现阶段海洋资源勘查逐步走向深海，由于探测设备与探测目标的距离随着水深的增加而变大，海洋调查因此产生了“近视眼”效应，对于中深海海底地形地貌以及海底结构探测，传统的调查设备只能获取海底及海底以下大尺度的结构特征，已经远不能满足现今的调查需求.声学深水拖曳观测系统(以下称“声学深拖”)的出现大大弥补了这一不足，也代表海底勘探已经进入了高精度高分辨率阶段.

声学深拖通过光电复合缆连接水下拖体，将水下拖体布放至距离海底100 m左右，相当于将一个“放大镜”贴近海底，从而更为清晰地获取海底微地形地貌特征以及精细刻画海底浅部地层结构等.近年来，随着材料学的发展、光纤通信技术的进步以及制造工艺的完善，各类声学探测设备逐渐克服了深水高压环境以及远距离大容量数据传输的两个难题，使得声学深拖系统可以按照任务需求来选择搭载调查设备，如合成孔径侧扫声呐、浅地层剖面仪、多波束测深系统、温盐深系统、多普勒计程仪、声速剖面仪以及惯性导航系统等.本文介绍的合成孔径声学深拖集成了合成孔径声呐、浅地层剖面仪以及多波束背散射等声学设备，可获取高分辨率的声学资料，广泛应用于水下目标的探测以及海底微地貌研究等海洋科学研究领域(Cutrona, 1975; Bruce, 1992; Hansen et al, 2010; Xenaki Angeliki，2019)，对于精细刻画流体活动的地貌特征以及地层剖面特征有着重要作用.传统的声学深拖是将浅水型声呐经过耐压处理搭载在移动平台上，受其换能器基阵和信号频率的影响，声呐的作用距离和分辨率会大大降低，而合成孔径声呐以合成孔径理论为基础，是国际水声高新技术研究产品之一(Lurton，2002；牟健等，2012)，其基本原理是利用小尺寸基阵通过处理声呐载体运动时采集到的数据合成大孔径，获得较高的分辨率和测绘速率(孙大军和田坦，2000；李海森等，2017).其突出的优点在于分辨率高且与距离无关，因而可以对远距离目标高分辨率成像，此外声呐的发射频率较低，具有一定的穿透性，适合海底地质勘探(刘纪元，2019).

在国外，1997年Blondel在Irish大陆边缘利用GLORIA深拖发现了呈链状展布的海底凸起，识别了一个高约1500 m的泥火山，顶端存在一个圆形喷口(Blondel，1999)；2007年德国流星号在印度洋马克兰增生楔利用TOBI侧扫声呐和海底摄像在该海域俯冲带斜坡区观察到了冷泉区羽状流(Bohrmann, 2007)；2008年Dokuz Eylül大学利用声学深拖DT2000(搭载了侧扫声呐和chirp型浅地层剖面仪)对Izmir海峡展开地质调查，发现了海底泥火山、麻坑以及泥底辟构造，阐明了不活跃的麻坑阶段性渗漏的地质特征(Dondurur et al., 2011)；2008年SO191和TAN0616航次调查中澳大利亚科学家A.T. Jones利用Edgetech DTS-1深拖(搭载了双频侧扫声呐和浅地层剖面仪)在Omakere海脊上发现了六处活跃的甲烷渗漏点和一处冷水暗礁，浅地层剖面显示渗漏点区域存在多个声学空白段和声学浑浊带(Jones et al., 2008).在国内，2008年栾锡武利用搭载了声学设备的水下拖体在鄂霍次克海发现了近似圆形的亮点异常，推测为海底甲烷气体喷溢, 在海底浅地层剖面系统上表现为凸起地形(栾锡武等，2008)；广州海洋地质调查局冯强强以及郭军等人利用Teledyne Benthos声学深拖在南海某海域对同一海底微地形微地貌在不同声学影像上的反射标识进行对比分析，建立声学3D模型，形成海底浅表层的立体探测(冯强强等，2018; 郭军等，2018).

本文以琼东南盆地陆坡区采集的合成孔径声学深拖数据为基础，分析调查区海底浅表层流体活动的声学特征，阐述天然气水合物相关的流体渗漏活动性与浅层构造之间的关系，开展海底浅表层流体活动的研究.

本次深拖调查的工区位于南海北部的琼东南盆地的中央坳陷区，南海是太平洋西缘重要的边缘海，在新生代经历了复杂的构造演化(Taylor and Hayes, 1983)，呈现北拉、南压、东挤、西滑的构造特征.南海北部陆缘自西向东由被动陆缘、准被动陆缘过渡至东部活动碰撞边缘及与之伴生发育的一系列沉积盆地(梁金强等，2017)，其中琼东南盆地呈NE向展布，总体表现为南北分带、东西分块的构造格局，自北向南可分为北部坳陷带、北部隆起、中央坳陷带及永乐隆起等隆坳相间的4部分(陶维祥等，2006).研究区位于盆地的中央坳陷带(图 1)，其新生代的构造演化经历了古近纪的陆相断陷期和新近纪的沉降坳陷期，其中断层活动主要集中在古近纪裂隙期，复杂的断裂活动控制了盆地的沉积演化，同时也为流体运移提供了通道，具备了天然气水合物形成的构造条件；第四系沉积地层巨厚，沉积速率快，是形成超压环境的理想条件，易发生气体渗漏或者泥火山喷发，因此推测该区域海底可能发育有正在活动的天然气冷泉(陈多福等，2004；刘伯然等，2015).

图 1

Fig. 1

图 1 琼东南盆地中央拗陷区区域地质图 Fig. 1 Tectonic frame of the central depression in QDN basin

琼东南海域的天然气水合物主要通过气体的垂向运聚模式成藏，断层裂隙和底辟及气烟囱所构成的纵向运聚供给系统，起到了连通输送深部热解气源到浅层水合物稳定带的重要作用(何家雄等，2015)，通过ROV和钻探获得了天然气水合物存在的确凿证据(陈宗恒等，2018).

本文所涉及的声学深拖数据是由搭载在广州海洋地质调查局“海洋地质四号”的SAMS DT6000合成孔径声学深拖系统所采集.合成孔径声呐在工作水深3000 m以内的两侧最大覆盖宽度可达1600 m，发射基阵物理长度为2.82 m，通过位移合成的虚拟基阵为60 m，声呐成像分辨率达到40 cm.合成孔径声呐采集页面中间有一段盲区，这片区域是低可探测性区域，通常称为“压缩区”.由于数据采样率恒定，在声纳正下方海底的脚印很小，但是极大保留了水体的信息，这对于探测海底冷泉羽状流有良好的效果.为了弥补压缩区的海底数据，拖体还搭载了多波束EM 2040，利用记录其背散射数据来提高此区域海底图像分辨率(图 2)，最大覆盖宽度为150 m.集成在拖体上的浅地层剖面仪是Chirp型的ECHOES5000，其工作频率是2~8 kHz，较宽的扫频带宽可以获得不同深度高分辨率的地层数据，其中垂直分辨率达到15 cm，最大穿透深度可达80 m.

图 2

Fig. 2

图 2 合成孔径声呐和多波束背散射数据叠加 Fig. 2 SAS data overlays with backscatter data from multibeam

深拖作业方式是通过光电铠装缆连接压载器与拖体，通过下放压载器使得拖体能够近海底作业(图 3)，作业过程中通过收放光纤铠装缆来调整压载器的高度，从而保障拖体在安全的深度下作业.同时压载器内置光电转换油盒，高度计等设备，为拖体数据传输提供了保障，也是拖体的缓冲器；脐带缆作为压载器和拖体连接的纽带，其作用是为拖体提供很好的稳定性，即使在较差的海况下也能使拖体获得高质量的数据(张汉泉等, 2005).SAMS DT6000工作最大水深可达到6000 m，拖曳速度2.5knot左右，拖体离底高度控制在100 m左右，作业时姿态稳定性强，最大横摇和纵摇角度为1°.采集的深拖合成孔径原始数据经过海底线精确跟踪、斜距改正、速度校正、TVG校正、数据叠加以及数据镶嵌等操作得到了调查区全覆盖的声呐数据，浅地层剖面经过简单的Gain校正就可以得到高分辨率的海底浅层结构特征.

图 3

Fig. 3

图 3 SAMS DT6000合成孔径声呐深拖作业方式 Fig. 3 SAMS DT6000 SAS working method

与水合物有关的海底丘状体在平面上一般呈卵形或同心状的正地形，其形成是游离气在沉积地层中聚集的结果(Paull et al., 2008)，是水合物产生的气体置换上部沉积物孔隙中的水造成局部沉积物体积膨胀而形成的一种正地形凸起(Judd and Hovland, 2007).海底丘状体与流体运移聚集关系密切，与泥火山类似都是一种含气构造单元，但在剖面上并未像泥火山上涌刺穿地层，而是在内部表现为弱振幅的连续地层或者声学空白段落(刘斌，2017).在测线STBX-15的声呐图像中发现多处条带状呈斜列式的海底丘状体，该处地形整体较为平坦，水深约为1470 m，在浅地层剖面上表现为蘑菇状的空白段落，高度约为2 m，在声呐图像中以群组形式Q1、Q2、Q3、Q4出现(图 4b)，大小不等，呈雁列式条带状(图 4c)，长度60 m至100 m不等，在Q4几百米处存在一处上隆下坳的“眼球状”丘状体Q5，体积较前者大很多.在Q2和Q3丘状体之间以及Q5下方均见明显的柱状的窄声学空白带，很可能对应海底流体运移的通道.其中Q5直接与气体通道相连通，推测是其规模较大的原因.

图 4

Fig. 4

图 4 深拖测线STBX-15海底丘状体地球物理特征. (a)浅地层剖面；(b)合成孔径声呐图像叠加多波束背散射数据；(c)海底丘状体；(d)海底丘状体-眼球状构造 Fig. 4 Deep-tow line with sea mound in STBX-15 line. (a) Sub-bottom profile; (b) SAS image overlay with backscatter; (c) Sea mound; (d) Augen-like amplitude

羽状流是指流体从沉积地层内部通过有效运移通道向上运移，穿过海底地层溢出水体形成线状海底气泡流(吴时国等，2010；陈林和宋海斌，2005；邸鹏飞等，2008)，作为海底水合物渗漏的直接标志，羽状流可以被多波束系统、浅地层剖面仪以及合成孔径声呐等声学设备捕获，反映在系统显示界面上表现为柱状、火焰状或者双曲状浑浊反射.声学羽状流是海底丘状体崩塌的直接证据，丘状体内部的气体随着压力的增加突破上覆沉积层向水体喷发散溢，表现为较高的信号强度和类似“火焰”一样的形态(栾锡武等，2008).地层内部流体自深部向浅部运移，深部较大流体压力致使该处冷泉活动较为活跃，形成突出的泥火山构造，喷口周边微塌陷形成麻坑地形(陈江欣，2017).

在陵水低凸起北部测线16发现了一处活跃的流体渗漏系统，在水体中高频声波探测到柱状气泡羽状流，声呐图像中平面表现为斑状发射，低频浅地层剖面中清晰显示流体喷发的柱状浑浊带.声呐数据中间的“压缩区”记录的是拖体到海底之间的水体信息，它可以捕获流体渗漏活动产生的气泡流，图 5c显示的声呐探测到了泥火山喷口上方呈火焰状的气泡羽状流；利用固定安装在深拖调查母船的参量阵型浅地层剖面仪(Atlas Parasound MD)的高频声波(20 kHz)探测到该处羽状流高度约为800 m(图 5a)，喷口区域在多波束背散射回波强度信号上表现为低振幅的回波信号，反映了较软的海底沉积层；在声纳全覆盖条带镶嵌处理图上羽状流喷口表现为一个直径约为250 m的斑状反射，有明显的深色边界(图 5c、5d和5e)；在深拖搭载的Chirp型低频浅地层剖面上显示喷口处形成了一座小型泥火山，中间为顶部喷发处，喷出海底高约5 m，剖面内部振幅增强，反射杂乱，为柱状声学浑浊带，可能是由于流体夹杂了较多泥质和细粒颗粒物悬浮所造成的(图 5b).

图 5

Fig. 5

图 5 深拖测线16海底羽状流喷口的地球物理特征. (a)参量阵浅地层剖面-高频20 kHz；(b) chirp型浅地层剖面，2~8 kHz；(c)合成孔径声呐图像叠加多波束背散射数据；(d)合成孔径声呐探测到的声学羽状流；(e)流体喷口斑状反射 Fig. 5 Deep-tow line with gas plume in 16 line. (a) High frequency 20 kHz data of parametric sub-bottom profile; (b) 2~8 kHz data of chrip sub-bottom profile; (c) SAS image overlay with backscatter; (d) Gas plume in the SAS image; (e) The strong reflecting spots in the SAS image

麻坑是由于深部流体通过流体通道在海底强烈快速喷逸或缓慢渗漏，亦或是浅部气藏逸散剥蚀海底松散沉积物而形成的残留海底地貌(Judd and Hovland, 2007; 陈江欣等，2015).麻坑构造不能简单地通过剖面来识别，还要综合多波束资料和侧扫声纳数据来确定其平面形态，平面上一般呈圆形、椭圆形和新月形，直径由几千米到几米不等.工区测线STBX-11中发现一处麻坑构造，位于丘状体东北方向大约几十公里，地形为一坡度较小的斜坡区，水深约1789 m.该麻坑在合成孔径声呐图像中呈新月形(图 6b和6c)，声学反射边界清晰，长度约为500多米，在浅地层剖面上显示的坑深约8 m.水体中并未探测到此处有流体渗漏现象，但在下方显示大片宽声学异常空白带(图 6a)，麻坑中间存在小凸起，推测其成因有两种：一是可能为残留泥火山喷口，前期可能已经发生了流体渗漏；二是前期发生泄漏之后流体再次运聚，流体压力未能达到破坏顶部地层的程度，气体上拱形成的丘状体.不管是何种成因在水体中未发现气体渗漏现象，推测此时麻坑处于不活跃状态.

图 6

Fig. 6

图 6 深拖测线STBX-11海底麻坑构造地球物理特征.(a)浅地层剖面；(b)合成孔径声呐图像叠加多波束背散射数据 Fig. 6 Deep-tow line with pockmark in STBX-11 line. (a) Sub-bottom profile; (b) SAS image overlay with backscatter

深拖调查可以获得近海底的高精度地形地貌、浅表层地质结构、流场和其他物理化学参数，实时监测海底的流体活动，精细刻画流体活动地貌特征，三维呈现流体逸散结构.流体活动系统通常指地震上有明显识别特征的沿着局限的高渗带发生运移/流动的束状流体(孙启良等，2014)，本文通过综合研究发现了琼东南中央拗陷带发育的海底麻坑、丘状体、声学羽状流和气烟囱等流体活动系统标志，表明该区域存在着海底渗漏现象.这些流体活动系统标志物代表了气体渗漏的不同阶段，其形成机制和演化模式需要进一步探讨.

研究区浅表层的流体活动特征与其深部构造具有耦合关系，深部的气源通过运移通道到达浅部地层，在平面和剖面上表现出一系列流体活动特征.琼东南盆地区域地质背景表明该盆地构造演化分为两个阶段：早期古近纪阶段是深部断层活动的主要时期，正是这些断层为深部气源向浅部运移提供了通道(吴时国等，2010；赵铁虎等，2009)；晚期新近纪阶段，盆地由断陷阶段转为热沉降坳陷阶段，断层趋于稳定，活动速率逐步降低减小至消失停止(何家雄等，2015)，过高的沉积速率使地层快速堆积，沉积层加厚，容易形成欠压实区，岩石孔隙流体压力大于上部地层压力，在这种情况下，在岩石流体中产生了异常高压.同时复杂的断裂活动引起上覆地层产生裂缝、裂隙，沿断裂运移的上升烃类流体在高压差的渗透作用下聚集在了有裂隙的地层中，形成了气烟囱构造.深部断裂的分叉、斜列、交织过渡保持与气烟囱构造在垂向上的联系(图 7).封存在气烟囱的一部分气体在温压条件、地质构造和沉积等因素控制下生成天然气水合物，利用地震剖面在气烟囱顶部发现了具有指示天然气水合物标志的BSR(龚跃华等，2018)；另一部分从气烟囱构造扩散出去或者水合物分解产生的游离气通过高渗漏通道(断层和裂隙等)到达海底(杨力等，2018)，在海底表层形成含气丘状体和海底麻坑等构造，有的甚至突破浅表地层进入海水形成气体羽状流.

图 7

Fig. 7

图 7 琼东南盆地188测线气烟囱地震反射特征(龚跃华等，2018). T1:第四系底界；T2:上新统底界；T3:中新统底界 Fig. 7 Seismic profile with gas chimney in 188 line in QDN basin (Gong et al., 2018). T1: Bottom margin of Quaternary; T2: Bottom margin of Pliocene; T3: Bottom of Miocene

根据上述结果及讨论，结合流体活动在纵向上的形成机制，我们提出了研究区浅层流体活动系统在时间维度上的演化模式.水合物分解产生的游离气将形成气体膨胀空腔，并形成局部超压，气体垂向运移在海底浅表层扩散聚集成丘状体(Sea mound)，除了垂向扩散，气体也会横向运移到地层薄弱部位，因此丘状体呈群落分布(图 4)；随着时间增长，气体浓度增加，沉积物迁移，地层上拱产生上拉构造，因低速含气层引起的速度下拉构造，这种速度振幅异常结构称之为“眼球状”(Augen-like amplitude)构造(梁劲，2013)，是海底丘状体的生长成熟阶段；然后当丘状体内部流体压力超过了地层负载强度，沉积物失稳、含气丘状体崩塌而引起气体渗漏形成羽状流(Gas Plumes)；流体的排放可以改变海底地形地貌特征，引起构造侧翼和顶部沉积层的倾斜和破裂(韩同刚等，2018)，悬浮松散的沉积物被底流带走，从而形成麻坑(Pockmark).活跃的麻坑构造一般会在其边缘或者内部探测到声学羽状流，不活跃的麻坑可能指示了历史时期曾发生过冷泉流体的喷发(邸鹏飞2008)，随着流体排出，超压被释放，喷口重新闭合，流体会在地层中再次聚集，流体压力再次积蓄升高，在温压条件、地质构造和沉积等因素作用下，聚集的气体将沉积地层上拱，在麻坑底部又可能生成含气丘状体(图 6c)，随其生长变大，之后沉积物崩塌，气体泄漏形成羽状流，压力的卸载引起海底沉降产生麻坑构造.因此流体活动构造演化模式具有周期性.

图 8

Fig. 8

图 8 海底流体活动相关的构造类型 Fig. 8 The structure shape of fluid flow in the seafloor

地球物理方法是海底流体活动探测的重要手段之一，特别是集成了合成孔径声呐、浅地层剖面以及多波束背散射的声学深拖调查，对于精细刻画流体活动地貌特征和流体逸散结构有着重要的意义.合成孔径声呐图像可以获得分米级的流体活动地貌特征，浅地层剖面可以获得厘米级的地层结构特征，用于填充侧扫声呐盲区的多波束背散射数据大大提高了海底整体图像的分辨率.

海底浅表层蕴藏着丰富的地质信息，对于研究浅表层流体活动系统有着重要意义.海底浅层与流体活动相关的地质结构主要包括海底丘状体、泥火山、泥底辟、麻坑和气烟囱等多种类型，这些地质结构或者组合代表了浅层流体活动的演化模式中的一个阶段，海底丘状体是流体活动的早期孕育阶段，泥火山代表了流体喷发阶段，麻坑构造则指示了流体活动到达了末期阶段.