南海北部陆坡东沙海域海底丘状体气体与水合物分布

刘斌

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075)

南海北部陆坡东沙海域海底丘状体气体与水合物分布

刘斌1

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075)

海底丘状体在天然气水合物发育区是一种常见的微地貌，对丘状体的研究有助于理解海底流体渗漏模式以及水合物的赋存规律。本文研究南海北部陆坡东沙海域天然气水合物发育区海底丘状体的特征及其与水合物的关系。研究所用的数据包括准三维多道地震数据、多波束数据以及浅地层剖面数据。在多波束海底地形图上，丘状体表现为局部的正地形，直径大约为300 m，高出周围海底约50 m。浅地层剖面上存在明显的声空白以及同相轴下拉现象，指示了海底丘状体气体的分布以及流体运移的路径。丘状体周围明显的BSR表明局部区域可能发育有水合物，水合物钻探结果也证实了这一推测。三维多道地震剖面上，丘状体正下方存在空白反射区域，这与泥火山的地震反射特征类似。但空白反射区域内存在强振幅能量，而且丘状体正下方存在连续的反射层，这表明该丘状体并非泥火山成因。综合钻探结果以及三维地震成像结果，认为水合物形成过程引起的沉积物膨胀以及海底碳酸盐岩的沉淀是形成该丘状体的主要原因。

南海；东北部陆坡；丘状体；水合物

1 引言

海底流体渗漏对于海底化能生物群落获取能量来源非常重要[1]。由于甲烷是一种温室效应很强的气体，海底流体渗漏可能对气候变化也有重要的影响[2—3]。此外，海底流体渗漏与海底浅部水合物的赋存关系密切，流体渗漏区域往往发育高饱和度的水合物[4]。海底流体渗漏一般在海底留下特殊的微地貌，包括泥火山、麻坑以及丘状体等。其中海底丘状体在天然气水合物发育区是一种常见的微地貌，如墨西哥湾[5]、新西兰大陆架[6]、鄂霍次克海[7]、美国加利福尼亚湾北部[8]、黑海[9]、韩国Ulleung盆地[10]。

珠江口盆地东部海域多道地震剖面上普遍存在似海底反射(BSR)[11]，显示南海东北部陆坡可能赋存着丰富的天然气水合物。GMGS2钻探航次证实了该区域存在大量的水合物[12—13]。大面积冷泉碳酸盐岩的存在表明该区域长期存在天然气渗漏活动[14]。前人对该区域的海底微地貌以及流体渗漏进行了一些研究，表明该区域存在海底麻坑、海底丘状体以及海底泥火山等多种类型的微地貌[15—17]。本文利用该区域的钻探结果以及地球物理数据研究海底丘状体的形成过程及其相关的气体和水合物分布。所用的数据包括多波束、浅剖数据以及三维多道地震。

2 地质背景

研究区位于南海东北部陆坡，珠江口盆地东部海域，台西南盆地的中部隆起区附近(图1a)。水深范围为500～2 200 m，水深变化较大，地形地貌复杂，发育有海槽、海谷、陡崖冲刷沟等。区内普遍存在BSR，且BSR特征典型，斜穿地层明显，一般位于海底以下200～300 ms，大致与海底平行。多处地质取样获得海底自生碳酸盐岩，多处站位存在气态烃和孔隙水的明显异常，与天然气水合物有关的指标显示强烈。该区位于坳隆断裂带上，存在大量的底辟构造，滑塌构造以及快速堆积体等有利于水合物形成的构造[18]。大部分地区有机碳含量大于0.8%，沉积速率较大。此外，研究区为2004年夏季SO177中德联合科考航次发现九龙甲烷礁的区域之一。广州海洋地质调查局于2013年的GMGS2钻探航次证实了该区存在大量的天然气水合物[12—13]。

图1 研究区多波束水深以及浅剖、准三维多道地震测线范围Fig.1 The bathymetric data of study area and the zone sampled by sub-bottom profiler and quasi-3D seismic dataa中红色范围表示研究区位于南海东北部陆坡珠江口盆地东部海域，2013年广州海洋地质调查局在该区域进行水合物钻探工作。b显示了浅剖和准三维地震的测线范围。c中黄色直线对应经过丘状体的成像剖面(主线-113)和浅地层剖面(DH-170000)，其中09站位布设在主线-113上，由于丘状体规模较小，仅仅在主线110～117共8条成像剖面上识别出丘状体The study area locates the eastern Pearl River Basin, northeast slope of the South China Sea, which is the target zone of GMGS2 gas hydrate drilling program in a. The yellow line in c indicates the inline of 3D seismic image and the sub-bottom profiler which pass through the seafloor mound. Site 09 is set on the inline 113 and near the seafloor mound. Seafloor mounds are only indentified on seismic line from 110 to 117 since it has small size

3 数据来源与处理

为详细调查南海北部陆坡东部海域天然气水合物资源情况，广州海洋地质调查局于2011年、2012年在该海域开展了大量的地球物理调查工作，采集了高精度多波束数据、浅剖数据以及高分辨率准三维多道地震数据，测线布设范围如图1b所示。

3.1 多波束数据

多波束测量设备为EM122系统，它具有波束聚焦、双ping发射等优点。多波束测网为100 m×700 m，声波发射频率为12 kHz。数据处理主要包括吃水校正、Base曲面建立以及曲面滤波等。

3.2 浅剖数据

浅剖数据的测量设备为德国ATLAS公司生产的Parasound P70全海域参量浅层剖面仪。该设备采用差频技术，具有波束窄、穿透强和分辨率高等特点。该设备主要用于调查海洋区域浅地层结构以及浅层气的发育情况，通过连续探测来获得高分辨的浅地层剖面。浅剖数据与多波束基本同步采集，测网为100 m700 m。浅剖数据频率范围为1 000～3 000 Hz，数据采样率为0.3 ms，道间距在4～5 m之间变化。浅剖数据的处理主要包括噪音衰减以及反射强度提取等。

3.3 准三维多道地震数据

水合物的前期调查以二维地震调查为主，其目的是发现与水合物相关的地震反射特征，如BSR、空白区域等。与二维地震勘探相比，三维多道地震具有数据量大，信息多，能实现复杂构造的准确成像等优点。本文所用的三维地震数据采用单源、单缆的方式采集，其实质是在一定的定位精度下，利用海流对电缆的影响，使密集的二维测线形成一个覆盖面，从而达到采集三维地震数据的目的。这种通过密集采集二维测线来实现三维覆盖的方式一般称为准三维勘探。三维采集的炮线间距为50 m，而常规二维地震勘探的炮线间距一般为500 m。激发震源为GI枪组合震源，震源容量为540 cu.in(1 cu.in=16.387 cm3)，工作压力为2 000 p.s.i(1 p.s.i=6.89 kPa)，沉放深度为5 m，炮间距25 m。接收电缆沉放深度5 m，接收道数192，最小偏移据125 m，道间距12.5 m，采样率1 ms，记录长度5 s。准三维地震数据处理包括观测系统建立、噪音衰减、多次波衰减、速度分析以及三维偏移成像，其中成像面元大小为50 m12.5 m。

4 结果

在多波束海底地形图上，丘状体表现为明显的局部正地形(图2a)，直径约300 m，高度约50 m。在浅地层剖面上，丘状体正下方存在明显的空白反射带，其顶部则表现为云雾状混浊反射，与周围海底的反射特征明显不一致(图2b)。在声学空白带周围可以看到明显的同相轴下拉现象。丘状体高出海底部分至海底的双程时间大约为63 ms，按1 500 m/s速度计算，大约为48 m。图2c显示了丘状体在三维地震成像剖面(主线-113)上的特征。在地震剖面上，BSR特征明显，BSR位于海底以下大约200 ms，与海底平行，极性与海底相反，并切穿地层。在丘状体正下方，存在声学空白以及同相轴下拉现象。与浅地层剖面不同的是，在地震剖面上，丘状体正下方存在强振幅能量。GMGS2水合物钻探航次的站位09布设在主线-113测线上，在海底处获得碳酸盐岩，在海底以下9～21 m层段内获得结核状水合物(图2d)。

图2 海底丘状体在多波束(a)、浅剖数据(b)以及地震成像结果主线-113(c)上的特征，(d)为GMGS2水合物钻探航次站位09的钻探结果，修改自文献[23]Fig.2 The characteristics of seafloor mound on the bathymetric data (a), SBP data(b) and seismic line 113(c), d shows the drilling result of GMGS2 Site 09, which is modified from reference [23]

丘状体在三维地震成像剖面上的特征如图3a～h所示，成像剖面与丘状体的相对位置如图1c所示。成像剖面的间距为50 m，由此可计算出丘状体直径大约为300 m，这与多波束数据估算的结果一致。在主线114～117上，丘状体周围BSR反射明显，BSR与海底极性相反并且切穿地层，丘状体正下方存在一些不连续的强振幅能量以及连续反射。

图3 海底丘状体在准三维地震数据成像结果上的特征Fig.3 The characteristics of seafloor mound on 3D seismic lines from line 110 to 117a～h依次对应主线110～117，在海底丘状体正下方弱反射区域内存在强振幅能量以及连续的地层，这表明该丘状体可能并非泥火山成因a-h represent line 110-117, respectively, high amplitude reflection and continuous reflector in the acoustic blanking may indicate that the mound does not originate from mud volcano

5 讨论

5.1 丘状体的形成

海底丘状体主要有3种形成机制:(1)深部物质上涌喷发，一般对应泥火山；(2)浅部沉积物膨胀[19]；(3)碳酸盐岩在海底沉淀。浅地层剖面显示了泥火山的特征(如空白反射区以及同相轴下拉现象)，但地震成像结果并不支持泥火山成因机制。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侵入、突破上覆地层，喷出海底形成的一种地质构造[20—21]。首先，深部塑性物质作为一个整体上涌应该有明确的边界，但是这种明确的边界在地震成像剖面上是难以识别的；其次，泥火山通道内物质比较均匀，声学空白区域不应出现强振幅能量；最后，弱反射区域内的连续地层也与泥火山物质上涌刺穿上覆沉积地层不一致。因此，该海底丘状体可能并非泥火山成因。

Hovland和Svensen等[22]首先提出水合物形成过程引起的沉积物膨胀作用可形成海底1～2 m高的丘状体。该机制与陆地上由冰的膨胀作用形成小丘体类似。Paull等[19]利用水合物形成过程的膨胀作用解释加州岸外Santa Monica盆地两处高达15 m的海底丘状体的形成。结合三维地震成像剖面和GMGS2水合物钻探航次09站位的钻探结果，可以推测水合物形成过程引起的沉积物膨胀在海底丘状体的形成过程中有重要作用。但水合物形成过程引起的沉积物膨胀能否形成高达50 m的丘状体呢？计算表明，要在海底形成一个15 m的丘体，则要求海底以下80 m范围内20%的体积被水合物占据[19]。本文研究区域BSR在海底200～300 ms处，按1 600 m/s的速度计算，稳定带厚度大约为160～240 m之间。钻探结果表明，水合物饱和度超过40%[23]。因此，在理论上由水合物的膨胀作用形成高达50 m的海底丘状体是可能的。

Serié等在研究安哥拉宽扎盆地水合物丘时，认为碳酸盐沉淀和浅部水合物的胀起是形成高达30 m丘体的原因[24]。GMGS2水合物钻探航次09站位布设在丘状体的外围，并在海底处获得碳酸盐岩[23]。据此可以推测碳酸盐岩沉淀对丘状体的形成也有一定的作用。在主线—111、115、116上存在一个古海底也支持这一推测。但在浅地层剖面上，丘状体的能量较弱，并呈云雾状，这表明碳酸盐岩并没有覆盖整个丘体，丘状体的顶部很可能以一种接近悬浮的状态存在，接近悬浮的物质应该是气体饱和的松散沉积物。

5.2 气体以及水合物的分布

综合上述讨论，丘状体可能是由于水合物形成引起的沉积物膨胀以及局部碳酸盐岩沉淀共同作用形成的。丘状体的形成及其与水合物的分布关系总结为图4，首先，深部气体在水合物稳定带下聚集(图4a)，然后气体通过扩散和聚集流两种方式运移至水合物稳定带内。一方面，水合物在稳定带内形成，引起沉积物膨胀；另一方面，气体沿着断裂往海底附近运移，并在局部地方渗漏到海底形成碳酸盐岩(图4b)。在水合物稳定带内，水合物与游离气可能是共存的[25]。游离气可以穿过水合物稳定带达到海底附近，甚至进入海水层[26]。

图4 海底丘状体的形成模式以及气体和水合物的分布示意图Fig.4 The pattern of seafloor mound formation and the illustration of the distribution of gas and gas hydrate

6 结论

本文综合利用三维多道地震数据、多波束以及浅剖数据对南海北部陆坡东沙海域水合物发育区一处丘状体进行研究。丘状体正下方的弱反射区域内存在强振幅能量以及连续的反射层，这表明该丘状体并非泥火山成因。结合钻探结果以及多道地震剖面，认为该海底丘状体是由水合物的胀起作用以及海底碳酸盐岩沉淀共同作用导致的。深部气体在水合物稳定带下聚集，然后通过扩散和聚集流两种方式进入水合物稳定带形成水合物，并在局部地方渗漏到海底形成碳酸盐岩。

致谢：广州海洋地质调查局矿产地质调查所的徐华宁教授提供了本文研究所用的三维多道地震数据，资料处理研究所的刘胜旋教授提供了研究区的多波束数据，薛花提供了海底丘状体附近的浅地层剖面原始数据，在此表示感谢。图1a中研究区位置示意图由m_map开源程序制作。

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Gas and gas hydrate distribution around seafloor mound in the Dongsha area, north slope of the South China Sea

Liu Bin1

(1.KeyLaboratoryofMarineMineralResource,MinistryofLandandResource,GuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou510075,China)

Seafloor mound is common in gas hydrate reservoirs. The investigation of seafloor mound can help to understand the pattern of fluid seepage and the occurrence of gas hydrate. This paper investigated a seafloor mound in the Dongsha area, north slope of the South China Sea, where gas hydrate has been sampled. The data used include 3D seismic, multi-beam bathymetric and sub-bottom profiler data. On the multi-beam bathymetric data, seafloor mound manifests itself as an outstanding elevated morphologic feature, with height of ～50 m and diameter of ～300 m. Acoustic blanking zone in the sub-bottom profiler indicates the distribution of gas and the fluid migration pathway. Clearly observable BSR around the seafloor mound suggests the localized occurrence of gas hydrate, which is verified by the drilling program. Though acoustic blanking is also presented in the 3D seismic profiles, enhanced amplitude and continuous reflector directly beneath the mound indicates that the mound is probably not originated from mud volcano. Sediments expansion due to the formation of gas hydrate may be a better explanation.

South China Sea; the northeastern slope;seafloor mound; gas hydrate

2016-06-02；

2016-08-06。

同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金(MGK1406)。

刘斌(1988—)，男，江西省瑞金市人，工程师，主要从事水合物调查、全波形反演以及海底界面过程的研究。E-mail:liugele@163.com

P618.13

A

0253-4193(2017)03-0068-08