基于SONIC軟件的鄂霍次克海淺表陸坡可燃冰勘探研究

臧鶴超，華志勵，劉波

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，國家海洋監測設備工程技術研究中心，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

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基于SONIC軟件的鄂霍次克海淺表陸坡可燃冰勘探研究

臧鶴超，華志勵，劉波

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，國家海洋監測設備工程技術研究中心，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

摘要：運用自主研發設計的SONIC軟件，控制深海勘探設備Echo水聲探測系統，對位于西北太平洋邊緣的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷釋放情況進行勘探研究。重點對薩哈林島東面淺表陸坡進行了大規模的水聲測掃，通過采集回聲信號，應用SONIC軟件處理和成像后，實現了海底甲烷氣體滲漏點(GF)、冷泉和海床的可視化。在發現甲烷氣體滲漏點后，運用SONIC的成像功能，分析冷泉中甲烷氣體濃度及形態的變化，運用GPS系統進行實時跟蹤與定位，利用重力取樣器等采樣工具，在多個海域成功采集到了可燃冰巖心樣本，并及時進行了分析，得到了該地區可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等數據。另外，通過梳理本次考察的經驗，對規范我國可燃冰資源調查方法也會產生積極影響。

關鍵詞：SONIC軟件；鄂霍次克海；可燃冰

可燃冰[1-2](又稱天然氣水合物)是一種由天然氣和水分子組成的固體物質，具有獨特的籠型結構，通常呈現白色冰狀的外貌，故又稱為可燃冰。據粗略估算[3-4]，在海洋中可燃冰的儲量非常巨大，世界海洋可燃冰生成帶所含天然氣的儲量約8.5×1016m3,其中大部分存在于深海海底，其儲量大約為陸地儲量的100倍以上。在地球石油和煤炭資源日漸枯竭的今天，可燃冰勘探和開發的意義變得越來越重要。

可燃冰存在于海底泥層下沉積物中，必須通過特定的標志來確定其埋藏地點。冷泉[5-6]是一種水氣(以烴類氣體為主)混合的海底排泄現象，其誘因是地殼活動和天然氣水合物礦床結構的不穩定性[7-8]，當地殼活動和礦床發生垮塌時，就會有天然氣氣體外溢噴發，形成冷泉現象，所以冷泉是發現可燃冰礦床的一個重要標志。

圖1　鄂霍次克海海域GF和冷泉噴溢點Fig.1GF and cold seep eruption points of the Okhotsk Sea

1　研究目的

在本次鄂霍次克海中俄聯合考察過程中，通過運用自主研發的SONIC上位軟件，控制深海勘探設備Echo水聲探測系統，對遠東地區薩哈林島東面的鄂霍次克海海域進行了科學考察,發現多處甲烷氣體滲漏點(gas flare,GF)和冷泉噴溢點，如圖1所示(海圖上黑點標示處為GF和冷泉噴溢點)。通過聲納和GPS定位，應用重力采樣器等取樣設備，對海床沉積物進行了巖心取樣，成功地采集到了可燃冰巖心樣本。本文通過對冷泉中甲烷氣體濃度及壓力參數變化、可燃冰巖心樣本進行分析，最終得出到了燃冰的分布情況，甲烷氣泡的滲漏形態和甲烷排放總量。

2　SONIC軟件應用

2.1水聲系統總體結構描述

Echo水聲探測系統由底層的兩臺聲納Sargan-HM Left、Sargan-HM Right、一臺深海水聲測深儀Sargan-EM和一臺高分辨率多道反射地震儀ELAC組成，由SONIC軟件實時控制，如圖2所示。該系統分別以12 kHz、20 kHz和135 kHz的頻率建立了4個獨立通道，來進行水聲測量和定位。在聲學測量的同時，由全球定位系統(GPS)來輔助進行準確的巖心采樣器定位，可將海底深度、海底地貌和海床剖面模擬量信號及時傳送到SONIC上位軟件，由SONIC上位軟件進行還原和成像，最后在顯示屏上顯示和記錄，使科學調查人員能夠實時動態地掌握海底可燃冰的可能存在點和甲烷氣泡的滲漏形態。

該系統共有兩種運行模式，如圖3所示。對被調查海域的聲學背景環境進行探測的航行器，在全速前進的條件下持續前進時(大約9～12 kn)，應使用測深儀Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以雙通道頻率(12 kHz和20 kHz)進行聲學探測。

當聲學調查的航行器以低速(大約3 ～ 6 kn)在預定海域運行時，應使用聲學測深儀Sargan-EM和ELAC以12 kHz和20 kHz的頻率，在垂直方向上形成兩條射線，同時，聲納Sargan-HM在20 kHz和135 kHz的頻率下，分別向兩邊與垂直方向形成30°的夾角進行測量。船只在低速條件下應用該方法對可燃冰氣體滲漏源進行監測，比高速條件下有效測量范圍擴大3倍左右，能夠有效定位滲漏源地點和船體之間的相對位置關系。

圖2　Echo水聲探測系統結構圖Fig.2　Structure chart of Echo underwater acoustic detection system

圖3　聲學回聲掃描信號的兩種模式Fig.3　Two modes of echo scanning signal

2.2SONIC軟件

作為整個系統控制部分的SONIC軟件應用VB 6.0 軟件開發，由參數設置界面、系統控制軟件、水聲信號處理軟件和水聲信號成像軟件4部分組成，具備系統功能控制、水聲發射器參數設置和對4個水聲通道發來的的實時水聲信號進行收集、預處理、存儲和圖像化的功能，它的硬件配置包括：

(1)接口單元;

(2)雙聲卡Creative Labs;

(3)個人計算機(奔騰Ⅱ或更高);

(4)32位Windows操作系統。

在程序和初始化軟件的幫助下，可在SONIC軟件初始化界面對水聲發射器信號的參數進行設定(包括水深范圍、平均聲速等),如圖4所示。

圖4　SONIC軟件的初始化界面Fig.4　Initial interface of software SONIC

水聲發射器信號的記錄格式如下：首先，發送水聲“Ping”的日期和時間(該設定運用Visual Basic 6軟件的不同日期類來編寫)；其次，發送水聲“Ping”的時間設定值隨著測量深度的增加，按照其回聲情況來設定。

每次計數(N)等于設定的深度范圍和深度測量結果之間的比率，因此，記錄一次“Ping”需要占用(8+2N) B的存儲空間。一個數據文件的名稱以測量所消耗的小時和分鐘數命名。例如，如果第一個回聲信號在2010年6月1日的02:25發出，那么這個回聲信號的數據文件就被命名為0225.1dt或0225.2dt,命名取決于以信道編號的文件夾是Data1Jun10 或 Data11Jun10，也取決于聲卡的編號。另外，包含有注冊回聲參數必要信息的配置文件0225.1cf 或0225.2cf，如表1所示，被作為初始化文件(INI-file)記錄在同一個文件夾內。

表1　配置文件示例

應用4路模數聲學變換器對水聲信號進行數字化處理，其同步處理和低通濾波功能非常顯著，實時回聲信號經水聲信號處理軟件可視化處理后，使用兩個標準的彩色顯示器進行顯示，每個通道表示了兩個具有獨立深度范圍和獨立調色板的多色回聲圖，如圖5所示。SONIC軟件提供了在需要的深度范圍內對回聲信號進行同步探測、過濾、記錄和可視化的功能。

圖5　顯示器中的海床聲學信號Fig.5　Acoustic signals of the seabed in a monitor

3　SONIC軟件分析

3.1SONIC軟件在可燃冰勘探方面的分析

圖6為科考船只在全速運行狀態下，應用測深儀Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以雙通道頻率(12 kHz和20 kHz)進行聲學信號采集，經SONIC軟件處理后，顯示在彩色顯示器上的圖像。

圖6　測深儀Sargan-EM和ELAC發現冷泉水柱Fig.6　Cold seep discovery with Sargan-EM and ELAC

圖中箭頭指出的密集的垂直信號部分是海底冷泉噴流形成的水柱[9-11]，其中豎線代表了水中上升的氣泡，冷泉的發現，標志著海底潛藏著烴類氣體，是發現可燃冰的重要標志[12]。發現冷泉后，馬上運用重力取樣器等取樣設備，對該地點海床進行了巖心取樣，得到了包含可燃冰的沉積物巖心(圖7a)，并從中取得了可燃冰樣本(圖7b圖)。

圖7　采集到的可燃冰樣本Fig.7　Collected gas hydrate samples

本航次的科學考察共發現大約96處GF，其中有大約30處是首次發現，在其中的18處沉積物巖心中發現了可燃冰樣本，并利用分析儀器現場對其甲烷含量、沉積物和孔隙水進行了化學成分檢測。

3.2SONIC軟件在甲烷氣泡形態方面的分析

圖8　GF點密集區域成像圖Fig.8　High concentration imaging of methane gas signal

圖8是利用SONIC軟件對200 m淺海陸坡海底GF點密集區域[13]的成像圖，可看到大量的甲烷氣泡從海床下涌出，形成冷泉。箭頭所指紅色區域為高濃度甲烷氣體信號，此GF點位于可燃冰穩定帶(MHSZ)的上層或上層邊緣。

利用SONIC軟件動態分析可知，這些GF點的甲烷排放量一般為0.5～500 mmol/s不等，數量眾多，面積可達數平方公里；通過軟件測算單個氣泡的上升速度為10～39 cm/s，可測算出這里的平均海底甲烷通量為5 μmol/ km2s；根據淺海陸坡的面積推測和對不同區域甲烷排放量速度的測算，薩哈林島東部陸坡甲烷氣體滲漏的總量可達每年0.2 Mt。

4　研究結論

依靠SONIC軟件的成像功能、數學統計功能和圖像分析功能，經過精確計算可以得到如下結論：

(1)可燃冰的分布情況

本次考察共進行了為期兩周的海上航行，航程達2 300 n mile。利用SONIC軟件對GF的聲學勘探顯示，在薩哈林島東部海底坡地上大約有96處GF，其中有大約30處是首次發現。在從105 m到1 480 m的不同深度的海床上發現大量GF，但其中大多數GF集中在600～900 m深的海床上。

SONIC軟件能夠有效發現和鎖定GF和冷泉，判別甲烷濃度和研究甲烷氣泡形態等信息，為可燃冰樣本的勘探和開采提供有效信息。

(2)淺海陸坡GF的甲烷氣泡上升速度和氣體滲漏速度

利用SONIC軟件發現，單個GF的甲烷氣體滲漏速度從0.5～500 mmol/s不等，薩哈林島東部陸坡GF的甲烷氣泡上升速度為10～39 cm/s。

(3)甲烷排放總量統計

通過SONIC軟件對多個采樣點甲烷排放量的統計和估算，和對不同區域甲烷排放量速度的測算，估算出薩哈林島東部陸坡甲烷氣體滲漏的總量約為每年0.2 Mt。

參考文獻：

[1]陸紅鋒，孫曉明，張美.南海天然氣水合物沉積物礦物學和地球化學 [M].北京：科學出版社，2011.

[2]李代廣.神秘的可燃冰 [M].北京：化學工業出版社，2009.

[3]曾麗麗,王強,謝強,等.2004—2013年南海北部開放航次水文調查[J]. 科學通報，2015,60(10) ：964.

[4]張寒松.清潔能源可燃冰研究現狀與前景[J]. 應用能源技術，2014(8)：54-58.

[5]孫玉清,李靜,王茜.可燃冰發展現狀及產業化前景[J]. 經濟研究參考，2014(50)：13-16.

[6]馮望生,宋偉賓,鄭箭的,等.可燃冰的研究與開發進展[J]. 價值工程，2013(8) ：31-33.

[7]賈懷東,鄭瑞鋒.可燃冰開發或引發環境災難[J]. 生態經濟，2012(12) ：14-17.

[8]虞潔,王海鳳,祁之軍.未來世界新能源-可燃冰[J]. 科技與企業，2012(14) ：186-189.

[9]王智明,曲海樂,菅志軍.中國可燃冰開發現狀及應用前景[J]. 節能，2010(5) ：4-6.

[10]LUAN XIWU,JIN Y,OBZHIROV A,et al.Characteristics of shallow gas hydrate in Okhotsk Sea[J]. Science in China Series D: Earth Sciences,2008,51(3):415-421.

[11]欒錫武，趙克斌，孫東勝，等.鄂霍次克海天然氣水合物發育的基本地質條件[J]. 海洋地質與第四紀地質，2006，26(9)：91-100.

[12]張穎異,李運剛.新型潔凈能源可燃冰的研究發展[J]. 資源與產業，2011，13(3) ：50-55.

[13]白玉湖,李清平.海洋天然氣水合物藏開采若干問題研究[J]. 中國工程科學，2011，13(5) ：103-112.

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.001

收稿日期：2016-04-18

基金項目：國際科技合作項目(2014DFR60490)

作者簡介：臧鶴超(1981-)，男，工程師，研究方向為海洋工程、海洋環境監測儀器開發和海洋物理學。Email：zanghechao@126.com

中圖分類號：P962

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)04-0001-06

SONIC based gas hydrate exploration in shallow slope of the Okhotsk Sea

ZANG He-chao,HUA Zhi-li,LIU Bo

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001,China)

Abstract∶We control deep-sea exploration equipment Echo underwater acoustic detection system with self-developed software SONIC to investigate methane release of gas hydrate at Okhotsk Sea of northwest Pacific edge. We perform large-scale acoustic sweep on east slope of Sakhalin Island. We implemented visualization of seabed gas flare(GF),cold seep and seabed through echo signal collection, processing and imaging via software SONIC. After GF discovery, we analyzed the variation of methane gas concentration and morphology in cold seep through imaging functionality of software SONIC. We successfully collected core samples of gas hydrate in multiple waters with GPS real-time tracking and positioning and gravity sampler, analyzed them in time, and acquired methane emission amount and rate in gas hydrate in the area. Moreover, the investigation experience will have positive effect on normalizing investigation methods of gas hydrate in China.

Key words∶SONIC software; Okhotsk Sea;gas hydrate

【海洋科技與裝備】