ak103海洋之心（南海北部陆坡海底异常地貌特征与天然气水合物的关系）

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• 南海北部陆坡海底异常地貌特征与天然气水合物的关系
• 世界上真的有“海洋之心”吗

南海北部陆坡海底异常地貌特征与天然气水合物的关系

沙志彬　杨木壮　梁劲　郭依群　梁金强

摘要　在南海北部陆坡的浅层剖面上，发现存在若干海底声学异常反射现象，主要有滑塌体、丘状体、麻坑、羽状流（海水中）等类型，它们是由于滑塌、浅层气或流体溢出等因素造成的海底微地形地貌突变，可能与海底下存在的天然气水合物有关。

关键词　浅层剖面　天然气水合物　海底异常地貌

1　前言

南海水深大于400m的陆坡和陆隆区的面积约90×104km2。根据区域地质资料，这一地区在中中新世之后进入区域沉降阶段，构造活动微弱，沉积了一个厚度达1000～5000m的地层，有机质比较丰富，可能为天然气水合物的形成提供充足的气源，而它们相对复杂的构造环境又能够形成良好的疏导体系、水合物成藏的有利地质体和适宜的温压场环境。因此，南海广阔的陆坡区具有形成天然气水合物的有利地质条件。

2　异常地貌类型及特征

北部陆坡浅层剖面上广泛存在异常反射现象，主要有海床面及其上的滑塌体、丘状体、麻坑、羽状流（海水中）和海底地层中的杂乱反射、模糊反射和空白反射等类型。根据经验，浅层气体大部分在地震记录上都具有吸收声波能量、形成空白反射、反射波中断等声学屏蔽层、声学混乱性的特点，并形成一系列的地形地貌特征。因此，它们可能是由于滑塌、断裂和流体溢出、浅层气、地层岩性不均一等原因而造成海底微地形地貌突变和反射同相轴杂乱、模糊不清、中断、消失或不规则变化，而羽状流是水柱在浅层剖面上的反映。

2.1　滑塌体

浅层剖面测线A揭示了滑塌体的存在，该测线水深800～1700m（图1），地形变化剧烈，浅层剖面显示了不规则、强弱反射波、杂乱反射波相间的复杂海底地形和可能的“水合物气帽”，反射面之下的沉积物既具有声学透明性又具有声学非透明性特征，在反射波变弱或出露海底的区域，整个沉积层序就变成了声学透明区。如果杂乱的反射波是由于“水合物气帽”所造成，那么它就反映了气体扰动的结果，且气体正不断向上部运移。由于气体运移发生在沿倾向向上的方向，故随着气体不断向上运移的同时，海底表层沉积物的声浊度往上坡也逐渐增加。经过分析认为，这种现象是由于气体强烈扰动引起沉积物的滑塌而向斜坡下方滑动，如果气体饱和度达到破坏盖层与气体保存平衡条件的时候，气体就会逸出形成相关复杂地貌。还有强、弱、杂乱反射波相间出现，也一定程度上说明了滑塌与气体饱和度之间的关系。另外，本测线PN620有一浅部小断层，断距不大，可作为气体向上运移的通道。故浅部地层可能存在小部分的天然气水合物分解气，如甲烷气。因此，滑塌体的出现可以说明该区存在丰富的气体，水合物气体可能是形成浅地层处滑塌构造的外因。

图1　测线A浅层剖面

Fig.1　Sub-bottom profile of Line A

2.2　丘状体

浅层剖面测线B发现了两个高出海底约5～18m、底宽约0.7～1km（图2），内部具有模糊反射特征的丘状体。丘状体海底以下的反射特征从模糊反射逐渐变为空白反射可能是由于海底的水或海底温度、气体组分、孔隙水盐度、地温梯度以及海底深度变化所致，同时还可能意味着气体大量的存在。由于海底温度的升高，海底沉积物中的气体持续不断地流动，从而导致气体膨胀，这样沉积物不断被气体推动向上”生长”，最后堆积成一座小山丘。所以推测丘状体的形成可能与甲烷气体的释放有关，而储存于浅层附近的天然气水合物储集层可能是影响底层水体温度变化及引起甲烷气体大量释放的原因。因此，丘状体地貌的出现可以说明该区存在相当数量的气体。

图2　测线B浅层剖面

Fig.2　Sub-bottom profile of Line B

2.3　麻坑

浅层剖面测线B（图2）和测线C（图3）都揭示了地层的空白反射、反射波中断及与渗流相伴生的形式出现的声学屏蔽异常特征，这些现象说明地层中存在富含气体的沉积物。其中部分区块空白反射直通海底，指示了气体向上运移的通道，气体不断逸出最后形成小麻坑。推测测线B和测线C存在着直径约3～5m、深约1m（估计值，目前的浅层剖面系统在此深度达不到此分辨率）类似于“V”形洼地的麻坑。分析认为这些麻坑可能是由于碳氢化合物气体（主要为甲烷气体）的逸出而引起海底物质的移动所致。因此，麻坑地貌的出现也一定程度说明该区存在相当丰富的气体。

图3　测线C浅层剖面

Fig.3　Sub-bottom profile of Line C

2.4　羽状流

在测线B（图2）上有少量水柱的反射推测（因浅层剖面系统在此深度达不到此分辨率）是以羽状流形式出现的，且与麻坑相伴生，这亦可能反映了气体的渗漏。而海底麻坑正好为气体的溢出提供了运移通道，这些羽状流在麻坑以上的海水中形成，当气体源源不断从地层中溢出达到一定规模时，它就会在海水中形成气泡效应，从而在海水中形成羽状流反射特征。

3　典型地貌成因机制探讨

通过对北部陆坡区浅地层剖面资料的分析，可以总结出可能与天然气水合物有关的典型地貌如滑塌、丘状体、麻坑和羽状流的成因机制模式（图4）。

图4　北部陆坡天然气水合物与典型地貌形成关系模式示意图

Fig.4　A sketch showing the model between gas hydrate and typical land forms

图4说明了天然气水合物的形成以及由于气体的运移、逸出而在海底形成麻坑、丘状体、滑塌、羽状流和泥底辟等地貌的原因。其主要成因是由于在具备天然气水合物形成背景条件（低温高压）下的海底沉积物内，烃类气体负载流体的定向运移为天然气水合物形成创造了必要条件（Hovland M等，1997），为这种漫长的地质过程提供了充足的烃类过饱和流体。因此，天然气水合物分布区富烃类流体的活动十分活跃，从而在海底形成这种独特的、释放气体的海底地貌特征。

3.1　滑塌体成因

滑塌体的发育为天然气水合物赋存提供了较为适宜的温压环境，它可能是滑塌构造的一个重要诱发因子，而滑塌本身可能就是由于气体水合物分解而产生的构造效应，Richard D.Mclver曾对水合物的这一构造效应进行了论述：随着压力增加，低密度泥岩和气体从下伏稳定带中排出，使水合物顶部边界破裂，因此引起上陆坡悬浮沉积物沿着其平缓边缘的前面滑动。此外，流体分解带可以沿着水合物块的楔状边缘滑动而形成一个滑面。海平面的交替变化可引起一系列事件重复发生，从而在陆坡的坡脚下形成巨厚的混杂堆积。

Mclver（1977）、Kvenvolden（1980,1993）、McMenamin（1980）、Reed等（1991）、Paul等（1996）科学家先后指出：海洋沉积物中大量的甲烷水合物也影响其它海洋地质作用，包括块体坡移和全球气体变化模式。例如，甲烷水合物能作为胶结物，增强BSR之上的沉积物机械强度。然而，BSR之下的未固结沉积物可能更容易块体滑动，并向斜坡下运动，因而在海洋沉积物中形成不整合面，引起海底块体滑坡或位移。另外，孔隙流体压力减小或浅海底温度增加使水合物层底部的水合物分解，导致沉积物的剪应力降低，导致沉积物不稳定并发生块体滑移。

1998年德国基尔海洋地质科学研究中心的J.Mienert等，在R/V“Professor Logachev”号调查船的TTR-8航次调查中，对挪威Storegga滑塌区进行了与气体水合物相关的调查，调查结果证明该区水合物形成与浅地层处的滑塌构造关系密切。

3.2　丘状体成因

根据北部陆坡区的温度与压力关系，可知当海底沉积物温度随着深度增加而改变时，将会有一区间段的游离甲烷气变得稳定并且能够聚集于水合物稳定带底界之下。由于海底水温会不断变化，当海底的水温上升至一定高的温度时，这种热量完全可以传输至下伏海底，那么天然气水合物稳定带的底面将上升至丘状体底部，这样任何水合物都将升华产生甲烷气体并在海底逸出。随着气体的渗漏，气体将会持续不断地逸出直到压力和温度条件达到水合物能在火山口底部渗漏区域形成为止，最后将会形成一个“气帽”（MacDonald等，1994）。它说明当天然气水合物和游离气界面紧邻海底时，就会形成丘状体。据报道，巴伦支海和墨西哥湾北部的天然气水合物丘状体的形成也有类似的机理（Prior等，1989）。

3.3　麻坑成因

麻坑地貌是被动大陆边缘海底中与水合物密切相关的重要标志，是在外陆架及陆坡区未固结海底表层堆积物中出现的洼地，通常直径达数米到数十米之间，深达数厘米到数十厘米。据统计，在世界被动大陆边缘的水合物探区均存在这种地貌现象，如大西洋海岸、印度西部大陆边缘、非洲西部海岸等。这种“麻坑”地貌的成因可能是由于生物气、或深成气热流体沿断裂向上运移进入水体所致，“麻坑”之下多为被断层复杂化的褶皱地层，并因气体充填在浅部地层形成反“U”状、“V”状、丘状、穹隆状、圆锥状、蘑菇状、海底之上的锥状特征面直至渗漏及空白反射区等一系列声学屏蔽特征和声波模糊带，而最下部可能为类似底辟柱的构造，在垂向上形成了“麻坑－断褶带－底辟柱”式样的三层楼地质构造，这些都反映了沉积物中气体的存在和气体逸出特征。可惜，北部陆坡区的浅层剖面在垂向上未能见到具有这样典型的地形地貌特征。

与北部陆坡区相似的麻坑特征在美国的贝尔法斯文特湾（Kelley等，1994）、希腊的Patras湾（Hasiotis等，1996）及Persian湾（Uchupi等，1996）均可见到，并且已被Hovland和Judd（1988）以及Fader（1991）进行过详细的分析。它们的成因都被归因于生物成因的天然气和孔隙水的逸出（Kelley等，1994）、地震诱发的气体渗漏（Hasiotis等，1996）以及地下水、热成因和火山成因的气体所造成（Uchupi等，1996）。

3.4　羽状流成因

从深部地层中通过沉积物向上运移及不断地向上覆水层渗漏的浅层气可部分改变麻坑周围附近海水的速度－密度特性。如果渗漏出来的气体达到一定数量，当水柱与相邻的均匀水质之间能够形成声阻抗界面时，充满气体的羽状反射波就会在麻坑之上的海水中形成（Li和Jin,1989）。

4　结论和建议

浅层剖面出现空白反射区及声学空白等异常现象，跟深部BSR之上所产生的空白带机理一样，它们都一定程度上反映沉积物组分发生了变化。如果深部存在气体水合物，而盖层封闭又不严的话，断层、褶皱和底辟等构造就可作为甲烷气体和流体从深部向上运移至浅部地层提供通道。这些异常反射的区块，如果存在足够大压力的气体，那么碳氢化合物气体完全可能通过分子扩散、鼓泡或徐缓沸腾现象从沉积物中向上溢出而形成相关地貌。

北部陆坡区浅层剖面出现可能由气体引起的不同程度声学异常现象及存在可能与天然气水合物有关的地形地貌特征，采集的浅表层沉积物和孔隙水等样品的各种地球化学测试分析结果也出现异常，某些多道地震测线亦有BSR显示。通过对比分析北部陆坡和存在天然气水合物的巴伦支海（Barents）以及Sorokin海槽的浅层剖面，认为它们有类似之处，故推测北部陆坡存在天然气水合物。

从国外天然气水合物的勘查手段看，他们往往联合应用浅层剖面系统、旁侧声纳系统和单道地震系统来获取从海底表层至一定深度地层的地质信息，从而综合判定其特征是否由水合物造成。因此，在进行天然气水合物资源调查时，能否运用多学科、多手段来获取更直接、有效、可靠的资料，为寻找水合物矿藏提供科学依据。

参考文献

金庆焕，杨木壮，梁金强.21世纪可能的新能源－天然气水合物，中国科学技术前沿（中国工程院版，第5卷）.北京：高等教育出版社

许东禹，刘锡清，张训华等主编.1997.中国近海地质.北京：地质出版社

D.Long，张莉译.巴伦海巨大的海底火山口中潜在的水合物丘状体.海洋地质，2001,2:68～80

Hyndman R.D.，张光学译.海底流体排出及甲烷水合物BSR形成机理.海洋地质，2000,3:24～46

N.K.Ivanov，张莉译.黑海克里米亚大陆边缘存在大量流向海底的深部流体.海洋地质，2001,4:69～79

S.Bouriak，舒虎译.从地球物理角度研究克里米亚大陆架斜坡带气体水合物聚集的来源.海洋地质，2001,1:60～67

A.V.Egorov,K.Crane,P.R.Vogt,A.N.Rozhkov.1999.Gas hydrates that out crop on the sea floor:stability models. Geo-Marine Letters,19:68～75

Dickens,G.R.,Paull,C.K.,Wallacc,P.,and the ODP Leg 164 Scientific Party.1997.Direct measurement of in situ methane quantities in a large gas-hydrate reservoir.Nature,385,426～428

Hyndman,R.,and Davis,E..1992.A mechanism for the formation of methane hydrate and seafloor bottom simulating reflectors by vertical fluid expulsion.J.Geophys.Res.,1997,7025～7041

Olga Ye.Zatsepina and Bruce A.Buffett.1998.Thermodynamic conditions for the stability of gas hydrate in the seafloor.Journal of geophysical research,Vol.103,No.B10,24127～24139

Wenyue Xu and Carolyn Ruppel.1999.Predicting the occurrence,distribution,and evolution of methane gas hydrate in porous marine sediments.Journal of geophysical research,Vol.104.No.133,5081～5095

THE CHARACTERISTICS OF THE ABNORMAL PHYSIOGNOMYS OF SEABED RELATED TO GAS HYDRATE IN NORTH SLOPE,SOUTH CHINA SEA

Sha Zhibin,Yang Muzhuang,Liang Jin,Guo Yiqun,Liang Jinqiang

（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760）

Abstract:Some acoustics abnormal reflector，such as slip block，hummock，pock mark and plume etc.were identified in the sub-bottom profile in north slope，south China sea.The seacoustics abnormal reflectors constructed by slipness,shallow gas or overflow of the fluid which might have some relations with gas hydrate.The characteristics of those acoustics abnormal reflectors were analysed in this paper.The possibility of the gas hydrate in existence and the cause of formation of the relative physiognomy were discussed in the next.

Key words:sub-bottom profile，gas hydrate，seabed abnormal land forms

世界上真的有“海洋之心”吗

当然有，只不过是依照另外一颗厄运之钻作为原型。海洋之心并不是有记载的真实存在的钻石。按照电影的设定，海洋之心，原本属于路易十六。因为法国大革命的关系，被重新切割成心形，拿出来卖。非常合理的设定，其实同时代的很多名钻是这样的命运，例如另外—颗蓝钻，厄运之钻希望。真实的电影中的道具是 Asprey设计 Garrard制作，用K白金和锆石《没错，实际上电影里的道具是合成错制作的，设计风格是爱德华王时期的风格。不过因为是K白金的道具，制作也是 garrard 英国王室的皇家珠宝商，所以道具看起来质地是非常好的，拍摄加上灯光等等，确实很漂亮。后来电影成功之后 Asprey& Garrard，用铂金，171ct的斯里兰卡蓝宝石配103颗钻石，电影原版的模子1:1的做的，在索斯比拍卖行进行了拍卖。所得捐赠给戴妃的AIDS基金会。匿名买家1.4百万刀购得。