张明 伍忠良 刘方兰
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
第一作者简介：张明（，1957—），男，教授级高工，主要从事海洋地质、地球物理勘探和天然气水合物研究。
摘要 从1999年开始，我国已经在南海北部陆坡实施了25个天然气水合物资源调查航次，取得了许多重要地质成果和认识，积累了不少宝贵的勘探经验。本文将对我国天然气水合物10年外业调查技术，历程和发展做一总结，为后续的天然气水合物调查提供铺垫和借鉴。
关键词 水合物调查 高分辨率地震 样品取样
1 前言
气体水合物的发现虽然可追溯至1810年，但人们对海洋天然气水合物的认识始于20世纪70年代中期，美国在阿拉斯加北部的普鲁德湾油田采得了世界上第一个天然气水合物样品。
20世纪90年代以来，天然气水合物调查研究在世界范围内迅速扩大和深入，调查研究的深度、广度以及调查技术水平大大提高。各国对水合物的研究给予了高度重视，设立了专项调查航次，目前，世界上对天然气水合物的调查研究方兴未艾，全球海域天然气水合物矿点的发现与日俱增。
从1999年开始，我国已经在南海北部陆坡实施了25个天然气水合物资源调查航次，取得了许多重要地质成果和认识，积累了不少宝贵的勘探经验。调查方法和调查手段也由开始单一的二维地震方法进入到了一个包含了二维高分辨多道地震、准三维多道高分辨地震为主的地球物理、地质取样、地球化学等多手段、多学科相结合的阶段（表1），并且随着勘探实践中新问题的出现，调查方法和调查手段也在不断地更新和调整之中。
表1 天然气水合物资源调查技术方法 Table 1 The technologies used for gas-hydrate survey in south china sea
2 地球物理调查
1999年在国内有关单位（如中国科学院兰州冰川冻土研究所和国土资源部广州海洋地质调查局）和学者对国外天然气水合物调查研究情况进行了跟踪调研和文献整理的基础上，国土资源部广州海洋地质调查局开展了天然气水合物的实际调查。地震调查是天然气水合物调查的主要方法，虽然有前人的研究和国外调查工作的借鉴，但在采用什么样的方式上仍经过了充分和激烈的讨论，最终根据我们的现有条件确定调查的主要方法，因此确定了首先开展地震调查工作，采用高分辨二维多道地震调查技术方法，目的是寻找天然气水合物的地震识别标志— —BSR，此外还采集到更多的地球物理信息，如地震纵波速度等，同时可以利用地震资料处理手段使得BSR 等天然气水合物的地震识别标志的判别更有依据。实践证明，二维高分辨率多道地震勘探技术在海洋水合物调查中是行之有效的，不仅可以发现与水合物相关的地震异常信息，如BSR、振幅空白带、速度异常带、BSR 波形极性反转等等。而且可以揭示与水合物形成发育密切相关的中浅部地层结构、构造及沉积特征，该方法已经在我国南海北部海域水合物调查中得到成功的应用，为天然气水合物资源评价奠定了坚实的基础。
2.1 二维地震调查采集参数的确定
调查伊始，参考了油气勘探高分辨地震调查的参数设置，随着对天然气水合物地震识别标志性质认识的提高，感觉完全按照油气勘探的方法不能达到最佳的效果，因此借助于863研究项目的支撑，从2001年开始进行天然气水合物的赋存环境及其特定地震调查方法选择研究、天然气水合物地震数据采集调谐组合系统及其试验参数的选定研究，特别是开展了有利天然气水合物勘探频带和主频范围探索、研究，主要围绕“突出海洋天然气水合物存在的主要特征，即似海底反射（BSR）而展开。通过大量的实际试验和分频处理等地震勘探频率与BSR响应关系的研究，认为：0～40 Hz频段滤波，BSR 可以连续追踪，地层细节不清晰；40～70Hz频段滤波，BSR 连续性较好，地层细节也较为清晰；当滤波频率为100～120H z时，海底和BSR强反射界面变成多个反射界面，某些地层细节可以突出，对BSR的连续性识别不利。及120～150Hz水合物特征基本不变化，对水合物特征的识别贡献不大（图1～3）。
通过地震勘探频率与BSR 响应关系的研究，认识了我国南海北部陆坡水合物地震勘探的最有利勘探频带和主频范围，从而，为综合研究“水合物勘探缆源沉放深度、虚拟反射等一系列调谐组合参数”从而确定外业采集参数奠定了基础。根据确定出来的勘探频带为10-120 H z和主频为40-70 H z的原则，模拟计算出来的结果表明（图4）：震源和电缆的沉放深度为5米和6米的组合较为合适。这样在同样的激发能量的情况下，将主要的能量集中在主频范围内，可以提高采集资料的信噪比，突出BSR的识别，同时兼顾BSR 与地层反射界面关系的识别，而且有利于海上的作业开展，初步形成了一套适合于我国南海北部陆坡天然气水合物勘探的高分辨率二维地震勘探技术方法。
根据上述的研究成果，在南海天然气水合物高分辨率二维地震勘探采用的采集参数基本上得到了遵循（表2），以及后续的高分辨率准三维地震调查也是参考了这些参数。
图1 高截滤波分别为40Hz和70Hz时的效果对比图Fig.1 The com pares in different high cut filter
表2 南海北部陆坡典型的调查参数表 Table 2 The typical seismic param eter used in south china sea gas hydrate survey
2.2 准三维多道地震调查
随着天然气水合物勘查的深入，围绕钻探的要求，在“863”课题“南海北部海域天然气水合物首钻目标优选关键”的成果基础上逐步发展完善高分辨率准三维地震调查。在原来高分辨率二维地震采集技术的基础上，主要考虑了通过对面元大小等准三维采集参数的优选，利用R G PS相对定位技术，对震源中心、电缆头部和电缆尾部进行了定位，以“震源中心”、“电缆头标”、“电缆尾标”为基本节点，罗盘数据为基本的方向数据准三维缆源定位技术、准三维调查“导航定位网络配置”技术以及优化和改善震源稳定性，最终形成三维数据体。
图2 HD173-2近道单次剖面（40～70Hz滤波）Fig.2 The result picked on near channel（Filter 40～70Hz）
实际上从2004年开始在南海北部开展水合物三维地震调查，获取了调查区的三维地震信息，使勘探目标得到有效归位，获得了更为清晰的天然气水合物地震响应信息（图5），同时还解决了常规二维地震调查所不能解决的一些问题，如获得精细的三维速度分析体、准确的地层偏移地球物理信息、水合物富集层内的细致信息、利用三维可视化技术分析水合物钻探目标的空间分布特征等[1]，提高对天然气水合物有利目标的评价精度。通过开展准三维高分辨率地震调查，无论是BSR、振幅空白带，还是BSR 下的增强发射都得到比二维资料更清晰的反映[2]。
3 样品采集
在天然气水合物的调查中，除了地球物理调查外，从2001年开始进行以天然气水合物为调查目的地质样品采集，目的是通过不同的取样手段获得与水合物有关的沉积物样品，从而为进一步的测试提供基础。根据底质和对样品本身要求的不同，站位地质取样调查主要采用以下的取样方式：大型重力活塞柱状取样、重力柱状取样、抓斗取样、深海拖网取样和保温保压取样（图6）。前四者在地质调查航次中已经普遍采用，而保温保压取样只是在部分航次调查中进行了尝试。
图3 HD173-2远道单次剖面（40～70Hz滤波）Fig.3 The result picked on far channel（Filter 40～70Hz）
在这些手段中，箱式取样、抓斗取样、电视抓斗取样都是采集海底浅表层0～50 cm的底质样品，箱式取样能采集到表面原状不扰动样品，电视抓斗则是根据甲板监控有选择性采集海底表层样品，例如贝壳、碳酸盐岩结壳等。拖网主要是获取海底表层块状或大粒径的目标物，例如海底生物、岩石、贝壳等。重力柱状取样是采集短柱状样品，长度一般小于300 cm，大型重力柱状取样器和重力活塞取样器能采集相对长的柱状样品，一般在500 cm～1200 cm 之间。保温保压取样是对重点目标区域采集原状海底柱状样品。
10年里，总共执行了17个地质（综合）航次的调查，共取得表层样共225个，重力柱状取样833个，重力活塞取样226个等（表3）。
由表3可以看到无论从取样站位和现场测试项目，根据天然气水合物地质和地球化学调查的目的，柱状（包括活塞）是天然气水合物调查样品取样的主要手段，也是比较有效的手段，但鉴于目前分析的SMI界面深度，今后要考虑的是增加取样的长度。至于保温保压取样，过程及作业比较复杂，因此，使用此种手段应更有针对性。
图4 缆源沉放深度与地震频响示意图Fig.4 The calculation results of frequency response with streamer/source depth
表3 2000～2008年地质样品采集完成的工作量（单位：测站） Table 3 The statistics of sampling stations
图5 天然气水合物准三维地震调查效果Fig.5 The result of pseudo 3D seismic survey of gas hydrate
3.1 海底摄像资料采集
深海摄像系统为拖缆作业，工作时安装在拖缆末端的水下信标可以获取图像对应的水下位置信息；同时也可以在深海摄像系统的水下单元上安装传感器以获得相应的测线信息，如安装甲烷传感器对海底天然气水合物的特征判别等等。
自1999年开始以天然气水合物为调查目的深海摄像数据采集以来，深海摄像系统先后执行了17个航次，完成深海摄像共325个测站。其中2001年，在某测站发现天然气水合物赋存标志——碳酸盐结壳。该站位位于调查区中部海槽北部陆坡上缘，拍摄区间水深1080米至11 30米。该海底碳酸盐结壳分布有较多圆形孔穴，空穴边缘多呈直角，明显不同与其他地区见到的生物孔穴（图7）。
2003年，在另一站位发现了水合物之赋存的又一标志——双壳类生物及菌席以及2008年在另一测站发现了大面积块状的碳酸盐结壳，此测站发现的碳酸盐结壳无论从其规模、固结程度、厚度方面都强于其它测站。
在海底摄像的调查中，尽管没有直接发现天然气水合物。但是，具有重要代表特征的碳酸盐结壳以及双壳类生物及菌席的发现，对我们认识天然气水合物具有重要的指导意义。
3.2 地温资料采集
由于天然气水合物赋存于高压低温的环境中，因此开展地温梯度测量，从而了解调查区的温度和压力变化以及热流等也是有必要的。在我们的天然气水合物的地温场测量中，主要采用的是Ewing型设备，即在海上进行地温梯度测量，同时将采集的沉积物样品在室内进行热导率测试，然后进行热流计算。Ewing型设备是把装有热敏电阻的小型探针按不同角度外挂在钢矛或取样管（包括重力取样和活塞取样）外壁的不同位置上，由小型探针测量出不同深度沉积物的温度，求出原位地温梯度，而同步采集的沉积物样品在室内进行热导率测量，由地温梯度及热导率值计算出沉积物热流值。
图6 海底浅表层取样设备Fig.6 equipments of sampling
自2004年开始进行以天然气水合物为调查目的的海底地热流测量，在2004年～2008年共5年中，先后执行了9个航次，完成海底地热流共212个测站，室内热导率测量811个。
但从调查的结果看，BSR 导出的热流值与实测热流值、热流估算的天然气水合物稳定带底界与BSR 深度是有差异的，其原因可能有二。一是实测的地温梯度只反映了浅表层的几米情况，地温梯度往下（几百米内）的变化趋势遵循什么规律需要进一步研究；二是从实测数据计算的结果反映的是区域的背景值，而恰好有天然气水合物赋存的地方（BSR显示）就与区域背景有差异（异常）。究竟是什么原因值得深入研究，才能更好得发挥其在天然气水合物调查中的应用。
图7 通过海底摄像发现海底碳酸盐结壳。左图为海底摄像位置，右图为拍摄到的海底碳酸盐结壳Fig.7 Carbonated crust from video survey Location（left）and Carbonated crust（right）
4 小结
天然气水合物勘查方法主要包括地球物理方法、地球化学方法及地质方法。其中，地震勘探方法是目前最为广泛的天然气水合物勘探方法，其实质是发现沉积物中分布的水合物的底界在地震剖面上形成的异常响应——似海底反射（BSR）。此外，通过地球化学勘查技术识别海底浅部沉积物中的天然气地球化学异常，也能够为圈定水合物矿体提供重要佐证。
当然，随着技术的发展和天然气水合物勘查的需求，还有其他的技术在探索应用，如O BS技术已经开始应用于水合物调查中，以及可控源电磁法也准备投入应用，这都基于能获取更多的信息（如横波）和天然气水合物电阻特性考虑的。
参考文献
[1]梁金强，郭依群，沙志彬等.南海北部神狐海域天然气水合物准三维地震调查（2005年度）成果报告（内部报告），2006
[2]张明，伍忠良，天然气水合物BSR的识别与地震勘探频率海洋学报”，2004
Study of Explorational Techniques for Gas Hydrate in South China Sea
Zhang Ming Wu Zhongliang Liu Fanglan
（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760）
Abstract:There are 25 cruise have been carried out for gas hydrate since 1999 in South China Sea.And there are different ways have been used to try getting more information and evidence for gas hydrate in South China Sea.The article tell the experience in these activities.
Key words:Gas hydrate survey,High resolution seismic,Sampling
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