南海北部陆坡气泡羽状流的发现：多波束水体数据

刘斌,刘胜旋

(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)

南海北部陆坡气泡羽状流的发现：多波束水体数据

刘斌1,刘胜旋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)

利用2016年在南海西北部陆坡琼东南海域采集的多波束水体数据，发现了海底气体渗漏至海水中形成的羽状流。在多波束数据上, 羽状流成火焰状，直径大约为30～50 m，从1 380多米的海底延伸至大约650 m的深度，高度超过700 m。在经过羽状流的浅剖剖面上，存在显示浅层气存在的声学空白区域，并识别出断裂和裂隙区域，但在水体中并无明显的异常。这可能是由于浅剖数据的分辨率不够未能捕捉到水体异常，或者气体渗漏具有间歇性。该海域存在明显的似海底反射显示，气体渗漏可能与水合物系统之间存在复杂的相互作用。由于缺乏经过羽状流的多道地震数据，难以对羽状流的形成机制进行进一步的推测。南海北部陆坡羽状流的发现对于理解被动大陆边缘的甲烷渗漏机制、水合物的形成与分解具有重要的意义。

南海北部陆坡；琼东南盆地；气体渗漏；羽状流；水体图像

1 引言

海底气体(主要是甲烷)渗漏是一种常见的现象[1]。快速的甲烷渗漏可能是气候变化、海底滑坡以及海底坍塌的触发机制[2-3]。而缓慢而持续的渗漏活动可能是全球碳循环的重要组成部分[4]。渗漏活动与海底化能生物群落密切相关，如菌席、蛤类及管状虫等[5]。甲烷渗漏与水合物形成分解之间也存在密切的关系，海底气体渗漏过程对于理解水合物在稳定带内的形成分解过程有重要的意义[6]，这是海底气体渗漏现象得到广泛关注的另一个非常重要的原因。

海底化能生物群落或者自生碳酸盐岩的存在都能提供海底渗漏活动存在的证据，但声学图像上的羽状流无疑是最直观、最确切的证据。当气泡渗漏进入海水层时，由于气泡与海水间存在较大的波阻抗差异，在高频声学图像上会出现“火焰状”反射。羽状流形成的“火焰状”现象在全球范围内的多个海域都有发现。如Svalbard群岛西部大陆边缘[7-9]、巴伦支海[10]、黑海[11]、水合物脊[12]、鄂霍次克海[13]、日本海[14]、加利福尼亚湾[15]、美国东部大西洋边缘[16]以及南极南乔治亚海[17]。

南海是西太平洋最大的边缘海之一，多道地震上广泛发育的似海底反射(Bottom Simulating Reflector, BSR)以及多个航次的水合物钻探结果表明南海北部陆坡蕴藏着丰富的天然气水合物[18-20]。南海北部陆坡流体活动非常强烈，发育有大量的泥火山和麻坑构造[21]以及冷泉碳酸盐岩[22]。但据我们所知，尚未发现有明确的气泡羽状流。利用2016年在南海北部陆坡采集的多波束水体回声数据，在琼东南海域发现了气体渗漏形成的羽状流。

2 地质背景

研究区位于南海西北部陆坡琼东南盆地(图1)，琼东南盆地属于新生代被动大陆边缘型盆地，处于印度板块、欧亚板块和太平洋板块的接合部位。琼东南盆地海水深度由西北向东南增大，陆架区水深变化较小(90～200 m)，往海槽(西沙北海槽)方向水深迅速从200 m变化2 000 m左右。该区新生代沉积层最大厚度达到12 km，盆地沉积层内发育大量泥底辟和“气烟囱”结构[23]，并在海底采集到冷泉碳酸盐岩[24]，这些都说明在琼东南盆地很可能存在渗漏体系形成的天然气水合物储藏。

图1 研究区位于南海西北陆坡琼东南海域。利用多波束水体数据在A位置发现一个羽状流，在B位置上发现3个羽状流。其中A位置在2013年浅剖调查范围(黑色方框)之内，浅剖测线DH-1218150经过羽状流A。羽状流B1至B3处海底平坦，而在羽状流A处海底局部下凹Fig.1 The study area is located in the Qiongdongnan sea area, the northwestern slope of the South China Sea. Using multi-beam water column data, we discovered one plume in site A and three in site B. Site A lies in the zone investigated using sub-bottom profiler in 2013(black rectangle). And the line DH-1218150 passes through the plumes observed in site A. The seafloor is almost flat at site B, while a small depression exists at site A

3 数据来源与处理

多波束水体数据来源于2016年在琼东南海域的调查航次，这也是广州海洋地质调查局首次采集水体影像数据。多波束系统为挪威Kongsberg的EM122系统，该系统固定安装于“海洋六号”科考船上。系统采用了波束聚焦与变频波发射模式，发射信号的频率为11.25～12.60 kHz。在普通模式下，每一脉冲信号可获得288个波束(在加密模式下为432个波束)，每一个波束同时均包含有水深与回波强度信息，同时还记录了每一脉冲的水体影像数据。多波束测线间距为700 m。调查船航行速度为4 m/s(大约为7节)，脉冲激发间隔根据水深调整，大约为2.5 s。

调查区内的水深范围为1 200～1 400 m。在1 400 m水深区域、90°的覆盖角、7节的航行速度以及加密模式下，多波束系统可获得高密度、高质量的多波束水深数据，基本能够实现海底地形100%的覆盖。由于系统自动采用了深水环境下连续正弦波发射模式，水体影像数据大小约为水深数据大小的3倍，分辨率稍低，垂直与横向的分辨率大约分别为4 m与10 m。水体影像数据处理软件为CARIS 8.1。在逐个脉冲显示水体影像时，由于羽状流受到海流的影响而呈弯曲状，因此有些脉冲仅探测到羽状流的顶部，而有些脉冲又仅探测到羽状流的根部。为了能够更好的展现整个羽状流的形态，我们将所有探测到羽状流的多个水体影像加以叠加然后再绘图显示。

我们还收集了该区域的浅剖数据。广州海洋地质调查局于2013年在该海域进行了浅地层调查工作，浅剖调查范围如图1黑色方框所示，调查测网为150 m×700 m，其中测线QH-1218150经过位置A处的羽状流。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，主要用于海洋区域浅地层结构、浅层气和浅地层断裂发育情况的调查。浅剖频率范围为1 000～3 000 Hz，数据采样率为0.2 ms，道间距变化范围4～5 m。浅剖数据的处理主要包括噪音衰减以及反射强度提取等。

4 结果

在调查区的两个位置上(图1中的A和B)发现了4个气泡羽状流。其中A位置上观测到一个羽状流，命名为羽状流A。B位置上观测到3个羽状流，分别命名为B1、B2和B3。羽状流的完整形态如图2所示。在水体影像上，羽状流呈火焰状，沿着弯曲的路径往上延伸。4个羽状流均形成于水深为1 380多米的海底，延伸至海面以下650 m左右，高度超过700 m。根据多波束数据估计羽状流的直径为30～50 m。

图2 水体影像上4个羽状流(A，B1，B2，B3)的形态Fig.2 The shapes of four plumes on the water column image

图3 经过羽状流A的浅剖剖面QH-1218150Fig.3 The sub-bottom profiler QH-1218150 passes through plume A浅剖数据穿透海底约23 m，浅剖数据上存在明显的声学空白区域，显示了海底浅部可能存在较多的游离气，浅剖数据上还可看到微小的断裂和裂隙区域，这些裂隙提供了气体运移的通道 The penetration is about 23 m beneath the seafloor. Acoustic blanking zones are clearly observed on the sub-bottom profiler, which indicates the occurrence of shallow gas. Fault and fracture can also be identified，they may function as the pathway of gas migration

图3显示了经过羽状流A的浅剖测线QH-1218150。浅地层剖面穿透海底以下约30 ms，按1 500 m/s计算，穿透厚度约为23 m。在浅地层剖面上，存在较多的空白区域，显示海底浅部存在较多的游离气。还识别出多个断裂和裂隙区域，这些区域提供了气体运移至海底的通道，但在海水层中并未发现明显的异常。此外，羽状流A正下方虽然存在一定的空白区域，但羽状流并非出现在浅层气体大量聚集区域的正上方。

5 讨论

利用多波束水体数据，在南海西北陆坡发现了由于气体渗漏形成的羽状流。在多波数水体影像上，羽状流呈弯曲火焰状。此次观测到的羽状流与其他海域观测到的羽状流在形态上是相似的。气泡群之所以沿着弯曲的路线上升，是由于海流的作用。由于海流的速度在垂直方向上不一致，羽状流的弯曲程度在不同的深度上也不一致。在靠近海底附近，羽状流几乎呈直线上升。

羽状流的形成必须有充足的气体供应，该气源既可以是深部的热解气，也可以是浅层的生物成因气体。在断裂性的油气盆地和活动大陆边缘，深部有大量的气源并且存在延伸至海底附近的断层使得甲烷可以逃逸至海底。在被动大陆边缘的沉积区，深部的甲烷气主要通过溶解的方式运移，在到达海底以前，大部分都被氧化了[25]。在此种环境中，羽状流的气源主要是浅部的生物成因气体，或者浅部的水合物受到扰动分解产生的气体[16]。本文研究区域处在新生代被动大陆边缘，多道地震调查表明，该区域BSR明显[23]。据此，我们推测羽状流的形成可能与水合物的形成分解有关，与美国东部被动大陆边缘Black Ridge发现的羽状流类似[16]。但由于缺乏经过羽状流的多道地震信息，难以对羽状流的气体来源作进一步的推测。

在水深大于500 m的海域，海底浅部沉积层处于水合物稳定带中，游离气体在通过海底进入海水以前必须先通过水合物稳定带[26]。本文研究区域水深超过1 300 m，必须有某种机制阻止游离气形成水合物才有可能形成水体中的气泡羽状流。从浅剖剖面上，看到气泡羽状流A下方存在断裂以及裂隙，这些断裂和裂隙提供了游离气运移的通道。阻止游离气形成水合物的可能机制是孔隙水的盐度上升[27]或者先前形成的水合物把气体和孔隙水隔离开了[28]。

在经过羽状流A的浅地层剖面上，发现了浅层气体存在的声空白特征，但是在水体中并无明显异常。可能的原因有两个：(1)由于浅剖数据的主频较低(4 kHz)，分辨率不够未能捕捉到水体异常；(2)或者气体渗漏具有间歇性。此外，观察到羽状流A并不是出现在浅层气体大量聚集部位的正上方，而是出现在侧边上，这可能与局部海底的底质有关。同时这表明浅层气体除了垂向运移之外，可能还存在较强的横向运移。

海底渗漏形成的甲烷能否进入到大气层是研究人员非常关心的一个问题。因为甲烷气体是一种温室效应很强的气体，如果甲烷能够进入大气层，那么有可能对气候产生重要的影响。气体要进入大气层的前提是在海水中不会被氧化，水合物“外衣”被认为是阻止气体被氧化的一种重要机制[29-30]。该假设认为，气泡在上升的过程中，其外面被水合物包裹。从水体影像可以看到4个羽状流均结束于海面以下600 m左右，而这一深度接近于南海北部陆坡大部分地区水合物稳定带顶部的深度[31]。由此，观测结果支持水合物“外衣”这一假设。

该活动冷泉的发现为今后在该区域开展天然气水合物立体研究提供了精确靶点。可以在冷泉点上开展ROV摄像、深拖侧扫声呐、表层取样、海水取样、原位观测等研究，获取海底浅表层、冷泉水体的物理化学异常特征，还可以布设地震测线、浅层剖面测线等。这是广州海洋地质调查局首次在南海水合物调查中采集高频的多波束水体影像数据，随着该技术的普遍应用，有可能在南海北部陆坡发现更多的羽状流。

6 结论

利用高频(11.25～12.60 kHz)多波束水体回声数据，我们在南海北部陆坡琼东南海域发现了气体渗漏形成的羽状流。羽状流呈火焰状，直径大约为30～50 m，从1 380多米的海底延伸至大约650 m的深度，高度超过700 m。在羽状流下方的浅剖剖面上，存在明显的声空白区域，表明存在游离气的聚集。此外，在浅剖剖面上还识别出断层和裂隙构造，这些构造提供了气体运移的通道。羽状流结束于约650 m处，而这一深度与该海域水合物稳定带的上限一致。我们的观测似乎支持“水合物外衣”的假设。

致谢：感谢2016年度琼东南海域水合物调查航次“海洋六号”科考船上的工作人员。感谢肖波提供多波束数据采集方面的信息。

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Gas bubble plumes observed at north slope of South China Sea from multi-beam water column data

Liu Bin1, Liu Shengxuan1

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

Methane emission from seabed is a wide phenomenon around the world. Gas bubble plumes were observed in the Multi-Beam(MB) water column echo image with the newly (2016) acquired data in the north slope of South China Sea. Gas bubbles manifest themselves as flares on the MB image, and have the diameter of about 30 to 50 m. Plumes emanating from the ～1 380 m depth seabed to the ～650 m depth, resulting heights of >700 m. On the sub-bottom profile passing through the plume, we found the acoustic blanking zone which may indicate the gas migration pathway, but no clear anomalies were observed in the water column. This may be explained by the low resolution of the sub-bottom profiler image or the intermittence of the gas seepage. Lacking of multi-channel seismic and geochemistry data, we cannot further infer the formation mechanism of the gas plumes. The discovery of gas bubble plumes in the north slope of south china may improve our understanding of the methane seepage on the passive continental marginal, and the formation and dissociation of gas hydrates.

north slope of South China Sea; Qiongdongnan Basin; gas flares; plume; water column image

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.008

2016-12-08；

2017-02-08。

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

P738

A

0253-4193(2017)09-0083-07

刘斌，刘胜旋. 南海北部陆坡气泡羽状流的发现：多波束水体数据[J]. 海洋学报, 2017, 39(9): 83-89,

Liu Bin, Liu Shengxuan. Gas bubble plumes observed at north slope of South China Sea from multi-beam water column data[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(9): 83-89, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.008