海底沉積物聲學原位測量方法與南海天然氣水合物勘探的應用研究

鄒大鵬 ，閻 貧

（1.中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.廣東工業大學機電學院，廣東 廣州 510006）

海底沉積物聲學原位測量方法與南海天然氣水合物勘探的應用研究

鄒大鵬1，2，閻 貧1

（1.中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.廣東工業大學機電學院，廣東 廣州 510006）

研究原位測量技術中表層沉積物聲學原位測量技術、聲波測井技術和OBS測量技術的特點和差異，得出3種技術的分辨率雖然依次降低，但測量尺度依次增大，可以應用不同深度和結構層序的海底沉積物聲學物理性質研究。3種原位測量技術基于海底原位狀態，可以測得海底沉積物的縱波和橫波特性，通過比較縱波特性、縱橫波速比和計算泊松比可以提高沉積物中分辨出天然氣水合物的精度。基于OBS測量技術可以同時實現水合物的勘探與監測，基于表層沉積物聲學原位測量技術和聲波測井技術可以同時實現原位測量和采樣，3種技術結合可以促進南海天然氣水合物勘探與監控的實際應用。

原位測量；聲波測井；沉積物；天然氣水合物；海底地震儀

海底沉積物是水聲傳播的下邊界，又是海底聲波傳播的上邊界，其聲學特性研究在海洋軍事環境、海洋工程建設、海底資源勘探開發以及海底環境監測等領域具有重要的應用價值。目前，在南海主要通過聲學遙測方法和海底沉積物取樣樣品的實驗室測量方法獲得海底沉積物的聲學特性[1-4]。其中，聲學遙測方法透過海水獲得海底沉積物的反射和折射特征，其聲學特性的分析基礎依據于實驗室測量數據。實驗室測量方法由于采集和運輸等振動引起沉積物結構變化，以及脫離海底原位狀態環境，溫度和壓力等環境發生很大變化，存在的測量誤差不可估計[2-3]。為了獲得海底沉積物原位聲學特性，將原位測量技術應用于海底測量海底沉積物聲學特性[5-11]，從而消除實驗室測量存在的擾動誤差，為聲學遙測方法分析和反演提供原位聲學數據。

本文研究原位聲學測量法中表層沉積物聲學原位測量技術、聲波測井技術和OBS測量技術的特點、差異和應用，并著重探討3種技術在天然氣水合物勘探與監控方面的應用，為不斷提升海底沉積物的聲學測量精度、更好地應用于資源勘探等服務。

1 海底沉積物聲學原位測量方法

聲學原位測量方法通過將聲學測量儀器沉放到海底沉積物原位環境狀態進行直接測量，獲取沉積物最小擾動狀態下的聲學性質。原位聲學測量要求測量儀器具有密封性、能夠承受測量深度上的水壓、一發多收、具有一定自控功能。

根據海底沉積物聲學特性測量方式和方法的差異，已經發展了多種測量儀器和技術。在狹義上，聲學原位測量方法是指表層沉積物聲學原位測量技術的應用方法，在廣義上還包括地球物理勘探方法中的聲波測井和海底地震儀（OBS）測量法。

1.1 表層沉積物聲學原位測量技術

表層沉積物聲學原位測量技術通常用于海底表層聲學性質探測。按照聲波換能器的布置方式，可分為原位聲學豎直測量法和原位聲學水平測量法。前者發射和接收換能器沿沉積物縱深方向排列，而后者則沿同一水平面排列，如圖1。聲學長矛[8-10]屬于豎直排列聲波換能器，通常可以測量不超過10 m的縱深方向沉積物聲學特性，用來研究沉積物的縱深聲速梯度、分層性和資源的埋深分布。SAPPA[7]、ISSAMS[7-8]、聲學原位測量系統[9-11]等屬于水平測量儀器，測量深度不超過2 m，用來研究同一層面上的沉積物聲學特性和均勻分布性。

根據聲學換能器承載體壓入沉積物的方式不同，分為自重壓入式和機械壓入式。自重壓入式[5-6]主要通過調節配重來適應不同底質的沉積物測量，設備在沉入沉積物過程中因慣性摩擦作用對沉積物產生了一定程度的擾動。液壓壓入式原位設備[7,10]是機械壓入式中的一種，其著底穩定后，通過液壓力勻速緩慢推動聲波換能器壓入，對測量沉積物的擾動最小。

按照聲波激發頻率多樣性可分為多頻測量和單頻測量。多頻測量[5-8]可以研究當前沉積聲學中普遍探討的速度和衰減隨著測量頻率不同而具有的頻散現象。

圖1 沉積物表層原位聲學水平和豎直測量法

1.2 海底沉積物聲波測井技術

聲波測井是油氣勘探開發的重要手段[12-14]。海底沉積物聲波測井是利用聲波在海底沉積物中傳播時，其幅度、速度和頻率等聲學特性的變化來研究鉆井地質剖面、判斷固井質量等問題的一種測井方法。其需要在海底沉積物中鉆探打孔作業基礎上進行，原理示意如圖2。通過聲波測井，可以得出海底以下至鉆井深度范圍內沉積物的聲速及其變化趨勢，而表層沉積物聲學原位測量無法達到如此深度。

圖2 海底沉積物聲波測井原理示意圖

1.3 海底地震儀（OBS）測量技術

海底地震儀（OBS）是將聲波檢波器直接放置在海底的地震觀測系統[15-19]。應用時通常采用多個OBS組建成測量網，如圖3所示。接收來自于海底各層界面的反射波和折射波，屬于聲學遙測方法范疇，其直接接觸海底沉積物，可獲得海底沉積物現場環境狀態下的聲學性質。OBS技術應用地震頻率段，因此對沉積物層的分辨率低，但是衰減小，可以測量到下至巖石界面的整個沉積層的聲學性質。

圖3 OBS測量原理示意圖[15]

1.4 三種原位測量技術的特點和比較

表層沉積物聲學原位測量技術、聲波測井技術和OBS測量技術特點如表1，分辨率依次降低，但是測量尺度依次增大，可以應用于不同深度和結構層序的海底沉積物聲學物理性質研究。對于水聲學，關注海水下界面表層沉積物的聲學特性，因此采用表層沉積物聲學原位測量技術研究海底沉積物的原位聲學特性，如果需要大深度信息，可以結合聲波測井技術。對于地質構造研究和油氣勘探等作業，主要采用OBS普查探測，運用聲波測井技術進行論證。

2 聲學原位測量方法在天然氣水合物的勘探和監測中的應用與探討

天然氣水合物深藏于陸坡的沉積物表層或以下至幾百米的深度上[23]，在不同深度下，由于形成的水合物處于不同的溫度狀態，水合物的密度不同，聲速差異變化范圍可以從1 747～3 658 m/s[24]。天然氣水合物與水飽和海底沉積物及含天然氣海底沉積物的速度存在明顯差異，Winters等[25]測量渥太華砂中含游離氣、飽和水、水合物時縱波速度分別為：低于1 km/s，1.77～1.94 km/s，2.91～4.00 km/s。因此，應用地球物理勘探方法時，天然氣水合物層往往可呈現出似海底反射（BSR）、聲速異常、振幅空白等地震反射、折射特征。由于受到水體阻隔作用、采用頻率段低，這些特征界面通常不明顯、分辨率低，可通過應用聲學原位測量技術進行高分辨的探測。

2.1 基于原位縱波速度探測天然氣水合物

海底表層沉積物和底層海水的反射界面是探測聲波反射的第一層界面，其對BSR識別判斷具有直接指導作用。運用表層原位聲學測量技術，可以獲取原位實際溫度、壓力狀態的海底表層沉積物的聲速、聲阻抗和反射系數，為地震測量的海底反射界面分析提供精確的表層界面原位聲學性質。同時，表層海底沉積物原位測量技術通常與采樣結合在一起，可以在原位測量點上同時取到樣品，實現判斷水合物存在的其他直接和間接特征分析。

表1 三種聲學原位測量技術特點

在表層以下，應用聲波測井技術，可以得到鉆井允許深度以內的任何層面的原位聲學數據。由于采用超聲頻段，聲波測井技術提高了各層海底沉積物以及天然氣水合物層的分辨率，同時也為解釋地震層序探測性質提供原位依據。如圖4所示，通過聲波測井推斷在1148站位400～500 m深層上有天然氣水合物的存在可能[13]。通過參考關系式（1）[26]，可以反演天然氣水合物的飽和度：

式中：VP為水合物縱波速度；S為水合物飽和度。

圖4 ODP184航次1148站位聲波測井曲線[13]

2.2 基于原位縱波和橫波速度比探測天然氣水合物

在海底沉積物中，天然氣水合物和游離氣儲集層的地震波速度、泊松比、彈性模量及其比值等彈性參數與海水飽和沉積物相比具有明顯的異常特征[27]。沉積層的泊松比、縱波速度、橫波速度和反射振幅隨天然氣水合物飽和度和分布模式而變化[28]，因此海底沉積物橫波探測非常具有應用價值。聲學遙測法因海水阻隔無法獲得橫波，實驗室聲學測量法因采樣樣品尺寸較小制約，難于準確測量橫波；原位測量方法中的儀器[8,14,29]直接與海底沉積物接觸，可以測量得到橫波信息，對于天然氣水合物勘探具有重要的應用價值。

海水和游離氣不能傳遞橫波，當固相介質中充填不同飽和度的游離氣和海水時，對海底沉積物的橫波波速影響不大，但是含游離氣時會較大地降低縱波波速。當存在天然氣水合物時，會使得橫波和縱波速度都增大。因此，結合縱橫波速可以提高飽水沉積物、含氣沉積物和含水合物沉積物區分精度。

泊松比σ是區分不同物質的一種屬性參數，其與縱橫波速比關系如下：

當海底泥砂等松散沉積物中含游離氣或含水合物達到一定程度（如大于10%，見表2），泊松比通常減小較大，與海底沉積物明顯有所區分。當松散沉積物中形成的水合物分解成為游離氣時，泊松比變化不大，但是縱波速度減小較大，因此可以將游離氣與水合物區分開來。當水合物形成于海底固結沉積物中時，泊松比通常比較小，與松散沉積物中的水合物區分明顯。

表2 部分物質的計算泊松比

基于BGTL模型計算固結和未固結沉積物的縱橫波速比[31]方程為：

式中：Vs為橫波速度；km，μm分別為基質的等效體積彈性模量和剪切彈性模量；φ是孔隙度；G，n分別是與基質類型和孔壓等有關的參數。當基質含有不同模式和飽和度的天然氣水合物時，天然氣水合物表現出的聲速比不同，如圖5，隨著水合物濃度增加，天然氣水合物的縱橫波速比增大[30]。因此基于縱橫聲速比關系可以判斷天然氣水合物存在性和反演水合物的飽和度。

圖5 天然氣水合物測量縱橫聲速比與BGTL模型計算結果比較[30]

2.3 海底天然氣水合物的狀態監測及海底地質災害監測

天然氣水合物蘊藏在海底沉積物中，既是能源物質，同時也因其易受海底溫度壓力變化影響改變存在狀態，分解釋放到海水和大氣中成為引起生態災害及海底地質災害的潛在危險源，因此對其監控非常重要。

OBS測量技術既可以通過主動施加人工震源進行主動測量，也可以利用自然地震或者地質變化引起的震動震源進行被動測量。因此在海底將其布置成網，進行長期監測海底溫度、壓力變化以及地質變化與天然氣水合物成長和存在狀態，并通過定期施加人工地震與監測過程中捕捉到的自然地震等響應相結合，深入研究天然氣水合物的生長機制、存在機制及與環境的相互作用機制，為防范天然氣水合物釋放而引起的災害提供一種有效方法。

2.4 三種原位測量技術的結合與發展

在聲學遙測進行普查勘探的基礎上，對發現水合物存在跡象的海底區域，結合應用三種原位測量技術，可提高海底天然氣水合物的勘探精度和驗證精度。運用OBS測量技術進行大面積、大尺度的定性測量、探查和監測；在需要精確表層沉積物聲學物理性質或表層存在水合物的區域，運用表層沉積物聲學原位測量技術進行小尺度的定量測量，同時結合采樣進行分析論證；對于大深尺度的測量，采用聲波測井技術進行聲波測井和采樣。

聲波測井技術和OBS技術應能源勘探、地質構造研究、地震監測等重大需求推動，已經在南海實現了原位測量和應用。海底表層沉積物原位測量技術在南海應用較少，2010年9月南海公開航次上首次報道獲得了南海大陸架海底淺表層沉積物的原位聲速和聲衰減數據[11]，與采樣樣品測量聲速相比存在40 m/s的平均差異，這種差異可預見來自于采樣樣品測量和原位測量存在的溫度、壓力和輸運擾動，表明了原位測量技術的必要性和重要性。目前，我國可應用的表層原位測量技術測量水深不超過500 m，測量埋深不超過3 m[7，9-10]，為了更好的應用于天然氣水合物的勘探需求，需要向適應深水區、大埋深的沉積物原位探測技術發展。

3 結論

原位測量方法在海底沉積物沉積的實際狀態下測量其聲學特性，以較小的溫度、壓力和振動等擾動獲得精度最高的測量，可以為實驗室聲學測量方法校正、聲波遙測法反演提供依據。其在天然氣水合物的勘探實踐與監測研究中具有以下應用特點：

（1）表層沉積物聲學原位測量技術、聲波測井技術和OBS測量技術3種技術可以獲得縱波和橫波聲學特性，通過比較縱波特性、縱橫波速比和計算泊松比可以提高沉積物中分辨出天然氣水合物的精度；

（2）基于OBS測量技術可以同時實現水合物的勘探與監測，基于表層沉積物聲學原位測量技術和聲波測井技術可以同時實現原位測量和采樣；

（3）運用OBS進行大面積、大尺度的定性測量和探查；運用表層沉積物聲學原位測量技術進行小尺度的定量測量；運用聲波測井技術進行大深尺度的定量測量。

3種原位聲學測量技術的結合應用將為當前的南海天然氣水合物的勘探和監控提供一種重要而有效的方法。

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Study on Acoustic In-situ Measurement Method of Marine Bottom Sediment and Application in Detection of Hydrates in the South China Sea

ZOU Da-peng1，2,YAN Pin1
(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,CAS,Guangzhou Guangdong 510301,China;2.Faculty of Electromechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China)

The research is placed emphasis on characteristic and difference of the seafloor sediment acoustic in-situ measurement technique,acoustic logging and ocean bottom seismometer (OBS)technology.The conclusions could be drawn that the three techniques decrease in the resolution but increases in the measurement scale which can be applied to research of physical and acoustic properties of seafloor sediment in different sequences and depth.The in-situ measurement techniques penetrate into the insitu seafloor state and can measure rotational and longitudinal wave properties of sediments.By comparing the longitudinal wave characteristics,longitudinal and rotational velocity ratio and calculation Poisson's ratio,the accuracy could be improved in distinguishing gas hydrate.Measurement technique based on OBS can achieve both hydrate exploration and monitoring.The in-situ surface sediment acoustic measurement technique and acoustic logging technology can achieve both in-situ measurements and sampling.The combination of the three technologies can contribute to gas hydrate exploration and monitor the actual application in the South China Sea.

in-situ measurement;acoustic logging;sediment;gas hydrate;OBS

P736；P733.23

A

1003-2029（2011）04-0109-05

2011-07-22

中國科學院創新課題資助項目（Kzcx2-yw-228-1）；中國科學院聲場聲信息國家重點實驗室資助項目（SKLOA201003）；國家自然科學基金資助項目（41106030）

鄒大鵬（1977-），男，博士后，主要從事沉積聲學、海洋工程的研究。Email:anthonyzou@126.com

致謝：本文研究得到了中國科學院南海海洋研究所盧博研究員和中國海洋局第一海洋研究所闞光明博士的大力支持和幫助，以及中國科學院南海海洋研究所2010年南海北部開放航次支持，在此表示感謝。