海洋论坛▏海底冷泉在旁扫声纳图像上的识别

【摘要】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。

一、引言

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。它是继现代海底热泉活动之后又一新的海洋地质研究领域。Emery等早在1958 年就报道了海底冷泉的存在。但在海底冷泉调查研究的初期阶段, 由于调查手段的限制, 调查发现仅限于浅水的近岸地区和陆架区, 此后, 随着海洋石油调查由浅水区向半深水和深水区的推进，特别是近几年随着海洋调查技术的提高, 已在大陆坡区、增生复合体区域、大陆边缘的深水区等发现了海底冷泉的存在。目前已知, 海底冷泉是主动大陆边缘和被动大陆边缘一个普遍的海洋地质现象。下列3个方面的原因使海底冷泉及相关研究备受关注。首先是潜在的能源因素。海底冷泉清楚地表明海底气的存在, 因此, 它和海底油气以及天然气水合物密切相关。如, 巴西冈波斯盆地中两个超大型油气田的发现, 波斯湾大型油气田的发现, 墨西哥湾、日本南海海槽中水合物矿的发现都是以海底冷泉的发现为先导的；其次是环境效应。众所周知, 甲烷是一种温室效应气体, 它在大气中的浓度在过去的100年中, 每年都以1%的速度递增。由于甲烷气体在地球上的源与汇并不十分清楚, 所以这种增长的原因也就不能肯定, 但可以肯定的是在过去的几年前，从海洋进入大气的甲烷数量是被忽略的。Judd等指出, 如果海底冷泉有较大的喷出速度，气泉中的甲烷气是能够进入大气的, 并且从全球海底已经发现的海底冷泉数目来看, 通过海底冷泉输入到大气的甲烷数量可能非常可观, 所以其环境效应值得重视。目前, 和海底冷泉相关的地质微生物研究也已引起广泛的重视。由于气体的存在, 海底沉积地层的物理特性如波速、密度、弹性模量、电阻率等都会因此而发生变化, 特别是地震波穿过含气地层时, 纵波速度和横波速度都将有较大的衰减, 从而波阻抗会有明显变化。所以声波技术, 如人工地震、浅地层剖面、多波束和旁扫声纳等方法可以用来对含有气体的地层进行调查研究。实践表明, 用地震剖面来研究海底沉积气和海底冷泉是十分有效的。已有多篇文章分析了海底冷泉及下伏含气地层在地震剖面上的振幅响应、相位响应及波组变化, 并明确了多种和海底气相关的反射特征，如毯式反射、帘式反射、柱式反射、浊反射等。但关于如何使用旁扫声纳方法来快速识别海底冷泉方面的方法介绍还不多见。本文通过海上实测资料, 介绍海底冷泉在旁扫声纳图像上的基本特征。

二、旁扫声纳成像及其地质解释

旁扫声纳在原理上实际上是宽波束测深系统的逻辑拓展。我们知道, 回声测深仪主要由发射机、接收机和时钟3 个主要部分构成。发射机部分用于向海底发射声波, 为整个系统提供信号源；接收机部分则接收由水体、海底以及海底以下地层界面返回的声波;时钟系统测量从发射到接收之间声波的旅行时间。虽然旁扫声纳和回声测深仪在很多方面都有变化, 但这3个基本组成部分始终是它们共同的核心。图1是旁扫声纳系统对海底进行成像的原理示意图。

 图1　旁扫声纳成像原理如图1所示, 在当前时刻, 声纳发射机发出的声波和海底相交, 形成梯形脚印。脚印范围内的海底和声波相互作用, 返回的声波被声波接收机接收。系统把接收到的声波按照声波强度的高低变成灰度像素, 最终形成旁扫声纳图像。旁扫声纳的根本目标是要提供海底目标体的声学图像。由于旁扫声纳系统使用的声波频率较高, 所以，通常对海底的目标体有较高的分辨能力。如图2所示, 旁扫声纳图像甚至能够分辨出沉船的桅杆。图2显示, 旁扫声纳图像能够形象、精准地呈现海底目标体的形态。但需要强调, 旁扫声纳图像所显示的并不是实际海底的样子, 而是海底和声波相互作用的一种表达。这种声学表达和海底实际地质形象的转换则是图像解释人员的主要目标。

图2　旁扫声纳图像显示的目标体和雷达图像不同的是, 旁扫声纳接收机接收到的声波实际上主要是反向散射波(或称背散射波), 而不是直接来自海底目标的直接反射波。由于尺寸大小和摆放的位置等原因, 对于绝大部分的海底反射波, 声纳接收机都无法接收到(图3)。接收机所记录到的背散射波主要是由海底目标体通过绕射、再反射部分入射波等方式所产生的。所以, 来自海底的直接反射声波在旁扫声纳数据处理中并不是很重要的因素。如果海底的反射面完全平直, 那么此时声纳能够接收到的声波能量就非常有限, 只有海底粗糙, 其波阻抗和海水的波阻抗相差较大的区域才能在接收机上产生足够强的背散射能量。实际上, 声纳所接收到的声波信号强度, 或者说声纳图像的灰度变化, 主要取决于海底地形和反射目标与海水之间的阻抗差这两个因素。海底地形因素则主要是指地形的坡度和海底的粗糙程度(和声波波长相当的微观起伏)。

 图3　声波脉冲和海底作用示意图从理论上, 声纳图像解释人员可以根据声纳图像, 一方面了解海底的粗糙程度, 同时也可以了解海底的底质情况(波阻抗)。目前, 基于前者，旁扫声纳图像解释人员可以准确地识别出海底沉船、海底管线、海底人工鱼礁、海底固体废弃物, 以及海底沙脊、沙波(图4)等；根据后者, 则可以识别海底底质类型, 如淤泥、细砂、粗砂等。

图4　声纳图像显示的海底沙波与底质类型

三、数据来源

本文使用的数据为俄罗斯调查船“ AkademikLavrentiev号”于2006年5月在鄂霍次克海进行科学调查所获得的数据。本航次的主要目的是对海底冷泉喷口分布以及冷泉与天然气水合物成藏关系进行研究。在航次执行过程中, 重点对调查区进行了旁扫声纳调查。航次使用的旁扫声纳为拖鱼式, 其换能器安装在拖鱼上。工作时, 拖鱼被沉放到离海底较近的距离进行走航式测量, 并有专门的水下定位系统为其进行定位。旁扫声纳的工作频率为30 kHz, 单侧扫描宽度950m, 开角2.5×50°, 分辨率0.5m。航次共完成旁扫声纳测线13条(位置见图5), 共计240km。图中灰色测线为该考察船于2003年在本调查区的旁扫声纳调查测线。

图5　旁扫声纳调查测线位置图(黑点是本文讨论的异常位置, 也是水合物的取样点)

四、海底冷泉喷口在旁扫声纳图像上的基本特征

在航次调查过程中, 调查区内的海底冷泉首先由水体声学剖面系统监测到。冷泉喷口喷出的气体, 以气泡群的形式由海底通过水体向上迁移，从而形成冷泉气柱。考察船上的水体声学剖面系统能够很好地对冷泉气柱进行成像(图6)。如图6所示, 在水体声学剖面上, 冷泉气柱表现为细而高的柱形, 柱体高度一般200～400m, 宽度约100～150m。现场对气柱区水体的化学成分测量表明, 气柱区甲烷浓度非常高, 从而证实甲烷气泡群的真实性。

 图6　海底冷泉气柱旁扫声纳图像异常出现在冷泉气柱的位置。由于调查区位于中下陆坡, 其海底地形平缓地由200m向1300m过渡, 坡度较缓, 每百米坡降一般在0.5m。在较小的范围内, 海底基本上是平坦的。这样, 在大部分调查测线上, 旁扫声纳图像上没有任何海底起伏、海底障碍物等异常显示。在冷泉气柱的位置, 旁扫声纳图像出现亮斑异常。图7是LV39-01SS测线上的一段。LV39-01SS测线位于调查区的北部(测线位置如图5所示)，呈东西向延伸。测线西端水深较浅, 为200m左右, 是上陆坡的位置;测线东端水深较大, 为1300 m左右, 是下陆坡的位置。异常点出现在测线中部偏东的位置, 水深850m左右。所谓的亮斑异常就是声纳图像上和背景相比亮度(背散射强度)明显增强的区域。图7中的亮斑大致呈圆形，直径为700 m左右。亮斑范围内亮度并不统一，但无明显的规律性。亮斑和周围背景的边界清晰可辨。

 图7　旁扫声纳图像上的海底冷泉喷口图8是在亮斑中央位置采获的柱状沉积物样品, 其中白色的固体为天然气水合物。该沉积物样品主要为泥质粉砂, 粒度均一。沉积物样品颜色呈灰绿色, 呈现绿色的原因是其中含有大量微藻的缘故。样品整体偏软, 含水量较高。样品剖开后, 在现场能闻到明显刺鼻的硫化氢味道。气体检测表明, 样品含有大量甲烷气和硫化氢气体。沉积物样中, 天然气水合物的含量并不高, 呈竖脉状、烟缕状嵌于软泥中。整个柱状样品的长度为270cm, 水合物从160cm以下都有零星出现。除水合物外, 样品中还含有大量碳酸盐结壳以及一些贝壳等。

图8　天然气水合物样品整个调查区, 除在LV39-01SS测线上发现亮斑异常以外, 同样的亮斑异常还在其他测线上被发现(图9)。图9中我们把出现亮斑的位置用白色的圆圈标注出来。从图9 可以看出, 这些亮斑出现的位置主要为水深800m左右的中陆坡区, 在水深更大或者更浅的位置虽然也有亮斑发育, 但出现的频次要明显少于中陆坡。图9中所有白色圆点圈出的位置, 在水体声学剖面上都有相对应的冷泉气柱与之对应。

图9　旁扫声纳图像上的辨识出的海底冷泉喷口位置

五、讨论

从水体声学剖面上获得的冷泉气柱、气柱区水体甲烷浓度异常、以及气柱下方天然气水合物的发育等方面, 我们都可以判断海底冷泉喷逸是真实可靠的。因而本文旁扫声纳图像上出现的亮斑异常和海底冷泉喷口相对应也是毋庸置疑的。通过本文数据, 可以准确地建立起旁扫声纳图像上亮斑异常和海底冷泉喷口之间的关联。前面已经提到, 旁扫声纳图像的灰度变化，主要取决于海底粗糙度以及海底反射目标与海水之间的阻抗差这两个因素。在海底比较平坦的情况下, 海底反射目标与海水之间的阻抗差就成为旁扫声纳图像灰度变化的主要原因。当有大量气泡从海底逸出时, 海底被气泡群所遮蔽, 此时，气泡群则成为旁扫声纳系统在海底的观测目标。物体的声阻抗等于物体的密度和其声速的乘积, 即Z=ρc。表1列出了多种和本文相关的物质的声波阻抗。从表1可以明显看出, 空气和海水的波阻抗差非常大, 因而海面是一个明显的波阻抗界面, 而当海底被大量气泡所遮蔽时, 气泡和海水同样可以形成一个明显的波阻抗界面。这样被气泡遮蔽的海底在旁扫声纳图像上就会出现代表高能量的高亮度。

表1　不同物质的声波阻抗

物质	声波阻抗/(kg/m2·s)
空气	415
海水	1.54×106
粘土	5.3×106
沙	5.5×106
砂岩	7.7×106
花岗岩	16×106

由于地球物理的多解性, 可以肯定其他原因同样可以形成旁扫声纳图像上的亮斑异常。但在适合水合物赋存的深水区域, 海底冷泉喷逸形成的气泡应该是主要的原因, 因而旁扫声纳可以成为海底冷泉探测的有力方法。

六、结论

海底冷泉是一种普遍的海洋地质现象。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。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, 因而旁扫声纳可以成为海底冷泉探测的有力方法。

■本文作者：栾锡武 刘鸿 岳保静 AObzhiro，来自《现代地质》，参考文献略，用于学习与交流，版权归杂志社与作者共同所有。第一作者，栾锡武，男, 责任研究员, 1966年出生，中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室, 海洋地球物理专业, 主要从事海洋地球物理调查研究工作。

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