南海北部海域天然气水合物成矿区游离气分布特征研究1

海洋天然气水合物地震识别标志~

杨木壮
摘要　天然气水合物的地震识别标志对海洋天然气水合物勘探和研究具有十分重要的意义。本文根据国外探测和研究成果，详细分析了似海底反射波（BSR）、振幅空白、负极性和异常高速带等海洋天然气水合d物的地震识别标志及其特征。
关键词　天然气水合物　识别标志　似海底反射波
1　前言
天然气水合物由于其储量巨大和分布广泛，已引起人们的极大兴趣和关注，被普遍认为是地球上一种比常规石油、天然气和煤等更有潜力的巨大能源矿产。天然气水合物是一种形成于特定低温－高压环境的冰状混合物，由水分子与气体分子（主要为甲烷）络合而成。天然气水合物遍布全球，但由于压力－温度条件和气体含量的限制，主要分布于陆地冻土层和深水海洋，尤其广泛分布于水深大于300～500m的陆架外缘陆坡和陆隆沉积物中[1]。据统计，世界上已有52处海域直接或间接发现了天然气水合物，其中16处见到含天然气水合物的岩心[2]。有关天然气水合物的调查和研究，美、俄、加、德、日等国已开展了大量工作，我国在这方面的工作近几年才刚刚起步，并很快掀起了对天然气水合物的探索和研究热潮。有关部门1999年底进行了海上天然气水合物试验性地震调查，经资料处理和解释分析，初步证实我国海域存在天然气水合物这一潜在能源矿产。姚伯初（1998）通过对已有多道地震剖面和声纳浮标资料的仔细分析，首次指出南海北部可能存在天然气水合物[3]；杨木壮等（1999）认为南海具有形成天然气水合物的有利条件，尤其在南北宽阔的深水陆坡和陆隆很可能蕴藏着丰富的天然气水合物[4]；张光学等（2000）通过对笔架南盆地等地的地震资料分析，发现该区具有天然气水合物存在的地震特征[5]。那么，海洋中天然气水合物的存在标志是什么？怎样利用地震调查资料寻找天然气水合物？这是天然气水合物调查和研究首先面临的重要问题。为此，笔者根据国外探测和研究成果，详细分析了海洋中天然气水合物的地震识别标志及其特征，如似海底反射波（Bottom Simulating Reflector，即BSR）、振幅空白、极性反转和高速带等，希望能为我国海洋天然气水合物调查与研究提供有益的参考。
2　似海底反射波（Bottom Simulating Reflector）—BSR
含天然气水合物的地层在地震反射剖面上常常会出现一强振幅的连续反射波，大致与海底反射波平行，故称似海底反射波（Bottom Simulating Reflector，即BSR），它大致代表水合物稳定域的底界。国外有关研究成果表明，水合物稳定域底界代表的是一特定的压力和温度面。由于海底下地层压力变化不大，而地温变化却很大（存在地温梯度），因此海底的起伏变化将造成地层中等温面的起伏变化，从而形成水合物稳定域的底界。因此，BSR大致与海底地形平行，而与地层层面斜交（当地层层面与海底斜交时）或平行（当地层层面与海底平行时）。
关于BSR的形成和演化，Kvenvolden（1993）认为有两种模式。第一种模式：在水合物稳定域内有机质经微生物作用生成甲烷（Claypool和Kaplan,1974），水合物形成与沉积作用同时发生，当甲烷水合物带变厚和变深时，其底界最终沉入造成水合物不稳定的温度区间，在此区间内可生成游离气，如果有合适的运移通道，这些气体将会运移回到上覆水合物稳定区（Kvenvolden和Barnard,1983a）。这一模式的结果是水合物将在整个水合物稳定域内生成，而在BSR下方可有或可无游离气存在。第二种模式：下伏孔隙流体中微生物生成的甲烷向上运移进入水合物稳定域而形成水合物（Hyndman和Davis,1992）[9]。这一模式的结果是水合物聚集在BSR附近的稳定区域底部，BSR之下不存在游离气。
虽然BSR在形态上简单地平行于海底，但其振幅、连续性等往往具有多变性，在地震剖面上呈现各式各样的BSR反射。根据反射波振幅强弱和连续性，可将BSR分为三类：S-BSR（强BSR）、W-BSR（弱BSR）和I-BSR（推测BSR）（Tucholke等，1977；Kvenvolden,1993）[7]。
S-BSR具有强振幅，在地震剖面上容易识别。大多数S-BSR为强振幅谷－峰组合（双峰，成对出现），而不是孤立的波峰和波谷。双峰波形是高阻层内具低阻抗薄层的典型地震响应。W-BSR以弱振幅的波谷－波峰为特征，由于振幅低，除非它毗邻S-BSR，一般在地震剖面上难以辨认，然而，W-BSR的存在却相当广泛。
图1为美国东南近海布莱克海岭的一条6道叠加浅层地震剖面，图中B与C之间显示了S-BSR，这是发生在深海沉积物中的典型BSR（Shipley等，1979；Dillon和Paul,1983）[8]。图中A与B之间为W-BSR，毗邻S-BSR，以弱振幅的波谷－波峰为特征，波谷的视反射系数小于－0.05。
推测BSR（I-BSR）是一个非连续的反射界面，位于水合物稳定带的理论底界附近，通常为空白带的底界。图2同样是来自美国东南近海布莱克海岭的地震剖面，表示推测的BSR（I-BSR），即D和E之间的连线。因I-BSR的视反射系数通常小于-0.05，故直接识别I-BSR较困难。主要根据I-BSR之下的异常强振幅反射同相轴推测I-BSR存在的可能性。在地震剖面上，通常把I-BSR解释为这样一条线（如图3中D、E之间的连线），该线与水合物带之下降升的强反射同相轴向上倾斜的终止端相连。这些倾斜的强反射同相轴是由气体充填地层引起的，该地层的上倾末端被水合物胶结的沉积物所封堵（Lee等，l993）[7]。

图1　S-BSR及W-BSR地震反射剖面（美国布莱克海岭）　Fig.1　The Seismic section of S-BSR and W-BSR（据Lee等，1993）


图2　I-BSR地震反射剖面（美国布莱克海岭）　Fig.2　The seismic section of I-BSR（据Lee等，1993）

3　振幅空白
在含水合物地层中，由于地震波速度增大，使得它与下伏地层之间的反射系数增大，在地震剖面上出现相应的强反射界面，而在其上方的含水合物层由于沉积物空隙被水合物充填胶结，使地层变得“均匀”，波阻抗差减少，地震反射剖面上通常呈现弱振幅或振幅空白带。空白程度与孔隙空间内胶结水合物数量成比例，水合物含量越高，振幅越弱，空白程度越高[8]。研究区内所有被解释为BSR之上的反射层均存在弱振幅或振幅空白带现象。因此，BSR之上出现的振幅空白现象是探测水合物沉积物，特别是没有明显S-BSR地区的水合物沉积物的地震指示。同时，地震剖面上水合物沉积物的振幅信息可以提供一种估计气体水合物数量的方法（Lee,1993）。
应该注意的是，地震剖面上振幅空白带并不总是与水合物相关。引起地震剖面上出现振幅空白带的因素还有许多，如沉积环境等。然而，多数显示有BSR存在的地震剖面也表现出不同程度的振幅空白带，并且空白带在BSR之上较集中。
图3为横穿布莱克海台顶部的一条单道地震反射剖面，显示清晰的S-BSR反射波及W-BSR反射波，BSR之上为大片反射空白或弱反射区，空白区连续性较好，被认为是水合物胶结的沉积层，空白带基本代表了水合物稳定域的厚度（Dillon,1993）。

图3　显示反射空白的地震剖面（美国布莱克海台）　Fig.3　The seismic profile showing the Blanking reflections（据Dillon,1993）

4　负极性
水合物带的子波地震反射特征通常呈现负极性，即所谓的极性反转（与海底反射相反），并具有较大反射系数（Shipley等，1979;Lee等，1993）。图4为美国东南近海布莱克海岭一段具有清晰BSR显示的子波波形，具有典型的极性反转特征，即BSR反射波的波形极性与海底反射波的正好相反（海底波形向右，而BSR波形向左）。为方便分析反射特征，视向右的最大振幅值作为波峰（一个从低阻层到高阻层的反射界面），向左的最大振幅值为波谷（一个从高阻层到低阻层的反射界面）。这个异常反射界面以一对强振幅谷－峰波为特征，其波谷的视反射系数大于-0.1。这种成对出现的波形是典型的上下为高阻抗的低阻抗薄层的地震响应，该薄层很可能是水合物层之下的含游离气层。整个子波的反射速率为-0.12±0.04，负的反射速率表示高速层覆盖在低速层之上的反射界面。

图4　BSR波形（地震剖面范围为图1中CMP1000～1200）　Fig.4　The wavelet of BSR（据Lee等，1993）

5　异常高速带
含水合物层的地层速度往往比一般的地层速度高，其速度与水合物含量有关，含量越高，速度越高[9]。从速度方面看，BSR是其上具有较高声波速度的水合物胶结沉积物与其下低速非胶结沉积物的分界面。通常，海洋中浅层沉积层的地震纵波速度为1.6～1.8km/s，如果存在水合物，地震波速度将大幅提高，可达1.85～2.5km/s，如果水合物层下面为游离气层，则地震波速度可以骤减为0.5～0.2km/s。因此，在速度剖面上，水合物层的层速度变化趋势呈典型的三段式，即上下小、中间大。
表1是根据南海北部9个声纳浮标站位资料计算出来的海底浅层层速度数据（姚伯初，1998），为1.95～2.45km/s，比正常的海洋沉积物层速度（1.6～1.8km/s）高，站位水深达420～3920m，高速层厚度大约为200～840m。
6　讨论
综上所述，海洋天然气水合物具有BSR、振幅空白、负极性和异常高速带等地震识别标志，尤其是BSR和振幅空白，被认为是天然气水合物的指示。但是，应该注意的是，BSR就像石油勘探中的“亮点”技术，并不是具有BSR就一定存在水合物；同时，许多含水合物地层也不一定具有BSR。判断一个地区是否发育天然气水合物，需要根据多方面因素综合分析，除了根据上述地震标志外，还可利用含水合物地层具有正AVO异常、高S/P速度比率及轻的碳同位素值（δ13C，通常小于-60‰）等重要弹性特征和物性特征加以综合判断。此外，从电测井曲线获得的地球物理信息也是探测和评价天然气水合物层段的有用资料（Kvenvolden和Grantz,1990），包括井径、伽马射线、自然电位、电阻率、声波速度和中子孔隙度测井等（Goodman,1980）。相信在不久的将来，随着勘探和研究的不断深入，我们将会获得清晰而有效的天然气水合物识别标志，从而揭开天然气水合物的神秘面纱。

表1　南海北部9个声纳浮标站位浅层沉积物速度、水深及厚度　Table1　Velocity and thickness of the shallow sediments,calculated from the data of sonobuoy in the north margin of South China Sea

参考文献
1.Sloan.E.D..1998,A primer on the geological occurrence of gas hydrates.in:Henriet J.P..ed.Gas hydrates relevance to world margin stability and climate change.London the geological society,31～50.
2.Gornitz,V.,et al.,1994,Potential distribution of methane hydrate in the world ocean.Global Biogechemical Cycles,Vol.8,No.3,335～346.
3.姚伯初，1998，南海北部陆缘天然气水合物初探，海洋地质与第四纪地质，1998,Vol.18,No.4,11～18。
4.Yang Muzhuang,et al..1999,Exploration prospect of gas hydrates in South China Sea.Fouth international conference on Asian Marine Geology.
5.张光学、文鹏飞，2000，南海甲烷水合物的地震特征研究，首届广东青年科学家论坛论文集，中国科学技术出版社。
6.Miller,J.J..et al..1991,An analysis of a seismic reflection from the base of a gas hydrate zone,offshore Peru.A.A.P.G.Bulletin,Vol.75,No.5,910～924.
7.Lee,M.W.,et al..1993,Seismic character of gas hydrates on the Southeastern U.S.continental margin.Marine Geophysical Researches,Vol.16,163-184.
8.Shiply.T.H..et al..1979,Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises.A.A.P.G.Bulletin,Vol.63,No.12,2204～2213.
9.Hyndman,R.D..Spence,G.D.,1992,A seismic study of methane hydrate marine bottom simulating reflectors.Journal of Geophysical Research,Vol.97,No.B5,6683～6698.
DISTINGUISHABLE EVIDENCE FOR MARINE GAS HYDRATES
Yang Muzhuang
Abstract
To distinguish the seismic evidence of gas hydrates in seismic reflection sections is very significant for the primary exploration and researches on marine gas hydrates.On the basis of the results from foreign explorations and researches,combined with the first collection data for gas hydrates survey in China,this paper searches for the seismic evidence,analyzes their features and indicates the existence of gas hydrates,such as Bottom Simulating Reflectors（BSR）,amplitude blanking,polarity reversal and high velocity anomaly.
Keywords:gas hydrates,distinguishable evidence,BSR

沙志彬　杨木壮　梁金强　龚跃华
（广州海洋地质调查局，广州，510760）
第一作者简介：沙志彬，男，1972年生，工程师，1994年毕业于中国地质大学（武汉）石油系石油地质勘查专业，主要从事天然气水合物的调查与研究工作。
摘要　BSR的波形剖面对判断地层中是否存在天然气水合物及其下伏游离气具有重要的意义。当地层中富含水合物及下伏游离气时，其波形剖面有明显的反映，BSR波形极性与海底反射极性相反，大致代表含水合物层的底界。本文根据国内外的研究成果，综合分析了BSR的反射系数、极性和波形特征。
关键词　天然气水合物　BSR　波形剖面
1　前言
野外地震资料经过计算机处理后形成的时间剖面，有多种显示方式，其中波形曲线显示方式（常称波形剖面）对于天然气水合物的识别具有重要作用，因为波形剖面可以细致地反映地震波的动力学特征，如频率、振幅和相位等。当地层中富含天然气水合物及存在下伏游离气时，其波形剖面有相应的反映，如BSR的波形、反射系数等，特别是能够从波形反射同相轴特征来判别海底和BSR的反射极性。
2　BSR——含水合物层的底界
众所周知，含水合物的地层在地震反射剖面上常常会出现一强振幅的连续反射波，大致与海底反射波平行，故称似海底反射波（Bottom Simulating Reflector，即BSR）。BSR大致代表水合物稳定域的底界，分析认为是BSR上部沉积物形成水合物后，由于速度的增加而形成的较强波阻抗界面。国外有关研究成果表明，水合物稳定域底界代表的是一特定的压力和温度面。由于海底下地层压力变化不大，但地温变化却很大（存在地温梯度），海底的起伏变化将造成地层中等温面的起伏变化，从而形成水合物稳定域的底界。因此，BSR大致与海底地形平行。当地层层面与海底斜交时，BSR与地层层面斜交；当地层层面与海底平行时，BSR与地层层面平行。如果BSR下部含游离气，则BSR上下的波阻抗差异更大，BSR特征更加明显。
3　BSR的反射系数
通过比较BSR振幅与海底反射振幅，可估算BSR反射系数（Anstey,1977），也可通过比较海底一次反射振幅与其第一个多次反射振幅，估计海底反射系数（Anstey,1977;Warner,1990）。
Hamilton（1978,1982）、Bachman（1982）和Andreassen（1995）等科学家，通过研究波弗特海底反射系数，经计算后结果近似为0.25～0.3，并且得出结论，BSR近道振幅，即BSR反射系数近似为－0.15～－0.24。但这不是绝对的，因为有时BSR振幅比海底反射振幅还大。秘鲁近海水合物BSR的反射系数平均为－0.135，最大0.2～－0.3（Miller等，1991）；俄勒冈近海ODP892站位BSR反射系数－0.07～－0.27；哥伦比亚近海BSR振幅超过海底反射值，反射系数达到－0.2～－0.3（Minshull等，1994）；温哥华岛近海BSR的反射系数为－0.1～－0.15（Hyndman和Spence,1991），Shipley和Didyk（1981）估算该区BSR振幅反射系数平均为海底反射振幅的25%～50%。
4　BSR的反射极性
相对于海底，BSR显示出负极性反射同相轴，即所谓的极性反转（与海底反射相反），并具有较大反射系数（Shipley等，1979;Lee等，1993），表明BSR起因于声阻抗剧烈降低的界面。其实，反射波的极性是由反射界面的反射系数（R）决定的，而反射系数则与界面两侧介质的波阻抗差异（ρ1v1－ρ2v2）有关；实际上，海底和BSR都是一个强波阻抗面，海底是海水和表层沉积物的分界面，上部为低速层，下部为相对高速层，反射系数为正值；BSR是含水合物层与下部地层（或含气层）的分界面，上部为高速层（水合物成矿带是相对高速体），下部为相对低速层（如含游离气，则速度更低），反射系数为负值，因此造成了BSR与海底反射波的极性相反的现象（图1）。

图1　阿拉斯加北部地区波形剖面（据Andreassen等，1997）

Fig.1　The wavelet profile of the northern district of Alaska（after Andreassen et al.,1997）
5　BSR的波形相位识别及波形特征
对于波形剖面，视每个调查区和处理流程而定，剖面显示方式可以不一样，即海底反射波可以显示向左，也可以显示向右；反之，BSR显示亦然。但不管如何，理论上，BSR反射波形必定与海底反射波形的相位相反。
为方便分析反射特征，视向右的最大振幅值作为波峰（一个从低阻层到高阻层的反射界面），向左的最大振幅值为波谷（一个从高阻层到低阻层的反射界面）。由于处理效果原因，在波形剖面的解释过程中，容易受到“旁瓣”的干扰，造成识别海底和BSR波形的困难，所以对于海底初至波（对应于海底初始相位）的正确判别至关重要。依实际解释波形剖面中的经验总结，只有把海底和BSR的主相位当作它们各自的波形才是正确的（图2）。

图2　西沙海槽测线A（CDP680）海底和BSR的波形及相位

Fig.2　The wavelet and phase of the seafloor and BSR in the Xisha trough
美国迪基肯地球物理勘探公司证实波形随入射角和偏移距的变化而变化，因气枪脉冲、海底反射，以及由不同主频、振幅组成的多震源组合导致问题较复杂，为了与实际地震资料上的BSR频率值匹配，通常对波形进行10～40Hz的滤波处理。
在波形剖面上，如果未能观察到水合物层顶界之反射，表明水合物沉积物的顶界是慢慢混合或逐渐过渡的，即是说向浅层水合物的含量不高；若不能观察到BSR之下游离气层底界的反射，说明游离气层仅局限于一薄层内，该层太薄以致在波形剖面上难以分辨（Miller,1991;Hyndman和Spence,1992;Bangs等，1993）。如果波形剖面上BSR为强波谷－波峰组合，Lee等（1993）认为，这种成对出现的双峰波形反映了典型的高阻抗之下存在低阻抗薄层的地震响应，该薄层很可能是水合物层之下的含游离气层。
BSR波形通常为简单的单一对称脉冲特征，大多数BSR波形都表现为成对出现的强振幅波谷－波峰组合（即双峰，图3a），少数为强振幅单峰波形（图3b）。若水合物沉积物之下没有游离气，由于其下的速度是一正常的海洋沉积物速度，这时BSR波形几乎是一对称的波谷。此外，一些具有多波峰的地震道在主相位的上下有时具有不对称波形。
加拿大温哥华岛外北卡斯凯迪亚水合物研究区的89-08测线剖面展示了海底及BSR的初至波和首个多次波（为更直观反映波形的变化，对含有多次波的剖面B振幅作出三倍于剖面A振幅的显示），可以看出海底和BSR的初至波极性相反，而它们的多次波波形与其初至波又正好相反（图4）。
对挪威西部Storegga滑塌区的高、低频反射地震资料研究，发现双BSR这一不寻常的声波反射模式，这种现象比较独特、且少见，对该现象的成因众说纷纭。但从K5测线的波形剖面可看出，海底及BSR2为正常相位，而BSR1则显示出典型的相位倒转。可认为BSR2是天然气水合物的顶界，BSR1是天然气水合物稳定带的底界（图5）。

图3　西沙海槽区的波形剖面

Fig.3　The wavelet profile of the Xisha trough

图4　北卡斯凯迪亚89-08测线的波形剖面

Fig.4　The wavelet profile of the Line 89-08

图5　挪威K5测线的波形剖面

Fig.5　The wavelet profile of the line K5
Miller等（1991）、Hyndman和Davis（1992）模拟了BSR的近垂直入射波形模式（图6），分别代表（a）厚度呈梯度变化的水合物层、（b）厚度呈梯度变化的下伏游离气层和（c）具有6m厚水合物层的波形（图中一并给出速度和泊松比值）。经过比较各自的波形可看出，（a）模型为一近似的对称波形，当厚度大于15m时，较薄层波形（c）有时不对称；对于（b）模型，厚度大于15m的层，顶底脉冲对称，顶底的薄气层干涉产生复杂波形；而（c）模型，波形比较对称，振幅较小。从模型分析可知，波形会随水合物、游离气的厚度和含量的变化而变化，所以根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比，可以粗略确定游离气带的厚度。

图6　具有BSR的近垂直合成地震道波形模式

Fig.6　The model of the synthetic seismic wavelet of the BSR
6　BSR波形剖面的应用
图7为我国南海北部陆坡西沙海槽测线A的瞬时振幅剖面和一段波形剖面，波形剖面中可看出海底与BSR极性相反（即海底波形向右，而BSR波形向左），而从瞬时振幅剖面上则可看出可能由水合物造成的空白带，综合判断该地区可能存在天然气水合物。
图8为我国南海北部陆坡东沙群岛测线B的一段波形剖面，在波形剖面中，海底反射时间在3.6～3.7s处，其反射波主相位方向向左；与地震剖面相对应的波形剖面上显示的S-BSR反射时间为3.9～4.05s，反射波波形方向向右，与海底反射波形极性反转，而且波形以强振幅双峰波形为主，分析认为该区域可能存在天然气水合物。
根据我国南海北部陆坡其他的地震地球物理资料综合分析，该区域显示了存在天然气水合物的一系列地震识别标志和特征，如BSR、振幅空白、极性反转和速度异常等。随着勘探和研究的不断深入，不久的将来，相信我们将会获得更准确而直接的天然气水合物识别标志，从而揭开我国南海北部陆坡天然气水合物的神秘面纱。
7　认识和讨论
1）海底反射系数一般为0.20～0.30,BSR反射系数一般为－0.15～－0.25,BSR反射系数绝对值通常为海底反射系数的60%～80%;
2）BSR的反射极性与海底的反射极性相反；

图7　西沙海槽测线A瞬时振幅剖面及放大的波形剖面（据梁金强等，2000）

Fig.7　The profile of the instantaneous amplitude and enlargement wavelet of the line A in the Xisha trough（after Liang et al.,2000）

图8　东沙群岛测线B的波形剖面

Fig.8　The profile of wavelet of the line B in the Dongsha archipelago
3）BSR波形通常表现为成对出现的强振幅双峰或单峰波形特征，而且随着BSR之下游离气带厚度的不断变化，它们的波形也有所变化；
4）根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比可以确定游离气带的厚度；
5）在没有BSR或BSR反射较弱的情况下，可借鉴振幅空白带或其他地震异常信息进行分析；
6）BSR与天然气水合物不是一一对应的关系，还要利用含水合物地层具有正AVO异常、高S/P速度比率、轻的碳同位素值及电测井曲线等重要弹性参数和物性特征综合识别由水合物引起的“真BSR”，通过观察BSR的振幅和波形特征，确定BSR变化规律，必要时在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，利用其多种属性剖面才能把握其特征。
参考文献
李正文，赵志超.1988.地震勘探资料解释.北京：地质出版社
杨木壮.2000.海洋天然气水合物地震识别标志.南海地质研究（12），武汉：中国地质出版社
张光学，黄永样，陈邦彦等.2003.海域天然气水合物地震学.北京：海洋出版社
Hyndman R D,Spence G D.1992.A seismic study of methane hydrate marine bottom simulating reflectors.Journal of Geophysical Research,97（B5）:6683～6698
Lee M W et al.1993.Seismic character of gas hydrates on the southeastern U.S.continental margin.Marine Geophysical Researches,16:163～184
Posewang J.et al.2002.张光学译，双BSR之谜：水合物稳定域变化的指示标志.海洋地质，（3）：69～76
Shiply T H et al.1979.Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises.A.A.P.G.Bulletin,63（12）:2204～2213
The signature of the bsr Wavelet and Application of the Distinguishable for Marine Gas Hydrants
Sha Zhibin Yang Muzhuang Liang Jinqiang Gong Yuehua
（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,5 10760）
Abstract:It's very significant to use the wavelet profile of the BSR to distinguish the gas hydrates and underlying free gases in the strata.BSR is the basement of the gas hydrates,and the polarity of the wavelet of the BSR and seafloor are reverse.If gas hydrates and free gases exist in the strata,the wavelet of the BSR will change.This paper searches for the seismic evidence and analyzes their features,including reflection coefficient,polarity and wavelet.
Key Words:Gas Hydrates　BSR　Wavelet Profile

林霖^1，2　沙志彬^1，2　龚跃华^1，2　匡增桂^1，2　尚久靖^1，2

（1.广州海洋地质调查局 广州510760；2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州510760）

第一作者简介：林霖（1985—），男，硕士，助理工程师，主要从事天然气水合物勘查研究工作，E-mail:linlin_gmgs@163.com。

摘要 南海北部海域的高分辨多道地震数据显示出较大范围的 BSR 反射特征，预示区域内天然气水合物的赋存量较为可观。本文利用瞬时频率属性和最小振幅属性分析技术，在叠后地震数据的基础上刻划游离气的分布特征。结果显示研究区内游离气分布较广，但其范围小于BSR分布区，受断层的控制作用明显。

关键词 天然气水合物 游离气 地震属性

1 前言

天然气水合物是在低温高压条件下形成的似冰状的固体化合物，在世界各地冻土区和深海沉积层中均有发现。自然界中形成天然气水合物的气体以甲烷为主。因其可观的能源前景，近年来，众多国家的研究机构、能源部门都越来越重视与其相关的研究，并开展了与广泛的调查工作。我国从20世纪90年代中期就开始持续地关注这一领域，开展了与天然气水合物有关的研究和调查工作。广州海洋地质调查局对南海北部的调查工作显示^［1］，南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源。本文利用广州海洋地质调查局近期采集的高分辨多道地震数据，分析南海北部陆坡区东沙海域天然气水合物成矿区的游离气分布特征。

2 研究区概况

2.1 地质背景

研究区位于南海北部海域附近，该区东接欧亚板块和吕宋岛弧碰撞形成的台湾弧陆碰撞造山带，东南侧南海海盆正向菲律宾海板块俯冲消减，南侧为海底扩张形成的南海洋壳，而西侧与有伸展背景的珠江口盆地相接。总体而言，该区域构造复杂，地质活动丰富，形成了多种多样的地貌单元^［2］。因本区主要位于陆坡区，水深变化范围较大，约500～2000m，整体向南逐渐加深。海底地貌主要以海底斜坡、冲刷沟槽、冲蚀洼地、海谷、海丘、滑塌体、泥火山等为主。在似海底反射（BSR）发育区以逐级下降的台阶地形为主，并常见规模不等的滑塌体。研究区的海底地貌与其浅部发育的一系列近东西向正断层有关，说明其主要受新构造活动控制。活跃的断裂活动为深部气源提供了主要的运移通道，是本区天然气水合物成藏的有利条件。

2.2 地震数据

2011年和2012年广州海洋地质调查局在研究区采集了高分辨率的多道地震数据。数据处理时考虑到天然气水合物多分布于海底以下1km的深度范围内，因此加强了对浅部地层的成像处理。

图1（a）Line80线地震剖面及其（b）瞬时频率属性，剖面位置见图2.

Fig.1（a）Seismic profile of Line80 and its（b）instantaneous frequency attribute，see Fig.2 for location.

叠后数据显示研究区内的多数测线上都存在明显的BSR，且连续性较强、反射极性与海底相反、反射强度较大并与正常沉积地层反射同相轴相交、上下常伴有空白反射现象，典型剖面如图1 a所示。在研究区内对这类典型BSR进行了追踪，并划分成6个主要分布区（图2）。BSR总体近似平行于海底，与海底的距离保持在400ms以内，在深水区距海底的厚度增大，这与水合物稳定带厚度随水深增加有关。在局部反射较强的地方，常观察到BSR与滑塌体移动面叠合的现象，且多为滑移面上部位（图1 a）。推测其成因为滑塌体移动后，滑移面上部地层压力降低、孔隙度增加，形成天然气水合物储集空间。从地震数据上还可观察到BSR下部多存在气体扰动和“气烟囱”现象。高分辨率地震的观测结果预示本区是十分有利的天然气水合物成矿区。

图2 平均瞬时频率属性

Fig.2 Average instantaneous frequency attribute

3 含天然气水合物和游离气地层的地震响应特征

目前 BSR 仍是主要的天然气水合物识别标志。纯甲烷水合物的 P 波速度大约是3.27km/s，而海水的P波速度约为1.5km/s，部分充填天然气水合物的沉积层速度高于周围的沉积层，这一速度差别取决于天然气水合物的充填量和其微观的分布方式^［3］。一般认为BSR是含天然气水合物地层底界的反射，与正常海底反射相比，具有反极性和下部阻抗减小的地震特征。但一些地区的研究表明，BSR的产生也可以是由下部含游离气引起，如ODP航次146和164分别在Cascadia Margin和Blake Ridge进行的调查显示，下部游离气引起的低速异常是这两个地区产生BSR的原因^［4］。

与天然气水合物有关的另一反射特征是振幅空白带，即地层的反射率相对较低。这可能是由水合物聚集充填孔隙引起的，但也有可能是沉积层本身较均一，如Blake Ridge地区ODP994、995和997站位^［4］。可见目前用来在地震剖面上识别天然气水合物的反射特征都存在一定的多解性。利用地震数据的其他属性，可以在一定程度上降低多解性，区分不同情况的反射特征^［5］。本文将使用瞬时频率属性和地震振幅分析两种方法定性判别研究区内游离气的分布特征。

3.1 瞬时频率

地震数据的瞬时属性（瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位）是在对原始地震道做希尔伯特变换的基础上计算得到的。瞬时频率是瞬时相位对时间的导数，即瞬时相位的变化率，可以提供地震数据的频率信息。

地震波在含水合物层存在一定的衰减效应，并且随着水合物含量增加而增加^［6］，游离气对P波的衰减比水合物层的影响更大。地震波振幅的减弱与地震波沿传播路径的波数有关，在衰减较大的区域，短波长（高频）部分的能量优先被衰减，其结果是这一区域的地震数据只有低频部分，因此瞬时频率属性可以帮助我们探测衰减比较大的区域，识别含有水合物和游离气的地层。

研究区内BSR 下部地层多有反射频率急剧下降的现象（图1 b），表明地震波通过BSR后衰减较多，在这些地方BSR下部应含有一定量的游离气。注意某些穿过BSR的断层，其位于BSR上部的局部区域瞬时频率也较低。这可能是因为①断层为气体运移至BSR上部提供了通道，同时天然气水合物的含量相对较低，没有对气体向上运移形成封堵；或②水合物沿断层分布，且含量较高，产生较强的衰减效应。

平均瞬时频率属性在给定时窗内计算瞬时频率的平均值，反映某层段内瞬时频率属性的平面分布特征。为考察全区BSR下部游离气的影响，选取计算时窗为BSR上10ms到BSR下100ms，同时将BSR层位插值外推至全区进行计算，结果如图2所示。低频率异常区主要分布于BSR分布区BSR-1、BSR-2和BSR-6，说明这些区域气体通量较大，是可能的游离气赋存区域。

3.2 地震振幅分析

本文使用的另一种定性分析游离气分布的方法，也是利用既有的地震属性算法，即通过计算BSR上下一定范围内的最小振幅值，并生成其平面分布来实现。这一方法的有效性是基于对BSR形成原因的一种认识。一些对比研究表明^［7］，由Helgerud等（1999）提出的针对含水合物地层的岩石物理模型得到的正演结果比较符合实际数据^［7］。Dvorkin（2007）和Zhang等（2012）利用这一等效介质模型，以数值方法模拟了海洋沉积物中赋存天然气水合物和游离气的不同情形，认为反极性、强振幅的BSR的产生与游离气的存在有关（图3c，图3d），而含水合物层只有在高饱和度时，才在其上界面形成反极性的强振幅反射特征（图3b）。因此BSR的最小振幅反映了可能的游离气分布或含水合物层下伏游离气的分布特征，其值越低（波谷越深）水合物或游离气饱和度越大^［9，10］。

研究区内BSR层位由人工拾取，且经过全区插值处理，在部分剖面上并不准确，因此使用了较大的时窗（BSR上50ms到下100ms）在叠后地震数据体上提取最小振幅属性。其平面分布见图4，色标的红色端表示最小振幅的极值异常。从中可以发现，本区游离气分布仍以BSR-1、BSR-2 和BSR-6 区为主，这与瞬时频率反映的分布特征一致。在BSR-1和BSR-2区域内，最小振幅极值异常显示出近东西向条带状分布，与穿过BSR的断层走向一致，反映了断层作为主要的流体运移通道，对游离气分布起控制作用。

图3 含天然气水合物和游离气的地层模型及其合成地震剖面^［10］

Fig.3 Models for hydrate⁃bearing sediment and its synthetic seismic profile^［10］

4 结语

目前认为近海底沉积物中含游离气或含水合物沉积层下伏游离气层是产生负极性强反射BSR的主要原因。研究区内BSR分布广泛，在地震剖面上显示出强振幅、反极性等特征，预示本区天然气水合物资源前景非常有利。瞬时频率属性反映研究区内存在大面积的游离气分布，主要以BSR-1、BSR-2和BSR-6区为主。利用最小振幅属性进一步刻划了游离气在研究区内的分布特征，明确其主要受断层的控制。说明两种属性提示的大量游离气的存在，表明水合物的形成具备很好的气源基础。

图4 最小振幅属性

Fig.4 Minimum amplitude attribute

参考文献

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［4］Taylor M H，Dillon W P，Pecher I A.2000.Trapping and migration of methane associated with the gas hydrate stability zone at the Blake Ridge Diapir：new insights from seismic data.MARINE GEOLOGY，164（1）：79-89

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［6］Dvorkin J，Uden R.2004.Seismic wave attenuation in a methane hydrate reservoir.The Leading Edge，23（8）：730-732

［7］Chand S，Minshull T A，Gei D，et al.2004.Elastic velocity models for gas⁃hydrate⁃bearing sediments—a comparison.Geophysical Journal International，159（12）：573-590

［8］Helgerud M B，Dvorkin J，Nur A，et al.1999.Elastic⁃wave velocity in marine sedimentswith gashydrates：Effective medium modeling.Geophysical Research Letters，26（13）：2021-2024

［9］Dvorkin J，Nur A.2007.Seismic amplitudes from gas hydrates.E＆P，November

［10］Zhang Z，McConnell D R，Han D H.2012.Rock physics⁃based seismic trace analysisof unconsolidated sediments containing gas hydrate and free gas in Green Canyon 955，Northern Gulf of Mexico.Marine and Petroleum Geology，34（1）：119-133

Free Gas Character and Distribution of Gas Hydrate Zone，North of South China Sea

Lin Lin^1，2，Sha Zhibin^1，2，Gong Yuehua^1，2，Kuang Zenggui^1，2，Shang Jiujing^1，2

（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760；2.Key Laboratory of Marine Mineral Reasources，MLR，Guangzhou，510760）

Abstract：High resolution multi⁃channel seismic data shows large BSR distribution in the north of South China Sea，and indicates that gas hydrates are highly concentrated.Free gas distribution of this area was characterized by using instantaneous frequency and minimum amplitude attributes.The results show that free gas mainly controlled by the faults penetrated BSR，and its distribution area is smaller than BSR.

Key words：Gas Hydrate；Free gas；Seismic attributes

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