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。

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。

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。

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 .

用单道地震反射方法确定BSR反射率的横向变化

地震反演技术结果和深海测井曲线显示下伏分布有薄层游离气的似海底反射波（BSRs）呈强振幅反射。然而，BSR经常表现为相对弱振幅，并具有明显的横向变化。这种情况我们还不十分清楚。是一个仍需要研究的课题。波形反演可用来研究BSR附近传播速度的分布状况，但在一些情况下不能应用，因为它需要采用包括震泊和接收器之间的大偏移距的多道地震数量采集装置，象这些不适用的还有许多例子，所以我们考虑用其它方法达到相同的目的。一种是应用小偏移距的单道数据方法。它最初是被用在浅海沉积物工程和环境调查中。当然，单道地震方法不能象多道地震那样提供速度的适用信息。在这里，单道方法有一个自行校准的优点，在纠正波峰偏差后能提供真实的反射振幅，而不用考虑需求原的反射特征或有关的速度和密度参数。这些真振幅而且能产生用于纠正传播损失的反射系数。用此方法还能帮助我们解释合成数据，它被证实在数据采集区间可用快速数字化率提高结果的精度。这种方法可以提供一套事先经过全波形反演分析的真实数据。由于数字化率相当慢而使成果噪音大、记录长度很短，但是，海底和BSR反射系数的平均值与反演所得到的平均值对比得很好。结论是单道地震方法可以提供合理的反射系数值。我们认为，在密度变化的条件下，单道数据可以提供BSR附近传播速度的结果信息，此外，它比全波形反演示所付出的工作量最小。

海底流体排出及甲烷水合物BSR形成机理

在大陆边缘海底之下几百米深度处普遍观察到BSR，这些沉积物经历近的构造固红或快速堆积，相信BSR与稳定的甲烷水合物（笼形物）的最深部位对应，我们提出了下模式，BSR水合物的形成是在运移着的孔隙流体进水合物稳定域时，由向上运移的孔隙流体排出甲烷，在这个模式里，大多数甲烷产生于水合物稳定带之下，但此深度不足以充分生热，甲烷初始属生物成因，该模式要求从孔隙流体中排出已分解的甲烷，或随孔隙流体向上搬运已散布的游离气，模式解释证据，水合物在稳定域底界处浓聚，大量的甲烷源包含在水合物内，BSRs仅在特殊环境下出现，在深积物正常沉积体制下，不会向上强裂排出流体进入不合物稳定域,，所以BSRs不普遍，由于俯冲带增生楔处构造加厚，荷载增加，引致流体向上排出，该地区快速沉积未固结成岩，这些地区水合物BSRs常见，当孔隙流体进入水合物流体＋水合物与流体域之间的严格边界，然而，需要形成水合物的甲烷数量源自深海钻井有关孔隙流体中烷浓度的有限资料暗示，从上升流体中有效的排出甲烷，可以包含比所需产生游离气的数量少，在大多数流体排出体制，流体向上运移至海底的数量足够连续排出过剩的氯化物及水合物形成时同位素分离的残余物，因此，当观察钻孔资料，没有大量氯化物或同位素异常残留在孔隙流体内，甲烷浓度与稳定域上或下的孔隙流体内CO2量之差别，可以对早期沉积物成岩反应有明显的影响。

琼东南海域天然气水合物地震反射特征

天然气水合物是一种新能源,目前,世界上许多国家都在进行天然气水合物研究。琼东南盆地是天然气水合物可能赋存的重点目标区,笔者针对琼东南海域二维地震资料进行以突出含天然气水合物地层地震反射特征为目的的处理,进一步识别含天然气水合物地层地震反射特征与分布。通过应用地震资料保幅处理技术,对该海域含天然气水合物地层地震反射特征,如似海底反射(BSR)、BSR强反射界面之上的高速异常带、BSR附近的振幅空白带、BSR的极性反转等,有了更多的认识,对开展全区含BSR特征研究有借鉴意义。

BSR与CSEM识别天然气水合物的优缺点对比

天然气水合物是一种分布广泛的新型清洁能源,是目前能源勘探界的研究热点之一。提升天然气水合物勘探技术以探测天然气水合物分布和进行资源量估算,对我国天然气水合物的开采和利用至关重要。本文对比总结了似海底反射(BSR)和海洋可控源电磁法(CSEM)识别天然气水合物的优势与局限性。结果表明,BSR是目前识别海洋天然气水合物的一种常用且重要的方法,但BSR与天然气水合物的存在并非一一对应,难以准确估算天然气水合物饱和度和资源量。海洋CSEM能相对准确地识别天然气水合物,并可通过获取储层电阻率估算天然气水合物饱和度和储量。两者的结合将有效提高天然气水合物的钻探成功率、降低勘探风险和节约勘探成本。

甲烷水合物勘探的BSR与洋流精细结构的同步成像

通过长偏移距的多道地震数据的精细处理，可以同时获取似海底反射（BSR）与海水精细结构的成像结果。根据BSR的类型位置、沉积环境和空间分布对潜在甲烷水合物产区进行了解释和分类。台西南活动大陆边缘的前缘和后缘的活动增生楔处识别出了一些断续分布或连续分布的BSR，它们可能与各种不同的沉积扩散作用非常吻合。我们的研究揭示了沉积边缘的流体／气体的运移可能受区域地质构造作用或者局部地震活动的控制。洋流成像呵以反映出在不同深度发生的不同动态过程，近水面的洋流通常表征为连续、近水平的层状，为空气-海水的表面交互作用的特征。更多明显的波浪形状、阻抗反射率上不连续性变化、相对清晰的顶底反射而内部较低的振幅，均为涡流的特征，能够在中间的深度范围内识别到。通过定量分析，内波和其它诸如涡旋、块体运动、湍流与混合流的空间分布特征均能有助于在地震频带内对不同尺度动态洋流的认识。

双BSR之谜：水合物稳定域变化的指示标志

在挪威西部的滑坡区地震反射剖面上，可探测到经典的BSR及目前未知的双BSR。假定强BSR为水合物稳定带底界（CH4占99％）进行P－T模拟，上部的BSR可能代表气体水合物顶界，下部的BSR可能代表冰期与间冰期之间水合物稳定域的残留部分之底界，或作为含重烃成分的气体水合物之底界。

台湾近海碰撞带内水合物BSR分布

用偏移后的6道和120道反射剖面，在台湾近海增生柱内误别出似海底反射层（BSR），BSR具反极性，并随水深增加，BSR在海底浅层地层深度加大，说明BSR可作为甲烷水合物稳定域底界的标志。BSR位于台湾造山带及中国大陆边缘剥蚀沉积物区内，沉积物富含有机质，因此可提供甲 烷气体，在该区的北部陆地存在气苗也暗示这些地层内存在的甲烷。BSR具体发育在背斜脊部，泥火山，指示甲烷气迁移并圈闭。背斜内近期海底上隆可减少孔隙压力，因此水合物分解释放游离气，从而增强了BSR处的声波阻抗差。在海底峡谷区明显缺乏BSR，在背斜内的BSR之下发现“平点”，说明孔隙空间充填水合物后降低沉积物的渗透率，故增强了圈闭游离气。我们估算了台湾南部附近BSR深度和分布范围，面积超过77000km^2，特别是在潮海沟一侧增生柱斜坡之下大约30％－60％的地区有BSR，即使水深相近，增生柱海沟－侧（西边）的BSR深度比向弧一侧（东边）的浅，说明沿尼拉海沟沉积物加积并脱水，使流体从深部向浅部流动，地温梯度增高。

气体水合物反射层的速度结构研究

地震反射剖面的成像特征反映了海底模拟反射层(BSRs)与海底底面平行特征,人们通常称该反射层就是甲烷水合物稳定带的基底。本文根据地震反射数据的波形反演技术,分析了用于估算BSR层的反射速度结构特点和水合物层厚度。通过大洋钻探计划(ODP)验证结果表明,BSR层下部的沉积物孔隙层中含有大约30m厚的游离甲烷气。水合物层和其下部的气体代表着巨大的甲烷气藏,它将有着重要的经济意义和影响全球气候变化。

莫克兰增生棱柱体内BSR之下厚层游离气之证据

莫克兰大陆边缘的地震反射资料显示出一个强的似海底反射（BSR），且广泛分布。我们将非线性全波形反演技术应用于此区的多道地震数据。用来研究复杂的速度结构及BSR的成因，计算结果显示出：在海底以下500m深度处纵波速度从2.2km/s突然下降到1.3km/s。低速带厚度约200－350m，可能含有大量游离气，这与最近ODP164航次在布莱克海台的钻井有些类似。大部分的游离气可能是气体水合物分解产生的，在加积楔中，构造抬升和沉积作用，引起气体水合物稳定域相对于沉积柱向上运移。

阿拉伯海马克兰增生柱BSR下伏层层游离气显示

马克兰陆缘地震反射资料表明那里存在一分布广泛的强反射的似海底反射层（BSR）。我们运用非线性全波形反演方法分析该海域多道地震数据来研究BSR详细的速度结构及其成因。结果表明，在500m深的海底下，纵波速从2.2km/s突然减到１.3km/s，低速带一般厚２００－３００m，可能含有丰富的游离气体，这与ＯＤＰ１６４航次在布莱克海台钻探的情况类似，由于断层的上升和增生楔中的沉积作用，与沉积柱有关的水合物稳定带裂解后向上运移，产生了大量的游离气体。

波弗特海大陆边缘之下与气体水合物相关的BSR地震研究

位于阿拉斯加北部波弗特海上陆坡海底之下300－700m处有一强的似海底反射层（BSR），与上覆的气体水合物和下覆的天然气及孔隙水之间的相界面对应。世界各地BSRs具有类似的成因，这里通常解释为含本水合物碎屑沉积物之底界，下覆沉积物内可能有或没有游离气。令人惊奇的是，对这些强反向起因知之甚少。在这篇论文里，通过对合成的BSR振幅和波形（随震源－检波器偏移距变化）与穿越波弗特海发育较好的BSR多道地震反射资料比较，分析产生BSRs的物性差异。为了区分BSR之下是否有游离气，需要补充近垂直入射资料和叠前偏移资料。对振幅随偏移距变化（AVO）的分析暗示出：BSR的产生主要是由于BSR之下碎屑沉积物内存在游离气。据垂直入射合成地震记录，估计游离气带厚度薄于11－16m。若气体浓度深度而减少，则游离气带厚度可能大于16m。据AVO模拟，初估BSR之上沉积物内气体水合物饱和度不足孔隙体积的10％。

巴基斯坦马克兰增生棱体实测热流值与由BSR导出的热流值的比较

1997年秋，德国“Sonne”号调查船在巴斯坦第马克兰增生楔进行SO－124航次调查，利用地球物理调查以分析构造变形增生楔中天然气水合物富集沉积的热状况。垂直变形前锋的走向测量的42个热流值，并作了地震反射试验。本次调查从南部的深海平原开始，覆盖到陆坡2300m水深处。本次研究的目的是比较由BSR导出的热流值（意味着是估算的热流值）与在海底实测的热流值。这需要用速度和孔隙度之间的经验方程式来计算不同浓度沉积物的物理性质。变形前锋前南热流实测值经沉积之间的经验方程式来计算不同深度沉积物的物理性质。变形前锋南部热流沉积作用校后为47mW/m^2,这稍高于Hutchison等（Earth Planetayt Sci.Lett.56(1981)252-265)报道的热流值。在所有盆地中热流的估算值都明显高于实测值。因此，由海底实测的温度值推测而得到BSR处的温度比天然气水合物稳定条件得出的温度要低5－6K.估算和实测的热流值都有一个普遍的趋势：即从变形前然向北增厚的棱体都有小小的减少。类似的结果也在其他增生楔中存在，如Wang等[J.Geophys.Res.98(B3)(1993)4121-4142]和Ferguson等[J.Geophys.Res.98(B6)(1993)9975-9984]所述。在斜坡盆地中热流值具有小的变化，表明主要受传导热传递控制。液体可能沿着边界断层流动，这我们很难控制。快速沉积作用对BSR的动力特征的作用同样对估算热流值具有重大的影响。我们的数据组清楚显示，详细的地震调查资料和控制好地地下速度资料对比较实测热流值和由BSR导出的热流值是完全必要的。然而，未能胡定速度－孔隙度关系和一个高的，仅是近似建立的沉积速度，代表关键性的,失去约束条件的沉积速率只能从钻井资料中得到。

冲绳海槽中段西陆坡下缘天然气水合物存在的可能性分析

海洋中的天然气水合物主要发育在有机质供应充分、沉积速率快、热流值较高、水深大于 30 0m的大陆斜坡和活动边缘的增生楔发育区 ;沉积物类型主要以泥质砂岩、砂质泥岩和浊积岩为主。似海底反射层 (BSR)和极性反转是识别天然气水合物层的关键标志。冲绳海槽中段西陆坡下缘水深大于 10 0 0m ;沉积物类型主要为粉砂质泥和泥质粉砂 ,在部分层位见浊积层。与东海陆架相比 ,西陆坡下缘的有机质含量、沉积速率的热流值都较高 ,其范围分别为0 .75 %～ 1.2 5 %、10～ 40cm/ka和 70～ 437mw/m2 ;单道地震剖面具有明显的似海底反射层 (BSR)和极性反转特征 ,因此 ,推断冲绳海槽中段西陆坡下缘可能存在天然气水合物层。

琼东南盆地崖13气田天然气形成水合物的温压条件和厚度计算

天然气水合物具有巨大的资源前景和极强的环境与灾害效应,是目前地学研究中的热点。利用CSMHYD模拟程序,结合南海琼东南盆地地质和地球化学条件,计算了南海琼东南盆地崖13气田天然气形成水合物的温度和压力条件。在海底海水温度为2～16℃、盐度为3.4%条件下,琼东南盆地崖13气田C3+C4含量小于5%的天然气形成水合物压力有较大的范围。天然气组成对水合物形成温压条件有控制作用:随天然气中C3+C4的含量增加或C1+C2+N2+CO2含量降低,在等压条件下水合物形成温度增高,在等温条件下水合物形成压力降低,压力降低的幅度受温度控制,温度越高,幅度越大,并且压力的对数与成分间有统计线性关系。在琼东南盆地平均地温梯度3.76℃/100m条件下,琼东南盆地崖13气田C3+C4含量小于5%的天然气形成水合物所需的C3+C4最小含量与海底之下的深度间存在统计函数关系,随海底之下深度的增加,形成水合物的天然气C3+C4最小含量也同步增加。这种关系也表明了天然气的C3+C4含量与海底之下形成水合物最大厚度间的关系。但不同地区由于海底水深、温度、地温梯度和天然气的组成不同,天然气的C3+C4含量与在海底之下形成水合物厚度之间的统计函数关系式也不同,对于一个特定地区必须进行研究后才能确定。

利用卫星热红外遥感探测南海天然气水合物

天然气水合物被誉为21世纪“化石燃料”的清洁替代能源,其意义十分重大。本文首次将卫星热红外遥感应用于南海天然气水合物的勘查中,实践证明效果较好。作者分析了卫星热红外增温异常的机制,探讨了卫星热红外增温异常与海底天然气水合物的关系,指出了南海西沙海槽区、东沙群岛岛坡区、笔架南盆地、北吕宋海槽区、南沙海槽一带等是天然气水合物可能的赋存地带。