海洋天然气水合物的地球物理研究(Ⅳ):双似海底反射

由于双似海底反射可望指示一个动态演化的天然气水合物 游离气体系特征,这一重要问题的研究非常有意义.目前在世界上有两个双似海底反射分布区最为典型,一是挪威西部大陆边缘,另一个为东南海海槽大陆边缘.对双BSR的解释,主要有两种,一种是残留BSR,对应古温压条件下天然气水合物稳定带底界的反射,另一种是混合气体水合物沉积的底界反射.阐明双似海底反射层空间分布特征与其成因,建立动态演化的天然气水合物-天然气体系模型,可为深入了解天然气水合物形成机制、分布规律及其地质历史中的演变提供重要的科学基础.

珠江口盆地深水区晚中新世以来构造沉降与似海底反射(BSR)分布的关系

2007年中国在南海北部神狐海域通过钻探首次获得天然气水合物样品,证实了珠江口盆地深水区是水合物富集区。通过对珠江口盆地深水区构造沉降史的定量模拟研究,发现晚中新世以来区内构造沉降总体上具有由北向南、自西向东逐渐变快的演化趋势;从晚中新世到更新世,盆地深水区经历了构造沉降作用由弱到强的变化过程:晚中新世(11.6～5.3Ma),平均构造沉降速率为67m/Ma;上新世(5.3～1.8Ma),平均构造沉降速率为68m/Ma;至更新世(1.8～0Ma),平均构造沉降速率为73m/Ma。而造成这些变化的主因是发生在中中新世末—晚中新世末的东沙运动和发生在上新世—更新世早期的台湾运动。东沙运动(10～5Ma)使盆地在升降过程中发生块断升降,隆起剥蚀,自东向西运动强度和构造变形逐渐减弱,使得盆地深水区持续稳定沉降;台湾运动(3Ma)彻底改变了盆地深水区的构造格局,因重力均衡调整盆地深水区继续沉降,越往南沉降越大。将似海底反射(BSR)发育区与沉降速率平面图进行叠合分析,发现80%以上的BSR分布趋于构造沉降速率值主要在75～125m/Ma之间、沉降速率变化迅速的隆坳接合带区域。

含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的AVA特征

研究含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的振幅随入射角变化 (AVA)特征 .基于时间平均 -Wood加权方程、三相介质波传播理论模型和弹性模量模型 ,计算并阐述含天然气水合物岩石弹性参数与水合物饱和度、含游离气岩石弹性参数与游离气饱和度的关系 ;给出不同模型AVA特征 .结果表明 ,不同天然气水合物饱和度、不同游离气饱和度的各种组合呈现形态相似但反射系数值不同的AVA特征 .

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .

天然气水合物地震似海底反射现象AVO正演模型研究

似海底反射(BSR)现象是用人工地震方法识别含天然气水合物沉积地层的重要标志之一。针对水合物沉积物的悬浮、颗粒接触和胶结3种微观模式,进行了似海底反射现象正演模型的研究,考查了BSR现象产生的地震地质原因和运用AVO判断游离气的适用性。研究结果表明:在地震合成记录的帮助下,结合AVO变化曲线,可以认为BSR的成因有两种情况。实际工作中需要运用多种信息的综合分析而不是一种简单固定的模式来解释BSR的复杂成因。水合物沉积的3种微观模式都存在水合物的临界饱和度,当介质中水合物饱和度小于临界饱和度时,可以通过AVO曲线的变化形态来判断水合物沉积层下伏介质中是否含有游离气;而大于临界饱和度时,AVO技术则难以适用。AVO曲线形态、BSR现象与游离气三者之间存在复杂的关系,同样需要通过多种信息的综合分析来解释。

台湾西南海域似海底反射分析

台湾西南海域弧陆碰撞及俯冲作用形成增生楔,在增生楔部位地震调查原始炮集数据上可清楚地识别BSR极性及波形特征。通过对该区域地震调查数据处理,获得了常规地震偏移、瞬时振幅及瞬时相位3种属性剖面,三者可清楚地反映BSR特征及分布,瞬时相位剖面还反映了BSR之上弱反射层的结构特征。研究表明,增生楔部位构造沉积明显控制BSR的形成与分布,该区天然气水合物成矿前景良好。

天然气水合物似海底反射层的全波形反演

建立了天然气水合物似海底反射层 (BSR)研究的全波形反演方法 .这是一种将水平层状弹性介质的反射共中心点道集转换为截距时间 -水平慢度域的反演方法 .反演过程中采用了全局搜索方法与非线性局部搜索方法 .分两步进行 .第一步是根据走时数据应用非常快速模拟算法求得速度结构的长波长分量 .第二步 ,利用波形资料用共轭梯度法求得速度的短波长扰动分量 .这样 ,最后反演得到的速度结构模型包含了长波长与短波长分量 .反演中利用了多网格参数化技术 .日本东南海海槽双BSR的速度结构的反演表明 ,全波形反演是天然气水合物BSR研究的重要手段之一 .

西南海海槽地震资料处理及其似海底反射层特征

对西南海海槽的NT6 2 - 2地震测线进行了重新处理 ,突出了天然气水合物似海底反射层 (BSR)的特征 .比较了近炮检距剖面、叠加剖面、偏移剖面、瞬时振幅剖面与瞬时相位剖面上BSR的显示特征 .指出了BSR在炮道集与共中心点道集上的分布 .虽然在近炮检距剖面上能分辨部分BSR ,但通过叠加与偏移可以得到BSR较清晰的图像 .BSR的高振幅特征在瞬时振幅剖面上最为明显 ,而在瞬时相位剖面上容易勾画BSR的横向展布 .

南海珠江口盆地东部海域含似海底反射沉积层纵波速度结构:反射波旅行时反演结果

文章利用2012年广州海洋地质调查局在南海珠江口盆地东部海域采集的多道地震(MCS),通过反射波旅行时反演了含似海底反射(BSR)沉积层的纵波速度结构。从反演的速度结构上,我们发现BSR上方附近速度在横向上变化较大,存在一个明显的相对高速区域(1800~2200m?s?1)以及一个相对低速的区域(1500~1700m?s?1)。结合多道地震成像的结果,我们把相对高速区域解释为含水合物层,而相对低速区域可能不含水合物或者仅含少量的水合物。BSR一般认为是水合物稳定存在区域的底界面,反演的速度结构结果表明水合物在稳定带内分布不稳定、不连续。相对低速区域的存在可能表明该低速区域下的BSR与水合物的赋存无关,仅仅反映了正常沉积地层与下伏游离气层的界面。

基于遗传算法的天然气水合物似海底反射层速度结构全波形反演

似海底反射层的速度异常是识别天然气水合物的重要标志。本文基于遗传算法提出了一种针对天然气水合物似海底反射层的全波形反演方法。这种方法分为全局搜索与局部搜索两部分,即首先使用遗传算法进行旅行时反演得到背景速度模型,然后以其作为初始模型,使用共轭梯度算法进行全波形反演。对含噪数据的数值试验表明,该算法具有较高的稳定性,并确定了进行天然气水合物似海底反射层全波形反演的遗传算子。将这种波形反演方法应用于我国南海北部海域的天然气水合物研究,得到了分辨率高于常规速度分析的似海底反射层速度结构,并识别出似海底反射层的速度异常,为准确识别天然气水合物层和游离气层及研究其分布特征和形成机制提供了基础;反演结果也同时证明了本文方法的高稳定性以及对天然气水合物似海底反射层速度结构研究的适用性。

南海北部似海底反射层速度结构全波形反演

似海底反射层的速度异常是识别天然气水合物的重要标志,这里提出了一种针对天然气水合物似海底反射层的全波形反演方法。这种方法分为全局搜索与局部搜索二部份:首先使用遗传算法进行旅行时,反演得到背景速度模型;然后用其作为初始模型,使用共轭梯度算法进行全波形反演。通过对含噪数据的数值试验,算法表现出了较高的稳定性,并确定了进行全波形反演的遗传算子。将这种波形反演方法应用于我国南海北部海域的天然气水合物研究,反演得到了分辨率高于常规速度分析的似海底反射层速度结构,并识别出似海底反射层的速度异常。利用纵波速度反演的结果,计算出沉积物中游离气的含量,认为BSR下方的低速层可以解释为含至少1%游离气的薄层。并分析了研究区内甲烷气的来源,认为该区域游离气兼有生物气和热解气。

可能代表以往气候状态的黑海多层似海底反射

多瑙河深海扇的高分辨率地震反射数据上出现的多层似海底反射是一种先前未知的模式，其声学特征表明了游离气的存在。我们的研究表明，这一模式与多瑙河扇的典型水道一溢堤系统结构相关。发育于水道一溢堤系统中的多层似海底反射形成一个相对封堵的含气系统，其顶部位于气体水合物稳定带底界之上。在这一系统内部，游离气在岩性、构造和地层的联合作用下聚集于气体水合物稳定带底界之下。最上部的BSR与当前稳定的气体水合物稳定带底界对应，甲烷占气体组分的99％以上。根据小同气体组分和温度压力条件模型得出的气体水合物稳定带底界的深度表明，对应水合物稳定带底界的多层BSR，（1）要么是含有大量的高分子烃类或者硫化氯的气体水合物层，（2）要么是代表冰期与当前温度条件之间的稳定气候事件。由于假设（1）所必需的气体水合物组分与这一研究区域正常的游离气组分是明显矛盾的，因而我们认为此处的多层BSR最可能是早期气体水合物稳定带底界的残留，它与气候连续变暖的步调是对应的。在此情况下，多层BSR能提供这些时期的海底古温度值并因此可能揭秘以往的气候状态。

细粒沉积物中裂隙和大孔隙内弱似海底反射与天然气水合物之间的可能联系——来自新西兰Hikurangi陆缘的结果

众所周知，隙问沉积物孔隙中少量的自由气具有明显较低的压缩（P-）波速，即纵波速度（Vp）。结合天然气水合物存在导致的纵波速度适度增大，认为该效应通常是因天然气水合物稳定带底部（BGHS）似海底反射的强负反射系数所致。然而多个地方观测到弱的似海底反射界面与沉积物孔隙中有自由气存在的认识明显不一致。因此，本文提出了一个新西兰东部Hikurangi陆缘弱似海底反射的岩石物理模型。在一个弱似海底反射附近的海底露头获得的细粒泥岩样品的薄片显示以裂隙和化石内大孔隙形式存在的大孔隙度。采用Kuster-Toksoz理论，预测了饱水隙间微孔的岩石地震波速度和模拟裂隙或顺从大孔隙内充填天然气或水合物的岩石地震波速度，将反射系数为．0．016的弱似海底反射野外观测结果与两个端元模型比较：（1）水充填空隙的岩石之上，沉积物浓度〈4％的水合物充填空隙的岩石，或（2）水充填空隙之下，浓度〈2％的天然气完全充填空隙的岩石。在自然界，一个水合物系统有可能是这些端元模型组合，也可能是水和天然气或水合物混合充填的大孔隙度的组合。研究结果表明弱似海底反射可能由完全饱水隙间孔的细粒沉积中裂隙和大孔隙内的水合物系统所致。水合物稳定区生成的甲烷通过扩散驱动短距离运移到大孔隙空间中，或者基于其他地质因素，我们更偏向于沿着裂隙从更深部源岩长距离的平流运移模型。

秘鲁近海似海底反射的速度结构：全波形反演结果

我们对海底以下气体水合物的广泛分布之认识源于似海底反射（BSRs）这一地震观测结果。根据纵波速度研究BSRs精细结构的全波形反演是一种可行技术，我们将非线性的全波形反演技术用于研究秘鲁近海的一处BSR。首先利用一个统计的反演技术确定地震速度变化特征，使旅行曲线的相关能量最大化。这些速度被用作全波形反演的初始模型，并产生BSR附近详尽的速度／深度模型。我们发现数据与一个由薄的低速层形成的BSR的模型吻合最好。在18m的层内，纵波速度由2.15km/s下降至平均速度为1.70km/s，在其中6m在层内，最小速率仅1.62km/s。利用纵波速度反演结果，计算沉积物中的气体含量，结果表明低速层为厚6－18m、孔隙空间含部分游离气的地带。BSR的出现与地层区域垂向抬升相一致。因此，我们认为该BSR处的气体是由于抬升作用造成压力下降，水合物稳定带底部水合物分解而形成的。

似海底反射的地震速度和AVO效应

我们将浓度和压力作为一个函数得到冰和含气体水合物的地震波速度。同以往以简单的慢度和平均模量及双相模型为基础的理论不同，我们使用了Biot类型的三相理论，这一理论考虑了二种固体（颗粒和冰或笼形物）和一种液体（水）的存在，以及一个含气和水的多孔隙基质。对于固体的Berea砂岩，低于0℃时的纵波理论估计值过低，在含有冰－颗粒相互作用和颗粒胶结时与实验数据产生了好的吻合。严格地讲，水的比例与温度紧密相关。假定已知孔隙的平均半径和标准偏差，那么在一给定温度下的波速拟合就能对整个温度范围的速度进行预测。通过一个粘弹性的单相结构模型来计算反射系数。本文的分析是针对游离气带的顶部（位于含气体水合物的沉积层下）和底部（上履于饱含水的沉积层）进行的。如果似海底反射仅仅是由于胶结气体水合物与含游离气沉积层的分界面造成，我们可以得出结论：（1）在一定的气体饱和度下，很难估算低浓度情况下气体水合物数量。然而，水合物的高、低浓度还是可以区分的，因为它们分别呈现正和负的异常；（2）游离气和饱和度可以从反射振幅中而不是从异常类型中获取；（3）P波转化为S波的反射系数是指示高含量的气体水合物和游离气一个较好指示。另一方面，对于未胶结的沉积物，振幅随偏移距变化曲线总是为正。

卡斯凯迪亚陆缘似海底反射（BSR）的热流变化

北卡斯凯迪亚陆缘的陆坡上紧密排列分布的地震测线上发现有代表天然气水合物稳定域底界的似海底反射（BSR）存在。用一个简单的热传导模型来计算BSR位置的热流值，观察到的热流值具有区域性变化的趋势，即在这个陆缘上，热流值向陆减少，其平均值距变形前锋15km处约80mW/m^2，到距变形前然40km处则减为65mW/m^2。这种变化趋势反映加积楔沉积物的构造增厚和胡安·德富卡板块的俯冲过程。这与俄勒冈陆缘较稳定的热流相反，那里俯冲板块的倾角稍小些，因此沉积物增厚的速度也相对小些。同时还观察到一致的局部变化，即高地之上具有明显的低热流值，而高地的侧翼具高热流值。在一些局部地区，1－2km的水平距离离使热流值增加50％，从热流的一般值65mW/m^2增加到100mW/m^2.这种变化可能是由于地形的集中和散开作用独自引起的，这也暗示了具有明显地形起伏（如陆坡）等地区的热流值要进行地形校正的重要性。然而，局部热流值的变化也可能是由于动力作用引起的，这些动力学作用包括逆冲断裂作用导致的等温线位移和温暖液体沿着可渗透的通道（如断层）向上迁移。

新Caledonia离岸Fairway盆地似海底反射高分辨率地震研究初步成果

1998年法国-澳大利亚实施一个航次的联合调查，随之第一次报告了在新Caledona离岸Fairway盆地存在气体水合物。此航次识别了一个似海底反射（BSR），位于LordHowe隆起东侧的新Caledona西部。在同一区域实施了ZoNeCo5（1999）航次后，提出BSR的范围超过7万km^2，有可能是已圈定面积最大的BSR。为了确定BSR的存在并评估其特征，在2004年ZoNeCo11航次调查了一个站点。同时采集了以3．3km长电缆记录和以紧密间隔的海底地震检波器记录的高分辨率地震数据。海面地震数据成像可得到沉积构造以及推测的BSR相关的沉积地层的细节。基于OBS数据的旅行时反演提供了海底下速度分布的信息。这一研究的初步结果表明，尽管在Fairway盆地出现至少二个异常反射体，但都不能描述为BSR。观察到的异常反射体的成因依然未知，但更可能是与流体循环有关，而不是与沉积中气体和气体水合物的存在有关。

根据似海底反射计算地热流和地温梯度：实例研究

天然气水合物是由水和具有低质量分子的烃(主要为甲烷)构成的冰状结晶固体，形成于高压、低温环境中并主要发现于两类不同的区域：外部陆缘和永久冻土带。印度次大陆在东西部陆缘均拥有广阔的近岸带。由国家海洋研究所、Goa和国家地球物理研究所、Hyderabad及其它几个部门所开展的先期研究表明本区具有形成天然气水合物的有利环境。发现的天然气水合物位于海底沉积物中几百米的范围内，在大陆边缘及其邻近区的水深超过500m(以保持天然气水合物的温压条件)，在聚集陆缘带尤其如此。

日本中部近海千叶沉积盆地铫子山嘴坳陷内的似海底反射层（BSR）之成因及意

在日本中部近海千叶（Ｃｈｉｂａ）沉积盆了铫子山嘴（ＣｈｏＳｈｉＳｐｕｒ）顶端的一个小型坳陷内，中新世－上新世内的Ｍｉｒｕｒａ组发育了似海底反射层（ＢＳＲ）。我们假设天然气水合物ＢＳＲｓ总是与位于气本水合物稳定基底（ＢＧＨＳ）处气体水合物层以及下伏的游离气同时形成，想必具ＢＳＲ标志的天然气水合物之形成与热成因的天然气有关，天然气与ＢＧＨＳ的上移相伴生，可假定这些后生的天然气是由地些未发现的，下伏的，