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1、冷泉活动区气泡羽状流数值模型研究 李灿苹 勾丽敏 尤加春 欧触灵 广东海洋大学海洋遥感与信息技术实验室 中国地质大学(北京)海洋学院 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院 摘 要： 羽状流对天然气水合物的识别起到了间接指示作用, 为研究冷泉活动区气泡羽状流产生的地震响应, 需建立符合实际羽状流特征的模型。为此, 参考实际羽状流赋存状态, 结合含气泡水体特征, 在已建立模型基础上, 从羽状流气泡的垂直运移规律、分布特点及羽状流外观特征上对模型进行了改进, 先后获得 3个羽状流模型, 最后的模型更接近实际羽状流赋存特征。通过与实际羽状流的对比, 讨论分析了模型的合理性, 并得出结论:所建模型
2、体现了实际羽状流气泡的本质特征, 并包含了更为复杂的气泡含量变化, 可用于进一步深入研究羽状流地震响应特征, 也为气泡羽状流的地震识别及天然气水合物的相关研究提供了较好的数值模型。关键词： 羽状流; 冷泉; 天然气水合物; 数值模拟; 偏移成像; 作者简介：李灿苹 (1977) , 女, 副教授, 主要从事天然气水合物地震勘探数值模拟研究, E-mail:作者简介：勾丽敏 (1972) , 女, 讲师, 主要从事地震资料处理及散射波地震勘探研究, E-mail:收稿日期：2017-06-01基金：国家自然科学基金项目 (41306050) STUDY ON NUMERICAL MODELS A
3、BOUT BUBBLE PLUMES IN THE COLD SEEPAGE ACTIVE REGIONLI Canping GOU Limin YOU Jiachun OU Chuling Laboratory of Ocean Remote Sensing and Information Technology, Guangdong Ocean University; School of Ocean Sciences, China University of Geosciences (Beijing) ; School of Geophysics and Information Techno
4、logy, China University of Geosciences (Beijing) ; Abstract： Bubble plume is an indirect indicator to gas hydrate.In order to study the seismic responses produced by bubble plumes in a cold seepage active region, a model well marching the characteristics of the actual plume needs to be established.Ta
5、king the actual occurrence of the bubble plume as a reference and taking bubble water characteristics into account, we improved the vertical distribution pattern of the plume bubbles and the appearance of plume for established models following the principles of vertical migration law.At last, three
6、models are worked out.Testing shows that the Modelis more accurate in presenting the actual occurrence characteristics of the plume rather than the Modeland Model.Rational discussion is made by comparing the model with the real plume.And it is concluded that the model established well reflects the e
7、ssential characteristics of the bubbles in plume, and contains more complex changes in bubble content.Therefore, it can be used to further study the seismic response characteristics of plume, and make it possible to identify bubble plumes for research and evaluation of natural gas hydrate deposits.K
8、eyword： plume; cold seepage; gas hydrate; numerical simulation; migration imaging; Received： 2017-06-01天然气水合物具有重要能源战略意义, 水合物的识别和勘探开发是当今科学界研究的热点。近年来, 中国在水合物勘探和开采上取得了一定进展1-5, 于2007 年 5 月 1 日在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品, 推测中国海域其他区域存在天然气水合物 27 处6;2008 年 11 月在青藏高原祁连山脉木里地区永久冻土带钻获了水合物实物样品7, 这都证实了我国蕴藏有丰富的天然气水合物资源。在水
9、合物赋存区域上覆海水中经常发现气泡羽状流, 此现象已通过声呐或地震手段探测到, 如巴伦支海西缘海底8、Cascadia 大陆边缘水合物脊9、鄂霍次克海10、墨西哥湾11、日本海会聚边缘 Naoetsu 盆地中的 UT-04 海岭12及其他海域13、地中海的泥火山14等。羽状气泡携载水合物喷溢出海底, 形成海底“火焰”现象, 在黑海观察到从海底泥火山口溢出的海底羽状流气泡高达 1 300m15。从羽状流图16中可看到, 羽状流中气泡在上升过程中由于受到洋流、海底地势环境的影响17-19, 羽状流表现出形似羽毛状 (这也是“羽状流”名称的由来) , 有垂直的, 也有倾斜形状。海底羽状流的形成归因于
10、海底冷泉, 即来自海底沉积地层 (或更深) 的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种地质现象10,20, 冷泉喷涌到海水中的大量气体便可形成气泡羽状流。由于渗漏型天然气水合物成藏与海底冷泉活动关系密切, 而且海底冷泉活动所产生的气体是影响海洋环境甚至是全球气候变化的重要因素, 因此, 作为冷泉活动直接表现形式的羽状流越来越多地受到科学家们的重视21。海水与气泡会形成一个明显的波阻抗界面, 当声波在海水中传播遇到气泡时会发生散射22, 利用散射成像理论可以识别出水体中的气泡羽状流。目前识别羽状流主要是通过摄影及声呐技术8-11。声呐信号频率可高达数万赫兹, 散射信号能量较强, 所获得的图像分辨率
11、较高, 羽状流清晰可见10。近年来, 刘学伟等发现我国南海某天然气水合物发育区的地震剖面23不仅揭示了气烟囱、断裂构造、典型的 BSR 及空白带等现象, 在其上覆海水中还存在呈垂直条状分布的气泡羽状流地震响应 (图 1) 。这表明地震方法在检测水体中的气泡羽状流方面具有潜力。虽然地震波的频率较低, 使气泡羽流的散射信号强度、分辨率和成像效果明显逊于声呐信号, 但地震方法勘探范围广, 兼可提供包括水体、海底以及地下不同深度空间范围内丰富的地质和地震波信息, 在区域气泡羽状流检测及其相关天然气水合物研究中具有其他探测手段无可比拟的优势。目前, 该领域的研究刚刚起步, 气泡羽状流地震频带信号的响应机
12、理尚无定论。因此, 有必要建立符合实际气泡羽状流特征的数值模型, 从而进行地震数值模拟研究, 以探究冷泉活动区气泡羽状流产生的地震响应特征, 进而为水合物的识别和成藏机制研究提供新的方法和依据。文献24进行了羽状流数值模拟研究的初步探索, 建立了羽状流速度模型, 为后续深入研究做了准备。但与实际羽状流赋存状态10相比, 文献24中的模型较简单。文献25又进一步改进了模型, 但仍不能够很好地反应出实际羽状流的赋存特点。基于此, 本文在文献24, 25所建模型基础上, 对气泡羽状流数值模型进行了系统地建模研究, 并对模型的合理性进行了分析。图 1 我国南海某测区羽状流地震偏移剖面 (由中国地质大学
13、 (北京) 刘学伟教授提供) Fig.1 The seismic migration section in some areas of the South China Sea 下载原图(The data is provided by Professor Liu Xuewei from China University of Geosciences in Beijing) 1 初始模型 (模型) 根据声呐探测的羽状流和实际观测的羽状流气泡大小与分布特征, 建立了最初的羽状流模型。1.1 模型建立基础如何构建羽状流数值模型, 要从如何能引起地震响应角度分析, 而产生地震响应的根本是介质中存在波阻抗
14、差。实测结果26显示, 水合物分解的气泡上升到海水中, 对海水整体密度的影响很小, 意味着在建模时可忽略密度变化, 而主要考虑气泡对水体速度的影响。本小节将从计算含气泡海水介质的声波速度着手, 进而针对羽状流内气泡的运移和分布特征来构建模型。1.1.1 含气泡水体的声波速度液体中溶入气体及空化过程中产生的气泡, 会改变液体内的压力分布27, 从而使液体的声学特性发生改变。以气泡壁处声压和径向振动速度为边界条件, 姚文苇28推导出了含气泡介质内声速的表达式:式 (1) 中 K、K b、 b、 为固定值参量, 、a、 和 R 为给定可变参量, 由此, 给定参量, 通过此公式可以计算出气泡半径和含量
15、变化的含气泡海水声波速度。表 1 是公式 (1) 内各参数的详细说明。表 1 声速表达式 (1) 中各参数说明 Table 1 Explanation of parameters in equation (1) of acoustic velocity 下载原表 1.1.2 羽状流中气泡运移与分布特征当气体自海底逸出形成羽状流后, 羽状流气泡受到海水压力影响, 在不断上升过程中具有随机分布的宏观特征, 即含气泡海水介质属于随机介质;而且, 在上升过程中, 随着深度的减小, 海水压力变小, 由此将导致气泡半径逐渐变大, 大到一定程度气泡将破碎或分裂成小气泡。研究表明29, 小气泡比大气泡稳定,
16、深水中的气泡比浅水中的气泡稳定, 因此, 在气泡浮升的某一时刻, 大、小气泡呈现出依次分层的特点。同时, 海水中声速本身就具有垂直分层的特点30, 这是由于影响海水声速变化的 3 个要素 (温度、盐度和压强) 都随深度而变, 且都有分层特点的缘故。但不含气泡的海水, 这种分层特点的速度变化不大, 大约在 30m/s 以内。1.1.3 羽状流速度模型的实现思路实验发现30, 当空气溶解于水时, 声速不会发生变化, 即使溶解于水中的空气达到饱和状态也是如此;当空气不是溶解于水中, 而是以气泡形式存在于水中时, 即使有少量气泡存在, 声速都会发生改变。所以, 海底地层大量甲烷气体通过运移通道 (气烟囱和裂隙等) 溢出到海水中形成的羽状流气泡势必会改变所在区域海水的声学特性, 即海水的声波速度将发生改变。含气泡海水的声波速度又
