地球化学探测：探寻海底天然气水合物蛛丝马迹

2017-08-18 第276期更多精彩 广海局

天然气水合物埋藏于海底深处的沉积物中。那么，它在海底表层会留下蛛丝马迹吗？

如果在海底表层发现蛛丝马迹，能判断下面存在天然气水合物吗？答案是肯定的。中国地质调查局广州海洋地质调查局的科学家们经过长期的研究，已经形成了一套专门用于天然气水合物探测的化学分析测试技术。

天然气水合物的主要成分是甲烷和水。其形成的必要因素之一，就是存在充足的甲烷气源。甲烷分子体积小，扩散性强，可以通过沉积物间的微小孔隙扩散到海底表面。在此过程中，在细菌的作用下，甲烷会发生一系列化学反应，产生一些独特的化学成分。天然气水合物调查中的地球化学探测，就是基于这些化学反应而展开的。

关键词：甲烷、硫化氢、“SMI界面”

在地球化学探测技术中，最简单便捷、有效可行的方法，就是测试海底表层沉积物中的甲烷含量。通常情况下，深海海底十分贫瘠，有机物质极度缺乏，沉积物中甲烷含量也很低，大概是几个到十几个ppm（1ppm等于百万分之一）。在天然气水合物存在的海底，表层沉积物中的甲烷含量则会偏高成百上千倍，而且随着深度增加，甲烷含量会呈现指数级的增长。

除了甲烷以外，判断水合物存在的另外一种标识 物就是硫化氢——一种具有臭鸡蛋味道的气体。硫化氢的形成，也和甲烷存在直接的关系。在海底沉积物中，溶解有一定的硫酸根离子。硫酸根离子具有氧化性，而甲烷具有还原性，二者相遇，在细菌作用下会发生化学反应，生成硫化氢和二氧化碳。因此，沉积物中硫化氢和二氧化碳含量的异常偏高，也可成为天然气水合物存在的证据之一。海上调查时，对二氧化碳的检测需要大型精密的仪器，而对于硫化氢的检测，靠科学家的鼻子就可以。因此，在样品描述记录表上，往往可以看到对硫化氢气味描述的词语：轻微、轻淡、较强、浓烈等。

沉积物中硫酸根和甲烷相遇产生硫化氢的层位，在科学论文中称为“硫酸盐—甲烷氧化还原界面”，简称“SMI界面”。在天然气水合物存在的区域，沉积物中SMI界面埋藏较浅，例如在南海北部陆坡东部海区，海底SMI界面的深度约为8米左右，通常的取样手段很容易达到。通过对SMI界面的研究，可以大致推断本区深部存在天然气水合物的可能性、深度、矿藏分布特征等。因此，SMI界面在天然气水合物调查和研究中，是重要和基础的科学依据。

化学分析测试现场工作照

天然气水合物中的水成分

天然气水合物的成分中除了甲烷，就是水，而且是淡水。而海底沉积物中的水和海水一样含有大量盐分。天然气水合 物在形成的过程中，需要把水中的盐分排出，这样就会造成海底沉积物中水的盐 分偏高。而在天然气水合物分解过程中，释放出的淡水盐分明显降低。因此，可以根据对海底沉积物孔隙中的水（称为孔隙水）含有盐分的偏高或者偏低，来对天然气水合物的形成和分解过程进行研究。常用的方法，是将海底沉积物中的孔隙水“榨取”出来，然后使用离子色谱仪来测定阴阳离子的含量。

海底沉积物中的甲烷从哪里来?

科学家经过研究发现，海底甲烷的成因主要有两种：热成因和生物成因。热成因就是从地球内部逸出来的，生物成因就是微生物分解有机质而产生的。区分甲烷的这两种来源，要借助一种大型仪器——稳定同位素质谱仪，通过甲烷中碳元素的同位素组成的比值，来判断甲烷出身何处。

随着科学技术的发展和调查研究的深入，越来越多的高精尖分析仪器用于天然气水合物的探测。近年来，广州海洋地质调查局研制的“天然气水合物流体地球化学精密探测系统”是国家“863计划”研究成果。该系统可放入海底直接进行采样和测试，成为了天然气水合物地球化学探测的利器。

多道地震水下缆源展布

多道地震采集技术

随着近20年的可燃冰勘探，多道地震采集技术的进步主要体现在激发震源技术、水面拖缆采集技术、海底地震采集技术、垂直缆采集技术、综合地震立体探测技术五个方面。

1激发震源技术

是各类多道地震采集技术的核心，合适有效的震源可以有利识别BSR、分析速度异常等。“十二五”期间研制的50千焦超大能量等离子体震源,地层穿透深度超过1000米。多类型、多能级、多频带范围震源技术，提高了可燃冰识别的针对性和可靠性。

2水面拖缆采集技术

是获得BSR显示的重要手段。早期利用拖缆二维地震技术先后在东沙、神狐、西沙海槽、琼东南等海域初步圈定了BSR分布区带。2005年开发的准三维地震技术，实现了反射点精确定位，为2007年神狐海域钻探取样成功获取可燃冰样品提供了技术支撑。2013年以来，应用小道距三维拖缆采集技术，进一步提高了数据的纵横向分辨率。

水面拖缆采集监控系统

3海底地震采集技术

可接收海底纵横波，弥补水面拖缆窄方位角、陷波、无横波信息、多次波干扰等缺点，为可燃冰储量预测提供丰富的多波信息。中国地质调查局广州海洋地质调查局与中科院地质与地球物理研究所携手合作，成功研制高频海底地震仪 HF- OBS，2008年以来在三维地震与海底地震联合探测中得以成功应用。2010～2016 年，在国家专项支持下，研制形成多频段4C海底地震仪（IMF-OBS）。

4垂直缆采集技术

是将多节点水听器阵列垂直布放于水体中记录三维声波场，具有信噪比高、宽频、广角、易于多次波识别等优势。“十二五”“863”计划《天然气水合物地球物理立体探测技术》研发形成的集中式垂直缆地震系统，可有效识别去除多次波，实现广角宽频三维采集，适用于可燃冰调查局部非常规成像。

自主研制垂直缆采集系统

5综合地震立体探测技术

是以上地震采集多技术手段的有效结合。2006年以来，采用三维与海底高频地震联合采集方法，开展了可燃冰储层的多波勘探。“十二五”形成的地震立体探测技术，联合使用分布于水体不同深度范围的震源和检波器集，组成立体广角全方位探测系统，实现同步观测。针对2017年神狐海域试采区的立体联合探测发现，分布在钻探区西北部的以花冠状“气烟囱”为主体的扩散型流体运移类型，是可燃冰形成的重要气源保障。

综合地震立体探测技术体系

利用综合地震立体探测技术获得解释剖面

近年来，海洋可燃冰地震特殊处理与识别技术也处于不断攻关和持续发展中。中国地质调查局广州海洋地质调查局针对海洋可燃冰的储集特征，开展了海底地震、天然气水合物二维、三维地震特殊处理、地震深度域偏移成像、叠前、叠后多参数正反演、天然气水合物识别技术和资源量评估参数提取技术等 研究，取得了一批创新性成果，清晰地揭示了可燃冰的地震学标志BSR的展布范围，以及与可燃冰形成密切相关的断裂和运移通道系统，解决了实际生产中的许多技术难题，取得了显著的勘探成效，为国家海域可燃冰勘探开发提供新的高技术支撑，其技术水平整体达到国际先进水平。