海洋天然气水合物的地震研究进展

宋海斌

（中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029）

本文原载：中国地球物理学会年刊.合肥：安徽科学技术出版社，1999，215

天然气水合物在资源、环境、灾害三个方面均显得非常重要，引起了地球科学研究者的极大关注。要认识天然气水合物的资源潜力及其对环境的影响和在海底不稳定方面的作用，研究的重要问题是准确地了解天然气水合物特别是其主要组成——海洋天然气水合物的分布与数量。海洋沉积物中分布的气体水合物的底界在地震剖面上通常被识别为拟海底反射层（BSR），因而在研究早期通过地震调查容易圈定海洋天然气水合物的大致分布范围。而目前，海洋天然气水合物的地震速度、弹性参数结构研究已成为必须解决的关键问题，它是较好地了解天然气水合物的分布、数量及形成机制的重要手段。(https://www.daowen.com)

20世纪40年代早期在天然气管道中已发现天然气水合物的存在，但自然界中的天然气水合物是60年代在西伯利亚西部冻土带下面的沉积物中首次发现的。70年代在海洋沉积物中发现了天然气水合物。随着近期大洋钻探与地震调查的发展，人们发现天然气水合物在世界大陆边缘广泛分布。然而应该指出的是，20世纪90年代以来，天然气水合物的研究才蓬勃发展。大洋钻探计划对海洋天然气水合物的研究给予高度重视，设立了专项调查航次。如大洋钻探（ODP）164航次在北美东南大陆边缘布莱克海台钻了三口井，均钻穿预测的BSR深度，采获了固态气体水合物样。日本通产省实施了勘探开发南海海槽区域海洋甲烷水合物的5年计划（1995～1999）。现已基本完成地球物理调查，1999年，3000m深的勘探井将钻探南海海槽增生楔的甲烷水合物沉积。

海洋天然气水合物主要通过地震方法BSR识别。但是，没有BSR分布的区域，也发现有天然气水合物的存在（如ODP164航次）。虽然BSR与天然气水合物的底界相对应已成共识，对BSR的成因尚有两种解释。一种认为是含水合物沉积物与含水沉积物的分界引起，一种认为是含水合物沉积物与含游离气体沉积物的分界引起，前者强调主因是含水合物，而后者强调主因是含流离气体。此外，有关天然气水合物的形成机制，也有两种模型—“游离气体带模型”与“水合物楔模型”。而这些问题的认识只有通过得到有关水合物沉积的速度、弹性参数结构加以认识。

相对水合物稳定带深度处通常的沉积物，纯水合物具有不同的物理性质，如较高的纵波速度（3.3～3.8km/s），较低的密度，因此地震得到的速度及其他弹性参数对研究天然气水合物的分布非常有用。此外，水合物稳定带下方可能存在的含流离气体沉积物则具有较低的纵波速度与泊松比。为了准确地了解BSR上方孔隙中水合物的数量、BSR下面流离气体的分布，天然气水合物沉积的地震速度结构研究在20世纪90年代开始兴起。国外研究者开展了大量的反射地震数据的正演与反演研究，在Science、Geology、JGR、Geophysics等刊物上均有一些论文相继发表。这些研究利用BSR反射系数、反射数据波形模拟以及振幅随炮检距变化（AVO）信息来约束BSR上方与下方地震纵波速度的变化。可见，天然气水合物研究中尚限于叠加速度分析、旅行时反演、叠后波阻抗反演和AVO分析，正在进一步研究的是一维叠前广角反射波形单参数反演。

从地震波动方程反演问题的研究进展来看，一维半空间的弹性参数反演无论在天然气水合物的研究方向上还是其他地球物理研究方向上均可望取得突破与广泛应用。因此，为获得天然气水合物沉积高分辨率的弹性参数结构，研究基于矢量波动方程的多个弹性参数叠前反演，进而估算天然气水合物的分布与数量，探讨其形成机制是国际上天然气水合物研究中关键的前沿问题。