海底浅层气主要分布于河口与陆架海区的浅沉积层中，既是一种常见的地质现象，又是十分危险的地质灾害诱发因素^[1]。据调查，在美国墨西哥湾、英国北海、印尼爪哇岛、阿拉斯加海湾、波斯湾、加勒比海等水域，都曾发生因对浅层气调查不足而造成的严重灾害^[2]。我国近海海底也分布着大面积的浅层气，如辽东湾、山东半岛滨浅海^[3]、南黄海平原中部浅海地带、废黄河三角洲、苏北浅滩^[4]、长江口水下三角洲前缘和前三角洲相、杭州湾、浙江近岸、珠江口、北部湾^[3]、琼东南等区域。

浅层气会改变沉积层土质的力学性质，对工程造成一定的影响，比如，浅层气可能导致地表下陷，致使海底构筑物发生倾斜倒塌，还会造成海底管线的断裂，桩基倾斜等灾害。另外海底的含气沉积物还会对海底管线产生腐蚀。因此，探测和识别海底浅层气存在和分布特征，为海底工程铺设和维护提供依据十分必要。

研究区位于舟山群岛东极岛东侧（图 1），东邻东海，西连舟山群岛。底质类型主要以黏性土为主。潮汐类型属于半日潮海区。

1 研究方法

本文主要利用浅地层剖面仪、侧扫声呐系统等地球物理方法对研究区浅层气特征进行识别，发现研究区内高分辨率的地层反射剖面中存在“反射模糊区”，海底表面存在海底凹陷，然后在反射模糊区和海底凹陷内采用静力触探（CPT）测试，结果显示该区域地层中有含量较高的溶解甲烷，研究了该区海底浅层气的基本特征。

1.1 浅地层剖面仪

浅地层剖面仪采用SES-2000标准型参量阵浅地层剖面仪，该仪器在高压下可同时向水下发射两个频率接近的主频高频声波信号（F1、F2），当穿过水体时，产生一系列二次频率，其中一个高频主频（F1）用于探测海底深度，而两个主频之差（F1-F2）则用来探测海底浅地层剖面。其最大特点就是换能器可选择高频和低频，且低频发射波的波束角小，从而具有较大的穿透深度和较高的分辨率，适用于浮泥、淤泥和沉积层等浅部地层的详细分层及浅层气的探测。

1.2 侧扫声纳

侧扫声纳采用KLEIN-3000型侧扫声纳系统，该仪器是主动声纳的一种，是海洋探测的重要工具之一，主要用于探测海底地形和沉积物分布。其主要原理是通过使用声学换能器向沿着航迹的两侧海底发射低入射角（10~20°）扇形波束高频声脉冲（10~500 kHz），然后接收回波信号，根据回波信号的强弱，形成海底面的地貌特征图。

1.3 静力触探（CPT）

静力触探（CPT）是世界上广泛采用并用于确定土质和孔隙水特性的原位岩土工程勘察方法，通过对锥尖阻力和侧壁摩阻力的分析，CPT数据可提供浅层土的特性和土层的详细信息。本次选用的CPT设备其探头配有薄膜界面探测器（MIP），可以探测出浓度较低的甲烷和硫化氢等气体，MIP-CPT非常适合用于海底浅层气的探测。

在MIP-CPT探头贯入过程中如遇上气体，气体将被热分解，然后通过半渗透性的MIP薄膜扩散，通过电缆里的毛细管传输到船舶甲板上的控制和检测装置上。该装置上配备3个气体检测器：照片电离检测器（PID）、火焰电离检测器（FID）和干电解电导检测器（DELCD），检测器会持续不断的检测输送过来的气体，甲烷只会单独在FID上识别，而硫化氢可在DELCD和PID上识别。

1.4 测线布置

沿SW-NE向布置浅地层剖面测线11条，每条测线长1 km，测线间隔25 m；沿SE-NW向布置侧扫声纳测线6条，每条测线长0.5 km，测线间隔50 m；沿SW-NE向布置侧扫声纳测线2条，每条测线长1 km，测线间隔50 m；另在中心区域布设四个CPT孔位（图 2）。

2 研究区浅层气特征 2.1 海水中的反射

云雾状反射是指海水中没有任何固定几何形态特征的斑点状反射，通常出现在下方地层有埋藏浅层气的地区^[5]。

图 3是研究区云雾状反射浅剖记录，剖面中1、2、3区海水中有明显云雾状反射特征，区内海水反射形态较为规则，以云雾斑点状反射为主，均匀柱状发育，其下方有明显地层反射模糊区，海底地层层理无法识别，这三处云雾状反射下方的浅剖反射模糊区顶界面埋深较浅，海底面可见明显海底凹陷。

2.2 地层中的剖面反射

（1）声学幕。声学幕在反射剖面上由伸展宽度有限的声学屏蔽（常为亮点）屏蔽下伏地层反射信号而形成的^[6]。一般是由于发育的浅层气阻止了反射波的透射并屏蔽下部地层连续层理，其两侧出现明显的垂向边界。Garcia-Gil^[5]指出声学幕顶界面经常呈凸形或尖顶形，出现相位反转的强反射面，并出现两侧反射相位下拉。

图 4为研究区内浅剖记录的声学幕反射，图中可见两个比较明显声学幕反射，声学幕下部层理完全被屏蔽，其顶部两侧可见地层下拉痕迹，清晰完整地层将声学幕包裹，形成浅层气气囊。

（2）声学空白。声学空白指由上部连续或者断续的较强的反射界面完全屏蔽下部地层声学信号，所形成的大片屏蔽区^[5]。这主要是由于各区域沉积物中富集的有机质含量不同，浅层气不均匀分布，常常呈团块状富集于某一区块或者几个区块。

图 5为研究区声学空白反射的浅剖剖面图像，下部地层完全被屏蔽，形成范围较大的团状浅层气。

2.3 海底面反射特征

海底凹陷。海底凹陷一般是由于海底大量的浅层气聚集导致气体浓度升高，压力增大，由于气体溢出，造成地层不均匀下陷，对于气顶埋深较浅的区域，海底可能形成大型的海底凹陷。通常海底凹陷形态不规则，地形起伏不平，凹陷内可见杂乱堆积。

图 6可见三个比较明显的海底凹陷，北侧凹陷长约260 m，宽约110 m，面积约2.2×10⁴ m²，深度约1.5 m。中部凹陷长约380 m，宽200~280 m，面积约8.4×10⁴ m²，深度约1.5 m，该凹陷内堆积物较为杂乱，凹陷内地形起伏较大，发育有不规则的海底小凸起。南侧凹陷长约480 m，宽40~110 m，面积约3.3×10⁴ m²，深度约1.4 m。三个凹陷边缘可见明显的塌陷痕迹。

2.4 静力触探（CPT）中的浅层气反映

静力触探（CPT）钻孔ZK1~ZK4资料显示，研究区海床下30 m范围内土质大致相同，2~3 m以上以淤泥为主，3~30 m以黏性土为主。黏性土为非常软到稍硬，强度低至中。

ZK1孔FID值从海床下0.5 m至终孔深度范围内有较大的反应（图 7），信号最大达600 mV，DELCD及PID反应一直维持在原始基线值，反映该孔内没有发现游离气，在孔隙水中有高浓度溶解甲烷。

ZK2孔FID值从海床下0.5 m至最后终孔深度有中度的反应（图 8），信号最大值近500 mV，DELCD及PID反应一直维持在原始基线值，反映该孔内没有发现游离气，但在孔隙水中有中浓度溶解甲烷。

ZK3和ZK4孔FID值从海床下0.5 m至终孔深度有较低的反应，信号最大达250 mV，DELCD及PID反应一直维持在原始基线值，反映这两个孔在孔隙水中含有低至中浓度溶解甲烷。

2.5 浅层气分布

根据分析结果，利用浅剖资料圈定研究区内的浅层气埋深范围（图 9）。

研究区中北部广泛发育浅层气，呈SW-NE向分布，NE-SW向长约600 m，NW-SE向宽约400 m，气顶埋深1~13 m之间，北侧及西侧浅层气一直延伸到研究区外，这个范围内有两个区域浅层气气顶埋深较浅，最浅处埋深仅有1 m左右。

研究区中部浅层气呈SWW-NEE向分布，长约500 m，宽约100 m，气顶埋深1~13 m之间，南西侧及南东侧浅层气一直延伸到研究区外，这个范围内有一个区域浅层气气顶埋深较浅，最浅处埋深仅有1 m左右。

研究区南侧边缘有少量浅层气发育，由于测线原因未能完全覆盖其范围。

3 讨论 3.1 海底凹陷与浅层气关系

研究区内有三个较为明显的海底凹陷，凹陷边缘可见地层层理下拉现象，凹陷内沉积物杂乱堆积，发育有不规则的海底凸起，中部海底凹陷内这种现象尤为明显。

如果海底沉积物中含有浅层气，随着含气量的增加会引起土体膨胀，孔隙压力增大，有效应力降低，从而破坏了土体的骨架结构，增大了土的压缩性，降低了土的抗剪强度^[3]，在伴随浅层气溢出的过程中，造成浅层气富集区海底沉降，形成海底凹陷。

在研究区中北部发育有两个浅层气富集区（图 9），其中北侧浅层气富集区范围内发育有两处海底凹陷，中部浅层气富集区范围内发育有一处海底凹陷，海底凹陷范围与浅层气气顶埋深较浅范围基本一致，就是由于浅层气溢出后，海底沉积物不均匀下陷形成的海底凹陷。

3.2 云雾状反射与浅层气关系

研究区内多条浅剖测线结果显示，浅层气富集区对应的海底凹陷范围内海水中均可见不同程度的云雾状反射，笔者近年来多次分别在不同季节在该区域进行过相关工程调查，这些区域内在不同时间完成的浅剖剖面显示海水中均可见相似的云雾状反射，同时在该区域历次不同季节的工程调查过程中均未见渔网及渔船痕迹。

该云雾状反射显然与鱼群及混水团无关，因为鱼群或是混水团是移动的，其边界是不规则的，而研究区内海水异常反射边界规则，与海底凹陷范围一致，呈现自海底向上形成与海底连接的特征。排除鱼群、渔网及海水中悬浮颗粒物的影响，本区内海水中的声学云雾状反射应该就是由于浅层气作用而形成的。

3.3 浅层气成因讨论

浅层气根据成因可分为两种类型^[7]。一种是生物成因，主要成分是甲烷气体，大量的陆源碎屑物质在海底沉积时，带来了丰富的生物碎屑和有机质，菌类从腐烂的有机物中分解出甲烷，形成含气沉积物，这类浅层气几乎不含重烃，烃类气体中多为富重碳同位素。另一种是热成甲烷成因，是在海底下2 000 m以下的有机质在高温、高压作用下，由于干酪根裂解，形成碳氢化合物^[8]，沿着岩层空隙、裂隙、断层面上升、运移、聚集形成浅层气。

晚更新世以来舟山群岛处于海底以下，连续接受陆源碎屑沉积，其物源主要来自长江、钱塘江，冰后期丰富的长江、钱塘江物质，在该区域交替沉积了数套富含有机质的淤泥层和砂层。淤泥层中腐殖型为主的有机质，在厌氧菌的生物化学作用下，产生的浅层气（主要成分是甲烷），可以经过运移、富集、储集在含砂地层透镜体或砂质纹层中，形成许多超浅浅层气藏^[9]，也可以呈游离状分散在区域层间，形成大范围的含气沉积物。

研究区处于长江、钱塘江沉积范围内，现代沉积作用强烈，河流携带沉积在河口的物质中有机质丰富，且极少存在断裂，缺少属于热成甲烷的浅层气的运移通道，所以可以认为研究区分布的浅层气属于生物成因浅层气。

限于资料限制，区内浅层气生成年代有待进一步研究。

4 结论

（1）本区浅层气较为发育，地球物理特征较为典型：①海水中存在云雾状反射；②海底面发育有海底凹陷，中部凹陷内有不规则海底凸起；③浅剖剖面中可见声学幕及声学空白等反射特征。

（2）本区海底凹陷是由于地层中浅层气溢出，造成浅层气富集区海底沉积物不均匀沉降形成的。

（3）浅层气会改变沉积层土质的力学性质，会对海洋工程造成一定的影响，研究区附近有海底管道工程，研究浅层气特征对海底管道安全运营十分必要。

致谢: 感谢杨文达教授级高工对本文的悉心指导！