杭州灣北部海底天然氣的淺地層剖面測量調查

王 遠，王治華，劉 伍

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

杭州灣北部位于上海金山區和洋山島之間，隨著東海大橋通行、洋山深水港投產以及上海金山港旅游航線的開通，區域經濟日趨活躍[1]。

在長江口岸帶及杭州灣海域，已開展過大量基礎性地質調查，但尚未對杭州灣北部地區海底天然氣進行全面深入的研究。本文利用地球物理探測中的淺地層剖面測量[2]，對該區域內的海底天然氣進行了調查，并利用專業地震解釋軟件分析研究淺層氣在地震剖面上的特征，并據此圈出淺層氣的分布范圍，為未來海洋工程建設和淺層氣的資源開發與災害防治提供依據。

1 淺層氣的成因及儲存運移特征

淺層氣是指埋藏深度比較淺、儲量比較小的各類天然氣資源。主要包括生物氣、油型氣、煤層甲烷氣、水溶氣等。一般情況下，在沉積作用強烈的地區，由于地層沉積速度快，地層壓力來不及釋放，使地層內的氣體聚集而形成[3]。根據生、儲地層的不同一般分為兩類：第一類存在于含泥炭夾層且富含有機質的地層，多屬于古三角洲和河流相地層，在生、儲模式上屬于自生自儲或局部運移；第二類來源于地層深部，多為石油天然氣沿斷裂等裂隙上升形成，又稱為高壓淺層氣。兩類氣體通常均以層間氣和沉積物中氣的形式存在[4]。沉積物中的氣體改變了沉積地層的力學性質，使其結構變松，強度降低。在外荷載作用下，含氣沉積物會發生蠕變，導致下陷或滑動。層狀儲集的淺層氣層，其含氣量大，有一定壓力，如果海洋平臺等工程的樁基礎坐落其上，氣體釋放易造成設備受損或“井噴”等事故，因此其也是海洋地質災害的一個因素[5,6]。

2 調查區地質背景

本文的調查研究區域為杭州灣北部（圖1）。

圖1 調查研究區位置示意Fig.1 The location of investigation area

該區域位于東亞大陸構造域的江山—紹興—韓國光州深斷裂北側附近，這一斷裂在新構造期為一向北西陡傾、略呈左行滑移的正斷層。該斷裂在中更新世以后活動性變弱及至停止[7]。故淺部極少形成斷裂，缺少屬于第二類淺層氣的運移通道。本區屬長江、錢塘江沉積范圍，現代沉積作用強烈[8]，河流所攜沉積物中有機質豐富，易于生成生物淺層氣。所以可以認為研究區分布的淺層氣屬于第一類自生自儲類型。該類淺層氣多為第四系淺層生物氣，埋藏深度一般不超過50m，是由有機質經過生物化學作用分解而成的可燃氣體，絕大多數為甲烷型，成分以甲烷為主；其次為氮氣型，少數為甲烷—氮氣型。該種淺層氣與天然氣藏往往沒有直接的聯系。

3 調查方法

淺地層剖面測量是一種基于聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法。利用聲波在海水和海底沉積物中的傳播和反向散射特性，對海底沉積物結構進行連續性探測，根據回波時間先后并用波形振幅、灰度等級或色彩來表征回波的強度，繪出剖面，由此獲得直觀的海底淺部地層結構。

利用電火花震源，將儲存在電容器中的電能通過大功率開關在水中進行高壓脈沖電暈放電，電能直接轉化成聲能產生聲輻射。這種震源系統具有聲信號穩定，相關性好，電聲轉化率高，分辨率高等特點，在高精度海洋地質調查中具有重要作用。本次調查的震源采用2000J的擊發能量，理論上能探測水下六七十米范圍的地層情況。水聽器采用20單元的組合水聽器拖纜，纜長2m，組合水聽器能有效提高采集信號的信噪比。

觀測系統采用船拖曳式，電火花震源與水聽器分別置于船尾兩側，相距7.5m，兩設備各后放20m。沿圖2所示的測線依次逐線采集，船速保持在勻速5節左右，采用等時激發，激發間隔為6s，采樣頻率為8kHz，采樣長度400ms。

圖2 淺層地震剖面測量線路Fig.2 The meterage lines of shallow stratigraphic section measurement

4 淺層氣地震特征

利用專業地震解釋軟件對采集的數據進行解釋，發現了大量淺層氣存在的證據。判別依據是：地震信號橫向突變、縱向快速衰減，造成淺部地層反射較弱，下部地層屏蔽或反射減弱甚至造成空白反射等。其主要特征如下：

4.1 頂界面特征

不規則強反射頂界面：由于海底地層含氣，將造成含氣地層密度降低，地震波縱橫波速度減小，波阻抗相應降低，與上覆地層存在較大波阻抗差[9～11]。根據地震波傳播原理，含氣地層頂界面地震波反射將加強。由于淺層氣屬于游離態，浮力作用決定了氣體只能上逸或側向平移，氣體在地層中的滲透極易造成載氣區的不規則形態，因此形成了含氣地層的不規則強反射頂界面，如圖3所示。而當氣體上溢至海底后，常常造成海底氣包或麻坑狀形態。

圖3 14-1線不規則強反射頂界面Fig.3 The irregular strong ref l ection top interface of No.14-1 line

頂界面相位倒轉：地層含氣造成了縱橫波速度降低，在氣層頂界面形成一個波阻抗上大下小的界面，此界面致使反射系數為負，若氣體的不規則滲透不是特別明顯，將會形成一連續的負相位的反射波形。因此淺層氣頂界面相對于周圍地層為一負相位波形，且振幅值越大，波形越連續，含氣量越多，氣層越封閉。

4.2 側面特征

側面豎交：資料研究中發現多處地方出現連續地層的橫向突變，這是由于氣體上溢特性，大多數淺層氣區域在一個近似垂直的方向上形成陡立界面，視覺上表現為地震信號突然變弱或消失，即淺層氣區域側面豎交于旁邊地層，如圖4所示。

兩側相位下拉：含淺層氣較多的地層由于地震波速迅速減小，造成含氣地層中的地震信號接收時間相對滯后,對于同一層位會形成含氣地層的相對于兩側地層的相位下拉假象，如圖5所示。

圖4 18-2線剖面特征Fig.4 The section features of No.18-2 line

圖5 18-1線剖面特征Fig.5 The section features of No.18-1 line

4.3 整體形態特征

柱狀擾動：橫向范圍較小的淺層氣聚集或上溢通常呈柱狀形態，其頂界面一般為凸起、尖頂形。一部分淺層氣引起的擾動記錄在地震剖面上表現為垂向延伸并豎向穿過幾乎所有的下伏地層，部分內部有可連續追蹤的地層相位，干擾區呈豎向條帶狀分布。另一部分的淺層氣擾動發育在特定地層內，縱向延展較小，內部無明顯層理，通常不會產生垂向反射區切穿下伏地層，表現為囊狀形態，如圖5所示。

幕狀屏蔽：橫向上延展寬度有限的淺層氣區域會產生水平方向的強反射，并完全屏蔽下伏地層反射信號，從而形成幕狀形態，見圖6。其頂界面一般不規則，相對于兩側連續的同相軸有明顯的擾動，其兩側出現明顯的垂向邊界，豎向穿過并屏蔽下伏連續地層。

圖6 14-2線幕狀屏蔽Fig.6 The curtain-like shield of No.14-2 line

空白屏蔽：橫向上延展較大的淺層氣區域，會產生的連續或者斷續的較強反射界面往往完全屏蔽下伏地層地震信號，從而形成大片的屏蔽區域，如圖7所示。在含氣區表層，頂界面下的擾動程度隨淺層氣埋深加大而逐漸增加，常常呈不規則的起伏。這么大面積的屏蔽一般不是局部構造引起的，多為大型盆地沉積或大面積三角洲沉積造成。

圖7 L02-1空白屏蔽Fig.7 The blank shield of No. L02-1 line

5 調查區海底天然氣分布規律

綜合以上分析，區內淺層氣頂界面大部分在時間剖面上的20～30ms區間，即埋深大約在15～25m范圍。結合地質解釋，此段大部分為中全新統地層，地層中多為粉砂質粘土，利于淺層氣發育及存儲。

利用上述淺層氣地震特征，對區內各線資料進行淺層氣解釋，分別將其位置投影在平面上；綜合所有測線解釋結果，圈出區內淺層氣發育分布范圍（圖8）。

圖8 杭州灣北部淺層氣分布Fig.8 The shallow gas distribution in the northern area of Hangzhou bay

值得說明的是，分布范圍的勾劃是對于較大的幕狀屏蔽或空白屏蔽范圍和發育較聚集的小型柱狀擾動所進行的圈畫。在空白區域的個別地方，也存在較小的和較孤立的柱狀擾動，但因其平面范圍較小，未進行圈畫。

由圖8可以看出，區內淺層氣分布較為廣泛。由頂界面初步判斷，含氣區氣體壓力較小，但具體的詳細情況還有待鉆孔等手段進一步驗證。

6 結論

（1）區內淺層氣分布在河口沉積作用強烈的地區，多為自生自儲類型的第四系淺層生物氣，是由有機質經過生物化學作用分解而成的可燃氣體，多為甲烷型。

（2）淺層氣地層因含氣，造成含氣地層縱橫波速度降低，波阻抗減小，在地震剖面上表現為不規則狀強反射頂界面，部分連續的頂界面發生相位翻轉，兩側相位下拉。含氣地層整體形態呈空白屏蔽、幕狀屏蔽、柱狀擾動等特點，兩側往往豎交于旁邊地層，部分溢出海底，部分閉藏于地層內部。

（3）區內淺層氣頂界面大部分表現為不規則形狀，且埋藏較淺，一般約在15～25m之間，大多發育在中全新統砂層，初步判斷淺層氣壓力不大，但分布范圍較廣。

References)

[1]嚴學新,張阿根,龔士良. 長江口岸帶經濟圈地質工作及其服務領域拓展[J]. 上海地質,2010,31(S1):5-6,11.

Yan X X, Zhang A G, Gong S L. Geological work in Yangtze river estuary coastal economic circle and its extension in service domain[J]. Shanghai Geology, 2010,31(S1):5-6,11.

[2]劉光鼎. 地質調查深化拓展應重視地球物理學[J]. 上海國土資源,2013,34(1):1-4.

Liu G D. Geological survey deepening development should attach importance to the geophysics[J]. Shanghai Land & Resources,2013,34(1):1-4.

[3]陳衛民,楊作升,曹文華,等. 現代長江水下三角洲的淺地層結構及其沉積環境[J]. 海岸工程,1998,17(2):21-29.

Chen W M, Yang Z S, Cao W H, et al. Shallow stratigraphic texture of the Changjiang submarine delta and its depositional setting[J].Coastal Engineering,1998,17(2):21-29.

[4]葉銀燦,陳俊仁,潘國富,等. 海底淺層氣的成因、賦存特征及其對工程的危害[J]. 東海海洋,2003,21(1):27-36.

Ye Y C, Chen J R, Pan G F, et al. A study of formation cause,existing characteristics of the shallow gas and its danger to engineering[J]. Donghai Marine Science,2003,21(1):27-36.

[5]鮑才旺,姜玉坤. 中國近海海底潛在地質災害類型及其特征[J].熱帶海洋,1999,18(3):24-31.

Bao C W, Jiang Y K. Types and characteristics of potential subbottom geological hazards in nearshore zone of china[J].Tropical Oceanography,1999,18(3):24-31.

[6]陳慶,張洪沙,崔永昆. 上海周邊海域潛在的淺層氣災害及其防治措施[J]. 上海地質,2008,29(1):8-12.

Chen Q, Zhang H S, Cui Y K. The potential shallow gas disasters and its prevention measures surrounding Shanghai sea[J]. Shanghai Geology,2008,29(1):8-12.

[7]周積元,鄭家欣. 杭州灣地區新構造運動探討[J]. 上海地質,1987,8(1):42-50.

Zhou J Y, Zheng J X. Discussion on Quaternary tectonic movement in Hangzhou bay[J]. Shanghai Geology, 1987,8(1):42-50.

[8]趙寶成. 杭州灣北岸水下岸坡微地貌特征及其海床侵蝕指示意義[J]. 上海國土資源,2011,32(3):27-34.

Zhao B C. Bedforms on northern Hangzhou bay subaqueous slope: Ιts implication to seafloor erosion[J]. Shanghai Land &Resources,2011,32(3):27-34.

[9]顧兆峰,張志,劉懷山. 南黃海西部地區淺層氣地震特征[J]. 海洋地質與第四紀地質,2006,26(3):65-74.

Gu Z F, Zhang Z, Liu H S. Seismic features of shallow gas in the western area of the yellow sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2006,26(3):65-74.

[10]楊文達. 東海陸坡天然氣水合物地震波特征研究[J]. 上海地質,2004,25(1):36-42.

Yang W D. Character researches on high resolution seismic wave of gas hydrate in the continental slope the East China Sea[J].Shanghai Geology,2004,25(1):36-42.

[11]郭朝斌,張可霓,凌璐璐. 天然氣水合物數值模擬方法及其應用[J]. 上海國土資源,2013,34(2):71-75,79.

Guo C B, Zhang K N, Ling L L. Numerical simulation methods and their application to natural gas hydrate exploration[J]. Shanghai Land & Resources,2013,34(2):71-75,79.