，其声学特性的分析基础依据于实验室测量数据。实验室测量方法由于采集和运输等振动引起沉积物结构变化，以及脱离海底原位状态环境，温度和压力等环境发生很大变化，存在的测量误差不可估计[2-3]。为了获得海底沉积物原位声学特性，将原位测量技术应用于海底测量海底沉积物声学特性[5-11]，从而消除实验室测量存在的扰动误差，为声学遥测方法分析和反演提供原位声学数据。

本文研究原位声学测量法中表层沉积物声学原位测量技术、声波测井技术和OBS测量技术的特点、差异和应用，并着重探讨3种技术在天然气水合物勘探与监控方面的应用，为不断提升海底沉积物的声学测量精度、更好地应用于资源勘探等服务。

1 海底沉积物声学原位测量方法

声学原位测量方法通过将声学测量仪器沉放到海底沉积物原位环境状态进行直接测量，获取沉积物最小扰动状态下的声学性质。原位声学测量要求测量仪器具有密封性、能够承受测量深度上的水压、一发多收、具有一定自控功能。

根据海底沉积物声学特性测量方式和方法的差异，已经发展了多种测量仪器和技术。在狭义上，声学原位测量方法是指表层沉积物声学原位测量技术的应用方法，在广义上还包括地球物理勘探方法中的声波测井和海底地震仪（OBS）测量法。

1.1 表层沉积物声学原位测量技术

表层沉积物声学原位测量技术通常用于海底表层声学性质探测。按照声波换能器的布置方式，可分为原位声学竖直测量法和原位声学水平测量法。前者发射和接收换能器沿沉积物纵深方向排列，而后者则沿同一水平面排列，如图1。声学长矛[8-10]属于竖直排列声波换能器，通常可以测量不超过10 m的纵深方向沉积物声学特性，用来研究沉积物的纵深声速梯度、分层性和资源的埋深分布。SAPPA[7]、ISSAMS[7-8]、声学原位测量系统[9-11]等属于水平测量仪器，测量深度不超过2 m，用来研究同一层面上的沉积物声学特性和均匀分布性。

根据声学换能器承载体压入沉积物的方式不同，分为自重压入式和机械压入式。自重压入式[5-6]主要通过调节配重来适应不同底质的沉积物测量，设备在沉入沉积物过程中因惯性摩擦作用对沉积物产生了一定程度的扰动。液压压入式原位设备[7,10]是机械压入式中的一种，其着底稳定后，通过液压力匀速缓慢推动声波换能器压入，对测量沉积物的扰动最小。

按照声波激发频率多样性可分为多频测量和单频测量。多频测量[5-8]可以研究当前沉积声学中普遍探讨的速度和衰减随着测量频率不同而具有的频散现象。

图1 沉积物表层原位声学水平和竖直测量法

1.2 海底沉积物声波测井技术

声波测井是油气勘探开发的重要手段[12-14]。海底沉积物声波测井是利用声波在海底沉积物中传播时，其幅度、速度和频率等声学特性的变化来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。其需要在海底沉积物中钻探打孔作业基础上进行，原理示意如图2。通过声波测井，可以得出海底以下至钻井深度范围内沉积物的声速及其变化趋势，而表层沉积物声学原位测量无法达到如此深度。

图2 海底沉积物声波测井原理示意图

1.3 海底地震仪（OBS）测量技术

海底地震仪（OBS）是将声波检波器直接放置在海底的地震观测系统[15-19]。应用时通常采用多个OBS组建成测量网，如图3所示。接收来自于海底各层界面的反射波和折射波，属于声学遥测方法范畴，其直接接触海底沉积物，可获得海底沉积物现场环境状态下的声学性质。OBS技术应用地震频率段，因此对沉积物层的分辨率低，但是衰减小，可以测量到下至岩石界面的整个沉积层的声学性质。

图3 OBS测量原理示意图[15]

1.4 三种原位测量技术的特点和比较

表层沉积物声学原位测量技术、声波测井技术和OBS测量技术特点如表1，分辨率依次降低，但是测量尺度依次增大，可以应用于不同深度和结构层序的海底沉积物声学物理性质研究。对于水声学，关注海水下界面表层沉积物的声学特性，因此采用表层沉积物声学原位测量技术研究海底沉积物的原位声学特性，如果需要大深度信息，可以结合声波测井技术。对于地质构造研究和油气勘探等作业，主要采用OBS普查探测，运用声波测井技术进行论证。

2 声学原位测量方法在天然气水合物的勘探和监测中的应用与探讨

天然气水合物深藏于陆坡的沉积物表层或以下至几百米的深度上[23]，在不同深度下，由于形成的水合物处于不同的温度状态，水合物的密度不同，声速差异变化范围可以从1 747～3 658 m/s[24]。天然气水合物与水饱和海底沉积物及含天然气海底沉积物的速度存在明显差异，Winters等[25]测量渥太华砂中含游离气、饱和水、水合物时纵波速度分别为：低于1 km/s，1.77～1.94 km/s，2.91～4.00 km/s。因此，应用地球物理勘探方法时，天然气水合物层往往可呈现出似海底反射（BSR）、声速异常、振幅空白等地震反射、折射特征。由于受到水体阻隔作用、采用频率段低，这些特征界面通常不明显、分辨率低，可通过应用声学原位测量技术进行高分辨的探测。

2.1 基于原位纵波速度探测天然气水合物

海底表层沉积物和底层海水的反射界面是探测声波反射的第一层界面，其对BSR识别判断具有直接指导作用。运用表层原位声学测量技术，可以获取原位实际温度、压力状态的海底表层沉积物的声速、声阻抗和反射系数，为地震测量的海底反射界面分析提供精确的表层界面原位声学性质。同时，表层海底沉积物原位测量技术通常与采样结合在一起，可以在原位测量点上同时取到样品，实现判断水合物存在的其他直接和间接特征分析。

表1 三种声学原位测量技术特点

在表层以下，应用声波测井技术，可以得到钻井允许深度以内的任何层面的原位声学数据。由于采用超声频段，声波测井技术提高了各层海底沉积物以及天然气水合物层的分辨率，同时也为解释地震层序探测性质提供原位依据。如图4所示，通过声波测井推断在1148站位400～500 m深层上有天然气水合物的存在可能[13]。通过参考关系式（1）[26]，可以反演天然气水合物的饱和度：

式中：VP为水合物纵波速度；S为水合物饱和度。

图4 ODP184航次1148站位声波测井曲线[13]

2.2 基于原位纵波和横波速度比探测天然气水合物

在海底沉积物中，天然气水合物和游离气储集层的地震波速度、泊松比、弹性模量及其比值等弹性参数与海水饱和沉积物相比具有明显的异常特征[27]。沉积层的泊松比、纵波速度、横波速度和反射振幅随天然气水合物饱和度和分布模式而变化[28]，因此海底沉积物横波探测非常具有应用价值。声学遥测法因海水阻隔无法获得横波，实验室声学测量法因采样样品尺寸较小制约，难于准确测量横波；原位测量方法中的仪器[8,14,29]直接与海底沉积物接触，可以测量得到横波信息，对于天然气水合物勘探具有重要的应用价值。

海水和游离气不能传递横波，当固相介质中充填不同饱和度的游离气和海水时，对海底沉积物的横波波速影响不大，但是含游离气时会较大地降低纵波波速。当存在天然气水合物时，会使得横波和纵波速度都增大。因此，结合纵横波速可以提高饱水沉积物、含气沉积物和含水合物沉积物区分精度。

泊松比σ是区分不同物质的一种属性参数，其与纵横波速比关系如下：

当海底泥砂等松散沉积物中含游离气或含水合物达到一定程度（如大于10%，见表2），泊松比通常减小较大，与海底沉积物明显有所区分。当松散沉积物中形成的水合物分解成为游离气时，泊松比变化不大，但是纵波速度减小较大，因此可以将游离气与水合物区分开来。当水合物形成于海底固结沉积物中时，泊松比通常比较小，与松散沉积物中的水合物区分明显。

表2 部分物质的计算泊松比

基于BGTL模型计算固结和未固结沉积物的纵横波速比[31]方程为：

式中：Vs为横波速度；km，μm分别为基质的等效体积弹性模量和剪切弹性模量；φ是孔隙度；G，n分别是与基质类型和孔压等有关的参数。当基质含有不同模式和饱和度的天然气水合物时，天然气水合物表现出的声速比不同，如图5，随着水合物浓度增加，天然气水合物的纵横波速比增大[30]。因此基于纵横声速比关系可以判断天然气水合物存在性和反演水合物的饱和度。

图5 天然气水合物测量纵横声速比与BGTL模型计算结果比较[30]

2.3 海底天然气水合物的状态监测及海底地质灾害监测

天然气水合物蕴藏在海底沉积物中，既是能源物质，同时也因其易受海底温度压力变化影响改变存在状态，分解释放到海水和大气中成为引起生态灾害及海底地质灾害的潜在危险源，因此对其监控非常重要。

OBS测量技术既可以通过主动施加人工震源进行主动测量，也可以利用自然地震或者地质变化引起的震动震源进行被动测量。因此在海底将其布置成网，进行长期监测海底温度、压力变化以及地质变化与天然气水合物成长和存在状态，并通过定期施加人工地震与监测过程中捕捉到的自然地震等响应相结合，深入研究天然气水合物的生长机制、存在机制及与环境的相互作用机制，为防范天然气水合物释放而引起的灾害提供一种有效方法。

2.4 三种原位测量技术的结合与发展

在声学遥测进行普查勘探的基础上，对发现水合物存在迹象的海底区域，结合应用三种原位测量技术，可提高海底天然气水合物的勘探精度和验证精度。运用OBS测量技术进行大面积、大尺度的定性测量、探查和监测；在需要精确表层沉积物声学物理性质或表层存在水合物的区域，运用表层沉积物声学原位测量技术进行小尺度的定量测量，同时结合采样进行分析论证；对于大深尺度的测量，采用声波测井技术进行声波测井和采样。

声波测井技术和OBS技术应能源勘探、地质构造研究、地震监测等重大需求推动，已经在南海实现了原位测量和应用。海底表层沉积物原位测量技术在南海应用较少，2010年9月南海公开航次上首次报道获得了南海大陆架海底浅表层沉积物的原位声速和声衰减数据[11]，与采样样品测量声速相比存在40 m/s的平均差异，这种差异可预见来自于采样样品测量和原位测量存在的温度、压力和输运扰动，表明了原位测量技术的必要性和重要性。目前，我国可应用的表层原位测量技术测量水深不超过500 m，测量埋深不超过3 m[7，9-10]，为了更好的应用于天然气水合物的勘探需求，需要向适应深水区、大埋深的沉积物原位探测技术发展。

3 结论

原位测量方法在海底沉积物沉积的实际状态下测量其声学特性，以较小的温度、压力和振动等扰动获得精度最高的测量，可以为实验室声学测量方法校正、声波遥测法反演提供依据。其在天然气水合物的勘探实践与监测研究中具有以下应用特点：

（1）表层沉积物声学原位测量技术、声波测井技术和OBS测量技术3种技术可以获得纵波和横波声学特性，通过比较纵波特性、纵横波速比和计算泊松比可以提高沉积物中分辨出天然气水合物的精度；

（2）基于OBS测量技术可以同时实现水合物的勘探与监测，基于表层沉积物声学原位测量技术和声波测井技术可以同时实现原位测量和采样；

（3）运用OBS进行大面积、大尺度的定性测量和探查；运用表层沉积物声学原位测量技术进行小尺度的定量测量；运用声波测井技术进行大深尺度的定量测量。

3种原位声学测量技术的结合应用将为当前的南海天然气水合物的勘探和监控提供一种重要而有效的方法。

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Study on Acoustic In-situ Measurement Method of Marine Bottom Sediment and Application in Detection of Hydrates in the South China Sea

ZOU Da-peng1，2,YAN Pin1
(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,CAS,Guangzhou Guangdong 510301,China;2.Faculty of Electromechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China)

The research is placed emphasis on characteristic and difference of the seafloor sediment acoustic in-situ measurement technique,acoustic logging and ocean bottom seismometer (OBS)technology.The conclusions could be drawn that the three techniques decrease in the resolution but increases in the measurement scale which can be applied to research of physical and acoustic properties of seafloor sediment in different sequences and depth.The in-situ measurement techniques penetrate into the insitu seafloor state and can measure rotational and longitudinal wave properties of sediments.By comparing the longitudinal wave characteristics,longitudinal and rotational velocity ratio and calculation Poisson's ratio,the accuracy could be improved in distinguishing gas hydrate.Measurement technique based on OBS can achieve both hydrate exploration and monitoring.The in-situ surface sediment acoustic measurement technique and acoustic logging technology can achieve both in-situ measurements and sampling.The combination of the three technologies can contribute to gas hydrate exploration and monitor the actual application in the South China Sea.

in-situ measurement;acoustic logging;sediment;gas hydrate;OBS

P736；P733.23

A

1003-2029（2011）04-0109-05

2011-07-22

中国科学院创新课题资助项目（Kzcx2-yw-228-1）；中国科学院声场声信息国家重点实验室资助项目（SKLOA201003）；国家自然科学基金资助项目（41106030）

邹大鹏（1977-），男，博士后，主要从事沉积声学、海洋工程的研究。Email:anthonyzou@126.com

致谢：本文研究得到了中国科学院南海海洋研究所卢博研究员和中国海洋局第一海洋研究所阚光明博士的大力支持和帮助，以及中国科学院南海海洋研究所2010年南海北部开放航次支持，在此表示感谢。