地震剖面上的似海底反射（地震勘探原理）

本文目录一览：

• 1、海洋天然气水合物地震识别标志
• 2、地震属性剖面在天然气水合物识别中的应用
• 3、天然气水合物系统要素
• 4、BSR的反射波特征及其对天然气水合物识别的应用
• 5、DSDP和ODP是什么意思，以及他们提出来的历史背景和中国的相关联性
• 6、含天然气水合物沉积层的AVA特征分析

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

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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

地震属性剖面在天然气水合物识别中的应用

沙志彬　龚跃华　梁金强

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

第一作者简介：沙志彬（1972.4—），男，高级工程师，主要从事石油地质和天然气水合物的研究。

摘要 在天然气水合物的地震资料解释过程中，常规（叠加和偏移）地震剖面上难以识别BSR、水合物成矿带以及游离气带的位置。通过多年的实践，笔者认为AVO（Amplitude Versus Offset）反演、波阻抗反演、地震瞬时属性和能量半衰时剖面，能够较好地揭示水合物的地球物理异常特征，从而给识别水合物和划分水合物的存在区域提供了有力的证据。

关键词 天然气水合物 AVO 反演 波阻抗反演 瞬时剖面 能量半衰时剖面

1 前言

自从1999年我国首次在南海北部陆坡发现了天然气水合物的地震标志——BSR开始，我国就加紧了在水合物资源方面研究工作的步伐。同时，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展了以寻找水合物资源为目的的地质与地球物理调查，发现了大量特征清晰的BSR、甲烷高含量异常、氯离子和硫酸根浓度异常、碳酸盐结壳和甲烷礁等重要的地球物理与地球化学证据；2004年，通过与德国“太阳号”船的合作，在南海北部陆坡首次发现了与水合物息息相关的自生碳酸盐岩区——“九龙甲烷礁”。以上证据表明，该区赋存有水合物的可能性非常大，并且储量可观。随着对水合物研究的进一步深入，遇到了许多难题，例如，如何判定特征不清晰的BSR，如何判定水合物成矿带，如何判定游离气带的位置，等等。

根据近年对水合物的地震资料解释之经验总结，笔者认为在难以利用常规地震剖面判别水合物的异常特征时，利用AVO反演、波阻抗反演、地震瞬时属性和能量半衰时剖面，能够较好地揭示水合物的地震综合异常特征（李正文等，1988）。在分析各种地震信息检测水合物的过程中，综合利用各种地震剖面可以比较准确地判定水合物的存在特征以及矿藏存在的可能部位（杨木壮，2000）。下面以南海陆坡区测线A为例来说明各种地震属性剖面在天然气水合物识别中的应用。

2 AVO反演

AVO（Amplitude Versus Offset）一种振幅随偏移距变化特征分析和识别岩性及油气藏的地震勘探技术。它的分析方法是在叠前对地震反射振幅随炮检距变化特征进行分析，借此对岩石中孔隙流体性质和岩性作出推断。AVO资料处理的目的是为了给解释人员提供可信的足够的资料去观测和量度振幅随炮检距或入射角的变化（雷怀彦等，2002；宋海斌等，2003；沙志彬等，2004）。对处理质量要求的核心是：尽可能地恢复和保护振幅信息。

试验表明截距属性（AVO1）剖面、梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面、梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面和流体因子属性（AVO9）剖面对BSR、水合物及其游离气的识别有明显效果，它们可以反映了水合物成矿带内水合物的富集程度、分布状态。所以需要重点对这四种AVO属性剖面进行解释。

2.1 截距属性（AVO1）剖面

截距（Intercept）剖面（P波叠加剖面）。与常规的叠加剖面相比，P波剖面更接近于零炮检距剖面，反映地震波在垂直入射时的振幅叠加。I值大表明上下层P波速度差值大，反之则小。图1剖面中可以明显看到BSR与海底极性相反，故可以主要利用该剖面识别BSR。

图1 A测线AVO1剖面特征

Fig.1 AVO1 profile Character of Line A

2.2 梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面

梯度与截距、相关系数乘积剖面（I*G*Correlation Coefficient）。该属性剖面中可以看到强反射为游离气顶的反射（图2），在BSR之下有明显的含气异常，故可以主要利用该剖面来检测游离气带。

2.3 梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面

梯度与截距符号乘积剖面（Sign（I）*G）。图3剖面中波峰代表气顶，BSR之下可以看到明显的含气异常，强反射的发育厚度代表游离气的发育厚度，故可以主要利用该剖面来检测游离气带。

图2 A测线AVO4剖面特征

Fig.2 AVO4 profile Character of Line A

图3 A测线AVO6剖面特征

Fig.3 AVO6 profile Character of Line A

2.4 流体因子属性（AVO9）剖面

AVO9剖面为流体因子（Fluid Factor）剖面。由于大量的气体与少量的水结合生成水合物，沉积层内有大量的水被吸收，与不含水合物的沉积层相比气体的含量很少，而后者气体含量较多。在图4剖面中，含水合物成矿带基本上是零值带，故可以主要利用该剖面来确定水合物成矿带。

图4 A测线AVO9剖面特征

Fig.4 AVO9 profile Character of Line A

3 波阻抗反演

目前国内外运用的波阻抗反演方法主要有两种，一种是稀疏脉冲反演，另一种是模型约束反演。稀疏脉冲反演能够直接从地震信息中提取反射信息，反演的可靠程度完全依赖于地震资料本身的品质，因此用于反演的地震资料应具有较宽的频带、较低的噪声、相对振幅保持和准确成像。该方法的主要优点是能获得宽频带的反射系数，能较好地解决地震记录的标定问题，反演过程中能够忠实于地震资料，从而使反演得到的波阻抗模型更趋于真实，在无井的情况下可利用该方法通过速度信息建立伪井进行无井反演。

由于调查区没有钻井资料，基于水合物的特殊特性，因此在处理中采取稀疏脉冲波阻抗反演方法进行反演。相对波阻抗剖面上所表现的阻抗值是相对的，海底界面表现为强反射，高阻抗；BSR之上的弱反射表明水合物与围岩之间的波阻抗差值小；无反射表明水合物越纯、越富集。由于相对波阻抗对水合物反映明显，所以所得到的结果比较符合地质实际情况。图5剖面中，弱波阻抗与强波阻抗的转换面为BSR位置，弱波阻抗的顶界为水合物成矿带的顶。故可以主要利用该剖面来确定BSR和水合物成矿带。

4 地震瞬时属性剖面

多道叠加数据的属性包括几何学、动力学、运动学和统计学特征。有些属性对岩石储层环境敏感，有些对储层孔隙中流体敏感。在实际应用中，最重要的是抓住对水合物敏感属性的剖面。计算复地震道属性基本上是一种变换，它将振幅和角度信息（频率和相位）分解开来以便独自显示。地震剖面中的这些信息是通过数学计算来产生的一种以忽略其它部分为代价而突出振幅或角度的显示方法。复地震道分析产生的剖面就是众所周知的瞬时属性剖面。

图5 A测线波阻抗剖面特征

Fig.5 Wave impedance profile Character of Line A

4.1 瞬时振幅剖面

瞬时振幅剖面也称反射强度剖面，它的振幅是反映的振幅包络，它使强反射更强而弱反射更弱，反映了地震波能量的瞬时变化情况，因此更突出了BSR面的强反射及水合物发育部位的强反射振幅。图6剖面中，颜色转换的交界处为BSR位置，故可以主要利用该剖面来确定BSR。

图6 A测线瞬时振幅剖面特征

Fig.6 Instantaneous amplitude profile Character of Line A

4.2 瞬时频率剖面

瞬时频率是对应于给定时刻信号的复能量密度函数（即功率）的初始瞬间的中心频率（均值）的一种度量。它能清楚地反映游离气富集区范围，当游离气发育在一定的厚度及范围时，由于游离气的存在，造成反射波高频成分大量吸收，因此，在游离气分布区明显存在低频现象，根据此理我们比较容易划分游离气分布范围。图7剖面中，高频强吸收现象预示游离气的存在，故可以主要利用该剖面来确定游离气带。

图7 A测线瞬时频率剖面特征

Fig.7 Instantaneous frequency profile Character of Line A

4.3 能量半衰时剖面

能量半衰时剖面是对反射波通过地层后能量衰减大小程度的一种度量，该剖面突出了强反射、高频的吸收，对研究BSR和游离气比较直观（图8）。图8剖面中，高频强吸收现象明显预示游离气的存在，颜色转换的交界处为BSR位置，故可以主要利用该剖面来确定BSR和游离气带。

5 地震属性剖面的应用

由于天然气水合物的性质及成矿的特殊性，因此在各种地震剖面上会产生重要的识别标志。通过对调查区常规、截距属性（AVO1）剖面、梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面、梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面和流体因子属性（AVO9）剖面、波阻抗、瞬时频率、瞬时振幅和能量半衰时等属性剖面的对比解释。以南海陆坡区测线A为例，图1～图8说明了各种属性剖面在水合物地震检测中的响应特征。在解释过程中，通过对各种地震属性的综合分析研究，可以比较好地识别出BSR、水合物成矿带和BSR下部的游离气带（张光学等，2003）。

图8 A测线能量半衰时剖面特征

Fig.8 Energy half-time profile Character of Line A

5.1 BSR 的识别

在常规剖面上当BSR产状与地层产状成角度斜交时，BSR反射易于识别；当BSR产状与地层产状平行时，则不易判断。由于截距属性（AVO1）、波阻抗、瞬时振幅和能量半衰时等四种属性剖面对BSR响应比较敏感：截距属性（AVO1）剖面上BSR与海底极性相反明显；波阻抗剖面上弱波阻抗与强波阻抗的转换面为BSR的发育位置；瞬时振幅剖面上BSR位置在两种颜色的明显转换交界处；能量半衰时剖面上颜色转换的交界处亦为BSR位置。故可主要利用这些属性剖面来识别BSR，并且使BSR的识别变得比较容易。

5.2 水合物成矿带的识别

水合物成矿带通常是一个物性相对均匀的地质体，在地震剖面上表现为弱振幅反射带，称为空白带（Blanking Zone）。振幅空白带一般与BSR相伴生，垂向上与海底沉积层逐渐过渡，其下以BSR为界与下伏游离气带呈现突变接触。一般情况下，反射振幅的强弱与水合物含量有关，水合物含量越高，振幅越弱，空白程度越高；反之，若地层中仅含少量水合物，则仅表现为振幅的减弱（Ecker等，2000；Miller等，1991）。

1）由于水合物的弹性参数大于水和气体的弹性参数。当沉积物孔隙被水合物充填后，其物性显然与围岩有明显的不同。因此，对地震技术来说，水合物成矿带是一个地震特征明显的物性带，在各种地震属性剖面中都能在一定程度上揭示这一特征。

2）由于水合物的充填和胶结作用，含水合物带将是一个物性相对均匀的地质体。这种充填和胶结作用降低了成矿带内各地层间的波阻抗差，从而使成矿带内的反射减弱，形成振幅空白带（Blanking）。

3）在含水合物沉积地层中，地震波的反射频率具有相对高频的特点，而在含游离气区高频强烈衰减。

4）在水合物成矿带的波形反射特征中，由于海底面和BSR界面都是强波阻抗面，因此从理论上可以推导水合物层顶界是相对于BSR为弱的波阻抗界面。

通过综合分析，由于流体因子和波阻抗两种属性对水合物响应比较敏感：在流体因子（AVO9）剖面中，含水合物成矿带基本上是零值带，即空白带；在波阻抗剖面中弱波阻抗的顶界为水合物成矿带的顶。故可以主要利用这两种属性剖面来确定水合物成矿带。

5.3 游离气带的识别

由于梯度与截距、相关系数乘积（AVO4）、梯度与截距符号乘积（AVO6）、瞬时频率和能量半衰时等四种属性对游离气响应比较敏感：梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面上可以看到强反射为游离气顶的反射，在BSR之下有明显的含气异常；梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面上可以看到波峰代表气顶，BSR之下亦有明显的含气异常，并且强反射的厚度代表游离气的发育厚度；瞬时频率和能量半衰时剖面上都可以看到高频强吸收现象明显。频率信息与地层、沉积、岩性、流体有关，高频信息的强吸收与气藏富存相关，BSR下的高频强吸收往往预示游离气的存在。高频强烈吸收现象明显，估计游离气丰度较高，为水合物的形成提供了充足的气源保证。故可主要利用这四种属性剖面来于检测BSR下部的游离气带。

6 认识

总结本文得出的主要认识有以下几点：

1）要比较准确地判别水合物的异常特征，必须在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，要综合利用其多种属性剖面才能更好地识别BSR、水合物成矿带和游离气带；

2）截距属性（AVO1）、波阻抗、瞬时振幅和能量半衰时等四种属性剖面对BSR响应比较敏感，主要利用这四种属性剖面来识别BSR；

3）流体因子（AVO9）和波阻抗两种属性对水合物响应比较敏感，主要利用这两种属性剖面来确定水合物成矿带；

4）梯度与截距、相关系数乘积（AVO4）、梯度与截距符号乘积（AVO6）、瞬时频率和能量半衰时属性剖面等四种属性对游离气响应比较敏感，主要利用这四种属性剖面来于检测BSR下部的游离气带；

5）水合物的地震属性剖面种类还有很多，如何利用它们来解释水合物的地震特征需要进一步的研究和验证。

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How to judge gas hydrates seismic character from the different kinds of attribute profile

Sha Zhibin　Gong Yuehua　Liang Jinqiang

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：During interpretation of the profile of natural gas hydrates，it’s very difficult to distinguish BSR，gas hydrates zone and free-gas zone from the profile of stack and migration.Through our practice in these several years，we think that the profile of inversions of AVO，inversions of wave impedance，instantaneous profile and half-time energy profile，in which abnormal physical geography character can be shown preferably.So that we can use these kinds of profile to judge seismic character of gas hydrates，and the area of them that exist.

Key Words：natural gas hydrates inversions of AVO inversions of wave impedanceinstantaneous profile energy half-time profile

天然气水合物系统要素

天然气水合物系统与常规油气系统既有相同之处亦有差异。天然气水合物系统与常规油气系统一样，都需要有提供烃类气体的源、储集烃类气体的储层以及相应的地质过程。相异之处在于，常规油气系统中的圈闭及盖层在天然气水合物系统中是以不同的形式表现的。天然气水合物的形成和保存需要一定的温压条件，即天然气水合物的稳定带，该概念在作用上对应于常规油气系统中的圈闭及盖层。另外，由于天然气水合物是由水分子与烃类分子或其他气体分子通过一定的作用力所形成的结晶物，故要形成天然气水合物必须有充足的水源，因此，水源亦是组成天然气水合物系统必不可少的一个要素。

(一)稳定性条件

1.天然气水合物稳定域的形成

天然气水合物形成于海底沉积物或永久冻土带中。研究表明，在世界90%的海洋中，在某一深度以下均有适宜天然气水合物存在的温压环境。只要沉积物中有充足的粒间孔隙为天然气水合物提供赋存空间，并且有充足的甲烷和水即可能有天然气水合物生成。年轻的、欠压实的海洋碎屑沉积层内一般都具有充足的孔隙和大量的孔隙水，当源于沉积物自身的生物成因的浅成气和热成因的深成气在向上迁移过程中进入该温压场中并充满沉积物的孔隙，就可以形成天然气水合物稳定域(HSZ)(图7－15)。HSZ中发育的天然气水合物充填在沉积层孔隙中，形成了一个渗透率较低的盖层，其下捕获了大量的游离气。HSZ的基底(BHSZ)代表了游离气－天然气水合物和游离气－水之间的准稳定相边界，它主要受压力和温度的控制，同时也受到地球化学条件等因素的影响。

地震剖面上的似海底反射层(BSR)深度与天然气水合物稳定带的理论底界一致。所以，BSR是识别天然气水合物最有意义的标志之一，它暗示着天然气水合物稳定带底界(BHSZ)的存在。世界各地获取的天然气水合物样品和周围沉积物的研究分析表明:①含天然气水合物的沉积物大多为新生代(从始新世到全新世)沉积，沉积速率一般较快，而且富含有机碳;②在天然气水合物稳定带之上往往分布有白云石等自生碳酸盐岩，而其下的沉积物中自生的菱铁矿则逐渐增多;③天然气水合物沉积层(HDZ)在地球物理方面表现为电阻率较高、地震传播速度较大、声波时差小和自然电位幅度低等特征;④天然气水合物沉积层在地球化学方面主要表现出氯异常现象，天然气水合物的存在使得沉积物的Cl－浓度降低，并伴随有扩δ18O异常(金庆焕等，2006)。

图7－15天然气水合物稳定域相图 (据Dickens et al.，1997)

天然气水合物形成温度与体系压力、气体组分和水的活度密切相关:①体系压力越高，天然气水合物形成温度越高;②气体组分不同，形成天然气水合物的压力、温度不同。气体相对密度增大，一定压力下天然气水合物形成温度升高，或者一定温度下天然气水合物形成压力降低。当气体中含有CO2和H2S等易容于水的酸性气体时，天然气水合物形成温度升高或形成压力降低;③水溶液的电解质含量越高，一定压力下天然气水合物形成温度越低。

通过实验数据获得的天然气水合物稳定性的平衡温压曲线的对比可以求出天然气水合物稳定带的厚度和埋深。图7－16为从陆上冻土带得出的一系列深度－温度图解及由实验数据获得不同天然气水合物相平衡曲线图。从图7－16中可看出温度、孔隙压力及气体组成的变化对天然气水合物稳定带厚度的影响。在每一个相态图中，假定年平均地表温度是－10℃，0℃为等温线然而，深度－温度图解中永久冻土带基底深度分别为305m、610m和914m，冻土带深度－温度剖面中存在3种不同的地温梯度4.0℃/100m、3.2℃/100m及2.0℃/100m。两条天然气水合物相平衡曲线代表天然气水合物不同的气体化学性质。其中一条稳定曲线中为100%的纯甲烷水合物，另外一条中天然气水合物组成为98%的甲烷、1.5%的乙烷及0.5%的丙烷。3种相态图中唯一不同的是孔隙压力梯度。假定每一个相态图中对应的孔隙压力梯度分别为:9.048kPa/m(图7－16A)，9.795kPa/m(图7－16B)，11.311kPa/m(图7－16C)。图7－16中显示了不同永冻层深度、地热梯度、气体组分和孔隙压力梯度条件下最适合天然气水合物形成的深度和温度条件。

图7－16天然气水合物相图 (据Collett et al.，2009)

可能的天然气水合物稳定带位于相态图中地温梯度曲线和天然气水合物相平衡曲线交会点处。例如，在图7－16B中，假定地下孔隙水压力梯度为静水压力梯度，从深度－温度图解中可知，610m深的冻土带基底在200m处与纯天然气水合物曲线相交，该处即为天然气水合物稳定带的上边界。地温梯度为4.0℃/100m的冻土带基底与纯甲烷水合物相平衡温压曲线在1100m处相交。因此，该可能的天然气水合物稳定域大约为900m厚。然而，如果冻土带深度达到914m，且冻土带下的地温梯度为2.0℃/100m时，天然气水合物稳定带大约2100m厚。

大部分对天然气水合物稳定性的研究都假定地下孔隙水压力梯度等于静水压力梯度。孔隙水压力梯度超过静水压力梯度时将会形成超压，并使天然气水合物稳定带厚度增加。当孔隙水压力梯度小于静水压力梯度时，将会使天然气水合物稳定带厚度变薄。孔隙压力变化对天然气水合物稳定带厚度的影响可通过图7－16中天然气水合物相图解的对比中进行量化。例如，在图7－16A中，假定地下孔隙水压力梯度为9.048kPa/m，地温梯度为2.0℃/100m，永久冻土带610m处的100%纯天然气水合物稳定带厚度为1600m。然而，当孔隙压力梯度为11.311kPa/m时，天然气水合物稳定带的厚度将约为1850m。图7－16中的天然气水合物相平衡温压曲线由Holder et al.(1987)根据实验数据获得。当纯甲烷水合物系统中混入1.5%甲烷，0.5%乙烷后，相平衡曲线发生向右移动，因此使得可能稳定带厚度增大。例如，假设孔隙水压力梯度为静水压力梯度，永久冻土带深度为610m，地温梯度为4.0℃/100m，天然气水合物稳定带厚度将达到900m，然而，当混入1.5%的乙烷和0.5%丙烷时，将使可能的稳定带厚度达到1100m。

众所周知，溶解盐类会降低水的冰点。例如，阿拉斯加北坡冻土带基底不在0℃等温线上，而在其之下，冰点降低是由于未结冰的孔隙水中盐分的存在。当把盐如氯化钠加入天然气水合物体系时，它会降低天然气水合物形成的温度。在天然气水合物形成过程中，孔隙水中的盐分和气体相互作用时会使晶体形成的温度每一千分之一盐分降低0.06℃(Holder et al.，1987)。因此，孔隙水的含盐度和海水盐度相同(含盐量为32‰)将会使图7－16中天然气水合物相平衡温压曲线向左移动2℃左右，并且使天然气水合物稳定带变薄。

2.天然气水合物稳定带与天然气水合物沉积层及游离气顶界间的关系

一般人们都认为天然气水合物稳定带的底界就是游离气的顶界，即地震剖面上BSR所处的位置，但事实并非完全如此。如果天然气水合物稳定带下方甲烷的供给速率超过某一临界值(这取决于流体速率、能量流等因素)，那么天然气水合物沉积层的底界就可达到游离气的顶部，HSZ底界与HDZ底界及游离气顶界确实是一致的。但是在某些情况下，游离气带的顶界与HSZ的底界并不一致，其间可能存在一层既无天然气水合物也无游离气的沉积层。ODPl64航次的995站和997站位地震剖面上显示有很强的BSR，这里的游离气带的顶界与HSZ的底界是一致的，而994站位处无BSR显示，但钻探结果表明该处也蕴藏丰富的天然气水合物。进一步分析表明这里的游离气顶界深于天然气水合物沉积层底界，这主要是由于甲烷的供给速率低于某一临界值导致的。图7－17的相平衡建立在下述假设基础上:海底温度为3℃，水深为2800m，沉积物孔隙度为0.5，物质流速率为0.3mm/a，能量流为40mW/m3，渗透率为10×10－3～14×10－3μm2。通过粗略地计算，994站位的甲烷供给速率为52.5mol/(m2·ka)，其游离气顶界位于海底之下550m处，而天然气水合物稳定带的底界位于海底之下453m处，其中天然气水合物主要分布于海底之下124～389m;而在995站位和997站位，甲烷供给速率超过61mol/(m2·ka)，天然气水合物稳定带底界、天然气水合物沉积带底界和游离气顶基本一致，位于海底之下453m左右。由此可见，如果甲烷的含量和流体的运移速率小于某一临界值，则含水合物沉积层的厚度要小于天然气水合物稳定带的厚度(图7－17中994站位)，其底部游离气要么缺失，要么远远位于天然气水合物稳定带底界之下;如果甲烷的含量和流体的运移速率等于某一临界值，则HDZ的底界与HSZ的底界一致，游离气则刚好分布于天然气水合物稳定带之下;如果甲烷的含量和流体的运移速率大于某一临界值，则HDZ的底界与HSZ的底界一致，并且大量的游离气分布于天然气水合物稳定带之下。与天然气水合物稳定带底界类似，天然气水合物稳定带的顶界从理论上说可以到海底，但只有当底层水中含大量的甲烷且有高的甲烷和流体运移速率时，天然气水合物才能在海底保持稳定(金庆焕等，2006)。

图7－17天然气水合物稳定带、天然气水合物沉积层与游离气顶界之间的关系图 (据Wood et al.，2000)

3.天然气水合物稳定带的变化

在高压和低温的环境下，在诸如大陆坡附近的沉积物中，天然气水合物相对稳定，当甲烷供应充分时，天然气水合物将出现于整个天然气水合物稳定带中。天然气水合物稳定带也不是静止不动的，随着沉积作用、深部热流的作用以及各种地质作用的进行，由于海底压力和温度的变动会影响到下伏的天然气水合物系统(如造成天然气水合物的形成或崩解)，从而使天然气水合物稳定带发生变化。这主要是由于各种地质作用造成海底温度和压力变化，使天然气水合物稳定带的相边界的稳定条件遭到破坏，HSZ底界附近的天然气水合物变得不稳定，开始崩解，并释放出气体，天然气水合物稳定带底界向上移动。天然气水合物分解释放出的甲烷气体可能会在合适的温压场中再次固化，形成新的天然气水合物层，正因为天然气水合物具有重新活化的特征，所以天然气水合物一旦形成，就不会随沉积物的堆积而被埋藏。Xu和Ruppel(1999)曾采用一维模式来研究海底天然气水合物系统的稳定性，他们假定有稳定的流体、甲烷、热通量从下部向上运移，在海底温度、压力和甲烷浓度固定不变的情况下，通过压力、温度和甲烷浓度联合方程，来研究海底压力和温度的变化对天然气水合物稳定带的影响。结果表明海底压力和温度的变动可影响天然气水合物稳定带的范围，温度的变动改变了甲烷的溶解度，如海底温度降低4℃使甲烷溶解度变化了几十个百分点，从而使天然气水合物稳定带的底界(BHSZ)和天然气水合物沉积带的底界(BHDZ)下移变深，同时使天然气水合物沉积带的顶界(THDZ)上移变浅;而海底压力对溶解度的影响可忽略不计，所以压力变动不会对BHDZ产生很大影响，但对BHSZ却影响显著。自然界中许多地质作用可影响到海底温度和压力的变化，如:①因全球变暖或变冷事件使极地或冰川冰融化或凝结可以改变地球上海水的体积，从而造成海底压力的变动，同时全球变暖或变冷也可导致海底温度的变化;②构造上升作用可使水深减少，压力降低;③沉积作用的进行使埋藏深度增加，若保持地温梯度的恒定就可导致温度上升;④地温梯度的变化也可引起温度的升降;⑤海水温度的变化也可影响天然气水合物系统的稳定性等。

(二)气源

形成天然气水合物的烃类气体是控制天然气水合物形成和分布的重要因素。其气源通常可分为两大类，即热解成因和微生物成因。其中，生物成因的烃类气体组成较简单，分子结构较小，通常构成Ⅰ型结构的天然气水合物;而热解成因的烃类气体分子结构相对较大，不但可以形成Ⅰ型结构的天然气水合物，还可以形成Ⅱ型和H型的天然气水合物。

微生物成因气主要由微生物分解有机质形成。其生成途径主要有两条:二氧化碳还原反应(CO2+4H2→CH4+2H2O)和醋酸根发酵作用(CH3COOH+4H2→CH4+CO2)。虽然在某种现今的环境中通过发酵作用也可形成天然气，但CO2还原作用是古微生物气体聚集的一个重要过程。微生物成因气多数由二氧化碳还原反应生成，其二氧化碳通常由原地有机质氧化和分解形成，之后经微生物还原作用生成甲烷。因此由微生物成因气形成的天然气水合物中的气体大多数来源于水合物附近的沉积物。

热成因甲烷是由干酪根在温度超过120℃时经热解作用形成的，在热成熟作用早期，除了生成热成因甲烷外，还生成其他烃类和非烃气体，并常常伴随原油的生成。在生油高峰期，甲烷主要通过干酪根、沥青和原油的C－C键断裂形成。随着温度的增高，当进入生油窗时，油气开始大量生成。对甲烷而言，其最佳生成温度为150℃。根据典型的地温梯度推算，干酪根埋藏深度应该大于1km，而水合物在海底至海底以下500m左右存在。因此，由热成因甲烷形成的天然气水合物的气体均应来源于深部，后随断层、泥火山等有利构造向上经过长距离运移，到达海底或海底附近后形成天然气水合物，如里海与泥火山有关的天然气水合物。

Kvenvolden(1995)统计了世界各地的天然气水合物样品(表7－4)，结果表明，不同成因的甲烷气具有完全不同的碳同位素组成。细菌还原成因的甲烷气的δ13C值十分低，一般为－57‰～－94‰，而热分解成因的甲烷气的δ13C值较高，一般为－29‰～－57‰。

表7－4世界各地天然气水合物中CH4的含量和δ13C值表

(据Kvenvolden et al.，1995)

Matsumoto et al.(2000)曾利用甲烷的δ13C值和气体成分比值R(C1/C2+C3)来判别不同成因的天然气水合物(图7－18)。热分解成因的甲烷气具有高的δ13C值(大于－50‰)和低的R值(小于100)，而细菌还原成因的甲烷气具有低的δ13C值(小于－60‰)和高的R值(大于1000，达1万以上)，介于两者之间表明为混合成因。

图7－18由CH4的δ13C值和烃类气体组成判别气体成因 (据金庆焕等修改自Matsumoto et al.，2000)

天然气水合物烃类气体成分和甲烷气的δ13C值组成表明，它们主要是由微生物还原沉积有机质的二氧化碳而产生的甲烷气，其含量占烃类气体总量的99%以上，其δ13C值组成范围在－57‰～－73‰。仅在墨西哥湾和里海(Ginsburg et al.，1992)两处发现了主要由热成因甲烷形成的天然气水合物，其烃类气体中甲烷含量为21%～97%，甲烷气的δ13C值为－29‰～－57‰。少数地区天然气水合物中的甲烷为混合成因，以微生物成因为主(金庆焕等，2006)。

(三)水源

水是形成天然气水合物一个不可或缺的因素。天然气水合物中绝大多数都是水，Ⅰ型天然气水合物中气水比是8∶46，Ⅱ型天然气水合物中气水比是24∶136，气水比说明了天然气水合物中含有大量的水。水的来源有两类:一是水和天然气一起被运移并从过滤流中沉淀;二是从沉积物中原地萃取，随着甲烷的不断供给和共生天然气水合物的形成，使得纯水从周围的沉积物中渗透扩散到反应带内。

通常，水普遍存在于海洋和陆上沉积物中，但在某种情况下，天然气水合物形成过程中水分被排出。在溢气口观察到的气泡和在大多数深水环境中观察到的类似特征证实了天然气在厚层天然气稳定带内发生某种程度上地运移。这一过程可用一种地质运移模式来解释，其允许天然气通过天然气水合物稳定域发生运移，包括气泡相气体沿着裂缝发生运移，在这一裂缝性运移通道中，其隔层壁上吸附着天然气水合物，气泡相气体沿着内部通道发生运移。其中，天然气水合物充填的裂缝从不与地层水发生接触。在这一系统中，水分的排出阻止了天然气水合物的形成。阿拉斯加北部可能的甲烷水合物稳定带中发现的充满游离气的砂岩储集层就是一个明显的例子。在这种情况下，夹在厚层页岩中的分散砂岩体可能含有游离气。然而，由于缺乏有效水分，天然气水合物在该分散砂岩储集层中难以形成。

(四)天然气运移

天然气运移是天然气水合物系统中的一个重要组成部分。

如前所述，高度富集的天然气水合物中蕴藏大量的天然气，这些气体来源于微生物成因或热成因。在大多数情况下，天然气水合物中的气体是微生物成因的。另外，大多数天然气水合物通常发现于埋藏较浅或温度较低而不足以形成热成因气的沉积物中。因此，存在于大多数天然气水合物中的天然气必须在稳定带中通过一系列化学过程才能聚集。

甲烷和其他气体在沉积物中运移过程中主要有以下3种相态:①扩散相;②气溶水相;③气泡相或游离气相。通过扩散相进行运移过程较缓慢，且通常很难形成天然气水合物。然而，通过气溶水相或游离相进行运移过程是有效的。

关于天然气运移和天然气水合物的形成之间的关系主要有两种基本模式。最早是由Davis和Hyndman于1990年提出的，水在天然气水合物稳定带中发生垂向运移，并且在向上运移过程中，甲烷溶解度逐渐降低，这将导致天然气水合物的形成。大量实地调查和实验研究发现，当烃类气体浓度大于其在孔隙水中的溶解度时，天然气水合物仅形成于孔隙水中甲烷达到饱和的沉积物中。另一种模式是，甲烷以气泡相向上运移至天然气水合物稳定带中，天然气水合物成核作用则发生在气泡和孔隙水的接触面处。两种模式都要求有允许水和气体运移的渗透性运移通道，但与含水运移模式相比，气相运移模式要求相对较好的流体运移通道。沉积物中孔隙水和气泡相气体运移过程通常被认为是沿着渗透性运移通道如断裂系统或多孔渗透性沉积层发生运移。因此，如果没有有效运移通道，很难形成大量天然气水合物。

(五)储集层

Sloan和Koh(2008)对已发现的天然气水合物样品进行分析研究发现原地天然气水合物的物理性质变化较大。天然气水合物的存在形式有4种:①占据粗粒岩石粒间孔隙;②以球粒状散布于细粒岩石中;③以固体形式充填在裂缝中;④大块固态水合物伴随少量沉积物。然而，大多数天然气水合物实地考察发现天然气水合物聚集成藏主要受裂缝和粗粒沉积物的控制，天然气水合物主要充填在裂缝中或分散在砂岩储集层孔隙中。Torres et al.(2008)研究发现天然气水合物易形成于粗粒沉积物中，因为粗粒沉积物中毛细管压力较低，允许气体发生运移和水合物晶核的形成。然而，形成于富含泥质沉积物中的天然气水合物难以解释且非常少见。近年来，Cook和Goldberg(2008)提出，随着富含泥质沉积物孔隙水中天然气达到饱和，形成于多孔状裂缝中的天然气水合物沿着最大主应力发生扩散，在大多数情况下，沿着垂直裂缝发生运移。

Boswell和Collett(2006)提出，地质环境中存在4种类型的天然气水合物储集层(图7－19)。该资源金字塔通常用来说明资源量的相对大小和不同类型能源的生产率。在资源金字塔中，最具开采价值的是位于最顶端的储集层，最具技术挑战的是位于最底端的储集层。到目前为止，主要在以下4种不同类型的储集层中发现了天然气水合物:①砂岩储集层;②裂缝性泥岩储集层;③紧邻海底的细粒泥质沉积物层;④非渗透泥岩层。Milkov和Sassen(2002)也对类似的天然气水合物矿床进行过描述。前两种类型的目的层被认为是有利的勘探目标，因为这两种目的层具有形成天然气水合物的有效渗透率。这两种类型的关系密切且通常以相结合的形式出现。这些储集层由水平－近水平的粗粒渗透性沉积层组成，以垂直－近垂直的裂缝作为运移通道。

图7－19天然气水合物资源金字塔 (据Collett，2008)

图7－19中天然气水合物金字塔最上层代表北极地区砂岩储集层中的天然气水合物高度聚集。Collett et al.(1995)指出北极地区阿拉斯加北坡砂岩储集层水合物资源量约为16.7×1012m3，近年来，Collett et al.(1995)对阿拉斯加北部的天然气水合物资源量进行评估后，指出目前可从阿拉斯加北部砂岩储集层中采集出大约2.42×1012m3的天然气水合物。类似的情况在北极其他冻土带未发现。其次海洋环境的砂岩储集层中中到高度富集天然气水合物资源。由于深海地质环境特征相差较大，浅层地层中的砂体含量通常较少。这些储集层勘探和开发成本通常较高。然而，大多数海洋天然气水合物将可能在深部构造层内发现，如墨西哥湾。MMS(Frye，2008)对墨西哥湾砂岩储集层中的高度富集的天然气水合物评估后，认为其资源量为190×1012m3。而且，MMS对墨西哥湾的评估后发现天然气水合物稳定带浅层沉积层中的具有储层性质的砂岩体比以前认为的还要多。

经生产测试与建模发现砂岩储集层中的天然气水合物可利用现有的生产技术进行开采。对北极和海洋地区砂岩储集层中的天然气水合物开采来说，不存在较大的技术困难;问题主要在于天然气水合物开采的经济效益。在天然气水合物资源金字塔中，位于砂岩储集层下方的是以细粒泥岩和页岩为主的储集层。在这些类型的天然气水合物矿藏中，裂缝系统中的天然气水合物资源前景最大。然而，与颗粒支撑的高渗透性砂岩储集层不同，甲烷很难从泥岩封闭的裂缝中排出。

近年来，实地研究显示局部地区埋藏较深的高度聚集的裂缝性天然气水合物矿藏比以前更加常见。另外，大多数裂缝性天然气水合物矿藏与地表渗入相关天然气水合物沉积有关。

大多数散布在细粒泥质沉积物中的海底天然气水合物矿藏与地表渗入天然气水合物沉积物有关。这种类型的天然气水合物矿藏通常呈丘状堆积在海底，在大多数情况下与深部裂缝性天然气水合物系统有关，该裂缝通常可作为天然气水合物在稳定带中运移的通道。这些特征是似乎多变但都较常见。然而，这种类型的天然气水合物矿藏资源量却不清楚。由于经济和技术瓶颈及可能会造成海底生态系统的破坏，在丘形体中开采出商业性天然气不太可能。

位于天然气水合物资源金字塔最底端的是那些规模最小的分散状天然气水合物矿藏。典型代表就是布莱克脊区，其大部分区域天然气水合物饱和度较低。世界上大多数天然气水合物可能属于这一资源当量。然而，以目前的技术还难以从该地区高度分散的资源中开采出具有商业性的天然气水合物。由于常规生产技术只适用于砂岩储集层中天然气水合物，砂岩储集层对开采天然气水合物来说被认为最具商业价值，并且可能是未来天然气水合物勘探和开发的主要对象。

(六)关键时刻

在常规油气系统中，地质事件的关键时刻对油气藏形成与分布来说是一个非常重要的控制因素。像大多数常规石油系统，在天然气水合物系统中，确定此属性取决于圈闭形成时间、天然气形成和聚集的大致时间。由于天然气水合物矿藏通常与天然气源密切相关以及天然气水合物能够独自形成圈闭，因此关键时刻并不是大多数天然气水合物矿藏的一个重要的控制因素。

BSR的反射波特征及其对天然气水合物识别的应用

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

DSDP和ODP是什么意思，以及他们提出来的历史背景和中国的相关联性

DSDP: 美国借助深海钻探计划

ODP : 美国大洋钻探计划

天然气水合物又称固态甲烷，它是由天然气与水所组成，呈固体状态，其外貌极象冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，因此有人称其为"可燃冰"、"气冰"、"固体瓦斯"。天然气水合物的结晶格架主要由水分子构成，在不同的低温高压条件下，水分子结晶形成不同类型多面体的笼形结构。其分子式为MnH2O加表示甲烷等气体，n为水分子数）。天然气水会物的结构类型有：I、11和H型。I型为立方晶体结构、Ⅱ型为菱型晶体结构、H型为六方晶体结构。Ⅰ型天然气水合物在自然界颁最广，而Ⅱ及H型水合物更为稳定。它是在低温高压条件下，由水与天然气（主要是甲烷气，每平方米的天然气水会物可释放出164立方米甲烷和0.8立方米的水）结合形成一种外观似水的白色结晶固体，主要存在于陆地上的永久冻土带和海洋沉积物中。

2 国际上天然气水合物资源调查、研究现状

随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽，各国的科学家正在致力于寻找新的接替能源。天然气水合物被称为ZI世纪具有商业开发前景的战略资源，正受到各国科学家和各国政府的重视。

自60年代开始，俄、美、巴德、英、加等许多发达国家，甚至一些发展中国家对其也极为重视，开展了大量的工作。

俄罗斯自60年代开始，先后在白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、黑海、里海等开展了天然气水合物调查，并发现有工业意义的矿体。即使近期经济比较困难，仍坚持在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行调查或研究工作。位于西西伯利亚东北部的Messoyakha天然气水合物矿田已成功生产了17年。

美国科学家早在1934年首次在输气管道中发现了天然气水合物，它堵塞了管道，影响了气体的输送而开始了对水合物结构及形成条件的研究。随后美、加在加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70年代初英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了"似海底反射层"（Bottom Similating，Reflector，英文称 BSR）。紧接着于1974年又在深海钻探岩芯中获取天然气水合物样品，并释放出大量甲烷，证实了"似海底反射"与天然气水含物有关。1979年美国借助深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP），长期主持和组织了此项工作，最早指出天然气水合物为未来的新型能源，并绘制了全美天然气水含物矿床位置图。积极参加这项工作的还有英国、加拿大、挪威、日本和法国等。1991年美国能源部组织召开"美国国家天然气水合物学术讨论会"。最为重要的是1995年冬ODP64航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门的天然气水合物调查，打了一系列深海钻孔，首次证明天然气水会物广泛分布，肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经济意义。以甲烷碳量计算，初步估计该地区天然气水合物资源量多达100亿吨，可满足美国105年的天然气消耗。在天然气水合物取得一系列研究成果的基础上，美国地质学会主席莫尔斯于1996年把天然气水合物的发现作为当今六大成就之一。因此，美国参议院于1998年通过决议，把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划，要求能源部和美国地质调查局等有磁部门组织实施，其内容包括资源详查、生产技术、全球气候变化、安全及海底稳定性等五方面的问题，拟每年投人资金2000万美元，要求2010年达到计划目标，20年将投入商业性开发。

亚洲东北亚海域是天然气水合物又一重要富集区。80年代末ODP127、131航次在日本周缘海域进行钻探，获得了天然气水会物及BSR异常广布的重要发现。美国能源部的Krason在1992年日本东京召开的第29届国际地质大会上表明在日本周缘海域共发现9处的BSR分布区。天然气水合物矿层位于海底以下150-300M处，矿层厚度分别为3m、5m、7m，总厚为15m。估计在日本南海海槽的BSR颁面积约35000Km2。由于美国能源部发表了上述评估数据，加之日本油气能源短缺，它引起了日本通产省、科技界及企业界的高度重视。1995年日本通产省资源能源厅石油公司（JNOC）联合10家石油天然气私营企业制定了1995-l999年宏伟的"甲烷天然气水合物研究及开发推进初步计划"，投资6400万美元。通过对日本周边海域，特别是南海海槽、日本海东北部的鄂霍茨克海的靶区调查，发现南海海槽水合物位于水深850—1150m离岸较近，易于开发。水会物赋存一砂岩和火山沉积物中，其也隙度为35％，水合物充填率达85％，初步评价，日本南海海槽的天然气水合物甲烷资源量为7.4×l012m3，可满足日本100年的能源消耗。

德国从80年代后期还曾利用"太阳号"调查船与其他国家合作，先后对东太平洋俄勒冈海域的卡斯凯迪亚增生楔，以及西南太平洋和白令海域进行了水合物的调整。在南沙海槽、苏拉威西海、白令海等地都发现了与水合物有关的地震标志，并获取了水合物样品。

印度在1995年全国地质地球物理年会上统一了认识，认为天然气水含物已成为现今地质工作的主题。在印度科学和工业委员会的领导下制定了"全国天然气水合物研究计划"，投资5600万美元。迄今为止，印度已在其东西地区发现了多处地球物理异常，显示出良好的找矿前景。

韩国资源研究所和海洋开发研究所于1997年开始在其东南部近海郁龙盆地进行水含物调查，相继发现了略受变形的BSR、振幅空白带、浅气层、麻炕、海底滑坡、菱锰结核等一系列与水会物相关的标志。

新西兰在北岛东岸近海水深1-3Km，发现面积大于4×104km2的BSR分布区。

澳大利亚近年在其东部豪勋爵海底高原发现BSR分布面积达8×104km2。

巴基斯坦在阿曼湾开展了水会物调查，也取得了进展。

加拿大西侧胡安一德赛卡洋中脊斜坡区发现约1800亿油当量的天然气水合物资源量。

总之，目前已调查发现并圈定有天然气水合物的地区主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛；东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚一俄勒冈滨外、秘鲁海槽；大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海湾；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海，以及黑海与里海等。目前世界这些海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物，其中26处岩心见到天然气水会物，62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射（BSR），许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。据专家估算：在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中，目前已发现的水深3000m以内沉积物中天然气水会物中甲烷资源量为2.1×1016m3（2.l万万亿m3）。水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的二倍。可满足人类1000年的需求，其储量之大，分布面积之广，是人类未来不可多得的能源。以上储量的估算尚不包括天然气水合物层之下的游离气体。

3 我国有关天然气水合物的研究、调查现状

近年来，国家领导和国土资源部、科技部、财政部、国家计委等部委领导非常重视天然气水合物的调查与研究。首先是对我国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析，在冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和西沙群岛南坡等处发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层（BSR）标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、地球物理特征、外北采集、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾害等方面进行了系统的研究，并取得了丰富的资料和大量的数据。

自1984年始，我国地质界对国外有关水会物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。广州海洋地质调查局的科技人员对80年代早、中期在南海北部陆坡区完成的2万多公里地震资料进行复查，在南海北部陆坡区发现有似海底反射（BSR）显示。根据国土资源部中国地质调查局的安排，广州海洋地质调查局于1999年10十月首次在我国海域南海北部西沙海槽区开展海洋天然气水合物前期试验性调查。完成三条高分辩率地震测线共543.3km。2000年9-11月，广州海洋地质调查局"探宝号"和"海洋四号"调查船在西沙海槽继续开展天然气水含物的调查。共完成高分辩率多道地震1593.39km、多波束海底地形测量703.5km、地球化学采样20个、孔隙水样品18个、气态烃传感器现场快速测定样品33个。获得突破性进展。资料表明：地震剖面上具明显似海底反射界面(BSR）和振幅空白带。"BSR"界面一般位于海底以下300-700m，最浅处约180m。振幅空白带或弱振幅带厚度约80-600m，"BSR"分布面积约2400km'。以地震为主的多学科综合调查表明：海域天然气水合物主要赋存于活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区，尤以活动陆缘俯冲带增生楔区、非活动陆缘和陆隆台地断褶区水含物十分发育。根据ODP184航次1144钻井资料揭示，在南海海域东沙群岛东南地区，l百万年以来沉积速率在每百万年400-1200m之间，莺歌海盆地中中新世以来沉积速度很大。资料表明：南海北部和西部陆坡的沉积速率和已发现有丰富天然气水合物资源的美国东海岸外布莱克海台地区类似。南海海域水含物可能赋存的有利部位是：北部陆坡区、西部走滑剪切带、东部板块聚合边缘及南部台槽区。本区具有增生楔型双BSR、槽缘斜坡型BSR、台地型BSR及盆缘斜坡型BSR等四种类型的水合物地震标志BSR构型。从地球化学研究发现南海北部陆坡区和南沙海域，经常存在临震前的卫星热红外增温异常，其温度较周围海域升高5-6℃，特别是南海北部陆坡区，从琼东南开始，经东沙群岛，直到台湾西南一带，多次重复出现增温异常，它可能与海底的天然气水会物及油气有关。

综合资料表明：南海陆坡和陆隆区应有丰富的天然气水合物矿藏，估算其总资源量达643.5-772.2亿吨油当量，大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的1/2。

西沙海槽位于南海北部陆坡区的新生代被动大陆边缘型沉积盆地。新生代最大沉积厚度超过7000m，具断裂活跃。水深大于400m。基于应用国家863研究项目"深水多道高分辨率地震技术"而获得了可靠的天然气水合物存在地震标志：1）在西沙海槽盆北部斜坡和南部台地深度200-700m发现强BSR显示，在部分测线可见到明显的BSR与地层斜交现象。2）振幅异常，BSR上方出现弱振幅或振幅空白带，以层状和块状分布，厚度80-450m。3）BSR波形与海底反射波相比，出现明显的反极性。4）BSR之上的振幅空白带具有明显的速度增大的变化趋势。资料表明：南海北部西沙海槽天然气水合物存在面积大，是一个有利的天然气水合物远景区。

2001年，中国地质调查局在财政部的支持下，广州海洋地质调查局继续在南海北部海域进行天然气水合物资源的调查与研究，计划在东沙群岛附近海域开展高分辨率多道地震调查3500km，在西沙海槽区进行沉积物取样及配套的地球化学异常探测35个站位及其他多波束海底地形探测、海底电视摄像与浅层剖面测量等。另据我国台大海洋所及台湾中油公司资料，在台西南增生楔，水深500-2000m处广泛存在BSR，其面积2×104km2。并在台东南海底发现大面积分布的白色天然气水合物赋存区。

4 意见与建议

（1）鉴于天然气水合物是21世纪潜在的新能源，它正受到各国科学家和各国政府的重视，其调查研究成果日新月异，故及时了解、收集、交流这方面的情况、勘探方法及成果尤为重要，为赶超国际天然气水合物调查、研究水平，促进我国天然气水会物的调查、勘探与开发事业，为我国经济的持续发展做出新贡献，建议每两年召开一次全国性的"天然气水合物调查动态、勘探方法和成果研讨会"。

（2）我国南海广阔的陆坡及东海部分陆坡具有形成天然气水含物的地质条件，建议尽快开展这两个海区的天然气水含物的调查研究工作，为我国国民经济可持续发展提供新能源。

（3）天然气水合物的开采方法目前主要在热激化法、减压法和注人剂法三种。开发的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这一问题，日本提出了"分子控制"开采方案。天然气水会物矿藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然气水合物遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷，建议尽快开展室内外天然气水合物钻采方法的研究工作。

含天然气水合物沉积层的AVA特征分析

张如伟，张宝金，文鹏飞，徐华宁

张如伟（1984－），男，工程师，主要从事地震处理、反演与储层预测的方法研究，E-mail:cgszrw@163.com。

注：本文曾发表于《石油地球物理勘探》2011年第4期，本次出版有修改。

广州海洋地质调查局，广州　510760

摘要：天然气水合物沉积层在地震剖面上会产生比较明显的似海底反射（BSR）特征，一般可用于天然气水合物的直接识别，但并非所有BSR特征均为水合物的表现，则BSR形成背景的研究是天然气水合物深度预测的关键与基础。首先认真分析了天然气水合物沉积的3种微观模式，根据其不同的岩石物理模型特点，试验弹性参数随水和物饱和度的变化规律；其次以精确zoepprize方程为基础，研究随饱和度变化的AVA特征；最后，利用不同的理论模型模拟了BSR现象，并分析BSR产生的3种客观条件以及调谐作用对BSR的影响。研究结果表明：天然气水合物饱和度、游离气的存在与否与沉积层孔隙的变化是影响BSR特征的重要因素。

关键词：天然气水合物；似海底反射；振幅随入射角变化；岩石物性

AVA Character Researches on Gas Hydrate-Bearing Sedimentary Deposit

Zhang Ruwei,Zhang Baojin,Wen Pengfei,Xu Huaning

Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

Abstract:Gas hydrate-bearing deposit usually has obvious feature of seismic reflection,for example,bottom simulating reflector(BSR) ,it commonly used as gas hydrate direct indication,but the same reflection characteristic is not sure the presence of gas hydrate,so the background of BSR phenomenon is the base of most researches.This paper seriously analysis three microscopic models of gas hydrate-bearing sedimentary deposit at first,according to the petrophysical model,we have researched the variational rule of elastic parameters.Then,we have discussed the AVA character for the saturation variation base on accurate zoepprize function.At last,this paper simulates BSR phenomenon on using different theoretical model,at the same time,we analysis three external conditionfor BSR,and research the tuning effect of gas hydrate-bearing sedimentary deposit.The research result indicates that gas hydrate saturation and exist of free gas and sedimentary deposit' s porosity are the important factor for BSR character.So this paper could provide some conclusions for the depth research of gas hydrate base on the experimentation in this paper.

Key words:gas hydrate; Bottou Simulating Reflector; Auplitude Variation with Angle;petrophysicalp roperties

0 引言

天然气水合物作为21世纪的新能源，被誉为石油的替代品和清洁环保能源，广泛受到国内外许多学者的关注[1-2]。我国于2007年5月在南海北部成功钻获天然气水合物的实物样品，从此我国在天然气水合物研究上迈开了关键和重要的一步[3]。似海底反射（BSR）特征是利用地震手段研究天然气水合物的至关证据，目前国内外学者普遍认同：BSR具有与海底大体平行、负极性、高中振幅、与沉积层理斜交等特点，在一些地区有空白带特征产生[4]。但BSR的形成背景与其饱和度、下伏游离气层的相互关系一直处于研究中，没有形成一定的共识[5]。本文通过研究天然气水合物的3种沉积模型，并对之进行对比分析，得到了弹性参数随水合物饱和度变化的规律特征；并以精确zoepprize方程为基础，拟合出天然气水合物的AVA特征，从而通过试验验证获取了BSR特征产生的一些客观条件；这些客观条件有利于更加紧密研究BSR特征与天然气水合物的相互联系，为后期我国的天然气水合物勘探打下更加坚实的基础，为水合物形成背景研究提供相关的科学依据。

1 岩石物理模型

岩石物理性质是对天然气水合物进行地震识别方法的基础，全面和准确地得到水合物沉积层的岩石物性就显得至关重要。但由于水合物在室内条件下极不稳定，因此，目前仍然无法采用实验手段去检测水合物的岩石物性[6]，这样只有通过建立合适的岩石物理方程在理论上讨论水合物的一些特性，这就必然会对水合物的沉积状态存在一些不同程度的近似，例如假定水合物饱和度的变化不会影响其岩石孔隙度的改变等等。

图1 天然气水合物的3种微观模式[7]

据Ecker于2001年提出天然气水合物沉积的3种微观模式[7]：悬浮模式、颗粒接触模式与胶结模式（图1）。本文分别采用了3种水合物沉积的岩石物理方程用于试验，分别是WOOD方程、Lee加权方程和时间平均方程，运用这3种模型来研究弹性参数与岩石物性之间的理论关系。

1.1 WOOD方程模型

WOOD方程描述的是水合物沉积的悬浮模式，具体表达形式[8]如下：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；ρ为水合物沉积的密度（kg/m3）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）;Vm为岩石骨架的速度（m/s）；ρw为孔隙流体（一般为水）的密度（kg/m3）；ρh为纯水合物的密度（kg/m3）;pm为岩石骨架的密度（kg/m3）。

1.2 时间平均方程模型

时间平均方程反映的是水合物沉积的胶结模式，简单的表达形式[9]为：

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式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）; Vm为岩石骨架的速度（m/s）。

1.3 Lee加权方程模型

Lee加权方程描述的是水合物沉积的颗粒接触模型，针对高孔隙非固结的海洋沉积物速度－孔隙度关系，WOOD方程参数估计偏小，时间平均方程参数估计偏大，因此，Lee于1996年提出了一个无意义的加权方程[10]：

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式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）; Vp1为由WOOD方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）; Vp2为由时间平均方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；w为加权因子；n反映的是水合物在沉积物中的状态；由于缺乏水合物实际的资料， w，n参数比较难以确定，但有一定的规律，n增加时，Lee方程会快速地向时间平均方程靠拢；w 1时向WOOD方程靠拢，w 1时向时间平均方程靠拢。

对于横波速度，Lee同时也作了简单的假设，认为横波速度与纵波速度一样，会随着水合物饱和度的增加而变大，公式如下：

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式中：

。

由于横波不能在流体中传播，则上式中最后一项可以去掉，同时为了获取岩石骨架的横波与纵波速度比，根据Castagna等于1985年提出的公式[11]:

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式中：C为黏土在骨架中的体积分数（%），通常会取C=65％、Φ＝0％，这样得到的骨架横波速度为2.6km/s。

2 弹性参数分析

为了更好研究天然气水合物的岩石物理特性，设计了表1的理论模型，第三层为天然气水合物沉积层，各个弹性参数的计算采用前面的3个模拟方程模型；第四层为游离气沉积层，各参数采用Biot-Gassmann方程计算得到。

表1 理论模型设计参数

图2为采用3种模型计算得到的随水合物饱和度变化时引起的弹性参数变化。3个方程模拟结果均有相同的特点，随着水合物饱和度的增大，纵波速度也随着增大，横波速度与纵波速度有着相同的变化规律，密度基本不变。将3者计算得到的纵波速度进行对比可知，WOOD方程参数估计过小，时间平均方程参数估计过大，Lee加权方程参数估计适中（w=1,n=1）。

图2 3种模型的3参数变化以及纵波速度对比

a.WOOD方程；b.时间平均方程；c.Lee加权方程；d.纵波速度对比

同时，从Lee加权方程出发，改变岩石的孔隙度参数，再观察纵波速度的变化规律。图3为模拟结果，可以看出，随着孔隙度的增大，纵波速度参数估计值有减少趋势，横波速度有着相同的变化特征。

图3 岩石孔隙度变化引起的弹性参数变化Lee加权方程

在Lee加权方程中，由于至今难以获取水合物的实际试验资料，参数w与n一般会较难确定，但它们影响着纵波速度的变化规律。随着参数n的增大，Lee加权方程会快速向时间平均方程靠拢（图4），为了使参数估计平均，文中一般取n值为1。加权因子w也影响着弹性参数的变化，从图5可以看出，当加权因子小于1时，该方程向时间平均方程靠拢，大于1时向WOOD方程靠拢。根据南海的部分资料显示，当水合物饱和度在30％～60％之间时，水合物沉积层的纵波速度为2 000～2 500 m/s，此时若将加权因子w定为5.0，则根据曲线分析得到上类似结论。

图4 参数n改变引起的纵波速度变化

根据3个岩石物理方程模拟得到的弹性参数变化结果，可知Lee加权方程将WOOD方程与时间平均方程结合起来，有效避免了参数估计过大或者过小的情况，比较符合水合物沉积层的状态。但参数w与n的确定至关重要，在试验之前，需要通过相关的实际资料来确定这2个参数。

图5 参数w改变引起的纵波速度变化

3 BSR的AVA特征

从精确的Zoepprize方程出发，以Lee加权方程来计算水合物变化引起的纵波速度的估计值，然后以Biot-Gassman 方程对水合物沉积层的下伏地层来进行流体替代，这样可以随意改变水合物饱和度、下伏地层流体类型和孔隙度，从而可以多方位研究BSR的存在特征与其AVA的变化趋势。

图6为水合物饱和度变化后，其反射系数的变化规律特征，下层为游离气层，饱和度为10％，孔隙度为20％；随着水合物饱和的增加，反射系数绝对值增大，并逐渐快速减小，有极性反转的趋势。

图6 水合物饱和度变化后反射系数变化规律

BSR产生的一般条件为下伏地层含有游离气，这样由于地层一当含有气之后，纵波速度会快速下降，就与水合物沉积层就形成了负极性的反射系数，但是BSR现象却无法判断下伏地层的含气饱和度。从图7可以看出这样一个规律（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为20％）：当含有2％的游离气时，反射系数已经变化为负极性；10％时只是反射系数的绝对值发生了改变，变化趋势却没有任何变化；含气饱和度再向上增长时，反射系数的绝对值也变化甚微，这就说明通过BSR特征是无法判断出下伏地层含气饱和度的。

同时，基于褶积模型，以Zoepprize方程计算的角度反射系数为基础，进行一系列地震正演模拟研究。地震子波采用主频为50 Hz，采样率为1 ms的标准雷克子波，模拟入射角度为0°到60°之间，主要观察700 ms左右同相轴的变化（BSR出现位置）。

图7 水合物下伏游离气层饱和度改变时反射系数的变化规律

图8为游离气层含气饱和度变化时BSR的AVA特征（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为30%），图左含气饱和度为0％，反射振幅为正极性，随着入射角度增大，振幅逐渐增大，不符合BSR的特征；图右含气饱和度为10％时，比较明显出现了BSR特征，并伴随有随着入射角度增大振幅减小的特征出现，从而也证明了BSR出现的第一个客观条件为下伏地层含有游离气。

图8 含气饱和度变化时的BSR特征

含气饱和度左为0％，右为10％

图9 水合物饱和度及孔隙度变化时BSR的AVA特征

图左水合物饱和度为80％，孔隙度为20％；图右水合物饱和度为30％，孔隙度为10％

当然含有游离气这个条件不一定是必需的，图9就给予了充分的论证，试验验证时下伏地层的含气饱和度均为0％，只是改变水合物沉积层的水合物饱和度以及岩石孔隙度。图左就是将水合物饱和度由30％变化为80％时，就出现了BSR的特征，但振幅能量会比较弱，随着入射角度增大，振幅逐渐减小，并很快出现极性反转的特征；图右的水合物饱和度仍为30％，只是将沉积层的孔隙度由20％改变为10％，这样也会出现BSR的现象，同样也是随着入射角度增大振幅逐渐减小的趋势，当入射角度达到一定值时，也会出现极性反转的效果。

通过图8与图9的试验验证，可以基本得到如下结论：天然气水合物沉积层产生BSR特征主要有3个客观条件，其一为下伏地层含有游离气，游离饱和度（大于0）基本不影响BSR的变化特征；其二为天然气水合物的饱和度达到一定程度，具体的数值需要根据实际情况来分析得到；其三为水合物沉积层的岩石孔隙度比较小（水合物饱和度可能会引起孔隙度的改变），目前由于资料有限，同样无法做到对实际数据进行定量分析。当然3个条件不需要同时出现，从理论上来说，只需要满足其中一个条件即可以产生BSR特征。

图10 调谐效应对BSR的影响

最后，研究了调谐效应对BSR的影响效果。当地层足够薄的时候，就会出现调谐效应，这样会影响对BSR特征的判断。图10左两层的地层时间为10 ms,BSR的负极性特性基本被掩盖，难以准确给予判断水合物是否存在；而当两层的地层时间为30 ms时，可以勉强分辨出。所以调谐效应也会影响最终结果的判断，提高地震资料的分辨率，能在一定程度上缓解调谐效应带来的影响。

4 结论

1）由于目前缺乏足够的实验数据，实际的天然气水合物岩石物理性质尚无准确的定论，只有通过数学方程来模拟其沉积过程。Lee加权方程参数估计比较平均、形式简单、比较适合理论研究，但对于两个未知因子的确定，需来源于野外的测井与实验测试数据。

2）对于天然气水合物沉积层的下伏地层一般为含游离气地层，但BSR特性无法确定含气饱和度的大小。

3）是否含有游离气、水合物饱和度的多少与地层孔隙度的大小是影响BSR特征出现的3个客观条件，但不一定是必须条件，一般情况下，3个条件有其一就能够出现BSR现象。

4）天然气水合物在岩石中与骨架如何接触，目前尚无准确的定论，这也就是影响水合物众多弹性参数难以确定的原因，水合物饱和度与岩石孔隙度的关系有待于以后更深一步研究。

参考文献

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[2]宋海斌，江为为，张文生，等.天然气水合物的海洋地球物理研究进展[J].地球物理学进展，2002,17(2）:224-229.

[3]张洪涛，张海启，祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J].中国地质，2007,34(6）: 953-961.

[4]马在田，耿建华，董良国，等.海洋天然气水合物的地震识别方法研究[J].海洋地质与第四纪地质，2002,22(1）:1-8.

[5]宋海斌，松林修，杨胜雄，等.海洋天然气水合物的地球物理研究（Ⅱ）：地震方法[J].地球物理学进展，2001,16(3）:110-118.

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[7]Ecker C.Seismic Characterization of Methane Hydrate Structures[D].California:Stanford University,2001.

[8]Wood A B.A Test Book of Sound[M].New York:Macmillan,1941:578.

[9]Wylie M R J,Gregory A R,Gardner G H F.An Experimental Investigation of Factors Affecting Elastic Wave Velocities in Porous Media[J].Geophysics,1958,23(3):459-493.

[10]Lee M W,Hutchinson D R,Colet T S,et al.Seismic Velocities for Hydrate-Bearing Sediments Using Aweighted Equation[J].J Geophys Res.1996,101(B9):20347-20359.

[11]Castagna JP,M L Batzle,R L Eastwood.Relationship Between Compressional-Wave and Shear-Wave Velocities in Clastic Silicate Rocks[J]Geophysics,1985,50(4):571-581.