海洋论坛▏海底天然气水合物识别标志

天然气水合物是海底天然气的一种存在形式，是一种由天然气和水结合而成的固体物质，一种似冰状晶体矿物，发育于温度、压力、流体盐度等限定的特定地质环境中，即天然气水合物稳定带（GHSZ）中，同时受沉积物孔隙流体中甲烷等气体溶解量的控制。根据天然气水合物的产出条件和分布规律，在多年工作的基础上，人们总结了一套海底天然气水合物识别方法。

海底天然气水合物常伴生有浅层气分布，天然气水合物又可分解为气体，因此通过调查、检测浅层气进而推断天然气水合物存在也是海底天然气水合物识别方法之一。本文重点结合中国海的资料讨论海底天然气水合物本身的识别，主要包括地球物理、地球化学、地质地貌等标志。

全球海底天然气水合物分布图 

一、反射地震识别标志

地震方法（包括单道地震、多道地震等）是目前识别和预测海底天然气水合物的最有效方法之一，在发现海底天然气水合物中发挥了关键作用。识别标志主要有似海底反射与速度、振幅和AVO异常等。

1970年Markl等在单道地震剖面发现与海底平行，与一些弱反射层斜交的异常强反射层。深海钻探（DSDP）11航次后，这一异常反射层被定名为似海底反射，并认为与海底天然气水合物的存在有关。DSDP与后续的大洋钻探（ODP）证实了大陆边缘海底沉积物中存在天然气水合物，似海底反射对应天然气水合物稳定带的底界也得到了共识。似海底反射已成为天然气水合物识别的最重要地球物理标识，我国海域的天然气水合物研究也是从似海底反射的研究开始的。

海底含天然气水合物的地层，由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，地震波速增大，而下伏的不含水合物地层由于常有游离气存在，波速要小得多，因此含水合物地层与下伏的不含水合物地层常引成一个负极性的强反射。同时，含水合物地层内部由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，使其在地震、声学上呈现均一响应，在地震剖面以空白反射带出现，即似海底反射带与位于其上的空白反射带伴生。

似海底反射具有比较明显的特征而易于识别：①似海底反射一般与现代海底近于平行，并且多与海底沉积层反射相交；②似海底反射相对于海底反射具有较强的反射振幅和极性反转的特征；③似海底反射在地震剖面上呈现一条亮点带，上下常出现反射空白区；④似海底反射常分布于海底地形高地之下或出现于陆坡之上；⑤BSR规模不等，小的只有几千米，大的可延伸数十千米。中国海域采集的一些地震剖面反映了似海底反射的这些特征，见图1、图2。

图1 东海冲绳海槽中南段陆坡区的地震

偏移剖面显示的似海底反射

图2  南海东北部恒春海背处地震偏移剖面

(部分)显示似海底反射

前人多年工作表明，似海底反射受到构造作用、沉积作用、沉积物的碳含量以及水合物的含量等诸多因素的影响，天然气水合物分布与似海底反射并不存在一一对应关系，在运用似海底反射来识别海底天然气水合物时必须注意结合其它标志综合进行。学者研究认为，在海洋环境发育的扩散系统和渗漏系统二类天然气水合物（又称为地层扩散型和构造渗漏型）中，扩散系统水合物一般有明显的似海底反射存在，而渗漏系统水合物，由于水合物沉积层中存在游离气，水合物层与下伏沉积层之间在地震反射记录上没有明显的声速和阻抗差异，似海底反射一般不发育，因此无法用似海底反射来识别水合物，但可采用识别海底浅层气渗漏的相关方法进行识别。

图3 南沙南薇西盆地海域M1-M2地震剖面

及拉张构造条件下的似海底反射

图4 南海西沙海槽北部反射地震剖面显示似海底反射 

二、地球物理测井识别

由于天然气水合物在常温常压下不稳定，地球物理测井是现场测量含天然气水合物地层物理性质的重要工具，可用于：①确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布；②估算孔隙度与甲烷饱和度；③利用井孔信息对地面地震与其他地球物理资料作校正。一般而言，由于水合物替代孔隙中高电导率的海水，含水合物地层的电阻率测井值比饱和海水的电阻率大。水合物的存在使沉积物硬化，纵波速度与横波速度值会增加。在游离气存在的情况下，声波测井与垂直地震剖面（VSP）的速度会减小.含水合物沉积物的自然伽玛、中子孔隙度、体积密度测井值有小幅度的或不明显的降低。在天然气水合物研究中，电阻率与声波测井是最常使用的。根据岩石物性模型，利用电阻率、速度与水合物的相互关系，就可以通过电阻率测井数据与声波测井数据估算水合物饱和度随深度的分布（宋海斌，等，2002）。

图5是某站位的声波测井曲线。在200～450m之间, 声波测井速度从1.7km/s逐渐增加到2.1km/s；450～475m, 速度高达2.4km/s；从475m到720m, 速度从1.9km/s又增加到2.1km/s。该站位的速度比世界上对应深度的沉积物的速度明显偏高。同时475m附近存在顶空气浓度局部高值区、458～475m存在孔隙水氯离子浓度局部低值区。声波测井、地质、地球化学资料的综合分析表明, 该站位出现高速、速度倒转等含天然气水合物沉积层存在的特征，且天然气水合物稳定带的底界为475m左右，与地震剖面解释的BSR深度吻合。

图5  某站位的声波测井曲线 

三、地球化学标志

地球化学标志在识别天然气水合物中起重要作用。除了常规的利用地球化学标志识别海底浅层气，进而识别天然气水合物的方法以外，Cl-离子浓度异常和SO42-浓度降低已经成为目前天然气水合物最为重要的地球化学指标。

所谓Cl-异常是指由于天然气水合物的形成与分解导致的沉积物孔隙水中Cl-浓度的异常变化，在水合物评价中一般指负异常，水合物分布层段沉积物的Cl-浓度急剧减小。一方面由于天然气水合物在其形成过程中的充分条件之一是需要有充足水源,因而要从邻近地层中汲取孔隙淡水；另一方面,由于Cl-太大以致于不能进入天然气水合物的笼型结构中，因此，水合物赋存层段的盐度降低而淡化，并使周围的海水盐度增高。

天然气水合物赋存层段沉积物的SO42-离子浓度同样呈现降低的趋势，其原因除了上述水合物形成过程导致的孔隙水淡化外，富烃类流体(主要是CH4)在向海底运移过程中(即烃渗漏过程中)，甲烷气体也会还原海底沉积物中的SO42-而将之不断消耗，从而造成SO42-浓度自海底向水合物稳定带的降低趋势。因此，线性的、陡的硫酸盐梯度和浅的硫酸盐—甲烷界面都是天然气水合物可能存在的标志。

四、海底地形地貌标志

调查研究发现，海底天然气水合物富集受断裂、底辟、泥火山、海底滑塌及海底扇等多种构造地貌的控制。南海北部陆坡、台湾西南部和南海南部曾母盆地北部坳陷等海区有大量泥底辟、麻坑、海底滑塌及海底扇等发育，研究发现，大部分的泥底辟、麻坑与BSR伴生, 从具有天然气水合物的地区来看，泥底辟有利于天然气水合物的运移和保存，有统计表明，南海北部陆坡目前发现的35%左右的底辟构造与BSR相伴生。调查发现, 南海东沙海域研究区内多数地震测线段上的滑塌沉积体内发现了BSR。根据高分辨率地震资料分析, 发现冲绳海槽南部西侧槽坡附近以及海槽内部发育有一系列泥火山(底辟)构造，在泥底辟构造顶部存在明显的似海底反射，其与海底反射波组极性相反，在似海底反射之上存在振幅空白带，在速度谱上出现速度异常，指示存在与泥底辟构造有关的天然气水合物。对这些与海底天然气水合物生成和分布密切相关的地貌体进行的深入调查研究对识别海底天然气水合物有重要意义。

 海底浅层气“烟囱”状喷逸

【作者简介】潘国富，男，1962年9月出生，国家海洋局第二海洋研究所，博士，研究员，主要从事海洋地质、海底声学特性与海洋地球物理等方向的研究工作。

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