天然气水合物是由水和甲烷分子以氢键联系并在合适的低温高压条件下形成的冰状晶体(Brooks et al., 1986；Sloan and Koh， 2007；Kastner et al., 1998)，广泛分布于世界海域的大陆斜坡及陆地的永久冻土带区域，其存在对于全球未来能源和环境的影响意义重大(Lammers et al., 1995).由于天然气水合物具有较高的声波速度，其充填孔隙空间或胶结沉积颗粒使含水合物沉积层的声波速度也上升.含水合物高速层与饱气或饱水低速沉积层之间的阻抗差使地震反射剖面上出现似海底反射(Bottom Simulating Reflectors，BSRs)，这一具有强振幅、负极性特征的反射被认为是水合物稳定带的底，也是水合物存在的最主要地震标志(Singh et al., 1993；Shipley et al., 1979；Stoll and Bryan， 1979).目前，多道地震勘探方法依然是发现天然气水合物存在的主要手段，在确定天然气水合物的区域分布方面具有很大优势(Kvenvolden，1993；Vanneste，2001；Katzman et al., 1994)，但这一勘探手段只能获得地层的纵波信息并且可能的含气沉积层难以成像，因此难以精细刻画天然气水合物内部结构和BSR上下沉积层的速度关系.中国地质调查局于2007年在南海北部神狐海域的钻探取样结果表明，含天然气水合物沉积层位于海底之下153~225 m深度区间，与强BSR具有很好的对应关系(徐华宁等，2006；栾锡武等，2008；宋海斌，2001；吴能友等，2007；吴时国等，2009；徐华宁等，2010)，在测井曲线上表现为典型的高速异常和高电阻率异常，但由于钻探取样及测井深度的限制，水合物垂向分布特征尚不确定.

为了获得与天然气水合物的存在最相关的物性参数——声波速度，在过去的10多年间，OBS及OBS与多道地震联合勘探方法已经过大量的实验性研究.如利用P波走时分析研究水合物内部结构(Schlesinger et al., 2012；Cheng et al., 2006；Netzeb and et al., 2005；Bünz et al., 2005)、利用OBS的横波信息研究含水合物层的各向异性(Haacke et al., 2006；Exley et al., 2010)并利用转换波直接对地层成像并估算水合物的饱和度(Haacke et al., 2009；Westbrook，2008；Carrière and Gerstoft， 2013)等.本文的研究基于2009年我国首次在神狐海域实施的三维地震与OBS联合采集数据，以多道拖缆地震反射数据成像建立地质模型框架，利用OBS记录的纵横波进行联合走时反演，获得研究区纵横波速度信息，了解水合物分布区间的速度变化特征，推测BSR之下是否存在游离气，为资源量的估算提供更精确的参数. 2 研究区地质背景

研究区主体位于南海北部陆坡的前端，其总的 趋势为北向南倾斜(徐华宁等，2012)，水深从1000 m 逐渐加深到1750 m(图 1).其中1350 m等深线以北区域的地形较陡，海底坡降一般在0.03°左右，而南部地形坡度变化较缓，坡降值一般在0.02°左右并逐步进入深海平原.海底地貌形态复杂，主要发育海丘、海谷、冲蚀沟、反坡向台坎，以及海底沟槽等地貌类型.

图 1

Fig. 1

图 1(a)研究区位置；(b)地形地貌；(c)速度分析曲线；(d)典型地震反射剖面 Fig. 1(a)Location;(b)Topography and geomorphology;(c)Profile of velocity analysis；(d)Representative seismic reflecting profile of study area

自中新世末以来，该区先后发生过两期构造活动(分别在5 Ma和2 Ma左右)(龚再升等，2004)，是南海新构造运动较为活跃的地区.受新构造运动 影响，在热沉降过程中，断层活动加强并在大约1.5~2 Ma 期间出现断层活动高峰，致使北东向断层大规模形成并诱发深部超高压泥质岩类塑性流动，形成泥底辟活动带，使上覆地层产生大倾角的断层和垂向裂隙系统，形成了天然气水合物成藏的有利构造条件(吴能友等，2009).

研究区地层总体表现为典型的断陷裂谷和坳陷沉降双层结构，由深至浅依次发育陆相、海陆过渡相或海相沉积层序，总体呈海进趋势.根据地震资料所表现的反射特征，与水合物赋存相关的浅部地层可以划分为三个主要的反射界面，分别对应晚中新世以来的三个地震层序：1)全新世—更新世海相细粒碎屑沉积；2)上新世海相细粒碎屑沉积；3)晚中新世海相碎屑沉积.研究区钻探取样的综合研究和样品分析结果表明，水合物赋存层位沉积物类型差异较小，沉积类型单一，主要为粉砂和粘土质粉砂.天然气水合物赋存于以粗粉砂、中粉砂、细粉砂和极细粉砂为主要组分的沉积物中，沉积物组分主要为碎屑矿物、粘土矿物和碳酸盐矿物三大类(陈芳等，2009).由于晚白垩世以来多期幕式张裂及随后热沉降作用，导致南海北部陆缘区平均热流值相对较高，但热流的分布极不均匀，热流值整体表现出周缘低、中央海盆高的特点.比较明显的特征是钻探取样发现天然气水合物位置全部对应低热流值，并且基本位于低热流值的中心区域.

从地震反射剖面上看(图 1d)，研究区浅部沉积表现为典型的含天然气水合物地震反射特征，包括强振幅BSR、BSR横穿地层、振幅空白等.更重要的是，天然气水合物存在的最有力的地球物理证据——声波(纵波)速度出现明显高速异常，其反转深度与BSR也有很好的对应关系. 3 地震数据采集与处理

本文所用的地震数据由广州海洋地质调查局“奋斗四号”地震调查船于2009年7—8月完成.激发震源为GI枪，容量9013 cm³，沉放深度5 m，激发点间隔25 m，漂缆水检间隔12.5 m，记录道数192次，最小偏移距125 m.野外施工采用三维地震与OBS记录联合采集技术，以同时记录常规地震反射数据和OBS四分量地震数据，施工方法及地震波传播示意图如图 2所示.震源激发的下行P波经过海底下的每一个层状介质时都会发生反射、透射及波型转换.其中有二种波型转换模式最为典型：SS波(P波信号直接在海底转化为S波，然后向下传播和反射，绿色线表示)和PS波(P波信号在海底之下的界面转换为S波，然后向下传播并反射，红色线表示).通常，地震P波在浅地表处(包括近海底处)很难发生波型转换，因此，OBS记录的PS波能量更强、也更容易被记录.尽管SS波速度较慢，其垂向的分辨率高，但能量更弱，通常在地震记录上很难识别，因此多分量地震记录仪记录的主要是PP波和PS转换波(Berg et al., 1994；Stewart et al., 2002).

图 2

Fig. 2

图 2 三维地震与OBS联合采集及地震波型转换示意图 Fig. 2 The sketch of integrated 3D seismic and OBS exploration and converted wave geometry in marine environment

野外联合采集共投放20个OBS，实际回收13个.考虑到OBS与海底的耦合度及静止于海底后的稳定性，施工时OBS的投放点选择相对平缓的区 域，以尽可能消除海流的影响，其间隔不大于300 m，且OBS所处海底正下方具有明显的BSR和水合物稳定带特征，以提高采集地震数据的针对性.深水作业中OBS的投放是在投放点位置处，以钢缆控制OBS下降一定深度后在水中自由下落至海底，因此，每个OBS在海底的实际位置及其间隔与设计位置会不一致.

由于OBS野外回收率及OBS实际位置(重新定位后的实际位置见图 3)等不可控因素的影响，OBS采集的地震数据不足以成像，因此难以获得可以与拖缆地震数据相比较的反射剖面，但可以利用OBS共检波点地震数据，重点研究每个OBS所在位置处的垂向速度，以获得纵横波速度变化与水合物分布之间的规律.OBS地震数据的处理主要包括：1)OBS时钟漂移校正.由于OBS自投放就开始连续记录(采样间隔可以预设)，系统通过仪器内部晶体时钟计时，投放前需要与卫星进行对时.由于环境的变化及系统本身的误差，回收后系统内部记录时间与卫星时间肯定会存在差异，需要将这一时差分配至每一采样点以消除系统时差；2)OBS位置的重新定位.船载GPS可以确定每一炮点的精确位置，但OBS投放后的位置是不确定的，仪器从船体开始下沉至海底后可能会有几百米漂移，其实际位置取决于水深和水流速度.数据处理时需要根据OBS记录的直达波初至走时进行重新计算定位；3)噪音衰减及观测系统定义.对大值、低频等干扰进行压制，提高地震数据的信噪比.根据共转换点散点分布情况，确定合适的面元网格；4)坐标旋转.将二个水平分量(X和Y)的记录旋转为沿径向R方向(炮检方向)和切向T方向(垂直炮检方向)的分量，使R径向方向能量最大，T方向能量最小.图 4为OBS9记录的P、Z、X和Y四个分量的原始数据.

图 3

Fig. 3

图 3 联合采集施工测线布设及OBS分布位置图 Fig. 3 The deployment of seismic lines and the real location of OBSs

图 4

Fig. 4

图 4 OBS记录的原始四分量数据 Fig. 4 The raw 4-component data recorded by OBS

由于OBS较为稀疏，横向分布范围有限且空间分布不均，地震数据难以直接成像.为了获得浅部沉 积的纵横波速度信息，首先以三维地震反射数据的成像结果为约束条件，建立地层模型，然后对OBS采集的共检波点道集数据进行相干速度反演，以研究OBS位置之下浅层沉积的声波速度特征.相干速度反演是使叠前地震道集的相干性达到最大为目标的非线性动力学方法(Landa et al., 1988)，该方法首先根据给定的速度函数，利用零偏移距时间信息，通过射线偏移确定所选择界面的位置；然后在所得到的深度模型中，通过射线追踪计算走时，并沿走时曲线计算道集的相似值.实际反演采用从浅至深逐层反演的方法，最终获得垂向上的纵横波速度结构.

对于反演所需的速度函数，采用PP波和PS波速度联合分析方法，获得PP波的速度特征以及纵横波速度比，进而获得PS波的速度，其分析过程如图 5所示，其中左图为PP波道集及速度能量谱分析，右图为纵横波速度比能量谱及PS波道集.根据OBS的实际分布位置，选择距OBS2、OBS5、OBS6、 OBS8、OBS9、OBS12和OBS13最近(图 3)的Inline100 线建立地层模型.模型层位标定是以三维地震反射数据为基础，参考纵波的时间速度曲线，尽量追踪能量较强连续性较好的同相轴.在同相轴能量不连续的情况下，参考其附近同相轴的大致走向进行追踪，最后与OBS数据对比以完成标定.图 6左图为经过OBS9所在站位的三维地震反射剖面及反演层位模型，右图为对应的OBS9共检波点数据及层位模型，其中绿色线所代表的层位与地震剖面上的BSR基本对应，根据OBS共检波点道集上的反射轴也可看出其层速度是明显增大的.

图 5

Fig. 5

图 5 PP与PS波速度联合分析(左图为PP波速度谱与道集；右图为PS波速度比的谱与PS波道集) Fig. 5 Simultaneous velocity analysis of PP and PS wave(Left：Velocity spectrum and assemble of PP wave；Right：Spectrum of VP/VS ratio and assemble of PS wave)

图 6

Fig. 6

图 6 地震反射数据及地层模型拾取(绿线与水合物稳定带底对应) Fig. 6 The seismic reflecting profile and the picks of strata model(green lines represent the bottom of hydrate stable zone)

将反演获得的纵横波速度与三维地震反射数据双程走时对应，可以得到OBS9处纵横波速度随时间变化的特征，结果见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 OBS9位置处纵横波速度变化 Table 1 The velocity variation of P- and S-waves with depth at OBS9 site 层位 横波速度(km/s) 纵波速度(km/s) 时间(ms) 1 0 1.48 2031 2 0.272 1.55 2051 3 0.314 1.884 2230 4 0.573 2.634 2272 5 0.642 1.7 2296 6 0.381 1.6 2322 7 0.301 1.925 2404 8 0.304 1.925 2426

表 1 OBS9位置处纵横波速度变化 Table 1 The velocity variation of P- and S-waves with depth at OBS9 site

由表 1的结果可以看出，海底之下沉积物的纵横波速度总体符合地质变化规律，在第4和第5层出现局部异常.其中第1层为水层，第2层的速度值较小，可能与海底表层沉积物未压实及海底滑塌有关；第3层的速度值有一个快速上升，可能与压实有关；第4层的速度急剧增加，结合这一区域的钻井结果，应该与沉积物含天然气水合物有关，水合物的聚集造成纵横波速度都显著上升；第5层的纵波速度出现下降，而横波速度稍有上升，暗示在水合物聚集带之下可能含有部分游离气或其他流体充填，但岩性及孔隙在第5层没有很大变化，尽管这一点并没有钻井数据证实；第6层的横波速度下降较快，但纵波速度的下降幅度很小，这意味着可能是岩性变化或者沉积物孔隙进一步增大，降低了沉积物的剪切应变；第7和第8层的纵波速度上升非常快，而横波变化较小，表明其岩性相对稳定，压实作用对地层速度的影响成为主要因素.

为了解纵横波速度在横向的变化特征，利用距离相对Inline100较近的OBS进行更精细的联合反演，结果如图 7所示，其中的绿色线与图 6中的绿色线对应同一层位，也就是与BSR对应.图 7的结果表明，其他OBS所在位置处的纵横波速度变化规律与OBS9处的特征基本是一致，BSR之下的纵横波速度都是下降的(尤其是纵波)，下降幅度不同可能是局部含气或沉积物孔隙变化不一样的结果.

图 7

Fig. 7

图 7 OBS站位反演纵横波速度曲线 Fig. 7 The velocity-time curves of P/S wave at all OBSs site

以三维地震与多分量OBS地震联合观测数据为基础，对海底之下浅部含天然气水合物沉积地层进行纵横波联合反演，可获得纵横波速度变化特征.三维地震与多分量OBS地震联合勘探可以同时记 录PP波、PS转换波，并且该勘探方法明显提高野外作业效率.

本文的研究结果表明：

(1)利用三维联合勘探地震数据，不仅能够获得研究区海底之下地层的成像，而且能为目标层的研究提供更多信息，以更好地估算其岩石物理属性，这是单一的PP波难以确定的；

(2)由于OBS采集技术及OBS数量的限制，无法对PS转换波直接成像、识别和解释其与水合物相关的地震反射特征，但对纵横波进行速度反演的结果还是可以获得研究区海底之下含水合物沉积层的纵横波速度变化规律.含天然气水合物沉积层的纵横波速度值都会出现突然地上升，与地震剖面上的BSR有很好的对应关系.在可能的含水合物稳定带之下，纵波速度出现急剧下降，下降幅度达到900 m·s^-1，而横波的速度并没有出现相同的变化；

(3)紧邻BSR的下伏地层的纵波速度下降较大而横波速度下降幅度较小，这意味着水合物稳定带之下很可能含有游离气或者其他流体充填，其沉积物性变化的可能性相对较小但沉积物的孔隙空间可能趋向进一步变大，这也为游离气的运移提供良好的通道.