南海神狐海域水合物一维速度结构研究： 基于中—低饱和度水合物区的约束

柳雷锋 ，夏少红 ，方允鑫 ，林 霖 ，范朝焰 ，孙金龙，赵 芳

1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州 510301；

2.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广州 511458；

3.中国地质调查局广州海洋地质调查局，广州 510075；

4.中国科学院广州分院，广州 510070；

5.中国科学院大学，北京 100049

天然气水合物（以下简称“水合物”）是高压、低温条件下形成的一种冰晶状固体，广泛存在于温压适宜的海洋、湖泊及永久冻土环境中，同时作为一种易分解的新型清洁能源，其存在影响着大陆边坡稳定性与未来全球环境气候变化。近年来，随着全球资源的匮乏与环保理念的日益普及，越来越多的学者致力于深水资源的开发，专注于水合物性质的研究。学者们普遍利用海底地震仪、多道地震等探测技术来研究天然气水合物速度结构、构造成藏等，如利用海底地震仪（Ocean Bottom Seismograph，OBS）的纵横波走时拟合技术研究水合物与游离气的形态分布（张光学等, 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）、利用多道探测技术研究水合物分布、运移成藏模式等（Shelander et al., 2010;Shedd et al., 2012; Satyavani et al., 2016; Wang et al.,2018; Gorman et al., 2018; Berndt et al., 2019）、以及利用各种方法来确定水合物矿体与游离气的速度（Pecher et al.，1998; Korenaga et al., 1997; Katzman et al., 1994; Holbrook，2001）。其中水合物矿体带速度约为1.8至2.5 km/s（Pecher et al.，1996），与纯天然气水合物的纵波速度（3.3~3.8 km/s）相比较低（Sloan，1998）；水合物矿体带下方多存在似海 底 反 射 层（BSR, Bottom Simulating Reflection），BSR是一个水合物矿体与游离气带间的相变面，受温度和压力控制；而BSR下方，由于游离气的存在，通常观察到低速特征（1.2~1.5 km/s）（Bünz et al.，2005；Korenaga et al.，1997；Tinivella et al.，2000）。

尽管针对水合物的研究取得了丰硕的成果，然而人们对水合物地震波速结构等内容仍了解较少。一方面多数学者把研究重心放在水合物饱和度与似海底反射层上（BSR, Bottom Simulating Reflection），另一方面每个区域的水合物富集特征及其控制因素，由于储层、气源、流体运移等条件不同，可能有较大差异，因此大部分研究重点关注单个水合物区。尽管不同水合物区富集特征存在差异，但其仍存在一些共同特征，这些共同特征能否为水合物的性质研究以及OBS勘探水合物工作提供参考？为了解决该问题，同时为了探明全球天然气水合物的分布规律、速度结构等内容，笔者收集了全球各地水合物区的地球物理数据，开展了水合物地震波速度变化特征、速度控制因素等内容的研究，以确定水合物波速特征与具体影响因素；在此基础上，结合速度变化特征与神狐海域OBS探测数据，识别出OBS剖面上的不同反射震相，并建立了横向均匀初始模型，通过射线追踪与走时拟合得到了神狐海域的一维纵波速度结构，并分析了初始模型与最终模型的速度差异。其研究有助于理解水合物速度变化成因，为后续获取神狐海域OBS-L4测线精确速度结构打下了坚实基础，同时对我国南海天然气水合物勘探以及未来深水资源的调查有重要意义。

1 数据与方法

1.1 数据来源

为了得到水合物地震波速变化特征，笔者研究了世界各地不同的天然气水合物区，其中以已探明地震波速结构的水合物区的研究为主，包括挪威中部斯托雷加滑坡（Storegga Slide）、斯瓦尔巴群岛西部维斯特内斯山脊（Vestnesa Ridge）、台湾西南部等18个水合物区（表1）。从收集到的水合物区的情况来看，天然气水合物在海洋中分布十分广泛，主要集中在被动大陆边缘、主动大陆边缘、边缘海盆地三个构造位置（图1）。被动大陆边缘如美国大西洋布莱克海台（Blake Ridge）、波弗特海边缘（Beaufort Sea）等；主动大陆边缘如加拿大卡斯卡迪亚俯冲带（Cascadia margin）、秘鲁近海（Offshore Peru）等；边缘海盆地如日本郁陵盆地（Ulleung Basin）、加拿大新斯科舍省边缘海盆地（Nova Scotian margin）等。总体来说，研究的水合物区数量充分、类型丰富、分布广泛（图1），能反映全球水合物地震波速特征的一般规律。

表1 全球水合物区地震波速度结构及成藏环境Table 1 Seismic wave velocity structure and reservoir forming environment in hydrate areas of the world

图1 全球天然气水合物分布及其地震波速探测现状（据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 数据特征与方法

数据来源于目前公开发表的水合物区地球物理信息，对这些数据进行系统分析，研究全球水合物区的速度共性特征，并结合速度变化特征与神狐海域OBS探测数据，利用射线追踪与走时拟合获得了神狐海域的一维纵波速度结构，同时分析了速度变化特征对初始模型的参考作用。数据覆盖了BSR上下方的P波和S波速度、水合物与游离气的饱和度和厚度、水深、地形以及构造对水合物分布的控制作用等内容。从数据来看，横波的数据相对缺失，且BSR上下两层横波速度变化不明显，特别是在BSR下方，横波速度基本不变。这是由于当水合物作为沉积物骨架时能增大剪切模量从而影响横波速度，相反作为沉积物孔隙中悬浮颗粒时剪切模量变化很小（Dash and Spence, 2011; Singhroha et al.，2019），而本研究统计到的水合物区多为中—低饱和水合物区，水合物颗粒与沉积物骨架不相连，因此，在BSR上方观察到高P波地震速度，而BSR下方的游离气体则降低了P波速度，S波速度则变化不明显。由于P波和S波性质的差异，对水合物性质的研究通常以P波研究为主，或在P波研究结果的基础上通过S波再次约束佐证，这也导致横波的研究数据相对较少，因此本研究以分析P波速度特征为主。

18个不同水合物区数据中，南海神狐水合物区波速数据来源于SH02测井速度信息，其余水合物区波速数据来源于OBS获取的速度信息，速度值多为水合物不同圈层的最大值、最小值、均值以及BSR相变面较为精准的速度值，其均为文章直接给出的具体数值或图件的直接反映。此外南极南设得兰群岛、秘鲁中部两个水合物区的饱和度数据由浓度与孔隙度数据转换获得。为了分析水合物速度与上覆压强的关系，对深度数据进行了压强转换，其中上部沉积带厚度Htop根据BSR深度与水合物厚度差值得到，沉积层密度采用淤泥层、浅部沉积层中砂岩与海水以体积比例加权平均获得，砂岩密度采用2.6×103kg/m3，孔隙度φ=0.5，海水平均密度取1.03×103kg/m3，计算得出上部松软沉积物的平均密度1.80×103kg/m3，g取9.8 N/kg，据此计算出上部压强。

总体上，本文基于18个水合物区数据的基础上用统计、压强转换、数值拟合等方法对这些数据进行系统分析，并结合神狐海域OBS探测数据，利用射线追踪与走时拟合技术获得了神狐海域的一维纵波速度结构，此外，对数据处理过程中可能造成的误差以及经验公式的准确性进行了评估，客观充分地论证结果的实际可靠性。

2 水合物速度特征

2.1 水合物速度圈层划分

前人虽然对水合物区速度进行了一定研究，但只是局限于单个或多个水合物区的水合物矿体与游离气层两个部分，对其上下方沉积层，以及全球范围内的水合物速度结构未做详细研究。本研究在前人研究的基础上，利用全球综合性数据进一步详细划分了水合物区不同圈层的速度范围（图2a），这对单纯从地球物理速度信息上判断水合物的存在与富集情况有一定借鉴意义，同时能为OBS勘探水合物中初始模型的建立提供层位结构与速度信息等方面的参考。

图2 全球水合物分布区不同圈层速度结构Fig.2 Velocity structures of different zones of hydrate-bearing regions in the world

水合物区圈层至上而下依次划分为：海水层、淤泥质沉积层、浅部沉积层、水合物矿体层、游离气层、深部沉积层。海水层：1.46~1.53 km/s，受海水盐碱度、温度等影响，不同地区不同深度海水纵波速度存在些许差异（徐寿志，2011；骆模义等，2010）；淤泥质沉积层：1.46~1.56 km/s，该层为海底淤泥层，一般发育蜂窝状微结构和疏松基质状微结构的淤泥和淤泥质黏土，其孔隙度越大、密度越小、含水量越多，沉积物P波速度越小（程净净等，2011）；浅部沉积层：1.57~1.75 km/s，水合物矿体上部的沉积层，与淤泥质沉积层相比，含水量较少且更为压实，内部不含水合物颗粒，与下部水合物矿体层速度差异明显；水合物矿体层：1.70~2.30 km/s（图2b），水合物稳定赋存的沉积层，纵波速度较高异常，随饱和度增加P波速度增加；在水合物矿体层下方多存在BSR反射面，BSR是水合物矿体与游离气层间的一种极性反转的强反射相变面，BSR界面上下方速度急剧变化（图2c）；游离气层：1.80~1.25 km/s（图2d），深部游离气储集的沉积地带，游离气的富集使纵波速度显著降低；深部沉积层：1.65~3.00 km/s，沉积物较为致密压实。

由于统计数据的限制，速度结构只反映中低饱和度水合物区的一般特征，在某些水合物区的高富集区段，其纵波速度可能会明显大于该范围，如台湾西南部GSGM2-08钻井中水合物纵波速度最高达2.70 km/s（Wang et al.，2017）。水合物区圈层的划分与速度值范围的界定一定程度上能对OBS剖面上震相的识别以及初始模型的建立提供重要参考。

2.2 水合物纵波速度经验公式

统计结果表明，水合物P波速度整体与海水深度或相对压强呈正相关（图2b）。为了探究速度与海水深度或压强是否呈某一确定关系，利用最小二乘法对速度与压强进行线性拟合。拟合时海水深度取研究区平均水深，但部分地区地形起伏较大，如新西兰希库朗伊（1000~2500 m），势必会产生较大误差，因此剔除了水深跨幅较大（500 m以上）的水合物区，并把海水深度与沉积层厚度转化为上覆压强（表2），其中相对压强采用海水产生的压强与不同沉积带的平均深度转换。根据数据分别拟合了水深与水合物矿体层波速（图3a）、水合物矿体层上覆压强与其波速（图3b）、BSR上覆压强与BSR界面速度的函数关系（图3c），发现纵波速度不仅受海水深度的制约，同时受上覆沉积层厚度的约束，并最终以水深、沉积层岩石厚度为二维变量，拟合了二者与纵波速度的关系（图3d）。

表2 全球水合物分布区深度/压强与波速拟合数据表Table 2 Data for depth/pressure and wave-velocity fitting of hydrate-bearing areas in the world

拟合结果显示，水合物矿体层波速（Vp）与海水深度（D）呈线性关系，Vp = 1.612×10-4D+1.607。该经验公式拟合度R² = 0.70，而当把淤泥层、浅部沉积层与水体产生的压强（P）作为影响因素时，波速Vp=1.343×10-4P+1.596，R²=0.74，水合物矿体层相对压强与波速的拟合度0.74，较水深与波速的拟合度明显增加，这在一定程度上说明海水深度与沉积层厚度二者共同影响着水合物带的纵波速度。上述两个拟合均采用不同圈层平均深度与平均速度的数值拟合，因此其拟合度与真实值相比存在一定误差。为了进一步约束我们的结论，采用BSR界面上覆相对压强与BSR相变面的最大速度进行拟合，通常水合物矿体在BSR界面处有最大的纵波速度，因此拟合时用的最大速度和BSR上部的沉积厚度相对较为精确。在图3c中发现BSR相对压强与最大纵波速度呈良好的线性关系，波速Vp=1.969×10-4P+1.529，R²=0.80。

图3 全球水合物区P波速度经验公式拟合Fig.3 Various regression methods for the empirical formula of P-wave velocity of hydrate-bearing areas in the world

上述三次拟合，随着对海水深度与上部沉积物厚度的进一步精确，其拟合度在不断增高，且最高达0.8，呈良好的线性关系，能够得到的结论是水合物纵波速度整体受海水深度以及其上部的沉积物厚度的共同控制。为了进一步约束水深与沉积物厚度对水合物纵波速度的影响关系，我们进行了二元函数关系拟合，以水深D与BSR上部沉积物厚度H为二维变量进行拟合得到经验公式：Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H+1.515，其拟合度R2=0.84，均方根误差RMSE=0.07。

通过对统计水合物区的研究发现，水合物矿体上部的沉积层厚度在100~600 m范围，且通常单个水合物区的沉积层厚度波动不大，稳定在某一定值附近，相反单个水合物区的海水深度跨幅较大，因此对于特定水合物区，其上覆海水深度主要影响水合物矿体层的纵波速度，据此笔者做了不同沉积层厚度情况下的水合物层纵波速度随海水深度的函数走势线（图3d），以便针对不同水合物区的具体情况快速分析水合物区的纵波速度变化特征。

3 神狐水合物OBS探测

神狐海域位于南海北部陆坡中段，于珠江口盆地南东端，地处白云凹陷南侧，东侧毗邻东沙隆起。2019年3~4月广州海洋地质调查局在神狐海域组织天然气水合物OBS调查航次，获得了多分量OBS地震数据和多道地震数据（图4），本研究利用置于神狐海域的OBS03、OBS32台站并结合多道地震剖面开展速度结构研究，其中OBS03位于神狐海丘西南侧，OBS32置于海丘脊部正上方，其采样间隔为2 ms，气枪放炮测线长24 km，共激发960炮，炮间距25 m。

图4 南海北部神狐海域OBS-L4测线与多道地震测线分布Fig.4 Distribution of OBS-L4 and multi-channel seismic lines in Shenhu Area, Northern South China Sea

3.1 震相识别

OBS层间反射震相的识别一直是水合物研究中的难点，也是后续构建速度模型的数据基础。水合物矿体及其上、下地层的层速度呈现典型的三段式，即上下低、中间高的特征（勾丽敏等，2017），因此BSR与海底反射波相比表现为明显的极性反转，即在波形上表现为其初始震动方向与海底反射相反的特征，这是识别BSR反射震相的重要依据。为了确定震相，首先对比了两个OBS剖面中的不同震相（图5，6）。与OBS03台站相比，位于水合物矿体正上方的OBS32台站的剖面上发现了一套其特有的强反射震相（图6），其波形初动方向与海底反射相反且视速度较大、横向延展性较好（图6），因此该震相为BSR反射震相。此外，在BSR反射震相上、下方均发现了一套只存在于OBS32台站中的特殊震相，说明这两套震相均与水合物相关。其中位于BSR上方的震相反射较弱，横向强度较小，向两侧逐渐歼灭（图6）；由于水合物顶界反射震相通常反射较弱，只有在水合物浓度差异过大的地方反射更强，结合其横向上向两翼逐渐减弱的变化趋势，认为该震相为水合物顶界震相。对于BSR下方的震相，其视速度比直达水波震相大，但比BSR及水合物顶界震相小，结合划分的速度范围，认为该震相为游离气底界震相（图6）。此外，在OBS03、OBS32台站波形中直达水波震相下方均存在一套视速度与直达水波近乎相同的震相，结合前人的研究，该震相被确定为饱和海水的浅部松软淤泥质沉积层震相（程静静等，2011）。综上，我们根据震相的极性、反射强度、视速度、震相空间关系等特征，把OBS记录到的反射震相从上往下依次划分为：海底反射震相、淤泥质沉积层震相、水合物顶界震相、BSR反射震相、游离气底界震相（图6）。

图5 神狐海域OBS03地震波形剖面震相（无水合物发育区）Fig.5 The OBS03 seismic waveform profile in Shenhu Area(no hydrate development area)

图6 神狐海域OBS32地震波形剖面震相确定（水合物发育区）Fig.6 The phase determination of OBS32 seismic waveform profile in Shenhu Area (hydrate development area)

为了进一步确认在OBS剖面中识别到的反射震相，我们将OBS32台站的剖面与邻近多道地震剖面进行拼合并对比。将OBS32台站的位置投影到邻近多道地震剖面中（图7），结果显示，OBS剖面的震相与多道地震剖面的强反射同相轴吻合较好（图7），这也验证了识别到的一系列反射震相的准确性。

图7 神狐海域OBS32震相与多道地震对比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

构建良好的初始模型是后续精细结构成像的关键，也能极大地减少后期正演模拟的工作量。本研究基于多道地震剖面时深转换后的网格化数据，提取出OBS32两侧沿测线方向的海底、水合物顶界、BSR、游离气底界等主要界面的深度（表3），从而将其作为初始模型各个界面的约束。对于层间速度，其中淤泥质沉积层与游离气底界面的速度是由全球共性特征设定，水合物顶界、BSR界面的速度则是采用拟合的经验公式计算得出，两个界面的纵波速度分别为1.81 km/s、1.87 km/s。最终根据不同界面的深度、速度建立了横向均匀初始模型（图8）。

图8 神狐海域速度结构初始模型的建立Fig.8 The established initial model of the hydrate-bearing area in Shenhu area

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

由于海底与淤泥质沉积层反射面的速度与深度影响水合物顶界、BSR震相的射线追踪与走时拟合结果，我们使用Rayinvr软件结合射线追踪理论，通过至上而下不断调节海底、淤泥质沉积顶界面的速度、深度值，直到所拾取到时与模型的理论到时残差（RMS）最小，并得到模型1。与初始模型相比，模型1保证了海水层、淤泥质沉积层震相的最佳匹配，同时保留了由经验公式获得的水合物顶界、BSR界面的深度、速度值，其与最终模型的速度对比，可帮助分析经验公式对水合物矿体层速度值的估算效果。在模型1的基础上，继续使用试错法依次拟合水合物顶界、BSR、游离气底界三种震相，保证最小的走时残差，得到了最终模型。与模型1相比，最终模型水合物顶界深度平均抬高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。结果显示，水合物顶界与BSR界面对应的速度扰动均在0.05 km/s范围内，其速度值与模型1差异很小，即初始模型建立的速度值较为可靠，这在一定程度上说明经验公式能约束初始模型中水合物顶界面与BSR界面的速度值，为了进一步得到精确速度模型提供保障。

本研究对模型1与最终模型分别进行射线追踪与走时拟合（图9，10），并提取出OBS32台站下方的一维纵波速（图11），其中模型1共使用366条射线，RMS为7 ms，卡方值为10.612；最终模型共使用366条射线，RMS为2 ms，卡方值为1.080。我们使用Katzman（1994）等提出的方法分析了最终模型中RMS随速度、深度变化的影响，由于最终模型具有最小的走时残差，速度模型的扰动会导致模型和所选走时之间走时残差增大。以水合物顶界面为例，固定其他界面不变，对水合物顶界深度、速度参数进行扰动，选取最小RMS区间对应的扰动范围，结果发现需要将速度模型扰动超过0.06 km/s或深度扰动超过4 m，RMS才会显著改变，即最终模型中水合物顶界深度不确定性为±4 m，速度不确定性为±0.06 km/s（图12），从图12还可看出深度、速度两参数波动范围为以（0，0）为圆心的椭圆，指示了最终模型的可靠性。此外，本研究还对模型1中水合物顶界速度、深度两参数进行扰动，从图13能看出二参数波动范围为以（-0.02，0.008）为圆心的椭圆，与最终模型对比，初始模型的深度约束较差，速度约束相对良好，由于经验公式只为初始模型提供速度信息，不提供深度信息约束，因此指示了经验公式对初始模型速度值的约束效果。

图9 （a）模型1射线追踪，（b）模型1走时拟合，（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

图10 （a）最终模型射线追踪，（b）最终模型走时拟合，（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

图11 模型1与最终模型OBS32下方纵波速度对比Fig.11 Comparison of P-wave velocities beneath the OBS32 between Model 1 and the final model

图12 神狐水合物区最终模型不确定性分析Fig.12 Uncertainty analysis of the final model of Shenhu hydrate-bearing area

图13 神狐水合物区模型1不确定性分析Fig.13 Uncertainty analysis of Model 1 of Shenhu hydrate-bearing area

从一维纵波速度曲线上发现，研究区OBS台站下方存在明显的速度异常，BSR上方一层纵波速度：1.83~1.92 km/s，与背景速度场相比，BSR界面上方地层速度明显增加了0.15~0.20 km/s，BSR下方一层纵波速度又急剧降低至1.60~1.70 km/s，这种速度变化异常指示了水合物矿体的存在，此外模型1与最终模型中OBS32正下方纵波速度曲线重合度较高，水合物顶界与BSR反射面速度差异在0.05 km/s范围内，纵波速度大体一致，说明了拟合公式能帮助约束初始模型中水合物矿体的速度值，一定程度极大地减少后期正演模拟的工作量，在水合物区速度建模中起重要参考作用。

4 讨论

基于全球18个地区的波速数据，本研究开展了水合物地震波速度变化特征、速度控制因素等内容的研究，以确定水合物地震波速度特征与具体影响因素；在此基础上，结合速度变化特征与神狐海域OBS探测数据，建立了横向均匀初始模型，得到了神狐海域的一维纵波速度结构，并分析了初始模型与最终模型水合物矿体层的速度差异以及经验公式对初始模型的参考作用。但在研究的过程中仍存在一些问题，如处理方法、数据质量、地质因素差异、以及经验公式的准确性等，针对这些问题我们在本节做进一步讨论。

在拟合经验公式的过程中，我们对数据进行了一系列处理，对深度与压强进行转换，处理中的一些数值的估计势必造成一些误差，运用两次压强估计法拟合的目的是为了定性分析纵波速度是否受水深与沉积层厚度共同控制，尽管最终经验公式采用二元拟合，跳过了处理后的误差数据，但若压强估计法误差较大，会影响对纵波速度控制关系的判断。实际上，通过对部分水合物区的实测压强调查，发现压强估计法得到的数值与水合物区实测数值非常接近，如南海神狐海域BSR处压强最大为18 Mpa（吴能友等，2007），而运移压强估计法得到的压强为18.05 Mpa，二者非常接近，这在一定程度上验证了压强估计法的准确性，不会对定性分析造成影响，更不会对最终经验公式的拟合产生误差。

尽管使用的方法较为可靠，但天然气水合物形成的控制因素较多，不同区域不同站位的主控因素可能不同，而我们几乎不考虑地质因素影响，假定了各区域沉积层密度、孔隙度等参数相同，基于纯数学方法得到了P波变化的一般函数表达式，但这一函数的可信度有多高，值得商榷，从数据质量与应用范围上来看，函数关系至少有两点局限性。首先，获取的原始数据，包括速度、深度等均为前人处理的结果，前人在处理过程中势必会产生一系列误差，这部分误差无法判断与估计，我们暂认为前人的数据合理可靠，但基于公开发表论文获得的数据通常只有最大、最小和均值，而含水合物层内部P波速度的剧烈变化通常不会给出，因此，基于函数关系式得到的可能是较为粗略的结果。此外，本研究统计分析的数据主要来自全球中—低饱和度水合物区，针对高饱和度水合物区的案例较少，而中—低饱和度水合物颗粒多以悬浮、接触模式赋存在沉积物中，高饱和度水合物颗粒以胶结模式赋存在沉积物中，二者在密度、体积模量等性质方面差异 明 显（Cathles et al.，2004；Priest et al.，2005；胡高伟等，2012），波速函数关系可能不适用于高饱和度水合物区，即本研究得到的函数关系可能只适用于中—低饱和度水合物区。

通过对数据处理方法、地质因素、数据质量等方面的误差分析，发现拟合的经验公式可能较为粗略，但其在神狐海域OBS速度初始模型建模中得到了很好的应用，经验公式是否准确，仍需我们进一步验证。在拟合时为了拟合经验公式的准确性，剔除了水深跨幅超过500 m的水合物区，我们用剔除的水合物区进行波速预测来验证经验公式，以南极南设得兰群岛水合物区为例预测其水合物纵波速度区间。南极南设得兰群岛海水深度为1300~1950 m，BSR深度为550~650 m，水合物厚度为100 m，以D=1300 m，H=450 m计算出该地区水合物速度的下限为1.97 km/s；以D=1950 m，H=650 m计算出该地区水合物的最大速度值为2.18 km/s，计算出其速度在1.97~2.18 km/s之间，与实际数据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、台湾西南部、阿拉斯加北部波弗特海边缘、加拿大新斯科舍省边缘、秘鲁近海边缘等地区也做了一些预测（表4）。结果发现在五个地区的水合物纵波速度预测与实际的水合物速度吻合良好，但在秘鲁中部近海边缘预测的速度与其他学者实测的速度差距较大，秘鲁近海4000 m的水深也可能是产生误差的因素，拟合公式可能不适用于超深海环境。

表4 部分水合物区纵波速度预测表Table 4 Predicted P-wave velocity of hydrate in different areas

总体来说，拟合公式Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H+1.515，其拟合度R2=0.84，均方根误差RMSE=0.07，一定程度上反映了水合物纵波速度受海水深度与上覆沉积层厚度线性关系。尽管数据质量一般，且拟合过程中忽略了地质因素差异，但预测了6个地区，5个地区的纵波速度吻合良好，间接说明经验公式一定程度上能估算水合物区的纵波速度信息。此外，我们依据经验公式建立了横向均匀初始速度模型，并通过不断扰动各界面速度、深度信息获得了最终模型，结果发现两种模型的OBS32台站下方一维速度速度曲线匹配良好，水合物顶界与BSR反射面速度波动在0.05 km/s范围内，纵波速度大体一致，间接说明了拟合公式的可靠性，其一定程度上能减少模型速度调节过程中的工作量，对水合物区速度建模起重要参考作用。结合经验公式在6个地区的预测结果以及在神狐海域模型中的良好应用，我们认为拟合公式客观上能够帮助预测水合物矿体带的纵波速度，其对未来水合物区的OBS勘探研究具有重要参考价值。

5 结论

本研究通过统计全球OBS和测井所获得的水合物区的速度信息，界定了不同圈层速度范围；拟合了纵波速度与海水深度、上覆沉积层厚度的经验公式；结合神狐海域OBS探测数据建立初始模型且得到了神狐水合物区一维纵波速度结构，并分析了初始模型与最终模型中水合物矿体带的速度差异以及经验公式对初始模型的参考作用。上述工作为获取后续神狐海域精确速度结构奠定基础，同时对未来神狐海域OBS探测水合物有重要指导意义。总体来说，我们对水合物区的速度结构特征进行了详细的研究，得到了一些实质性的结论：

（1）拟合公式Vp=1.683×10-4D+5.209×10-4H +1.515（D为海水深度，H为沉积层厚度）拟合度R2=0.84，均方根误差RMSE=0.07，公式实际运用效果良好，一定程度上反映了水合物纵波速度与海水深度、上覆沉积带厚度的线性关系，在水合物区速度建模中能有效约束水合物矿体层速度值，有望为获取神狐海域二维/三维精确速度结构提供可靠的初始模型，进而指导水合物精细勘察与资源评估。

（2）神狐海域OBS-L4测线下方存在明显的纵波速度异常，BSR上方一层具有高纵波速度（1.83~1.92 km/s），BSR下方一层具有低P波速度（1.60~1.70 km/s），与背景速度场相比，BSR界面上方地层速度明显增加了0.15~0.20 km/s，这种速度变化异常指示了水合物矿体的存在。