南海东北部陆坡冷泉系统的浅地层剖面特征与分析

刘伯然，宋海斌，关永贤，拜阳，陈江欣，耿明会

1中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院油气资源研究重点实验室，北京 100029

2中国科学院大学，北京 100049

3同济大学海洋与地球科学学院，海洋地质国家重点实验室，上海 200092

4国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州海洋地质调查局，广州 510075

1 引言

冷泉，是海底地层中的低温流体（相对于海底热泉）以喷出或渗漏方式释放到海水中的现象.其释放流体的主要成分是水、油气、硫化物和细粒沉积物（Judd and Hovland，2007；黄永祥等，2008）.在一些冷泉活跃的海域，可在海底观察到大量气泡自喷口排出（Campbell，2006；Matsumoto et al.，2011），这些气泡的主要成分为甲烷.冷泉系统不仅包括冷泉流体释放进海水的过程，而且包含了海底下地层中流体的聚集和运移，与冷泉伴生的生物群落，冷泉活动对海底地貌和沉积物的改造等.研究表明，麻坑、泥火山、自生碳酸盐岩等海底特征，都与冷泉活动存在密切联系（León et al.，2006；Von et al.，2000；陈多福等，2002）.

在墨西哥湾、黑海等地，海底冷泉和石油、天然气水合物等资源伴生，且冷泉的发现通常早于这些地区油气藏的探明，因此，冷泉探测对深部油气勘查也可起指示作用.同时，冷泉系统中常存在的浅层气在沉积层中聚集，会引发该区域地质条件不稳定，对海底工程的施工造成潜在威胁.甲烷是重要的温室气体，全球大洋内由于冷泉活动释放的甲烷量，尚没有准确估计值，但其对全球气候的潜在影响值得重视（Naudts，2010）.

由于海底麻坑的发现和对其成因的讨论，海底（低温）流体的喷出、渗漏活动的研究开始受到广泛关注（Hovland and Judd，1988；Judd and Hovland，2007）.随着旁侧声纳、浅地层剖面（浅剖）等声学仪器的使用，多个海域发现了海底存在流体喷出、渗漏的证据，同时海底照片揭示了独特冷泉生物群落的存在，冷泉系统从此成为研究热点.大量研究表明，浅地层剖面、回声声纳、多波束测深、旁侧声纳是探测海底冷泉的有效手段（Naudts，2010；韩喜球等，2013；陈林、宋海斌，2005）.

南海海域冷泉系统的研究相对较少，Traynor和Sladen（1997）曾在越南沿岸，发现过海底麻坑和海面上的油膜.国内有一些对南海地区的泥火山、自生碳酸盐岩、冷泉生物群落的初步研究（Sun et al.，2011；沙志彬等，2005；韩喜球等，2013），但地球物理方面的研究工作尚薄弱.

近年来广州海洋地质调查局在南海东北部陆坡区采集了大量浅地层剖面数据，该区域是天然气水合物发育有利区，历史上积累了丰富的地震、多波束测深等资料，为在南海东北部开展冷泉系统的相关研究奠定了基础.我们通过对这些浅地层剖面数据进行处理和分析，辅以海底地形资料和跨过该区的地震测线，对该区冷泉系统在浅地层剖面上的特征进行总结，并分析其成因.

2 区域地质背景

研究区位于南海东北部陆坡，台西南盆地的中西部，地处东沙海域.东沙海域的晚中新世、上新世—第四纪以浅海－半深海和深海沉积为主，发育等深流、扇三角洲相、斜坡扇相及滑塌重力流沉积，砂岩含量仅10%～25%，大部分地区泥岩含量达80%以上.巨量的富有机质的泥页岩，是本区油气、天然气水合物、泥火山等能够发育的物质基础.

南海北部陆缘是被动大陆边缘，其东北部陆坡地形复杂，整体上是阶梯状下降的地势，并被海底峡谷、水道切割得支离破碎.调查研究表明（何家雄等，2007；姚伯初，2005），南海东北部陆坡从沉积物源，温压条件，储集条件上都适合天然气水合物的发育，有良好的成藏远景.

3 数据获取与处理

本文研究数据来自广州海洋地质调查局采集于南海东北部陆坡浅地层剖面数据，这些浅剖数据共300余条，分布密集，相邻测线间隔约100m，对研究区的浅部地层特征有良好的揭示.同时为了对比研究区与其周边的地层差异，选用了一条横跨该陆坡区的长地震测线.数据的采集位置如图1所示，位于台西南盆地内的陆坡位置，地形复杂，起伏明显.

浅地层剖面数据的采集仪器为Parasound P70全海域参量浅层剖面仪，由浅剖主机、浅剖换能器组成，工作频率初次高频选择18kHz，二次低频为4kHz（本文主要针对主频4kHz浅剖测线讨论），浅剖数据的采集采用了等距发射模式（Quasi－equidistant）.

浅地层剖面数据处理方面，我们对同一条测线的数据进行拼接，然后进行简单的带通滤波处理.因为数据采集同时有多波束测深仪器工作，而且受到采集时海况的影响，处理完的剖面中还是会有少量竖条状和短线状的噪音.本文选取的长地震测线，是广州海洋地质调查局采集和处理之后的成果数据，只是进行了成图，未作更多处理.

4 冷泉系统的浅地层剖面特征及成因分析

4.1 浅层气

4.1.1 剖面特征

浅层气（shallow gas）是指富集于海底之下浅部地层的气体.浅层气有的以游离态存在，有的溶解于孔隙水中.浅层气聚集在浅地层剖面数据成图（简称浅剖剖面）上的反映，有浊反射、帘式反射、毯式反射、增强反射等（Taylor，1992；Garcia et al.，2002）.

浊反射（acoustic turbidity）是海底以下没有固定形态和边界的模糊反射，对地层反射有破坏和遮盖作用，如图2a所示.浊反射和浅层气聚集存在密切关系，已被多个浅层气富集区的声学调查和采样化验所证实（Abegg and Anderson，1977）.浅层气聚集引起的地下介质声速变化，游离气气泡对声波的吸收、散射作用都可能是剖面表现出浊反射的原因.

帘式反射（acoustic curtain）是海底以下延续较短距离地层反射信息被遮盖的模糊反射带，其顶部边界大多为双曲形或者帽状，如图2b.毯式反射（acoustic blanket）是海底以下延续较长距离地层反射信息被遮盖的模糊反射带，Hovland和Judd（1988）认为，帘式反射、毯式反射只是形态上有差异，其成因和浊反射相同.

增强反射（enhanced reflection）是以连续性较好的短同相轴形态出现的振幅明显强于周边的反射，如图2c.引起增强反射的浅层气，往往相对孤立，聚集于一小片区域或一段薄地层中，增强反射通常指示含水地层与含气地层的分界面.

研究区的测线中，毯式反射、帘式反射较少，形态不典型.浊反射则非常发育，图2a所示测线中地层反射大部分被浊反射掩盖，只在少数区段沉积层理才较清晰，这种现象在研究区测线中普遍发育.从图3的地震剖面中可看出，研究区域是似海底反射BSR（Bottom Simulating Reflector）的发育区，BSR之上是弱振幅反射带，且整段区域地层反射模糊，显示该区域浅层气和天然气广泛分布.

4.1.2 成因分析

浊反射在研究区内广泛分布，与本区域的沉积环境以及天然气水合物发育有关.如图3所示，研究区域位于陆坡位置，坡度相对较大，地形复杂，总体上呈阶梯状下降的形貌.研究认为，此类地形很可能是沉积物在流体活动的影响下，变得松散不稳定，经历多期次的滑塌形成的（黄永祥等，2008；吴能友等，2009）.对比地震测线左、右两段，可以看到左段（东南段）地势平坦，虽然有突刺状的“气窗”，但总体上地层清晰，连续性好.右段，尤其是本文研究区域内，地层信息几乎被完全掩盖，显示此处天然气富集程度较高，上方BSR广泛分布，指示此区有天然气水合物发育.本次采用的浅剖仪只能穿透50～100m的地层，浅剖剖面记录的地层，对应地震测线中BSR以上的弱反射带.

图1 研究区域位置图Fig.1 Locations of study area

图2 浅剖剖面中与浅层气相关的特征（a）浊反射，可以看到这条测线大部分被浊反射掩盖，少有清晰地层反射；（b）疑似帘式反射；（c）增强反射.Fig.2 Features related to shallow gas in sub－bottom profiles（a）Acoustic turbidity；（b）Acoustic curtain；（c）Enhanced reflection.

从研究区域内模糊反射的分布来看，天然气主要来源于深部地层.该处深部沉积物中有机质含量高，这些有机质分解形成大量天然气，天然气不断聚集导致压力升高，就会沿通道向上运移.研究区地处陆坡区，地形有较大的坡度，有利于滑塌的发生，滑塌发生后地层中裂隙增多、沉积物变得松散，又能为天然气向上运移提供便利，从而形成了该区浅层气富集的现状，在浅剖剖面中表现为大面积的浊反射.

4.2 声学空白带

4.2.1 剖面特征

声学空白带（acoustic void，wipe out）是指海底以下反射缺失或振幅明显减弱的区域.本研究区浅剖剖面中，声学空白带是最显著的特征.

本区的声学空白带，从形态上还可以分为较窄的“烟囱状”空白和相对较宽的“毯状”空白（图4）.浅剖剖面上出现振幅明显减弱带较常见，但类似本区的窄声学空白带，尤其大面积地出现，少有发现和讨论.只有Hovland和Judd（1988）展示过松巴海盆（sumba basin）采集的相似特征的剖面，并推测这种特征与底辟构造发育，或流体在新生断裂面内运移有关.

研究区内，窄空白带多出现在水深相对较浅（约600～1000m）的区域，宽度约80～400m，这类空白带，反射信号大多非常弱，分辨不出任何地层信息.宽空白带多出现在水深相对较深（约1200～1800m）的区域，宽度大多超过1km，这类空白带，大部分依然可以辨识出地层信息，但振幅明显弱于周边.声学空白带出现的区段，其上方海底地形大多无明显异常，但总体上窄空白带分布的区域地形起伏复杂，宽空白带分布的区域地形较平坦（Kruglyakova et al.，2004）.

图3 穿过研究区的地震长测线LFig.3 Seismic line L that across study area

图4 测线中的声学空白带，形态上分为宽窄两种Fig.4 Acoustic voids in one profile，noted two different types：“narrow”and“broad”

图5 研究区地形及空白带分布，图中白色线段代表声学空白带Fig.5 Distribution of acoustic voids（white segments）on seabed topography of study area

4.2.2 成因分析

声学空白带的产生是声学能量无法下传的反映.海底之下，如果有流体（水、气体等）在某一垂向通道内运移，由于流体的影响，通道内部无明显声阻抗界面，且对声信号能量的吸收大大增强，从而可以造成浅剖剖面中反射明显减弱或空白.

在图6b中可以看到，浅剖剖面中泥火山下方，有典型的窄声学空白带，可见泥火山的物质运移通道在剖面中表现出窄空白带的特征.假如流体只是充填在缝隙或松散沉积物内，缓慢渗漏出去，或者间歇性地释放，就不会在海底形成突出的地形，但可以在浅剖剖面中形成窄声学空白带.

从空白带在研究区内的分布（图5）可以看到，海底地势较高，地形起伏复杂的西北部，空白带密度高，虽然存在少量宽声学空白带，但以窄声学空白带为主.该区域总体上呈阶梯下降的地貌，滑塌、断裂发育，为物质运移提供了通道.此片区域也有泥火山发育，向上的流体运移趋势强，支持窄声学空白带由流体运移通道造成的解释.

研究区南部地形较平坦，地势较低，主要发育宽声学空白带.Hovland和Judd（1988）认为，当流体充填于岩石孔隙中，能够使局部区域压力增强，这样的区域可能会阻止声波能量的下传，从而在声学剖面上形成空白带，这种解释和研究区发现的宽声学空白带符合较好.如果浅层气在地层中储集，并沿地层方向扩散，按照上面的观点，依然有可能形成声学空白带，并且水平方向延续较长，也就越“宽”.但是其强弱程度，和流体储集量既局部压力的升高程度有关，这可以解释宽声学空白带中，地层信息依然可见，但呈现强弱不同的现象.

值得注意的是，本文研究区正是2004年中德联合科考发现冷泉碳酸盐岩区（命名为九龙甲烷礁）的区域之一.这片冷泉碳酸盐岩区，总面积约430km2，在甲烷礁周围发育指示冷泉喷口的化学自养生物群落——双壳类、管状蠕虫和嗜甲烷的微生物菌席（黄永祥等，2008；Feng et al.，1980；Han et al.，2008）.如果这种质地相对坚硬的碳酸岩礁体散落在浅部地层中，有可能遮蔽声信号向下传播，在剖面中形成空白带.自生碳酸盐岩的散落分布是窄声学空白带另一种可能的解释.

4.3 海底泥火山

4.3.1 剖面特征

海底泥火山是深部高塑性的泥质沉积物在沉积压实、构造挤压等作用下向上入侵，突破上覆地层，喷出海底形成的一种地质构造.泥火山的喷出物主要由泥质沉积物、水和气体组成.在里海、黑海、地中海、墨西哥湾等发现天然气水合物的区域，普遍有泥火山和泥底辟发育（Orange et al.，1999；Somoza et al.，2003；Chiu et al.，2006；Wang et al.，2008）.Reed等（1990）认为，海底泥火山和天然水合物发育关系密切，沉积负荷和甲烷等气体的产生相互结合，促进泥火山的发育，甲烷聚集浓度不断增加，又有利于水合物形成.

图6 泥火山A在资料中表现：（a）地震剖面；（b）浅剖剖面；（c）海底地形图Fig.6 Profiles of mud volcanoes in（a）multi－channel seismic data，（b）sub－bottom profiler data and（c）bathymetry map

研究区内在三个区域（均位于研究区西北部）发现泥火山（图9），它们成簇出现，在单个区域内一般发育2～4个泥火山，研究区内泥火山个体规模普遍较小，直径100～300m，高约20～50m.通过研究区的地震剖面中均存在典型的BSR（图3，图6a），指示本区天然气水合物广泛发育.

图6给出研究区内通过泥火山A的地震剖面、浅剖剖面及依据准三维地震数据得到的海底地形，图6a地震剖面和6b浅剖剖面位置仅隔几十米.泥火山A是位于研究区西北部的一座泥火山，直径约为300m，高度约50m，地震剖面和海底地形中均未观察到其存在明显喷口.

图6a地震剖面中可见泥火山的物质运移通道，随着靠近海底面通道宽度逐渐变窄，同时运移通道对BSR连续性造成了破坏.浅剖剖面中可观察到泥火山A之下存在典型的窄声学空白带，与泥火山物质运移通道对应，可见物质运移的影响可在浅剖剖面中形成窄声学空白带.在6c海底地形图中可见，泥火山A周围既存在突起地形，也存在形状不规则的凹陷地形，显示了该区域复杂的地质环境.

4.3.2 成因分析

研究区域经历中新世、上新世的快速沉积，形成了巨厚且欠压实的泥页岩层，随着沉积负荷增加逐渐压实，深部泥质沉积物受超压作用向上运移，从而形成了泥火山.已有研究表明，台西南盆地在中新世晚期断裂活动非常活跃，形成抵达浅部地层的断裂，对物质运移起重要的控制作用，影响了该区泥火山的形成发育和油气运移（何家雄等，2010）.

图7是基于地震剖面（图6a）得到的构造示意图，如图所示泥火山A右侧连续的BSR被运移通道“阻断”，反射同相轴变杂乱且振幅减弱，泥火山通道在阻断BSR的位置也出现不连续.地震剖面中泥火山通道两边同相轴有下拉现象，而不是随泥火山物质运移方向上倾，这通常是通道两边介质声速减小引起的.可见泥火山通道破坏了天然气水合物稳定带，造成天然气水合物分解，分解产生的甲烷等也影响了通道内物质的物理性质.泥火山通道两边杂乱的短同相轴，可能是地层在泥火山物质侵蚀、天然气水合物分解的共同影响下，介质声速减小，与周边地层存在明显物性差异造成的.

图7 泥火山A构造及周边地层示意图Fig.7 The interpretation of area around mud volcano A

泥火山A通道在BSR错断的位置存在一定程度的不连续，显示泥火山A没有处在持续喷发状态下，部分通道内物质与周边岩层进行物质交换，通道的边界开始模糊.这也指示了该区域泥火山活动可能是幕式的，该区深部泥火山物质正经由底部通道向上运移，为下一次喷发做好准备.

4.4 冷泉羽状流

4.4.1 剖面特征

冷泉活动较强的地区可以在浅剖剖面中记录到羽状流（Garcia et al.，2002；Hovland and Sommerville，1985），在本测区中可以观察到疑似冷泉活动的羽状流.

图8是研究区东部一条测线的中段，可以看到海底以上的声学柱体.声学柱体和海底大约呈70°角，该异常体规模较小，宽约50m，高约30m，柱状体周围有“云状”声学反射，且声学柱体周围分布有声学空白带.

4.4.2 成因分析

冷泉喷出时，会以气泡的形式释放出天然气（成分以甲烷为主），大量气泡在喷口附近上升和溶解稀释，会明显改变该海水区域的声速、密度等物理性质（Dando et al.，1995），从而被声学仪器捕捉到.

该条剖面中声学异常体所在位置，海底下有声学空白带发育，表明此处很可能有浅层气聚集.图中声学异常体处在地形凹陷处，这种下凹地形有可能是经历了浅层气的释放，上层沉积物向下塌陷形成的.

4.5 综合分析

图9给出研究区识别出的声学空白带、海底泥火山和冷泉活动羽状流的平面分布.图9中有泥火山标示的区域，都是2～4个小规模的泥火山组成的泥火山群，代表空白带的白色和蓝色条带，其长度与浅剖剖面中对应空白带的长度成正比.位于研究区西南部（图9右下方）的冷泉羽状流区，是图8中展示的声学柱体所在位置.

图8 疑似记录冷泉喷出活动的剖面Fig.8 Acoustic plume，possibly caused by seepage venting

图9 研究区内冷泉系统特征汇总（色标为海底深度，单位为m）Fig.9 Cold seepage related features in study area

比较冷泉特征汇总图和海底地形图可知，西北部的泥火山发育区也是窄声学空白带密集区，是研究区内地形起伏最复杂的区域.这片区域受多期次滑塌的影响，地势总体有阶梯下降的趋势，发育有泥火山和不规则的地形突起，同时也发育不规则的凹陷地形.该区域泥火山和窄空白带的发育，都显示此处物质垂向运移的活跃.台西南盆地巨厚的泥页岩，加上历史上经历的多次断裂活动和滑塌，为泥火山和天然气渗漏活动的发育提供了充足的物质来源和运移通道.

研究区西南部的冷泉活动羽状流区存在声学空白带分布，而且声学空白带的规模较大.从图3中可以看到，在研究区域海底最深段，BSR逐渐消失，没有稳定的天然气水合物层.天然气水合物虽然是浅层气聚集、冷泉活动的物质来源之一，但稳定的天然气水合物层会屏蔽天然气进一步向上运移，反而天然气水合物层被切割破坏的区域，或者还未稳定的区域往往存在更活跃的冷泉活动.Naudts（2010）对黑海、贝加尔湖区域冷泉的研究结果显示，天然气水合物区，冷泉活动较少，而其周边没有稳定天然气水合物的区域，却可以观测到较多冷泉活动.结合图8声学异常体所处的凹陷地形，推断此处存在大面积的浅层气聚集带，冷泉喷出活动长期存在且依然活跃，但强度较弱，致使既未形成突出的泥火山地形，也没有塌陷为明显的麻坑地形.

5 结论

南海东北部陆坡区有广泛的天然气水合物和浅层气分布.浅剖剖面中浊反射、帘式反射和增强反射特征，以及大量出现的宽声学空白带，都指示了浅层气的聚集.

研究区西北部存在较强的垂向流体运移，且很可能为窄声学空白带的成因，该区域发育多个小规模泥火山，与天然气水合物聚集和破坏关系密切.

研究区西南部存在冷泉活动，我们将浅剖剖面中的声学柱体，解释为冷泉活动羽状流.假使声学空白带因散落的自生碳酸盐岩造成，也说明研究区域历史上，极可能现在也存在冷泉活动.

浅地层剖面不仅能够探测浅层气和海水层内的声学异常体，而且对于研究地层中流体运移，沉积物物理性质变化，都有很好的应用，适合冷泉系统的研究.总的来说，研究区BSR广泛发育，浅剖剖面上与冷泉系统相关的特征明显，区域地形复杂、构造多样，有利于开展冷泉系统、天然气水合物成藏模式等方面研究，值得进一步的调查分析（黄永祥等，2008；Taylor and Hayes，1980）.

致谢感谢国土资源部广州海洋地质调查局对研究工作的支持，感谢资料处理所领导冯震宇、张宝金对工作的帮助和指导，感谢李焕芝、徐华宁、舒虎、刘胜旋等为研究工作提供的建议和指导，以及刘斌、张向宇等生活和工作中提供的帮助.

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