冷泉是指来自海底沉积界面以下,成分以水、碳氢化合物(甲烷为主)、硫化氢和细粒沉积为主的低温流体(通常只有几摄氏度),以渗漏、喷涌或扩散的方式向海底面运移,并在甲烷渗漏区滋养了大量化能自养生物群落的一种海底环境(Judd and Hovland, 2007).由于其温度相对于海底热液而言属于与周围海水温度相似的低温流体,因此被称为冷泉.
天然气水合物储藏划分为渗漏系统和扩散系统,冷泉正是渗漏系统的典型特征,且较扩散系统而言,渗漏系统里天然气水合物成藏更迅速,成藏储量更大,成藏物化条件更好、更具备开采价值(关进安等, 2009).在墨西哥湾(Kastner et al., 2005;Solomon et al., 2005)和Cascadia南北水合物脊(Liu and Flemings, 2006)的研究资料表明,这些地区的天然气渗漏仍在持续,说明在天然气水合物稳定带内(GHSZ)里可能仍有大量的天然气水合物在不断生成.深水冷泉区是天然气水合物产出的理想场所,冷泉系统中发育的天然气水合物具有埋藏浅,品质高的特点.此外,它与全球气候变化及极端环境下的生态系统之间密切相关.因此,冷泉的研究具有非常重要的价值和意义.
冷泉广泛发育于活动和被动大陆边缘海底,从热带到两极极区,从浅海陆架到深海海沟均有分布,海底深度从10~3000 m不等(Logan et al., 2010),现已在全球大陆边缘海底发现活动冷泉上千个,如俄勒冈州沿岸、Cascadia水合物脊、日本海、尼罗河深海扇、新西兰大陆边缘、哥斯达黎加边缘海、地中海、黑海、阿留申群岛和中国南海等地区(Judd and Hovland, 2007),其中Cascadia水合物脊(Torres et al., 2004)、俄勒冈州沿岸(Liu and Flemings, 2006)和墨西哥湾附近地区(Duperron et al., 2007;Brown et al., 2013)的冷泉活动研究程度最高.探测冷泉的主要手段包括:ROV探测、多波束探测、侧扫声呐探测、浅地层剖面探测、多道地震勘探等.利用这些手段获取冷泉的直接或间接证据,如:羽状流、麻坑、泥火山、丘状体、天然气水合物、碳酸盐岩、生物群落等(Judd and Hovland, 2007).在多道地震剖面上表现为海底火焰、声空白、毯式反射(Hovland and Judd, 1988;Taylor, 1992;Garcia-Gil et al., 2002)、帘式反射(Taylor, 1992;Garcia-Gil et al., 2002;Karisiddaiah et al., 1993)、柱式反射(Hovland and Judd, 1988)、浊反射(Garcia et al., 2002;Fannin, 1980)、气体通道、泥底辟等.
本文研究区位于南海北部陆坡琼东南海域(图 1a),多道地震上广泛分布的BSR表明该海域存在天然气水合物(王秀娟等, 2010).前人的研究也表明该区域流体活动非常强烈,发育有大量的麻坑、泥火山等冷泉相关的构造(拜阳等, 2014;陈江欣等, 2015, 2016).2015年的ROV调查在该海域发现了大面积的冷泉系统,并根据探测器的名字命名为“海马冷泉”.在2016年采集的多波束水体影像数据上,发现四个延伸高度超过750 m的气泡羽状流.本文利用多波束数据,底质取样结果以及多道地震对羽状流区域的冷泉系统进行研究,分析该冷泉系统的特征及其形成模式.
琼东南盆地属于新生代被动大陆边缘型盆地(王秀娟等,2010),是南海北部陆缘张裂而形成的一个叠合盆地,经历古近纪的张裂和新近纪以来热沉降过程,沉积了巨厚的地层,最大沉积厚度超过8 km,最大埋深超多9.4 km.盆地新生代沉积最大厚度达12 km,最大生烃凹陷面积超过9000 km2(何家雄等,2015).第四系和第三系上新统海相泥岩具有生物气形成的条件和良好的远景, 第三系煤系地层普遍处于异常高压和高地温条件, 具有形成热成因天然气的地质条件(黄保家,2002).因此, 盆地具有丰富的热成因和生物成因天然气资源(陈多福等,2004).此外,研究区裂隙和断层通道发育,区域存在较多的多边形断层, 即便在缺少连通烃源岩的断裂系统的情况下,流体依然可以运移(吴时国等,2009).研究区(如图 1中红色方框所示)位于琼东南盆地南部,水深约1250~1500 m,海底地形平坦,其地温梯度约为35~42.5 ℃/km(陈多福等,2004).总之,研究区有充足的气源条件,多样的运移通道,适宜的温压条件,适合天然活动冷泉的形成.
2 数据和方法所用数据包括多波束、底质取样和多道地震,其中多波束数据由海洋六号于2016年采集完成,底质取样由海洋四号于2015年获得,多道地震数据由奋斗四号分别于2004年和2007年采集完成.
多波束利用高频声波,以开角探测的方式,对海底进行调查,主要包括海底地形的刻画,海底底质回波强度的探测和水体的成像等.本次调查使用挪威Kongsberg公司的EM122多波束测深系统,它主要由换能器阵列、发射接收主控单元、Windows XP实时监控工作站组成,其中换能器阵列固定安装于船前部的龙骨处,换能器吃水深度5.5 m.后处理流程包括数据格式转换,加载零潮汐数据,合并数据,建立BASE曲面,导航定位编辑,测线自动滤波,曲面自动滤波,子区编辑,人工数据恢复,曲面插值,数据输出和精度评价.水体数据处理由WCIP软件通过背景噪声消除,水体异常提取,水体影像横向叠加和水体影像纵向叠加完成.
底质取样包括重力柱状取样,重力活塞取样,箱式取样,拖网取样等取样方式,本次底质取样采用重力活塞取样方式,重力活塞约1000 kg,管长9 m,管径73 cm,内装透明管,用于获取深海底表层柱状样品,从而进行现场沉积物描述和化学分析测试.
多道地震调查利用气枪震源和拖缆,通过地震波的激发和接收,经过地震资料处理,对海底沉积层进行成像.多道地震采集参数见表 1.地震资料处理包括:定义观测系统,投影滤波去大值噪声,高通滤波去低频干扰,速度滤波压制线性干扰,球面扩散补偿,道分选,速度分析,正常时差动校正,拉冬变换去常规多次波,动校正畸变远道切除,近道切除压制多次波,叠加,带通滤波,TX域视速度滤波消除大倾角强绕射,FX域偏移.
冷泉区多波束海底地形如图 1c所示.研究区水深在1250~1500 m之间,坡度小于2 °.可以看到,该活动冷泉区海底地形平坦.在羽状流的位置上,也并无明显的异常地貌.
研究区存在3处羽状流,分别为A冷泉、B冷泉和C冷泉(图 1c的A、B、C).如图 2所示,A冷泉直径26 m,底深1380 m,顶深645 m,高差735 m;B冷泉直径28 m,底深1380 m,顶深630 m,高差750 m;C冷泉直径50 m,底深1420 m,顶深650 m,高差770 m.3处冷泉的多波束水体影像图均显示,在水深约800 m处,羽状流的形态扭曲最大,存在一个水层界面,界面以上的羽状流比界面以下的羽状流摆幅程度大.
不同时刻采集数据的成像结果如图 3所示.羽状流A、B距离多波束主测线0063距离最近,而多波束测线0060和0066分布在测线0063两侧.三条测线测量时间间隔约3 h.在三次测量时刻,两处冷泉尺度变化不大,高差在750 m左右,直径为26~50 m,但不同时刻3处冷泉的形态发生变化.
研究区内,在GH1和GH2两个站位上获得块状天然气水合物,其中GH1站位位于羽状流C附近(图 1),GH1站位上天然气水合物位于7.95~8.20 mbsf,约2 cm3,底部为黏土层,GH2站位天然气水合物位于4.95~5.11 mbsf,其尺寸为5 cm×5 cm×2 cm,底部为黏土层.现场化学分析表明,2个站位天然气水合物样品以甲烷绝对优势为特征,甲烷/乙烷值大于10000,初步判断为Ⅰ型天然气水合物,气体来源主要是生物气.
3.3 流体活动构造多道地震的成像结果如图 4-7所示.从多道地震剖面上,可以看到此区域存在气烟囱、BSR、振幅空白带和杂乱反射、麻坑、裂隙与断层等与天然气水合物相关的地震反射特征.
测线Line1(图 1b黑线)位于羽状流正上方,其成像结果如图 4所示.从成像结果上可以看到,海底地形平坦,未见明显的异常地貌特征.海底以下存在BSR,其相位与海底反射相位相反,呈强反射同相轴,横向连续性较差,指示存在天然气水合物.在羽状流C位置的正下方存在大规模的气烟囱.
测线Line2(图 1b黑线)位于羽状流B的正上方,其成像结果如图 5所示.从成像结果上可以看到,海底地形起伏不大,存在5个小规模麻坑和一个丘状体,但在这些异常的位置上未发现羽状流,羽状流B出现在海底地形平坦的位置上.测线中部海底以下存在BSR现象,其下方存在大规模的气烟囱,这种由气体引起的模糊反射在BSR以上的浅层同样存在,这表明该地区浅层气充分.
为更好地分析羽状流与海底地形以及地层构造之间的关系,我们对与羽状流B、C附近的地震剖面进行放大显示.羽状流C附近的地震剖面(图 4虚线方框)如图 6所示.海底有三个麻坑,分别为pm1、pm2和pm3.pm1和pm2的直径约300 m,其高差约3.5 m,pm1呈凹形口,pm2呈凸形口.pm3的直径约50 m,其高差不明显,pm3呈喷口特征.A冷泉和B冷泉在Line1与Line2的交线处附近,其近海底存在串珠反射.此外,海底浅层多处存在串珠状反射特征,并且微裂隙运移通道发育.
羽状流B附近的地震剖面(图 5虚线方框)如图 7所示.地震剖面显示在羽状流B位置上存在一个明显的麻坑(pm4).麻坑pm4直径约70 m,高差约3 m,呈凹形口,其下部存在具有串珠状反射特征的垂向连续气体运移通道.海底浅层存在多处串珠状反射以及通道,BSR以上的浅层存在相互连通的垂向微裂隙,BSR以下存在由于气体引起的高频衰减和同相轴下拉的反射特征.
4 讨论在活动冷泉区海底往往存在羽状流和与天然气水合物相关的地貌特征,如:泥火山、水合物脊、丘状体和麻坑等.研究区海底存在羽状流,但与天然气水合物相关的地貌特征并不明显,因此,是否能探测到天然的羽状流显得尤为关键.相比其他常规调查手段,多波束探测技术一方面对羽状流的探测灵敏,另一方面能实现全覆盖调查,在活动冷泉调查中有着独特的优势.本次研究正是始于多波束探测到3处天然羽状流.
4.1 羽状流随时间变化冷泉的活动性一般会随时间发生变化,主要体现在气体通量和羽状流的形态上.在斯瓦尔巴德岛近两年的连续观测表明冷泉的气体通量存在不同周期的变化,既包括季节性的变化,也包括短周期的日变化(Berndt et al., 2014). Hsu等(2013)在台湾西南岸气体渗漏点进行了连续24 h的声学和海底地震仪(OBS)监测,结果表明羽状流的形态在短时间内(3 h)会发生较大的变化,并受控于潮汐的变化.在本研究区,通过对不同时刻(间隔约3 h)采集的水体数据进行成像,成像结果显示羽状流的规模比较稳定,尽管形态有些变化(如图 3所示),表明观测时间内气体通量稳定.但由于观测时间较短,连续采集的次数较少,本次研究结果并不能排除气体通量长周期变化的可能性.
4.2 海底地貌特征多波束地形图显示该冷泉区域海底地形平坦,并没有明显的流体渗漏特征,这与其他海域观测到的现象不一致.在其他海域,冷泉系统一般在海底有明显的地貌特征,比如泥火山,麻坑或丘状体等.但在该研究区,多波束数据基本没有揭示这些特征.而在地震数据上,却可以看到多处麻坑.造成这一差异的原因可能有两个:1.多波束资料和地震资料的采集时间相差近10年,而研究区物源丰富,水体流动活跃,古麻坑可能被沉积物覆盖.2.船载多波束的分辨率有限(马小川等, 2017),不能显示海底地形的小尺度变化.为获得高精度的海底地形,下一步应该开展基于ROV或者AUV的多波束测量.
4.3 流体通道内“串珠”反射特征的形成机制在其他海域观测到的冷泉系统的流体通道多为断层与裂隙,断层在地震剖面上表现为通道两侧地层为强振幅错开特征,裂隙在地震剖面上表现为弱振幅,其两侧地层表现为强振幅特征(Leven and Middleton, 2007;Wenau et al., 2015a;陈江欣等, 2017).但是在我们的研究区域发现,流体通道在地震剖面呈现一连串的纵向强振幅(Schroot et al., 2005;Wenau et al., 2015b;Vielst ädte et al., 2015),即“串珠”反射特征(图 8a).这与碳酸盐岩缝洞体储层形成的反射结果类似(图 8b).前人对碳酸盐缝洞体储层形成反射研究比较多,物理模拟和数值模拟表明,一定尺度空洞内存在的低速填充物是形成串珠反射的原因(Wood et al., 2008;Bünz et al., 2012;马灵伟等, 2015).由此我们推断,在该研究区冷泉系统的流体通道内自上而下存在一系列的低速体,可能对应游离气聚集(图 8c).这种离散的游离气聚集可能是受岩性不同控制的.
在水深超过500 m的海域,海底浅部沉积层满足天然气水合物稳定条件.在到达海底并进入海水层以前甲烷气体必须穿过天然气水合物稳定(Gorman et al., 2002).这就产生了一个矛盾,游离气在通过稳定带时会以水合物的形式赋存下来而堵住通道,这样后续的气体难以继续运移形成稳定的羽状流(Tréhu et al., 2004).这就需要某种机制阻止水合物的形成,可能的机制主要有四种:(1)天然气水合物在通道壁上覆盖,形成一个管状通道,将孔隙水与游离气分离(Leifer and MacDonald, 2003); (2)热流体局部对流; (3)孔隙水氯含量和盐度的增大; (4)水供应不足(Milkov, 2004; Ruppel et al., 2005).基于地震成像,推测冷泉B和C处的气体通过高渗透通道到达海底,天然气水合物在通道壁上覆盖,形成一个管状通道,将孔隙水与游离气分离.当然,本次研究结果也不能排除其他三种可能.
4.5 活动冷泉系统的形成模式综合上述讨论,我们提出研究区活动冷泉形成模式(图 9),天然气通过气烟囱由深部向上运移,天然气以扩散和聚集的方式进入GHSZ.在羽状流下方,游离气通过管状通道向上运移和聚集,在海底处形成麻坑,进入海水层形成羽状流.在GHSZ的其他区域,有明显的纵向气体运移通道,推测为BSR以下游离气向上扩散或GHSZ内天然气水合物分解的结果,这种结果将促使活动冷泉更加活跃并在近海底形成天然气水合物.
本文基于多波束数据、底质取样结果以及多道地震数据对南海北部陆坡琼东南海域的活动冷泉系统进行研究.该活动冷泉系统存在三处形态随时间变化的羽状流,在多波束水体数据上表现为高度超过735 m、直径大于26 m的火焰状声学异常,其所在海底地形平坦,海底浅表层赋存天然气水合物.在多道地震剖面上,与天然气水合物相关的地质反射特征明显,包括气烟囱、BSR、声空白、高频衰减、同相轴下拉等.在羽状流的正下方存在由游离气产生的强振幅反射、由低速体引起的强振幅“串珠”状反射.
与其他地区活动冷泉相比,南海北部琼东南海域的活动冷泉的特征独特,主要表现在三个方面:(1)在观测时间内冷泉气体通量大且稳定; (2)海底地形特征不明显,麻坑纵向尺度为米级; (3)冷泉的通道在地震剖面上表现为明显的“串珠”状反射,解释为冷泉的流体通道内自上而下存在一系列的低速体,对应游离气聚集.
结合以上特征,我们提出了该活动冷泉系统的形成模式,首先天然气通过气烟囱向上运移到达浅层,受温压条件、地质构造和沉积等因素控制,一部分气体在天然气水合物稳定带内形成天然气水合物,另一部分游离气通过高渗漏通道,通道壁上覆盖天然气水合物,形成一个管状通道,管状通道将游离气与孔隙水分离,游离气通过管状通道到达海底,形成羽状流.本文对琼东南活动冷泉的特征及形成模式提出思考,为更准确和深刻的研究冷泉提供研究思路.
致谢文鹏飞教授级高工、张宝金教授级高工和张如伟高工给予了指导,马金凤高工对本文作图提供了帮助,陈江欣博士对本文提出了修改建议,对科考队员辛劳付出和匿名评审的细心审阅与宝贵意见在此一并感谢!
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