海洋天然气水合物的地震反演研究展望

海洋天然气水合物的地震反演研究展望

宋海斌

本文原载：层状介质弹性参数反演研究.北京：高等教育出版社，98～102

分布于大陆边缘与冻土带的天然气水合物在资源、环境、灾害三个方面均显得非常重要。据初步估算，天然气水合物中的气体含碳量是常规化石燃料（石油、天然气、煤）含碳量的两倍，是一种潜在的巨大能源。天然气水合物在低温高压环境下是稳定的，温压的变化会导致大量气体的释放，从而引起滑坡等海底重大灾害。此外由于天然气水合物释放的甲烷是一种重要的温室效应气体，对全球气候可能产生重要影响。因此，天然气水合物引起了地球科学研究者的极大关注。

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20世纪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，而70年代又在海洋沉积物中发现了天然气水合物。随着近期大洋钻探（ODP）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。ODP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ODP164航次在北美东南大陆边缘布莱克海台钻了三口井，均钻穿预测的拟海底反射层BSR（bottom simulating reflector）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五年计划（1995～1999），已基本完成地球物理调查。1999年，3000m深的勘探井钻探了南海海槽增生楔的甲烷水合物沉积。

要认识天然气水合物的资源潜力及其对环境的影响和它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（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。其中，BSR有如下特征：与海底平行；与沉积层层面斜交；高振幅强反射；反极性；有时它的上方振幅白噪化。

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游离气体沉积物则具有较低的纵波速度与泊松比。因此，利用得到的速度与弹性参数结构可以通过岩石物理模型方法对比现有资料半定量估计天然气水合物的饱和度，再根据厚度、面积等参数计算天然气水合物蕴藏量。

通过调查研究，美国东海岸大陆边缘布莱克海台，发现BSR分布面积24000km2，含天然气水合物沉积层的厚度250m，另发现3层纯水合物层，厚度达2m，根据速度、氯离子浓度资料，计算水合物沉积的饱和度2.5%，这样计算得到布莱克海台天然气水合物沉积蕴藏35×1012m3的甲烷。天然气水合物稳定带下方的游离甲烷气量估算为32×1012m3。而日本南海海槽处的天然气水合物沉积及下伏的游离气蕴藏100×1012m3的甲烷。(https://www.daowen.com)

海洋天然气水合物首先是通过地震方法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游离气体。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。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要解决的关键问题，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。

为了正确识别BSR，准确地了解BSR上方孔隙中水合物的数量、BSR下面游离气体的分布，天然气水合物沉积的地震速度结构研究在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）信息来约束上方与下方地震纵波速度的变化。如Ecker等基于叠加速度分析，利用Dix公式求取层速度，再利用岩石物理模型，求得布莱克海台处一条剖面水合物沉积的饱和度。Lee等则基于AVO分析，讨论了布莱克海台强、中、弱BSR成因，认为与下方游离气体的存在性及其厚度有关。Mallick等对印度岸外的地震资料利用AVO方法，求得截距剖面、梯度剖面，进而反演得到波阻抗剖面和泊松比剖面。Singh等对加拿大Vancouver岛岸外的地震资料进行假定横波速度不变的全波形反演。Holbrook等利用VSP资料求得布莱克海台ODP994、ODP995、ODP997井的纵波速度分布。Korenaga等则对美国东南边缘海底地震仪观测资料及广角反射地震资料进行旅行时反演、全波形反演求得纵波速度的低频及高频成分，讨论了被动大陆边缘不同沉积速率与水合物沉积饱和度的关系。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，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。

从地震波动方程反问题的研究进展来看，一维半空间的弹性参数反演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。获得的多个弹性参数对识别天然气水合物与游离气体的特征相当重要，比现今仅利用单个参数—纵波速度来分析具有合理性。反演基于矢量波动方程，而不是基于声波方程，更符合天然气水合物沉积中纵、横波传播耦合的实际情况。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。

对于海洋天然气水合物的弹性参数叠前地震反演技术，首先需建立利用共炮点道集变换的截距时间-慢度域资料来反演层状介质多个弹性参数（如纵、横波速度与密度）的实用方法，主要包括初始模型的估算与全波形资料的反演。可以先利用层剥离旅行时分析与全局寻优反演方法的结合得到长波长参数模型；再利用准特征带方法或预条件子迭代方法，合理优化初始模型，结合局部寻优方法进行模型参数的修改与数据拟合。其次，建立从叠前CMP地震道集出发，包括高精度有限孔径平面波分解、随慢度变化的震源子波的估计、包含BSR的多层目的区初始模型的估算，直至完成目的区的多个弹性参数反演、获取近似的二维弹性参数剖面整个处理流程。对理论模型与实际资料进行试算，建立符合海洋天然气水合物实际的叠前弹性波反演方法及有关预处理。对实际海洋地震资料进行必要的预处理，然后反演计算获得BSR上、下方的高分辨率弹性参数结构，分析天然气水合物与游离气体的分布特征，进而估算天然气水合物的数量并分析BSR的成因与水合物的形成。

天然气水化合物被认为是21世纪理想的后续能源，又是海底灾害和影响全球气候温室效应的主要因子，已受到许多发达国家和发展中国家的高度重视。我国基于可持续发展战略，已开始着手海洋天然气水合物的研究。中国边缘海南海、东海冲绳海槽可能蕴藏的天然气水合物则是中国海油气资源勘探的新领域，发展探测天然气水合物分布与蕴藏量的高新地球物理技术如全波形反演技术有重要意义，层状介质参数反演理论与方法的应用将起着重要作用。

参考文献（略）