海底冷泉在旁扫声纳图像上的识别

海底冷泉是指来自海底沉积地层(或更深)的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种海洋地质现象,它普遍发育于主动大陆边缘和被动大陆边缘。海底冷泉研究在天然气水合物、全球气候变化、极端生物群落等研究方面都具有重要意义。利用实测的海上资料,通过分析水体声学剖面上的冷泉气柱、旁扫声纳图像上的亮斑异常以及柱状沉积物样品中天然气水合物等的对应关系,指出旁扫声纳图像上出现的亮斑异常是海底冷泉喷逸的指示。海底冷泉逸出的大量气泡遮蔽海底,从而形成一个强波阻抗界面,这个强波阻抗界面在旁扫声纳图像上形成亮斑异常。通过亮斑异常,可以判定海底冷泉的存在。旁扫声纳可以成为海底冷泉探测的有力方法。

海底冷泉渗漏气泡-海水两相介质均匀化方法和实验研究

针对海底冷泉天然气渗漏流量声波测量需要介质声阻抗均匀的要求,提出了气泡四元破碎方法,设计了一种气泡-海水两相介质均匀化装置.气泡-海水两相介质均匀化装置的功能包括两个部分：气泡破碎和气泡空间分布均匀化,其作用先将大气泡破碎成小气泡,然后再对小气泡的空间分布均匀化.实验结果表明：气泡-海水两相介质均匀化装置能够将直径大于15 mm的气泡破碎为当量直径为4~5 mm且空间分布均匀;另外气泡的流速基本在0.3~0.4 m/s内;达到天然气渗漏流量声波测量的要求.

海底冷泉气泡羽流声学探测参数研究

对气泡羽流的声学探测是目前海底冷泉调查的主要手段。在声学探测理论基础上,分析了声学探测过程中CW声波脉冲信号的发射频率、发射功率、声波脉冲宽度(脉冲持续时间)3个参数对海底冷泉气泡羽流探测成像的影响。同时,结合黄、渤海老铁山水道海域海底冷泉外业调查和人工模拟冷泉实验的数据,进一步明确了这些参数的选取原则和范围。针对声学水体剖面上出现的异常干扰带,还提出了改变脉冲发射时延值来消除水体声学剖面图中干扰带的方法,从而进一步优化海底冷泉气泡羽流的声学成像效果。

海底冷泉气泡羽流地震波数值模拟

海底冷泉广泛分布于全球大陆边缘海域,是未来能源勘探的重要领域.本文根据海底冷泉羽流特征,设计多个典型2D冷泉气泡散射地球物理模型并观测其数值模拟的地震响应特征.冷泉正演模拟的关键是建立典型地震海底冷泉散射模型,本文首先构建了平稳随机散点模型,设计了符合实际的气泡半径和气泡体积分数的参数模型,通过参数填充和计算得到了等效速度模型.由此建立的模型在适应性和灵活度上凸显出很大优势,极大地提升了地震响应的可靠程度.单炮地震记录显示冷泉羽流区散射能量最强,地震波场散射清晰,散射波场沿冷泉延伸方向具有明显的方向性.复杂冷泉气泡散射模型的正演模拟结果表明地震响应能够准确描述海底冷泉羽流,对冷泉羽流的研究和寻找海洋天然气资源具有重要意义.

基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟

海底冷泉羽状流与海底天然气水合物的分布密切相关,对水合物稳定带的边界具有指示作用,是未来能源勘探的重要领域.研究海底冷泉羽状流的地震响应特征,对确定天然气水合物的储集区域及成藏环境等均有重要意义.当前获得海底冷泉羽状流的地震响应主要通过数值模拟进行,然而该过程所依据的含气泡介质声速模型及随机介质理论不能完整描述海底冷泉的物理性质,采用的声波方程也不适用于高频地震波数值模拟.为了准确地实现海底冷泉羽状流地震波数值模拟,精确分析其地震响应特征,本文提出利用Keller-Miksis气泡振动模型来描述气泡在声波作用下的运动状态,同时考虑气泡间的相互作用,建立海底冷泉气泡模型.在此基础上,本文创新性地采用含气泡液体声波方程进行海底冷泉高频地震波数值模拟.数值模拟结果表明,本文提出的方法能够实现海底冷泉羽状流地震响应的高精度数值模拟.

基于单波束测深资料的海底冷泉动力学特征反演方法研究

为了准确理解冷泉水体中甲烷气体的分布规律,综合运用单波束测深数据和冷泉水体流场数据,建立了冷泉气泡上升、溶解速率的定量反演方法,利用现场海试资料对反演方法进行了验证,并对海试区域的冷泉气体溢出、溶解通量以及冷泉水体的甲烷浓度进行了估算。计算结果表明,考察船航向与冷泉水体流向的差异会对声学探测结果产生影响,当航向与流向的夹角大于±60°时,声学成像中冷泉倾角的误差将超过50%。同时,冷泉气泡上升速率的衰减与溢出口水深显著相关,相关系数可达0.9,并且冷泉上升流对上升速率的提升效果明显。水合物稳定带的分布对冷泉气泡的收缩速率影响显著,稳定带内、外收缩速率的差异可达3~4倍。冷泉气体通量的计算结果表明,调查区域内冷泉的溢出强度整体较大,同时溶解通量与水深之间呈现明显的分段效应。根据冷泉气体溶解通量估算的冷泉水体甲烷浓度与色谱分析结果具有较好的一致性。相关研究有助于实现对冷泉水体中甲烷气体分布的定量评估,为潜在海底冷泉区的圈划和海域天然气水合物的调查提供技术支撑。

海底冷泉地震数值模拟研究

海底冷泉气泡分布与可燃冰的存储位置、成藏机制密切相关。为了研究海底冷泉气泡的地震响应,通过含气泡介质声速、衰减系数模型和平稳随机介质理论建立海底冷泉气泡模型,利用交错网格有限差分法进行正演模拟。在每个单炮地震记录上都呈现冷泉区产生的散射波,并且根据模拟结果得出一种判断冷泉区水平边界的方法和冷泉区域大概范围。

南海东北部陆坡冷泉系统的浅地层剖面特征与分析

本文通过对南海东北部陆坡区浅地层剖面资料的处理,结合横跨陆坡区的长地震测线,总结了该区浅层气聚集、海底流体运移、泥火山和冷泉活动在浅地层剖面中的特征,并对剖面中出现的声学空白带现象做了分类.研究认为浊反射、增强反射等现象,反映了该区域存在广泛的浅层气聚集.对声学空白带成因的分析,认为窄空白带很可能对应海底流体运移的通道,而宽空白带则可能由沿地层分布的浅层气引起,同时提出了自生碳酸盐岩体散落分布造成声学空白的可能性.我们在南海东北部陆坡区发现了泥火山,并讨论了其运移通道及对BSR的破坏.同时发现研究区水体中存在声学异常体,推断为冷泉羽状流,指示该区存在活动的冷泉.本文依托大量的浅地层剖面数据,对南海东北部陆坡区的冷泉系统有了较全面的认识,对冷泉系统剖面特征的成因进行了初步探讨,可为南海冷泉系统研究的进一步开展提供有益参考.

海底天然气渗漏流量声学测量方法及初步实验研究

测量每年海底渗漏释放到海洋水体及大气中的具有温室效应的甲烷的量具有重要的科学意义。文章提出了测量前调整气泡状态并用透射声波波形-幅度参数测量渗漏气泡流量的新方法。通过空间频谱分析得出声波测量窗口高度小于气泡流每秒上升的距离时,文章所设计的声波传感系统可以有效地测量气泡流速。根据求解声波方程的Born近似方法得出了气泡直径与测量声波波长的关系,该关系是确定测量系统结构参数的依据。实验表明,采用蜂窝芯板为主的结构可把气泡调整为直径小于3mm且空间分布均匀的状态,气泡流速测量精度可达±2%,透射声波幅度与截面含气率有近线性关系;初步验证了气泡流量测量方法的可行性。

基于局部平衡反应的海底甲烷水合物形成及富集机制数值模拟

针对具有开发潜力的渗漏型天然气水合物藏,尝试采用油藏数值模拟方法,建立海底甲烷水合物形成及富集机制模型。基于水合物的相平衡和动力学特征,通过对水合物反应的局部平衡设置和对海底浅层高压低温环境的精确描述,实现对深部甲烷气运移至海底水合物稳定区、触发形成水合物过程的模拟,分析海底低渗层遮挡和海底冷泉两种情形下甲烷水合物富集成藏过程及其影响因素。结果表明:在深水海底浅层中,深部甲烷气以较小通量且不发生泄漏至海水情形下,长时间、持续的运移至海底水合物稳定区,则有利于形成大厚度、高丰度的水合物藏;油藏数值模拟方法可作为一种研究海底水合物成藏动力学的有效手段,值得开发利用。

冷泉羽状流多波束水体声学探测技术与应用

海底冷泉作为地球水圈与下伏岩石圈之间物质和能量交换的重要场所,其广泛发育于主动大陆和被动大陆边缘、深海扩张中心、汇聚板块边界、弧前盆地、断层以及泥火山发育区等区域。研究海底冷泉对于海洋工程安全、天然气水合物开发、海洋油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等方面具有重要意义。本文在系统总结海底冷泉探测技术方法的基础上,重点阐述了多波束水体声学探测技术及海底冷泉羽状流特征反演方法,对海底冷泉系统探测技术方法完善和应用具有重要意义。

超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的实验研究

海底渗漏气泡流速是测量海底冷泉渗漏气体流量的主要参数。为了测量海底渗漏气泡流速,利用超声多普勒测量的原理和气泡的二次多普勒效应,提出海底渗漏气泡速度的超声多普勒测量方法。超声多普勒测量根据超声多普勒原理设计了气泡流量测量装置,通过多普勒频移算出海底渗漏气泡流速,同时用视频法测出海底渗漏气泡流速。从多普勒法和视频法的气泡速度数据t分布95%的置信水平误差可知,视频法的气泡速度数据的波动大于多普勒法的气泡速度数据的波动,表明了超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的有效性和准确性,优于视频法测量海底渗漏气泡流速。

琼东南盆地冷泉差异发育特征及其深部控制机理

海底冷泉与天然气水合物资源、全球气候变化和极端环境生态系统等重大问题密切相关,具有重要的科学意义。冷泉系统形成演化影响因素众多,其时空分布、活动特征及相关物理、化学和生物作用差异较大。冷泉活动的浅表层响应与深部控制要素的耦合关系、冷泉差异发育的流体动力学过程与控制机理等科学问题有待深入研究。以琼东南盆地为主要研究对象,针对冷泉差异发育特征及其控制机理问题,以流体动力学研究为主线,深浅连通,将浅表层冷泉观测数据与深部地质环境、地层压力等要素相结合,精细刻画冷泉流体从物源层向浅表层运移的渗漏通道特征,建立冷泉浅表层响应与深部要素之间的耦合关系,揭示冷泉差异发育的流体动力学模式,探讨冷泉差异发育的控制机理,以期为冷泉环境水合物勘查与试采、深海物质和能量迁移转化及极端环境的生态系统研究提供理论依据。

卡斯卡迪亚大陆边缘活动冷泉流场定量研究

海底冷泉是一种重要的地质活动,当前对冷泉的研究逐渐从定性研究过渡到定量研究.本文利用遥控深潜器视频资料对美国西海岸卡斯卡迪亚大陆边缘活动冷泉进行研究.观察视频资料发现,研究区活动冷泉的释放主要有两种形式,一是甲烷气泡的缓慢逸散,二是含甲烷流体快速喷发形成羽状流.缓慢逸散的甲烷气泡多为透明椭球形,羽状流喷口处多为锥形,流体浓度高时呈白色不透明状,流体边缘处往往为灰色半透明.羽状流流动方向整体向上,内部往往存在复杂的湍流涡.针对研究区中两种释放形式,分别利用不同方法进行流场的定量研究,其中,冷泉羽流的流场定量分析是通过粒子图像测速技术来获得冷泉羽状流瞬时全场流动定量信息,在此基础上试算了羽流的卷吸系数.本文利用图像测速技术对冷泉流场进行定量研究,可为估算甲烷通量等研究提供新的数据来源,对研究冷泉地质过程及其对全球气候变化的影响都具有重要意义.

测量海底渗漏气泡流速的声波分路器声学特性研究

为了测量海底冷泉渗漏流量的主要参数气泡流速,提出了用声波分路器将同源声波分成两路的方法,根据声波导管理论和声波传播原理设计了分路器的结构.换能器的校验实验表明两路接收换能器的性能基本相同,能满足分路器的验证实验.在空气与水中对声波分路器的特性进行了实验对比:空气中的实验表明,同源声波穿过分路器两支路后声程、幅值和频谱特性基本一致,验证了设计的合理性;水中的实验表明,同源声波穿过分路器能量的损失约为20%,为减少在水中声波的损失,分路器需要加上声波反射元件.

冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究

冷泉水体中的甲烷气体浓度异常不仅是海底天然气水合物赋存的重要标志,同时对于研究海洋环境以及全球气候变化具有重要的意义。在现有海底冷泉特征分析研究的基础上,建立了根据单波束测深数据定量获取冷泉水体中的甲烷气体浓度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千岛盆地西北陆坡冷泉区为例,利用海试获取的12kHz和20kHz声学回波测深数据,对研究区域内冷泉水体中的溶解甲烷浓度进行了计算。通过与冷泉水体样本的色谱分析结果进行比对可见,该反演方法的计算结果与现场实测数据具有良好的一致性,并且由于在波束角和气泡共振效应方面的优势,12kHz测深数据对应的反演结果与实测数据更为接近。同时,相关计算结果表明,该区域内水体中的溶解甲烷主要来自于冷泉释放的甲烷游离气。此外,现场观测结果表明,水合物稳定带底界以深区域内冷泉气泡表面的水合物结壳会显著延长气泡的上浮时间和距离。

深海冷泉古菌厌氧甲烷氧化研究进展

在富含甲烷水合物的海相冷泉沉积物中,古菌厌氧甲烷氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)越来越受到人们的重视。目前普遍认为, AOM是由嗜甲烷古菌和硫酸盐还原菌共同调节的生物地球化学过程。16S rRNA基因分析表明,包括AEME-1、AEME-2和AEME-3在内的多种甲烷古菌参与了AOM的过程,它们广泛分布于全球大洋海底缺氧带。AOM过程与全球环境变化密切相关,从深海底部冷泉区向上渗漏的甲烷气体,绝大部分在穿透缺氧带沉积层过程中被甲烷氧化古菌所消耗,有效减少了具有强烈温室效应的甲烷气体向大气的释放。对AOM生物地球化学过程的研究,在认识冷泉系统碳酸盐的形成机理、控制强温室气体甲烷从海底的渗漏和开发可燃冰新能源等方面具有重要意义。

东海天然气水合物的地震特征

使用中国科学院海洋研究所“科学一号”调查船于2001年以及20世纪80年代在东海地区采集的多道地震资料,以海域天然气水合物研究为目的,对这些资料进行了数据处理并获得了偏移地震剖面.通过对地震剖面的解释,在6条剖面上确定了6段异常反射为BSR,均有振幅强、与海底相位相反的特点.6段BSR基本上都没有出现和沉积地层相交的现象.分析认为,这与东海地区第四纪以来的沉积特征有关,并不能由此否认这些异常反射是BSR.6段BSR出现的水深为750～2 000 m,埋深在0.1～0.5 s（双程时间）之间.随着海底深度的增大,BSR埋深有增大的趋势.计算结果显示,6段BSR所处的温度和压力条件都满足水合物稳定赋存所需要的温度和压力条件.本文的BSR主要与北卡斯凯迪亚盆地以及智利海域水合物的温度、压力条件相似,而与日本南海海槽、美国布莱克海台等海域水合物的温度、压力条件相差比较大.在地震剖面上,6段BSR所处的局部构造位置都和挤压、断层有关,有利于水合物的发育;在空间上,它们主要分布在东海陆坡近槽底的位置以及与陆坡相近的槽底.在南北方向上,除分布在吐噶喇断裂和宫古断裂附近外,还与南奄西、伊平屋和八重山热液活动区相邻.热液活动和水合物虽然没有直接的成因关系,但岩浆活动为水合物气源的形成提供了热源条件,为流体和气体的运移、聚集提供了通道条件,从而有利于水合物的发育与赋存.根据地震剖面反射特征推断,剖面A1A2和A14A23发育BSR的位置应该有气体或者流体从海底流出,可能是海底冷泉发育的位置.剖面A14A23上BSR发育处,振幅比的异常增大和BSR埋深的降低是相关联的.这种关联支持该处发育海底冷泉的推测.

南海北部天然气渗漏系统地球物理初探

本文主要针对南海北部大陆边缘发育的5个沉积盆地——台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、莺歌海盆地和中建南盆地,分析了近年来利用地球物理方法研究南海北部天然气渗漏系统的成果,重点包括3个方面:天然气水合物的储藏、流体运移通道以及海底表面渗漏特征。其中表征天然气水合物存在的似海底反射BSR在台西南和珠江口盆地发育明显,莺歌海盆地发现有大型气田;5个盆地流体运移活跃,其内发现了多样的运移通道:断层、底辟、气烟囱、多边形断层及水道(峡谷)等破裂结构;海底表面渗漏特征也在台西南、珠江口、莺歌海和中建南盆地均有发现。南海北部大陆边缘天然气渗漏系统广泛发育,值得进一步深入研究。