天然气水合物的浅表层地球物理勘探方法.pdf

天然气水合物的浅表层地球物理勘探方法 沙志彬 梁金强 王宏斌 摘 要 天然气水合物赋存于海底之下 任何单一的调查方法 除了直接取样 都不 可能对其进行可靠的识别 需要多种探测技术的结合综合应用和多项指标的综合判定 目 前 世界上对于深海天然气水合物的勘探方法很多 除了多道高分辨率地震勘探外 各种 浅表层地球物理勘探方法也是常用 有效的手段 例如浅层剖面 单道地震测量 旁侧声 纳 多波束和海底摄像 它们可以起到与多道高分辨率地震勘探互补的作用 关键 词 天然气水合物浅层剖面 单道地震旁侧声纳 多波束海底摄像 多道高分辨率地震勘探是目前世界上探测深海天然气水合物的常用手段 也是目前 最有效的探测方法之一 其特点是采用数字记录 分辨率高 探测深度大 它对于有关 水合物各种基本信息的研究 如速度分析 层厚计算及水合物潜在聚集位置的初步确 定 有独到之处 但由于多道地震系统对浅表层地层的分辨能力有限以及难以揭示地震 波速度的小范围变化 所以 浅层剖面 单道地震测量 旁侧声纳 海底多波束和海底 摄像等各种浅表层勘探方法正好能够填补多道地震系统所无法较好地揭示海底表层地质 特征的缺陷 两者起到了互补的作用 图 1 是天然气水合物勘探的常用技术手段示意 图 一 1 0 一 图 1 天然气水合物常用勘探方法示意图 据P e t e r R Mi l e s 2 0 0 0 修改 一 道 地 i lt lI 道地震 维普资讯 由于水合物本身独有的物理化学性质和在自 然条件下易变的动力学特征 所以在水 合物形成 迁移和气化分饵过程中 海底会出现各种 特征微地 貌类 型 并造成海底滑 坡 塌陷和底辟现象的诱发动力因素 同时在海底出现碳酸岩结壳 结核等特征自生或 成岩矿物 说明海底微地貌与水合物之间有着内在相关关系和成因规律 1 9 9 8 年 通 过 1 v r R一8航次的调查 s V B o u r i a k 等推出一个水合物的形成以及水合物与海底泥底 辟 流体溢出地貌的关系示意图 图2 图中说明了气体水合物的形成以及由于气体 的运移 溢出而在海底形成麻坑 丘状体等地形地貌的模式 水合物徽地貌的类型 规模和水深等具体情况不同 所 勘探过程中必须综合采用 各种不同类型的设备 主要的应用技术包括浅层剖面系统 单道地震测量 旁侧声纳系 统海底多波束测量和海底摄像技术 以及海底机器人及直观观测技术 以及辅助性测量 技术 如水下定位技术 等等 由于水深一般在 3 0 0 3 0 0 0 m的地方才存在水合物且其 埋深多为海底之下 2 0 0 8 0 0 m 并且海底的声学属性可以随频率的不同而显著变化 另 外声波穿透海底的深度也依频率而定 因此在进行野外勘查的时候 这些系统设备都需 设置到最适合找寻水合物的采集参数 才能获得最佳的资料 圉 2 天然气水台物的形成及其与海底地形地貌的成困关系示意囤 据 s v B D u f i 等 1 9 9 9 一 浅层剖面系统 浅层剖面系统是为探测海底浅表层沉积物结构而设计的一种可变多频高分辨率声学 剖面系统 美国 D A T AS ONI C S公司生产的 S B P一5 0 0 0型和 E G G公司生产的 UN I B O OM 浅层剖面系统 它可以精确地揭示海底地形和海底以下 4 0 m 以 内的地层结构 断裂 滑塌和浅层气等 分辨率高达 0 2 m 实际上 在野外工作中 低能高分辨率的 浅层剖面系统和中能中分辨率的单遭电火花系统可同时使用 因此可得到浅都和具有一 一 1 I 一 维普资讯 定深度的地层结构的图像 S o I h e i m和 E l v e r h o i Z 9 9 3 指出巴伦支海 7 4 5 5 N 2 7 3 6 E水深大约 3 4 0 m的海 底存在着一大群似火 山一样的洼地 在调查 中发 现这些火 山口与甲烷 气体 的释放有关 S o l h e i m和 E l v e r h i 1 9 9 3 为了确定该海火 山 口地 区 甲烷气体 的来 源 1 9 9 3年 1 O 月 R V Me t e r 船在该海域 7 5 N 2 7 2 O E的 5 0 k m s 范围内进行了浅层剖面 多波 束以及海底摄像调查 确认 了甲烷羽状流在该 区受底层水季节性温度变化的影响 调查 指出在数个火山口内存在天然气水合物 在火山 口形成之后气体仍持续不断地流动 而 储存于浅层附近的水合物是影响底层水体温度变化及引起大量甲烷季节性释放的原因 从火山口A的浅层剖面 图 3 可以看到两个隆起的丘状体 其中一个从底部隆升 了近 2 0 m 到达火山口附近 火山口周围海底平坦 靠近火山口具有一薄而不均匀的沉 积盖层 从多波束调查结果发现 内部丘状体具有杂乱的反射特征 但声波无法穿透火 山口底部 说明其表面坚硬且不规则 在较大火山1 3 E之下可以见到一单一的 侧向 受限制的强反射层 其深度范围在火山口底之下 3 0 1 3 0 ms 之间 图3 而在非火山 口的区域之下则没有见到类似的反射层存在 因此 这些特征被认为主要是受包括位于 水台 物 带之 下气 体 的 聚集 所致 D i t io n和 P a u i l 1 9 8 3 尽管 S o h e lm 和 E l v e r h o i 1 9 9 3 曾指出从该区的地震剖面中未能识别出 B S R 但横 向上受到限制的反射层则明 图 3 巴伦 支海火 山口 A和 E的浅层酎面 据 D L o n g等 1 9 9 3 1 2 W E 闰 4 O D P I 6 4 航敬 9 9 6站位浅 层剖面 据 T H N a e h t 等 2 O O 0 维普资讯 显出现在浅层剖面上 这可能是由于反射波能量太弱而未能在 S o l h e im和 E l v e r h o i 1 9 9 3 所选择的单道剖面上反映出来 据有关资料 南巴伦支海的天然气水台物分布 范围超过 5 5 k in2 在O D P 1 6 4 航次的9 9 6 站位 即布菜克簿台的底辟部位 发现有微生物气体从海 底溢出 P a u ll 等 1 9 9 5 b 经分析 在海底麻坑 3 2 0 m之上的富气羽状流仍然具有活 性的厌氧生物群落 这些羽状流明显是从位予断层之上的海底麻坑溢出 并且这条断层 一 直延伸到B S R中的盐丘上 圈上未反映出B S R 声纳资料也同时揭示了该断层区的 海底反射情况 另外 海底摄像和取样亦显示反射现象跟海底生物群落和碳酸盐结壳有 关 图4 是 9 9 6 站位泥底辟的浅层剖面 钻孔位置在泥底辟的小凹陷处 圈中 A B C D E是五个岩芯样 C 是碳酸盐结壳 H 表示有天然气水合物出现 闻隔处 是空白带 二 单道地震测量 单道地震方法是美国和加拿大探测深海天然气永合物的拄术方法之一 坦不常用 它是利用强脉冲声源和单道接受器探测来自浅部地层的反射信号 因此单道地震资料也 许能够提供更精确的水合物及相关气体沉积的地震结构图像 实践证明用该方法来初步 识别空自带和 B S R的分布看来是可能的 由秘鲁海沟经中美洲边缘向北至北加利福尼亚边缘加积体及弧前新生代沉积盆地 伊尔河盆她 内存有清晰的水合物B S R 并很可能 直延伸至俄勒冈边缘海 美国地 质调查局为了考察北加洲边缘地质特征 于 I 9 7 7 1 9 7 9和 1 9 8 0年对该区进行了勘查 认为门多西诺断裂带北部扳块的聚敛产生了巨厚的消减带及增生楔 调查过程中 采用 1 6 0 K J 的单枪电火花震源系统 得到的地震记录清晰地显示出在浅地层姓有 一平行海底 的强反射层 B s R 在相对隆起的正地形处较连续 负地形 坳陷处 不明显 与向 陆倾斜的反射层斜交 B S R深度范围0 1 5 0 3 5 s 双程反射时间 多为0 2 5 s 约 2 2 5 m 图 5 圈5 北加利福尼亚岸外的单道电火花剖面 箭头所示为 B S R 据 Mi c h a e l E F i e l d 等 1 9 8 5 维普资讯 1 9 9 8 年 德国基尔海洋地质科学研究中心J Mie n e r t 等为了研究水台物与 之关系 从挪威西部挪威海 S t o r e g g a 滑塌区的单道模拟记录剖面上发现海底 之 0 3 5 s 处出现两组强反射层 构成双 B S R结构 且浅层处的 B S R与措 移面处i 度 图6 分析认为该区水台物形成与浅地层处的地滑密切相关 1 9 9 8年 R I v P r o f e s s o r L o g a c h e v 号在T T R一 8航次对挪威的S t o r e g g a 行了与水合物相关的高分辨率单道地震调查 目的是研究水合物的运移通道 辟和气体溢出特征 以及根据S t o r e g g a 滑塌区的沉积物来估算流体运移深度 包括 2 1个气枪震源 1 条长3 5 0 m的单道水听器电缆 数据采样率为 l ms 频目 2 5 0 Hz 主要采用 1 8 0 H z 波长 8 3 m 图 7为 P S A T 9 6单道地震剖面 图中可 和强反射 固 6 挪威 西部 S t o r e g g a 滑塌 区的单遘地震荆面 据 J Mi e n e r t 等 1 9 9 8 1 2置 图7 T T R 8航扶 P S A T 9 6单道地棚 据 S V B o u r i k等 1 9 9 9 三 旁侧声纳系统 旁侧声纳系统是一种用计算机处理海底声学信息的仪器 它利用声学能量j 波到达时间的变化来产生海底声学图像 声波强度取结于海底反射强度 反射 合物 的分布 地层穿透深度 浅表层散射率 水柱特征和声波穿透的角度 1 对测量扫描的斜距 船只航行速度变动 定位误差和盲区进行 自动改正 通过I 于转录 回放 可以按不同的尺度编制地貌图 对 了解海底 湖泊 江河地 沉船 管线和其它障碍物特别有效 美国 S i mr a d 公司生产的 MS 9 9 2旁侧声纳1 式双频系统 系统设计灵活 允许用户把图像信息同时记录在磁带和硬拷贝j 上 旁侧声纳系统扫描宽度为 1 0 0 5 0 0米 测量海底地形的精度大约为水葫 在此范围内 它能精确描绘海底大于 5 c m物体的形状及位置 是 目前获得海 主要工具 海底图像包括有海底稳定性 流体运动和地形结构等信息 还可以J 甲烷气体溢出坑 虽然水合物研究区的多波束测深效果优于旁侧声纳 但是如 关的声纳海底图像 它的高分辨率也许对水合物特征研究用处不大 海底或近 烷气体运移通道和分散水合物的存在与背散射有何联系 目前尚不清楚 此种j 4 维普资讯 是一个新的研究领域 实际上 由于对不存在水合物的沉积物响应没有足够的认识 因 此想把声学分析应用于对水合物的分布进行定量分析为时尚早 美国海军研究实验室已经研制出一种双频拖鱼旁侧声纳系统 应用于对海底的条带 扫描 该系统能够探测埋在海底下的物体 它的穿透能力为海底以下几米至几十米 目 前 该系统已经进入试用阶段 它完全能够为获得相关图像和识别近海底区域的水合物 分布提供有益的帮助 但目前它仍未应用于资源量的估算 1 9 9 6年夏季 俄罗斯 R V G e n d z h i k 号在1 v r R一6航次期间采集到了五个含天 然气水合物的钻孔样 同时在井位附近取得了高分辨率地震记录 此外还进行了深拖旁 侧声纳测量 测区覆盖了所有井位 侧 向扫描使用了 一1 深拖式声纳系统 声纳 的工作频率为3 0 k H z 条幅宽度为2 k m 海底剖面仪工作频率为4 9 k H z 该系统的拖 曳速度为2 2 5 节 沉放深度约在海底以上 1 0 0 m 拖曳探头的定位使用短基水下导航 系统 五个含有天然气水合物的岩芯样品都是在深海拖曳侧向扫描声谱图上有较高背散射 的区域进行的 图 8 岩芯 B S一2 8 9 G B S一2 9 0 G和 B S一2 9 4 G从等轴 暗斑 处采到 这种暗斑被解释为火山泥岩 岩芯 B S 一2 9 2 G来自一个环形坳陷中部的一个不规则形暗 带之中 这种坳陷被解释为海底火山泥岩的塌陷构造 岩芯B S 一2 8 8 G从一个伸展暗带 处得来 这种暗带被认为来自开放断层的泥流 所有岩芯取样都发现了泥质角砾岩 且 气体水合物都存在于该角砾岩中 因此 分析认为此处的天然气水合物与海底流体强烈 流动有关 0 1 5 k m 图 8 五个岩芯的声纳声谱图 据 S v B o u fi a k 等 1 9 9 6 2 6 双 I 程 2 8 l 旅 j J i 时3 0 l l I I I 3 2j 图 9 B S 一 2 8 8 G的声学空白带 据 S V B o u fi a k 等 1 9 9 6 一 1 5 一 维普资讯 在过地震2 5 6测线的B S一 2 8 8 G井位上 可以在海底 下2 0 0 m s 处观察到一个锥形 的地震反射声学空白带 图9 箭头表示流体运移路径 其宽度超过 5 0 0 m 可能与挠 曲有关 它指出了 气体通过断裂带运移 在经过此井位的地震剖面上也观察到了相似的 地震反射空白带 宽约2 0 0 m 图 l 0 如果考虑到高频因素 它反映了以下两种可能 之一 位于最上部的气体充填薄层吸收了地震渡能量 气体发生强烈流动 不管是哪种 情况 地震数据都问接表明此井位附近相对于邻区的气体含量有明显的异常 在采集到水台物的B S 一 2 9 2 G站位 其海底以下 1 6 0 m s 深的地方可观察到由强绕射 波形成的某种声学混浊体的 A T 图 l 1 图中声学混浊体所反映出的流体穿过断层 及破裂带的运移路径用箭头表示 由于此站位附近的海底地形相当平缓 推颡 I 这种绕射 是由羽状流所引起 图 1 0 B s 一 2 8 8 G在浅层剖面上的反射空白体 据 S V B o u r i a k等 I 9 9 6 1 6 2 9 3 1 3 3 图 1 1 B S一 2 9 2 G的声学混浊体 据 S V B o u fi a k等 1 9 9 6 图 I 2 挪威 S t o r e g a 谤塌区的旁侧声蚋图像及方框 1 2 两处强背散射斑块围像 维普资讯 1 9 9 8 年 R V P r o f e s s o r L o g a c h e v 号在1 限 一 8航次对挪威的S t o r e g g a 滑塌区也 进行了与气体水合物相关的O K E A N长条幅旁侧声纳调查 目的是讨论各种气体和气体 水合物地貌特征的异同 以及水合物与浅表层滑塌的关系 调查采用的工作频率为 9 k H z 扫描宽度为8 k m 系统拖曳速度为 6 节 沉放深度约在海底几十米 获得了整 个调查区的声纳图像 图 1 2 图中方框 1 和 2的图像经放大观察到了强背散射斑块 其分布范围 与 Mi e n e r t 等 1 9 9 8 报道的麻坑位置相吻合 经综合分析认为该区水合物 形成与滑塌密切相关 四 多波束测量 多波束测量系统能以条带测量的方式对海底进行无遗漏的全覆盖测量 它除了提供 高密度的水深数据外 还可以提供类似旁侧声纳产生的海底图像 它可以 全覆盖 高精 度对感兴趣的海底区域进行测量 结合高精度的实时差分G P S 测量技术 它已应用于 全海深范围的勘测 是当今世界上测量海底地形最先进的手段 它的调查结果类似于航 空摄影 可将海底地形变化直观地用三维立体图的形式表现出来 据国外科学家研究 痘瘤 状海底地形可作为识别天然气水合物盖层下含气的标志 同时指示已有部分气 体逸出 这种情况下可通过多波束对海底地形的全覆盖高精度测量 开发声速剖面改 正 传感器姿态改正和定位精度优化技术 提高水深数据的精度和分辨率 就能够胜任 这些标志的发现 S E A B E A M 2 1 1 2 和 S I MR A D E M9 5 0 是目 前常用的多波束测深系统 采集数据时 作业船速允许 1 0 一 l 2 节 多波束测深资料可当作图像来处理 加上旁侧声纳资料和地 震资料便可提供水合物经济带 玎 z 的三维地形图像 从图像可清晰识别甲烷气体溢 出坑 如麻坑和泥火山口 处理多波束水深资料时 时间序列信号内容也可提供一种 新的方法来判定海底和次海底物理性质 这样或许也可以确定水合物的出现位置和分布 特征 1 9 9 6 年夏季 俄罗斯 R V G e le n d z h i k 号在 S o r o k i n海槽区的啊 一6航次中 采用 S I M R A D E M一1 2 S 多波束测深仪进行水深测量 测深图像记录显示了等轴状正向 构造泥火山的存在 其横断面宽为几百米至 2 5 k m 高可达 1 2 0 m 位于图中央 图 1 3 在海底反射图上 这些特征通常表现为反射性级别加强 黑色 在图上还可见到 一 系列大而不规则的强反射性斑块 它们可能与深部物质通过那些小通道以及海底底层 中的断层而逸出有关 也可能与那些广泛的 以滑塌 泥石流和浊流形式沿斜坡向下的 块体滑移有关 在我国南海北部陆坡某区域进行的天然气水合物资源调查过程中 为发现可能与天 然气水合物形成有关的地貌特征 也进行了多波束全覆盖测深调查 调 查中还采用了海 底摄像 拖网取样和重力活塞取样等调查手段 以期获取与天然气水合物有关的沉积物 特征 生物标志和岩石证据 图 1 4 为该区块多波束测深地形三维立体图 从图中可以 判别区内中间低洼处发育一条近东西向的海谷 海谷水深为3 3 0 0 3 4 0 0 m 谷底平缓 一 1 7 维普资讯 囤 1 3 多擅柬测量获得的海底地形图 等涕线间隔为 1 0 m 据 M K I v a n o v等 1 9 9 6 宽度约3 k in 向东水深逐渐增大 往东直至于探海盒相连接 海谷南部斜坡坡度明显比 北部陡 南北坡都发育海淘 陡坡和阶梯状小陡坎 井呈波浪状起伏 在海谷下端靠近 出13 的地带 往往由于海谷浊流或底流的作用形成规模较大沉积较厚的深海扇 海谷是 浊流沉积物的主要通道 也是形成海谷的外营力因素之一 1 8 图 l 4 多波束测保三维地形立体图 据陶军 2 0 o 2 维普资讯 五 海底摄像 海底摄像系统是一种将海底图像通过考察船的铠装同轴电缆 采用数字传输 计算 机控制的数字成像的技术 具有简便实用 造价低廉 垂向悬挂和海底的直接监视并进 b碳酸岩结壳 c 拎溢 J 再种形态的烟囱 d 生物群落溢气u r窄 J 下 2 0 c m为碳瞅盐沉积物 e 辅武取样品 小的生物群薄纰台 图 1 5 各种与天然气水台物相关的沉积物和生物标志 据 N a n c i A M S c h x t e r E r win u e s s D e b r a s s 1 a k e s 等 1 9 一 一 维普资讯 行快速反应的收放操作等特点 该系统能实时传输图像并显示于船上的控制台上 还能 同时显示摄像机高度 设备工作状态等信息 用户可点按屏幕上的按扭 控制水下的照 明 灯和摄像机 有选择地摄录高清晰度的彩色海底图像并记录于磁带上 该技术用来观 测海底地形地貌 分析并圈出可能与水合物有关的地貌标志 在海洋环境中 水合物富集区烃类气体的渗逸可在海底形成特殊环境和特殊的微地 貌特征 地貌标志主要有泄气窗 泥火山 麻坑 碳酸盐结壳 厌氧生物群等 并且自 生碳酸盐岩矿物多呈 岩隆 结壳 结核和烟囱 等形式产出 在琉球群岛外 Ku r o s h i t n a 海丘 布莱克海台 卡斯凯迪亚陆汇聚边缘 鄂霍次克海区 路易斯安那陆坡 一盆 地 蒙特里海湾 俄勒冈一 华盛顿边缘 墨西哥湾 丹麦卡特加特海峡等区域都有碳酸 岩类的相关报道 在巴伦支海海底火山口中 科学家们进行了海底的 碳酸岩结壳多期的 调查研究 认为当地的碳酸岩结壳于潜在的水合物丘状体之间存在着密切的联系 图 1 5 近几年 德国基尔大学 G e o l l la r 研究所 在美国俄勒冈州西部大陆边缘卡斯凯迪亚 水合物海台就发现了许多不连续分布 大小在 5 c m 2 左右的水合物泄气窗 泄气窗中甲 烷气苗一股股地渗出 渗气速度为每分钟五公升 在该渗气流的周围有微生物 蛤和碳 酸盐结壳 图1 6 水合物分解后 会在海底遗留有关活动的地貌痕迹 例如 八千年 前在挪威以北海底发生的水合物分解气化事件在该区海底留下了有上百个坑的特殊地貌 图 1 7 1 8 最大的坑洞直径超过 3 公里 该次海底喷出的甲烷总量估计达 3 5亿吨 仅占目 前全球天然气水合物总量的3 但却能造成严重的环境后果 如此规模的甲烷 气体喷若在 1 0年内完成 全球大气温度将平均上升 4摄氏度 海水温度将上升 2摄氏 度 因此 开展与海底水合物相关的微地貌研究 是了解海底水合物的历史变化 当今 现状和发展规律的重要途径 是当今水合物开发研究工作中必须先行的研究课题 六 结 语 天然气水合物赋存于海底之下 任何单一的调查方法 除了直接取样 都不可能对 其进行可靠的识别 需要多种探测技术的结合综合应用和多项指标的综合判定 当前国 际上天然气水合物的调查与研究已呈现多学科 多方法的综合发展趋势 找矿方法上 除了首选的地球物理方法外 测井技术 钻孔取样 旁侧声纳 浅层剖面 自 生沉积矿 物学法 地球化学以及海底摄像等综合手段都已得到较大的发展 截至2 0 0 2 年底 世 界上已直接或间接发现水合物共有 1 1 6 处 其中海洋 包括少数深水湖泊 1 0 7 处 陆 地永冻带9 处 2 0 0 2年 1 月 日本与加拿大合作在加拿大北部冻土带麦肯齐三角洲 Ma l l i k 2 L 3 8 井试验开发天然气水合物获得成功 带来了开发利用天然气水合物的新 世纪曙光 由于天然气水合物在我国的研究历史还不长 目 前采用的探测方法及研究手段都相 对比 较粗浅落后 许多调查和资料处理分析方法在国内还没有展开 急需在技术方法上 取得进一步的提高 才能跟上国际先进的步伐 一 2 0 维普资讯 承 深 目 囤 l 6 天然气水台物溢出示意图 据 E P v i n s u e s S 等 1 9 9 8 图 l 7 古代大规模水台物分解气化区 图 1 8 水合物