海洋天然气水合物及相关浅层气藏的地球物理勘探技术应用进展*

——以黑海地区德国研究航次为例

邢军辉， 姜效典， 李德勇

(中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)



海洋天然气水合物及相关浅层气藏的地球物理勘探技术应用进展*

——以黑海地区德国研究航次为例

邢军辉， 姜效典， 李德勇

(中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

摘要：本文根据作者在德国留学期间参与的航次、科研以及文献资料，介绍了迄今为止国际同行，尤其是德国的科研工作者在黑海地区勘探天然气及天然气水合物所采用的地球物理勘探方法，包括高分辨率多道地震勘探方法、浅地层剖面方法、旁扫声呐方法、多波束测深方法以及卫星成像海面调查方法，这些常用及最新的方法技术已经获得了很好的效果。借此，可以为中国的天然气水合物的勘探工作以及勘探方法提供一定的思路。

关键词：天然气水合物；地球物理勘探；黑海；浅层气

21世纪以来，世界天然气水合物的研发取得了一系列新进展和技术的进步，其中海洋地球物理勘探技术的不断进步，对海域天然气水合物、相关的浅层气藏以及海底渗流点的发现、调查和研究起到了至关重要的作用。由于地球物理勘探方法往往具有多解性，不同的方法其探测的深度和分辨率都不尽相同，为此，科学家们在调查研究过程中经常采用多种地球物理勘探技术相结合的方法，来实现天然气水合物地球物理方法的成功勘探研究。

从1980年代初，美、英、德、加、俄、日、印、韩等国家便相继展开了海底天然气水合物的调查研究，取得了一系列成果。由于德国既无常规油气资源，又无水合物资源,其主要靠发挥技术优势来开展国际合作，以期在未来水合物开发中获益，因此其更加重视勘探技术的更新和研究。黑海地区是目前德国研究天然气水合物的一个重要区域之一，黑海存在大量的天然气水合物和天然气渗漏点及其相关的地质构造，而天然气渗漏点根据水深和海底地形可以分为3种类型：类型一主要分布在水深较浅的陆架和陆坡上部，如在乌克兰、罗马尼亚、保加利亚、土耳其和格鲁吉亚近海发现的大量以生物成因甲烷为主的天然气渗漏点[1-5]。类型二是存在于天然气水合物稳定域带低于725m水深，这种类型的渗漏点较为稀少，主要以格鲁吉亚海区的巴统渗漏点[6-7]和乌克兰海区的“刻赤气焰”[8]为代表，其渗漏的天然气成分以生物成因的甲烷为主伴随着更高的低分子量的碳氢化合物[7-8]。类型三是伴随着特殊的海底地形特征，如海底隆起和海底泥火山。而类型二和类型三可用于指示黑海的天然气水合物储藏的位置。黑海天然气水合物的首次采样是在1974年，这次发现也是世界上天然气水合物在海洋沉积物中的首次直接观测[9]。黑海在理论上适合天然气水合物形成的面积近30万km2，约占整个黑海面积的68%或深水盆地面积的91%[10]。本文将依据以下4个德国航次：R/V Meteor M52(2002),FS Poseidon cruise P317/4(2004)，R/V Meteor M72/3(2007)，和R/V MARIA S. MERIAN MSM 15/2(2010)，来介绍目前所采用的天然气及天然气水合物的地球物理勘探方法以及辅助的卫星成像研究。

1高分辨率多道地震勘探方法

地震勘探是在海洋天然气水合物勘探中最常用、最重要的方法。传统的地震勘探为了能够反映更深层的地层结构，常使用频率较低的震源来获得较大的穿透深度，而忽略了其垂向的分辨率[11]。天然气水合物储层及海底模拟反射层(BSR)往往位于较浅的地层中，且水合物储层厚度在10m以下的所占比例相当大[12]，为了达到更清楚准确地预测水合物的目的，就需要采用高分辨率的地震勘探。

在黑海的R/V Meteor M52和R/V Meteor M72/3的科研航次[13-14]中所采用的就是高分辨率多道地震勘探方法，该套高分辨率多道地震采集系统是由德国不来梅大学地球学院海洋技术与环境工作组自行设计，并根据具体航次的目标来设置不同的系统参数。例如在R/V Meteor M72/3的科研航次中，高分辨率多道地震勘探主要用于调查渗漏点附近的浅部构造，并重点揭示位于海底下方10～50m厚的地层中的浅层天然气及天然气水合物的分布情况。该系统震源使用了GI气枪，其中“G枪”的容积是4.1L，而“I枪”的容积是1.7L，主频范围30～300Hz，该枪被沉放于水面下方约7m深的位置。拖缆长500m，80个工作道，拖缆的沉放深度为3m(正负0.5m)。该系统由GPS实施精确定位。所采集到的地震数据，现场经过Vista地震处理软件进行简单的预处理，选取几个道的数据叠加，获得原始叠加剖面，如下图1可见，在这预处理剖面上，其信噪比、分辨率、成像质量很高，目标构造清晰。

2浅地层剖面方法

在黑海的R/V Meteor M52和R/V Meteor M72/3[13-14]的科研航次中所用到的浅地层剖面仪是固定安装在R/V Meteor船底的Parasound浅剖，其是由德国ATLAS公司生产的全海域参量浅层剖面仪，该设备采用了差频技术，具有波束窄、穿透强和分辨率高等特点，主要用于精确地揭示海底地形和海底以下100m以内的地层结构、断裂和浅层气等，其分辨率高达0.2m。在这2个航次中，根据黑海海域的海底地形情况以及海况影响采用的是单波束浅剖的工作模式，发射主高频(PHF)为18kHz，二次低频(SLF)为4kHz。PHF数据主要用于水体成像，探测气体火焰。SLF数据则用于浅地层成像。在接收时，对PHF和SLF的频率带宽进行设置，参数为12.2kHz，66%的采样率。而对其PHF的振幅进行手动增益，当水深大于800m时，设置为30dB；当水深小于800m时，设置为15dB。对SLF的振幅设置为12dB。因此，水体成像和浅层剖面可同时采集，如在巴统渗漏点采集的PHF和SLF数据，见图2中(a)和(b)。可用于渗漏点的精确定位，及浅层气藏的识别和指导浅钻采样作业等。

(BSR出现在大约200ms深的位置[13]，如图中黄箭头所示。A BSR is seen approx. 200 ms beneath the sea floor[13]indicated by the yellow arrows.)

图1穿过巴统渗漏点的高分辨率多道地震剖面

Fig.1A high resolution multichannel seismic

profile across Batumi seep

((a) PHF数据，巴统渗漏点处的海底气焰成像 Imaging gas flares in the Batumi seep area by PHF data;(b) 同时采集的SLF数据，巴统渗漏点处的浅层地层剖面[14]SLF data, subbottom profile recorded at the same time as the Fig. 3 in the Batumi seep area[14].)

图2PHF(a)及浅层(b)剖面图

Fig.2PHF(a) and Subbottom(b) profile

3旁扫声呐方法

目前在德国科研航次中普遍采用的旁扫声呐仪器是DTS-1，其设有2个工作频率分别对应于不同的工作目标。一个是75kHz，其最大扫描宽度是750m，分辨率是5.6cm，该频率用于对未知的渗漏点的初次探测，并对未知的区域进行成像。而另个频率是410kHz，其最大扫描宽度是150m，分辨率是2.4cm，该高频率用于对已知渗漏点的精细成像。DTS-1旁扫声呐系统所需的船速为平均2.5节。在德国FS Poseidon P317/4[15]科研航次中，该系统被用于巴统渗漏点气焰的探测，及海底地貌的精细成像研究等。如图3、4。对于图4中的反射异常的解释，结合其他数据分析，如采样，无

(图中箭头所指的是反射异常区域，白色指示的是反射强度高。图中黑线指示的是船的航行路线[15]。black arrows in the figure indicating the reflection anomaly, white color shows the high reflection. The black line was the ship direction[15].)

图3经过处理后的DTS-1 75 kHz旁扫声呐剖面

经过巴统渗漏点

Fig.375 kHz processed DTS-1 sidescan sonar

profile across Batumi seep

(在穿过巴统渗漏点的DTS-1 410kHz旁扫声呐剖面中，出现多个同心环状的渗漏点及位于东边的两个清晰的断层[15]。410 kHz DTS-1 sidescan sonar profile across Batumi seep showing two fractures in the east and individual seeps with concentric rings[15].)

图4旁扫声呐剖面

Fig.4Sidescan sonar profile

人遥控潜水器(ROV)等，可以认为该异常是由来自甲烷厌氧氧化(AOM)作用形成的碳酸盐沉积以及近地表的天然气水合物的形成和分解导致的。

4多波束测深方法

在本文所提到的这4个航次中，分别使用了不同的多波束测深系统，如在M52航次使用了ATLAS-ELEKTRONIK公司制造的HYDROSWEEP DS2多波束系统，在P317/4航次中使用了ELAC Bottomchart Mk II多波束系统，在M72/3航次中使用了挪威Kongsberg公司的EM120多波束系统，而在MSM 15/2[16]航次中则使用了挪威Kongsberg公司的EM122多波束系统。下面以这4个航次中最新的多波束系统挪威Kongsberg公司的EM122为例进行介绍。EM122的频率为12kHz，除了可以用于获得测量海底地形地貌的水深数据之外，还可以用于水体中异常的测量，如气焰的探测。在MSM15/2的航次中，多波束扇形的角度设置为70°，船速约为5节。对于采集到的水体数据，可以用Fledermaus Midwater tool这个软件工具，将其中的气焰数据提取出来，可以获得气焰的准确范围，如宽度和高度等(见图5)。该技术可方便、清晰地探测海底甲烷渗漏系统的气体泄漏情况，有助于计算气体泄漏量。

(该气焰位于Pechori Mound渗漏点[17]。3D view on an individual gas flare at Pechori Mound[17].)

图5三维立体气焰图

Fig.5Image of Gasflares in 3D veew

为了对渗漏点、天然气水合物富集区等目标区域进行进一步的采样或钻探等研究工作，则需要获得更高精度的测深数据，德国不来梅大学MARUM研究所则采用了水下自治机器人(AUV)，也称为无缆水下机器人，型号是SEAL 5000，AUV自带的丹麦RESON 7125多波束测深仪，其具有无与伦比的高分辨率，在MSM 15/2航次中对Colkheti Seep渗漏点进行探测，所设置的参数为400kHz及512束多波[16]，而AUV则位于距海底40m的高度位置，获得了0.5m的高精度网格数据，加之安装在船体上的多波束EM122系统所获得的数据，通过MB系统软件后期处理，可获得如图6。

(本图中清晰的海底地形成像所用的是AUV采集的测深数据，而周围相对模糊的部分则是使用的EM122所采集的测深数据[17]In this fig, the clear image of the seafloor morphology is created by using the AUV data, the indistinct part is using the EM122 data[17])

图6高分辨率海底地形图

Fig.6High resolution image of the seafrom morphology

5卫星成像海面调查方法

ENVISAT卫星是欧空局的对地观测卫星系列之一，于2002年3月1日发射升空，并于2012年5月9日正式“退休”。该卫星是欧洲迄今建造的最大的环境卫星，其所搭载的最大设备是先进的合成孔径雷达(ASAR)，可生成海洋、海岸、极地冰冠和陆地的高质量高分辨率图象[18]。因此，ASAR的数据被德国科学家用于观测东黑海海底Colkheti Seep and Pechori Mound油气渗漏点的位置。ASAR发射微波并接收记录反向散射信号。根据布拉格定律，越是光滑的界面，信号被散射的越多，而ASAR所接收到的信号越少，由于油水界面相对于海水表面，具有较高的表面张力，使得油水界面更加光滑[19]。因此，在经过处理的ASAR图像上，油水界面表现为较深的黑色带，如图7。将同一个油气渗漏区的不同时间的ASAR图像进行统计对比，可以获得油气渗漏点的位置[17]。该方法利用卫星数据寻找油气渗漏点，其勘探成本较低，但对于所观测的渗漏点有一定的条件限制，可以作为勘探未知的天然气水合物矿藏位置的参考手段之一。

(图中箭头指示的是浮油的漂流方向，这四幅分别采集于a) 2008-04-08；b)2009.09.14；c)2010.09.13；d)2011.05.14[17]。Arrows in these figures indicate drift direction of the slicks. The images were acquired on a) 08 April 2008, b) 14 September 2009, c) 13 September 2010, d) 14 May 2011[17].)

图7海底渗漏点ColkhetiSeep和Pechori Mound

相关的海水表面的浮油情况

Fig.7Oil slicks on the sea surface related to natural seepage

at Colkheti Seep and Pechori Mound

6对中国水合物及相关浅层气藏勘探的启示

通过介绍R/V Meteor M52(2002),FS Poseidon cruise P317/4(2004)和R/V Meteor M72/3(2007)，和R/V MARIA S. MERIAN MSM 15/2(2010)这4个德国的科研航次中的天然气及天然气水合物的地球物理勘探方法及辅助的卫星成像海面调查方法，认识到常用的方法如高分辨率多道地震勘探方法、浅地层剖面方法、旁扫声呐方法、多波束测深方法，以及最新的方法如多波束测深方法中的气焰三维成像和AUV、卫星成像海面调查方法，这些技术被广泛应用于海洋天然气水合物及其相关构造的高分辨率勘探，取得了非常好的效果。在海底天然气水合物和相关浅层气藏的地球物理勘探过程中，多种勘探技术方法的综合运用及更高分辨率的成像已经成为未来水合物研究的趋势，同时，更加侧重于天然气水合物矿藏的系统性勘探研究，从水体的中气体火焰、到海底表面地形地貌及水合物出露情况、到海底下浅层地层中的水合物矿藏的分布、及相关气体的来源、运移和储藏。

目前中国对海洋天然气水合物及相关浅层气藏的勘探技术研究还不够深入、不够系统，依靠的主要技术手段仍然是地震勘探为主，重力和磁力勘探为辅的综合物探方法，虽然海洋地震勘探技术取得了一定的进展，但仅局限于地震方法，研究的范围则更多的是局限于海底地层中，而以近海底水合物沉积层为目标的综合声学勘探技术研究和运用较少，以海底表面及水体中的目标以及相关的勘探技术研究和运用则更少[20]。因此，建议在中国的水合物勘探研究工作中，要将水合物作为一个系统来综合勘探和研究，目标范围不仅要包括海底地层，更要包括海底表面以及水体，甚至海洋表面。而技术方法方面则要充分运用好以近海底为目标的勘探技术，如高分辨率多道地震勘探、浅地层剖面、旁扫声呐等，不断地在实践中找到适合我国东海和南海天然气水合物勘探的参数设置；同时，应不断关注、开发和利用最新的科技成果，如高分辨率卫星数据，AUV等，扩大目标研究范围，提高成像的分辨率，将更多的方法技术应用于海洋天然气水合物及其相关构造的系统性勘探上,实现天然气水合物系统的综合研究和多种勘探技术的综合发展。

参考文献：

[1]Michaelis W, Seifert R, Nauhaus K, et al. Microbial reefs in the Black Sea fuelled by anaerobic oxidation of methane [J]. Science, 2002, 297: 1013-1015.

[2]Naudts L, Greinert Jens, Artemov Yu, et al. Geological and morphological setting of 2778 methane seeps in the Dnepr paleo-delta, northwestern Black Sea [J]. Marine Geology, 2006, 227: 177-199.

[3]Dimitrov L. Contribution to atmospheric methane by natural seepages on the Bulgarian continental shelf [J]. Continental Shelf Research, 2002. 22(16): 2429-2442.

[4]Cifci G, Dondurur D, Ergün M. Sonar and high resolution seismic studies in the Eastern Black Sea [J]. Turkish Journal of Earth Sciences, 2002, 11 (1): 61-81.

[5]Ergün M, Dondurur D, Cifci G. Acoustic evidence for shallow gas accumulations in the sediments of the eastern Black Sea [J]. Terra Nova, 2002, 14: 313-320.

[6]Klaucke I, Sahling H, Bürk D, et al. Mapping Deep-Water Gas Emissions With Sidescan Sonar [J]. EOS, 2005, 86 (38): 341-343.

[7]Pape T, Bahr A, Klapp S A， et al. High-intensity gas seepage causes rafting of shallow gas hydrates in the southeastern Black Sea [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 307(1), 35-46.

[8]Römer M, Sahling H, Pape T, et al. Geological control and magnitude of methane ebullition from a high-flux seep area in the Black Sea-The Kerch seep area [J]. Marine Geology, 2012, 319-322, 57-74.

[9]Yefremova A G, Zhizhchenko B P. Occurrence of crystal hydrates of gas in sediments of modern marine basins [J]. Doklady Akademii Nauk SSSR, 1974, 214: 1179-1181.

[10]Vassilev A, Dimitrov L. Spatial and quantity evaluation of the Black Sea gas hydrates [J]. Russian Geology and Geophysics, 2002, 43 (7)： 637-649.

[11]栾锡武, 赵克斌, 孙东胜, 等. 海域天然气水合物勘测的地球物理方法[J]. 地球物理学进展, 2008, 1(23): 210-219.

Luan X W, Zhao K B, Sun D S, et al. Geophysical methods for marine gas hydrates exploration [J]. Progress in Geophysics, 2008, 1(23): 210-219.

[12]吴志强, 陈建文, 龚建明， 等. 海域天然气水合物地球物理勘探进展[J]. 海洋地质动态, 2006(12): 9-13.

Wu Z Q, Chen J W, Gong J M, et al. Progress in geophysical exploration for gas hydrate in sea areas [J]. Marine Geology Letters, 2006(12): 9-13.

[13]Bohrmann G, Schenck S. GEOMAR Cruise Report M52/1, MARGARSCH, RV Meteor, marine gas hydrates of the Black Sea [R]. Kiel： GEOMAR, 2002.

[14]Bohrmann G T. Pape, cruise participants. Report and preliminary results of R/V METEOR Cruise M72/3, Istanbul - Trabzon - Istanbul, 17 March-23 April, 2007. Marine gas hydrates of the Eastern Black Sea [R]. Berichte： Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen, 2007.

[15]Klaucke I, Sahling H, Weinrebe W, et al. Acoustic investigation of cold seeps offshore Georgia, Eastern Black Sea [J]. Marine Geology, 2006, 231: 51-67.

[16]Bohrmann G, Blinova V, Dehning K, et al. 2011b. Report and Preliminary Results of RV MARIA S. MERIAN Cruise MSM15/2, Istanbul (Turkey)-Piraeus (Greece), 10 May - 2 June 2010. Origin and Structure of Methane, Gas Hydrates and Fluid Flows in the Black Sea [R]. Berichte： Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen： Bremen, 2010： 130.

[17]Körber J H, Sahling H, Pape T, et al. Natural oil seepage at Kobuleti Ridge, eastern Black Sea [J]. Marine and Petroleum Geology, 2014, 50： 68-82.

[18]ESA. ASAR Product Handbook[M]. European Space Agency， 2007.

[19]Espedal H A, Johannessen O M. Detection of oil spills near offshore installations using synthetic aperture radar (SAR) [J]. Int J Remote Sens, 2000, 21： 2141-2144.

[20]张懿, 张树林, 薛保山. 天然气水合物勘探研究进展及存在的主要问题[J]. 中国地球物理, 2013(23): 16-17.

Zhang Y, Zhang S L, Xue B S. Research progress in gas hydrate exploration and existing problems [J]. Chinese Geophysics, 2013(23): 16-17.

责任编辑徐环

Application Progress of Geophysical Exploration Technology About Marine Gas Hydrate and Shallow Gas Reservoirs：A Case for German Research Cruises in the Black Sea

XING Jun-Hui, JIANG Xiao-Dian, LI De-Yong

(The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, College of Marine Geoscience, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Based on the German research cruises that the author participated in during his study in Germany, and scientific research projects and references, the authors review the geophysical exploration technology used by German scientists to study Gas hydrate and shallow gas reservoirs in the Black Sea area. These technologies include high resolution multichannel seismic exploration methods, Parasound, side scan sonar, Multi-beam and sea surface investigations by satellite imagery. They are the most popular and the newest methods that are successfully used in the gas hydrates and shallow gas reservoirs exploration. Therefore, the methods introduced by the paper can open a new way or be used in our native research on gas hydrates exploration.

Key words:gas hydrate; geophysical exploration; Black Sea; shallow gas

中图法分类号：S917.3

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)01-080-06

作者简介：邢军辉(1983-)，男，讲师。E-mail：355318352@qq.com

收稿日期：2014-10-24；

修订日期：2014-11-13

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项(201513007)资助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140338

引用格式： 邢军辉， 姜效典， 李德勇. 海洋天然气水合物及相关浅层气藏的地球物理勘探技术应用进展——以黑海地区德国研究航次为例[J].中国海洋大学学版(自然科学版)，2014，46(1)： 80-85.

XING Junhui, JIANG Xiaodian, LI Deyong. Application progress of geophysical exploration technology about marine gas hydrate and shallow gas reservoirs[J].Periodical of Ocean Uniuensity of China, 2015, 49(1)： 80-85.

Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(201513007)