0 引 言

随着科技的不断突破与发展，人类对能源需求也日趋紧张，据国际科学界预测，天然气水合物是继石油、天然气之后最佳替代清洁能源(李灿苹等，2013).天然气的主要成分是甲烷，而全球天然气水合物的甲烷含量是目前已知矿物燃料总储存量的2倍以上，它的能量密度是传统天然气的2~5倍(Kvenvolden，1993; Kvenvolden et al.，1993).如此大的储量和高的能量密度对于人类能源需求的日益增长以及应对能源危机无疑具有巨大的吸引力(胡春和裘俊红，2000).因此，近些年来世界上众多国家增大调查勘探天然气水合物的资金投入.

在地壳动力作用下，天然气(主要为热成因气)从地壳内部往上运移，通过孔隙、裂缝、裂隙或断层等运移通道穿过海底沉积层泄漏进入海水，形成海底气泡羽状流(樊栓狮等，2007).它属于典型的海底渗漏表现形式，即浅层生物成因气体或深部热成因气体在浮力的作用下通过沉积层中的通道溢出海底而形成(陈林和宋海斌，2005).实际上，只要有大量气体从海底喷涌进入海水，都会形成羽状流，而羽状流是声呐及地震方法容易探测到的，因此，可以通过探测到的羽状流追逆其气体来源，从而寻找与之相关的油气资源.

在水合物赋存区域上覆海水中经常发现气泡羽状流，此现象已通过声呐和地震手段探测到，但是水合物与气泡羽状流二者之间到底存在一个怎样的关系：水合物存在区域是否一定会有气泡羽状流？而发现气泡羽状流的区域其海底地层中是否一定会赋存水合物？海底冷泉与气泡羽状流及水合物又是怎样的关系？海水中的气泡羽状流对海洋环境会产生怎样的影响？经过运移上升到大气中，对大气环境又是怎样的作用？针对以上问题，本文首先阐述了羽状流的识别手段，然后针对羽状流与水合物及冷泉之间的相关性、羽状流对海洋环境及大气环境的影响进行了分析和探讨.为研究甲烷气泡羽状流的基本特征并明确其在海洋中的分布情况、水合物的勘探开发和储量评价以及羽状流对海洋环境和大气环境的影响研究奠定基础.

1 羽状流的识别

从海底浅层或深部渗漏到海水中的气体不但改变了沉积层的物理性质(沉积层的声学特性)，海底气体渗漏及其相关产物使沉积物重新分布，改变了海底地形地貌，剧烈的海底流体喷溢还将在上覆水体中形成气泡羽状流(Hovland and Judd，1988).因此用声呐、海底探测和地震等方法来探测海底天然气泄漏是有效的(陈林和宋海斌，2005).基于此，气泡羽状流的识别大体分为三类方法：摄影成像、声呐系统和地震技术，其方法原理各有异同，识别效果也各有差异.

1.1 摄影成像识别羽状流

摄影成像，即在海水深处对气泡羽状流进行摄影，它能够真实直观地摄录到海水中的羽状流.识别机理：海底摄像系统主要由5个单元模块组成：水下单元模块、甲板控制单元模块、通讯单元模块、定位数据采集单元模块和后处理单元模块.首先，通过海底高清摄像头将海底羽状流传输给数字视频和甲板进行录像；其次，将传输上来的视频图像解压；再次，需要采集导航视频数据；最后，将海底所拍摄到的高清视频和采集到的定位数据进行叠加合成，实现视频图像的动态、连续的显示(张锦炜等，2008).

利用水下摄影已识别出海底羽状流，图 1是在巴伦支海的海底拍摄到的一张图片，该图片显示甲烷气体从渗漏孔中喷涌出来，孔直径达到20 cm宽，且气泡形成的气柱在1m左右的高度携带有白色的物质(Sauter et al.，2006).此物质被证实为天然气水合物颗粒，当大量气体从孔中喷涌而出时易携带有水合物颗粒，并推断此处的海底埋藏着丰富的天然气水合物.

此种方法识别的羽状流是真实客观的，可提供一些真实数据供科学研究需要.但这种方法所能观测到的羽状流毕竟很有限，只能是点，达不到大面积探测，而海洋是浩瀚无穷的，要想在广阔无垠的大洋里探测到更多的羽状流，还得靠其他面上的方法.

1.2 声呐系统识别羽状流

应用水体声学探测技术研究海底甲烷羽状流的基本特征具有重要的意义，目前识别气泡羽状流的声呐系统主要以船载单波束和分裂波束声呐系统为主，而多波束声呐系统由于其声学图像分辨率较高，覆盖宽度较大，近年来也被用于海底气泡羽状流的探测(梅赛等，2013).声呐发射的声波是垂直入射声波，其声波频率可以依据探测目标而定，一般为30~200 kHz，频率越高，分辨率就越高，与穿透深度成反比(Judd and Hovland，1992; 樊栓狮等，2007).

一般情况下，声波在水中传播的衰减较少.当海水中含有气泡时，由于空气和海水的声波阻抗存在很大差异，因此气泡和海水会形成一个明显的波阻抗界面(栾锡武等，2010).根据声学理论(朱哲民和杜功焕，1995; 马大猷，2005)，声波在传播过程中遇到介质不均匀处会向各个方向发射散射波.因此声波在海水中传播时遇到气泡就会产生强烈的散射过程(吴如山和安艺敬一，1993)，声呐系统就是接收这些散射波而对羽状流进行成像.

利用声呐系统已识别出多处羽状流：Greiner等(Greinert et al.，2006)利用分裂波束声呐系统Simrad EK500在黑海中发现高达1300 m的甲烷羽状流(图 2)；俄罗斯科学院远东分院“Akademik Lavrentiev 号”考察船(Luan et al.，2008)利用包含12 kHz、20 kHz、135 kHz 3个工作频率的水体回声系统在鄂霍次克海发现了典型的海底甲烷羽状流，其整体上呈细而高的柱形，高度约400 m，宽度约150 m，形状类似“火焰”(图 3)；大洋钻探机构(ODP)(Shipboard Scientific Party，2002)利用回声探测器在Cascadia大陆边缘水合物脊探测到从海底喷溢口逸出的甲烷羽状流(图 4)，此处富含天然气水合物；在墨西哥湾(Sassen et al.，2001)利用单束回声探测器探测到甲烷气泡羽状流(图 5).挪威斯瓦尔巴特群岛(Westbrook et al，2009)也发现多束气泡羽状流(图 6)，该处实测气泡含量由海底至海面逐渐降低.

NOAA于2011年(梅赛等，2013)利用多波束声呐系统对墨西哥湾北部的比洛克西穹隆进行探测，发现了大量的海底甲烷羽状流(如图 7左所示)，并标记了天然气泄漏的位置(如图 7右所示).由于多波束声呐系统的波束宽度较小和波束开角较大，同等水深下，其声学图像分辨率较高，覆盖宽度较大，因此与之前在该海域利用分裂波束声呐系统进行探测相比，其效果大大提高.

由上可知，利用声呐探测气泡羽状流已发展得相对成熟，也探测到世界上众多的气泡羽状流.从图 2~7可以看出，声呐探测到的羽状流清晰可见，所以，声呐是大面积探测羽状流的主要技术之一.

1.3 地震方法识别羽状流

由于海水与气泡会形成一个明显的波阻抗界面，因此，当地震波在海水中传播遇到气泡时会发生散射，利用散射成像理论可以识别出水体中的气泡羽状流.图 8a是我国南海某区域地震偏移剖面，剖面中显示出断裂构造和典型的BSR及空白带.图 8b是图 8a中相同区域含气泡羽状流海水的地震偏移剖面.图 8表明气烟囱和断裂提供通道促使甲烷溢出到海水中，天然气水合物的分解是气泡羽状流的来源.因此，羽状流对天然气水合物的勘探识别起到了间接指示作用.

目前海底浅层气逸出的气泡已产生了地震响应，主要的反射特征为声学羽流、云状扰动、浊反射、帘式反射、毯式反射、增强反射等(刘伯然等，2015).另外，世界各地的地震资料中发现了越来越多的气泡地震响应特征，如在里海沿岸发现了串珠状特征(Kruglyakova et al.，2002)；在鄂霍次克海也发现了火焰状特征(Luan et al.，2008)；在南黄海地区还发现了点划线状特征(顾兆峰等，2008).地震识别羽状流的地震数据较多(徐华宁等，2010)(只不过之前都将其作为干扰信号剔除掉)，可以方便羽状流的后续研究和分析.

通过以上可知，地震方法也可以用来检测水体中气泡羽状流，而且对于区域勘探来说，地震是检测羽状流的主要手段之一.但是对于究竟如何处理地震资料以识别羽状流，并没有形成一套完整的方法体系；而羽状流的地震响应机理如何目前国际上也尚无定论.

为探讨羽状流的地震响应特征，国内李灿苹等(Li et al，2013; You et al，2015; Li et al，2016)开展了羽状流的数值模拟研究：参考实际羽状流赋存状态，结合含气泡水体特征，建立了符合实际赋存特征的羽状流模型(图 9(You et al，2015))；获得了炮集记录，单炮记录上显示出明显的散射波场特征；通过叠前逆时偏移处理得到较好的成像效果(图 10(You et al，2015))，与实际赋存的羽状流地震剖面(图 8b)具有相似的地震响应特征，即都表现为随机分布的羽状流气泡产生的短同相轴；探讨了羽状流气含量与地震属性之间的相关性，研究发现，气含量与地震振幅属性之间存在较好的线性相关(图 11).

1.4 三种识别羽状流方法效果对比

由波的散射理论，使得海底羽状流可以成像.对比声呐和地震识别的羽状流图像，可以发现声呐成像比地震清晰，羽状流形似火焰特征明显.这是由于声呐系统所用声波勘测频率高，分辨率也高，使得羽状流的成像清晰，而地震的声波频率和分辨率都较低，导致地震成像不如声呐清晰(李灿苹等，2013).但地震方法也具有自身优势，地震方法勘探面积大，成本低，可以进行区域勘探，在地震剖面上能看到羽状流产生的地震响应(波动现象)，因此，可以通过研究羽状流产生的地震响应特性来反演水合物气含量及进一步探索水合物分解和运移规律等与水合物相关的一些问题(李灿苹等，2013).海底摄像的优势在于其能够直接对海底羽状流进行实时观察，并获得最基本、最有价值的基础资料(张锦炜等，2008).在实际探测中，可以将三种方法结合起来，羽状流的探测效果会更好.

2 与羽状流相关的潜在资源

由前面羽状流的识别可知，在水合物赋存区域的上覆海水中经常发现气泡羽状流，此现象已通过声呐系统和地震方法探测到.同时，羽状流也经常与海底冷泉相伴生.

2.1 羽状流与天然气水合物

天然气水合物是水和天然气在低温高压的平衡条件下析出形成的笼状化合物晶体，存在于海底的沉积物层或陆地高海拔的永久冻土带(曹运诚和陈多福，2014; 苏正等，2014).海底渗漏是浅层生物成因气体或深部热成因气体在浮力的作用下通过沉积层中的通道溢出海底而形成(陈林和宋海斌，2005)，部分渗漏天然气在合适的环境(低温高压)下将生成天然气水合物(Whelan et al.，2005).当水合物赋存区域的温压条件发生改变时，水合物将会发生分解，产生气体(主要为甲烷气)和液态水(陈光进等，2008; 苏明等，2015).水合物分解的气体可以通过运移通道渗漏到海水中，产生羽状流.所以，气泡羽状流中的气体来源之一就是水合物分解产生的气体，因为羽状流发育地区常发现富含天然气水合物的海底沉积层，比如墨西哥湾、Cascadia 的南北水合物脊、南海海槽和鄂霍次克海等地(Merewether et al.，1985; Paull et al.，1995; Heeschen et al.，2003; Charloua et al.，2004; Milkov et al.，2004; Solomon et al.，2005)，以及我国南海赋存水合物区域上浮海水中也发现羽状流(图 8).

但是，水合物存在区域未必一定会有羽状流，只有在温压条件改变时，水合物分解，而且还要有运移通道，也需要大量气体渗漏，在海水中才会有羽状流现象(邹大鹏等，2012; 张光学等，2014).从水合物形成条件与羽状流的产生机理的角度来看，虽然水合物和羽状流之间并非一一对应的关系，但在全球很多海域发现的羽状流却大都与水合物存在有关( Merewether et al.，1985; Paull et al.，1995; Heeschen et al.，2003; Milkov et al.，2004; Charloua et al.，2004; Solomon et al.，2005).

根据卫星探测海面增温的情况和地球化学的研究发现，部分海域的海底下有剧烈的烃流体作用和排出气体的活动(李双林等，2007).此类海底活动中的气体含有甲烷气体，其主要的来源是微生物分解的成因气和热解气.冲绳海槽下的沉积岩区释放大量的气体，其中二氧化碳含量占86%左右，其他的气体成分有甲烷、氢气和硫化氢，研究表明这些气体源于地底岩浆流体和有机质降解，并非全部源于天然气水合物的分解，这样的气体在涌入海水中时，也会形成羽状流.

海底渗漏的气体经过运移通道可以直接溢出海底，当气体量很大时，就会形成气泡羽状流.渗漏气体在沉积层中运移时如果没有合适的温压条件，就不会生成水合物.因此，有气体泄漏或羽状流区域未必一定存在水合物.

2.2 羽状流与海底冷泉

与羽状流和水合物相关的另一重要地质现象是海底冷泉，其主要成分是水、碳氢化合物(天然气与石油)和少量的硫化氢与二氧化碳，在受到压力的影响从沉积层中运移和排放到海水中，温度与海水相近并具有一定流速的流体(陈忠等，2007).有冷泉海域可能会形成羽状流(陈忠等，2007; Klaucke et al.，2010; Bayon et al.，2011)，释放以甲烷为主的烃类气体，如在新西兰北岛西库朗伊边缘海和尼日尔三角洲边缘发现冷泉发育区同时存在有羽状流(Klaucke et al.，2010; Bayon et al.，2011).海底冷泉的发育和分布一般与天然气水合物的分解或与海床下天然气及石油沿地质薄弱带上升密切相关(陈忠等，2007; 刘善琪等，2015).

气泡羽状流中大量气泡在冷泉喷口附近上升和溶解稀释，会明显改变该海水区域的声学特性，从而能够被声学仪器捕捉到.例如在南海东北部陆坡区记录到水体中存在声学柱体，推断为海底冷泉羽状流(图 12)，在该剖面上，冷泉羽状流与海底大约呈70°角，规模较小，宽约50 m，高约30 m，且在冷泉羽状流发育所在位置，海底下发育有声学空白带，表明此处很可能存在广泛的浅层气聚集，图中冷泉羽状流处在地形凹陷处，这种凹陷地形表明很可能经历了浅层气的释放，导致上层沉积物向下塌陷而形成的(刘伯然等，2015).在鄂霍次克海俄罗斯调查船“ Akademik Lavrentiev 号 ”进行科学调查的过程中，利用水体声学剖面系统检测到海底冷泉，冷泉喷口喷出的气体以气泡群的形式由海底通过水体向上运移，从而形成了冷泉气柱，冷泉气柱就是气泡羽状流.该考察船用水体声学剖面系统对冷泉气柱进行成像(图 13)，其表现为细而高的柱形，柱体高度在200~400 m，宽度约为100~150 m(栾锡武等，2010).在我国东海冲绳海槽西部槽底发现了海底冷泉的存在，直径约为2.2 km，其上覆水体中还识别出了冷泉气柱(图 14)(栾锡武和秦蕴珊，2005; 徐宁等，2006)，可能是由喷溢气体的气泡或者喷溢气体携带大量的悬浮颗粒造成的.该冲绳海槽具有很强的构造活动性，其气泉盆地中的泥底辟构造为地层中的低密度流体和超高压气体提供了有效的向上运移的通道，为海底气泉发育构造了很好的先天条件.

由上可知，冷泉发育区常见羽状流，而二者都与天然气水合物相关.

3 羽状流对海洋环境和大气环境的影响

羽状流的气体主要成分是甲烷，在海水中溶解或运移，也会有部分气体上升到大气中.甲烷是最重要的温室气体之一，所以，羽状流对海洋环境及大气环境可能都会产生影响.

3.1 羽状流对海洋环境的影响

羽状流中甲烷气体的主要来源是天然气水合物分解产生，因此，羽状流对海洋环境的影响可以从水合物分解的甲烷对海洋环境的影响方面来分析.

从微观上来说，当海水温度、压力发生改变时，天然气水合物的稳定边界条件受到破坏，就会分解生成甲烷气和水(Zhang and Xu，2003).从宏观上来说，海平面下降和气候变暖是天然气水合物大规模分解的两大主要因素.海平面的下降可改变海底沉积物的压力，导致天然气水稳定边界条件受到破坏，释放出大量的甲烷气(彭晓彤等，2002; 孙美琴等，2012)；气候变暖一方面导致温度较高的流体海流流向发生变化，进而引发某个天然气水合物蕴藏地点的甲烷气释放，另一方面导致海水温度升高，可能造成天然气水合物的分解，因为海水热容量大，底层海水的升温不会很明显，同时气候变暖引起的海平面上升，导致作用在天然气水合物上静水压力增加，从而可部分或完全抵消海水温度升高对天然气水合物的影响(彭晓彤等，2002).

天然气水合物分解的大量甲烷进入水体后，一部分的甲烷首先溶解于水中，海水密度降低了，从而溶解大气甲烷的能力也就减弱了(McGinnis et al.，2005).甲烷在海水中的溶解度很低，大部分甲烷会以气泡(气量少)或羽状流(气量多)的形式在海水中运移(Damm et al.，2005).一般情况下，一旦水合物稳定条件遭到破坏时，水合物快速分解释放出大量的甲烷气，在海水中形成甲烷羽状流，这可能演变为甲烷引发的海洋喷发(Zhang，2003; Ryskin，2003).甲烷气泡在海水中运移的过程中，会与喜氧微生物发生耗氧甲烷氧化反应，使海水中的氧含量降低，生成CO₂(Valentine et al.，2001).海洋生物大都需要从海水中吸取氧气以维持生命活动，若耗氧甲烷氧化消耗了海水中的大量溶解氧，造成海水缺氧进而导致海底生物灭绝.研究表明，天然气水合物分解是导致生物灭绝的主要因素，海洋缺氧是导致海底生物灭绝的直接原因(Dickens et al.，1997; Katz et al.，1999; Bains et al.，1999; 王淑红等，2004).CO₂的增多会促进海底碳酸盐矿物的溶解，同时，甲烷氧化使得海水中碱度降低，从而可能发生海水淡化的现象(陈忠等，2006).

由上可知，羽状流中的甲烷气体会导致海洋溶解大气甲烷能力减弱、海洋生物缺氧和海水淡化现象，所以，羽状流对海洋环境有影响.

3.2 羽状流对大气环境的影响

天然气水合物释放的主要气体是甲烷，甲烷是继CO₂之后的第二大温室气体，水合物中的甲烷含量是大气甲烷总量的3000倍(Kvenvolden，2000)，对全球气候变暖影响的潜力是CO₂的25倍(Kvenvolden，1988)，同时，甲烷还是温室气体CO₂的潜在来源.

水合物释放的大量甲烷气以羽状流的形式注入海水中，甲烷释放增加海水中溶解态甲烷的浓度，甲烷气泡将从过饱和的海水中运移到海面，挣脱水体的束缚，释放出的甲烷进入到大气圈中，使得大气中甲烷浓度增加(王淑红等，2004; 陈忠等，2006).

但是，关于水合物释放到大气圈的甲烷量是否足以导致全球变暖仍有争论(彭晓彤等，2002).早期的研究大多忽略了海底天然气水合物分解释放甲烷后的物理与生物化学作用，后期研究发现，甲烷在海水中运移的过程中溶解与氧化作用会使得进入大气圈的量减少(于晓果和李家彪，2004; 孙美琴等，2012).在Atlantic type大陆边缘，甲烷在从海水运移到大气的过程中时，会与海水中的微生物发生氧化作用，从而使气含量减少至2%，这一现象说明排放到大气圈中的甲烷含量是很少的；Suess等(Kvenvolden，1988)在Cascadia大陆边缘发现释放到海水中的甲烷氧化速率很高，大部分甲烷在到达海水表面前被氧化了，所以进入大气中的甲烷含量也很少.由于海水中耗氧甲烷氧化反应十分强烈，反应速率也很快，因此，可以说耗氧甲烷氧化调节着天然气水合物释放到大气圈中含量的变化.

由上可知，水合物释放的甲烷是否会对大气环境产生影响，还有待进一步研究.

4 小 结 4.1  

海底渗漏的天然气在地壳动力作用下通过沉积层中的运移通道溢出海底而形成气泡羽状流，部分渗漏天然气在合适的环境中将生成天然气水合物.与羽状流和水合物相关的另一重要地质现象是冷泉，世界众多冷泉发育区同时赋存羽状流.

4.2  

羽状流中的气泡与海水之间会产生波阻抗差，根据声学理论，声波在传播过程中遇到介质不均匀处会向各个方向发射散射波.由此，可以通过声呐系统和地震方法探测到羽状流.因声呐系统所用声波频率高，分辨率也高，使得羽状流的成像清晰；但地震方法也具有勘探面积大、成本低、区域勘探等优势；海底摄像能够直接对海底羽状流进行实时观察，从而获得最有价值的基础资料.

4.3  

水合物赋存区域未必一定会有羽状流，只有当温压条件改变下水合物分解产生大量气体时，且有运移通道前提下，海水中才会有羽状流现象.海底渗漏的天然气经运移通道也可以直接溢出海底形成气泡羽状流，所以，有气体泄漏或羽状流区域未必一定存在水合物.

羽状流中的甲烷气体会导致海洋溶解大气甲烷的能力减弱、海洋生物缺氧和海水淡化现象；水合物释放的甲烷是否会对大气环境产生影响，还有待进一步研究.

4.4  

综上，天然气水合物是人类重要能源，海底渗漏的表现形式—羽状流可以作为沉积层中天然气水合物和烃类聚集的指示.同时，海底渗漏气体的主要成分甲烷也可能会影响海洋环境和大气环境的变化，因此，羽状流既联系着沉积层中的水合物，又与海洋与大气相关，值得进一步深入探讨和研究.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！