南海北部琼东南海域活动冷泉特征及形成模式

近年来,活动冷泉的研究越来越受到关注.本文利用多波束数据、多道地震数据以及底质取样结果研究琼东南海域活动冷泉系统,分析活动冷泉的羽状流特征、海底地貌与底质特征以及流体活动构造特征.多波束水体数据上,观测到多个延伸高度超过750 m的气泡羽状流,海底流体活动非常强烈;多道地震上识别出麻坑、流体运移通道、气烟囱等流体渗漏相关的构造,与其他海域观测到的反射特征不同,羽状流的下方流体运移通道呈强振幅"串珠"反射;重力活塞取样在两个站位上获得浅表层块状天然气水合物.其中一个站位位于活动冷泉附近,天然气水合物赋存于海底以下8 m左右.基于以上三方面的数据,笔者提出了一个用于描述活动冷泉系统的形成模式,游离气通过气烟囱向上运移到达浅层,一部分在天然气水合物稳定带内形成天然气水合物,另一部分穿透天然气水合物稳定带到达海底,形成活动冷泉的羽状流.     

海底冷泉流体渗漏的原位观测技术及冷泉活动特征

海底冷泉渗漏是海洋环境中广泛分布的自然现象.本文主要介绍海底冷泉原住观测技术及全球几个典型冷来渗漏活动地区的原位观测结果.冷泉渗漏活动主要发育在海底裂隙和断层发育的地区,海底常有泥火山、麻坑、水合物、冷泉生物群落和冷泉碳酸盐岩的发育.冷泉渗漏主要包括液体和气体两种形式,流体流动包括上升流和下降流两种方式,流量变化大,主要与海底环境及构造作用有关.烃类渗漏是以气泡、油滴的形式沿断层向海底喷溢,释放量大,运移过程主要受涌浪、静水压力和裂隙压力等因素控制.冷泉渗漏活动是复杂的水文地质过程,受水合物形成和分解产生的气藏的充注和排空、深部常规油气藏的破坏及海底环境变化等多种作用的控制.     

水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.     

海底冷泉羽状流及其资源效应探讨

海底冷泉羽状流是海底冷泉活动最直接的表现形式,与天然气水合物动态成藏和动态油气系统密切相关.近年来,因其对全球气候变化的影响和潜在的资源前景,冷泉流体活动受到越来越多重视.本文对全球重要海域海底冷泉羽状流的分布和通量相关研究进行总结分析,发现冷泉羽状流广泛分布在主动和被动大陆边缘,而在弧后地质背景和走滑大陆边缘发现较少,研究不够深入.在构造活动活跃、沉积速率和运移通道渗透率高的地质背景下,冷泉羽状流一般呈区域性聚集发育,规模与通量较大.目前研究发现,通常单个羽状流渗漏孔的通量一般介于3.5 mL/min～ 13.9 L/min之间,但受制于观测技术和成本,羽状流的通量估算具有不确定性,且易受到不同地质和海洋控制因素的影响.另外,冷泉羽状流发育区往往对应或指示重要海洋油气富集区,通过与海域天然气水合物试采结果和天然气水合物工业生产指标进行对比分析,认为大型单体冷泉羽状流以及与水合物赋存或深部油气藏相关的区域性羽状流群具有重大资源效应,主要体现在羽状流本身的气体通量资源效应、与天然气水合物的密切联系以及对于海洋深部动态油气藏的指示三个方面.建议重视对海底冷泉羽状流发育区的调查与探测,尤其针对大型单体冷泉羽状流,加强对其活动特征的长期观测,从而明确其时序渗漏特性、活动机制以及海洋与地质因素的控制作用.通过研究有效的通量测量技术和方法,建立冷泉羽状流资源评价技术标准,从而推进其进一步开发与利用.     

天然气水合物降压开采储层内压力变化规律分析

以往的天然气水合物开采数值模拟研究大多集中于产能结果分析,鲜见关于降压开采过程中储层内部压力变化规律的研究.本文基于质量守恒、能量守恒和达西定律,建立了水合物降压开采气、水和水合物三相一维模型,并首次在模拟计算中引入压降半径公式,利用有限差分法,采用IMPES(隐式压力-显式饱和度)方法求解模型.文中对比研究了井口压力、温度、渗透率和水合物分解对储层内压力变化的影响,结果表明:降压开采水合物导致井口附近形成低温区,可能引起水结冰和水合物再生的现象;储层绝对渗透率越大,压降在储层内的传播越快,总产气量也越大;水合物分解引起得水气两相相对渗透率变化和分解产生的水气是影响储层内压降传播速度的主要因素.     

南海琼东南盆地渗漏系统甲烷水合物生长速度

南海琼东南盆地发现的高压泥底辟构造、海底“气烟囱”和天然气冷泉表明该地区可能存在着渗漏系统天然气水合物藏.假定在该区直径为1500 m的甲烷渗漏区内,甲烷渗漏通量为1000 kmol/a,甲烷水合物沉积层的温度范围为3~20 ℃,根据水合物条形移动界面理论建立传热模型,选取0 mbsf、100 mbsf、200 mbsf和425 mbsf分别计算在渗漏和扩散情况下的温度和生长速度变化曲线.结果表明甲烷水合物在沉积层骨架里的固结速度约为0.2 nm/s,经过约35000年后渗漏系统将演变成扩散系统.同时,甲烷水合物在渗漏系统里比在扩散系统里的生长速度快约20～40倍.     

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .     

海底冷泉的地震海洋学初探

海底冷泉活动在全球大陆边缘海域广泛分布.与传统利用高频声学方法探测海底冷泉羽状流不同,本文利用常规多道反射地震(地震海洋学)方法对海底边界附近水体进行成像,结合盆地流体逸散结构特征,圈定活动冷泉流体活动发育位置,分析其地震反射特征和流体活动特征.研究表明,活动冷泉流体渗漏、逸散活动在多道反射地震剖面上一般呈羽状、扫帚状和不规则状几何形态,内部反射杂乱,反射振幅偏弱,但也有振幅增强的情况出现,这可能是由于含有较多泥质和细粒颗粒物悬浮.所造成的.冷泉活动一般与盆地内部泥底辟、流体管道、断层和裂隙、气烟囱、海底麻坑和泥火山等流体逸散结构相关,反映了地层内部流体自深部向浅部运移,在海底渗漏、逸散形成了活动冷泉.但分析结果仍需要进一步实地观测和理论模拟等相关研究确认.     

南海北部陆坡神狐海域天然气水合物成藏的流体运移体系

通过新近纪断裂体系和底辟构造特征综合分析认为,底辟构造、高角度的断裂和垂向裂隙系统构成了南海北部神狐海域天然气水合物成藏的主要流体运移体系.神狐海域断层发育,可分为晚中新世活动的NW(NNW)向断层和上新世以来活动的NE(NNE)断层两组.NE向断层活动强度小,规模大,从下至上切穿上新世以来沉积层,组成高角度断裂和垂向裂隙系统.底辟构造在地震剖面上呈直立的、上小下大的烟囱状通道,局部横向扩张呈囊状、花状,形成大型的反射模糊带.底辟构造的发育在上覆沉积层产生了树枝状、似花状组合形态的高角度断裂和垂向裂隙系统,构成了良好的流体运移通道和疏导体系.当富含甲烷气体的流体通过底辟构造、断裂及裂隙系统垂向或侧向运移时,在合适的温压条件下形成天然气水合物.     

海底天然气水合物中甲烷逸出对全球气候的影响

全球气候变化会降低海底天然气水合物的稳定性导致水舍物失稳分解,反过来天然气水合物分解释放出的大量甲烷气,又会对全球气候变化产生巨大的影响,地质历史上许多重大地质事件(如LPTM事件)都可能与天然气水合物的分解释气作用有关．除了地质历史上强烈的甲烷突然释放事件,现代海底的渗漏或喷口也连续不断地向海水甚至大气输入甲烷,从而影响着全球气候变化．由于天然气水合物中甲烷逸出对全球气候影响的研究刚刚起步,还缺乏海洋沉积物和海水中甲烷传输的恰当模式,甲烷在海水中的溶解度、甲烷的氧化作用及上升流等因素对其的影响程度,以及它对大气甲炕和二氧化碳浓度变化的具体贡献等目前还很不清楚,亟需深化研究．     

Stresses and excess pore pressure induced in saturated poroelastic halfspace by moving line load

This paper examines stresses and excess pore fluid pressure that are induced in a saturated poroelastic soil of halfspace extent by a concentrated line load. The line load is moving at a constant velocity along the surface of the poroelastic halfspace. The governing equations for the proposed analysis are based on the Biot's theory of dynamics in saturated poroelastic soils. The governing partial differential equations are solved using Fourier transforms. The solutions for the stresses and excess pore pressure are expressed in the forms of inverse Fourier transforms. The numerical results are obtained by performing the numerical inversion of the transform integrals. A parametric study is presented to illustrate the influences of the velocity of moving load and the poroelastic material parameters on the stresses and excess pore pressure. At a high velocity, the maximum values of the stresses in a poroelastic halfspace are smaller than those in an elastic solid, whilst at a low velocity the stresses in a poroelastic halfspace are larger than those in an elastic halfspace. The potential of diffusivity has an important influence on the stresses and excess pore pressure.     

地震资料精细处理技术在神狐海域研究区的应用

探讨以神狐海域研究区三维地震资料为基础,针对研究区崎岖海底造成的成像精度不高的问题,提出相关的处理方法:利用组合多次波压制技术解决崎岖海底多次波衰减难题,凸出中深层构造特征;利用预测反褶积及零相位处理技术提升浅层水合物分辨率;利用多次迭代速度分析技术逐步细化速度分析精度,突出水合物相关的速度反转特征。最终的处理效果表明,提出的相关处理技术达到了预期效果,成果中BSR极性反转、振幅空白带、速度反转等水合物相关地球物理特征清晰,断层等与水合物气源及运移通道研究相关的地质构造特征清晰,利于解释专家研究水合物的富集、成藏特征。      

海底天然气渗漏的地球物理特征及识别方法

海底天然气渗漏是在海洋环境中广泛分布的自然现象.海底天然气渗漏可以指示沉积层中的烃类聚集带,渗漏出的大量气体（主要是甲烷）可能影响全球的气候变化,此外,与海底渗漏相关的浅层气改变了海底沉积物的土工性质,可能对海底工程构成威胁.因此海底渗漏研究意义重大.海底天然气渗漏不仅影响海底沉积物的物理性质,而且还极大地改变海底地形地貌,它能在海底形成麻坑、泥火山、冷泉碳酸盐岩以及化学自养生物群落等现象.在海底渗漏发生的地方,地形地貌特征可以在海洋测深和逆向散射数据上得到反映;沉积物的声学特征可以在地震剖面上得到反映,如形成声混浊、声空白、亮点、多次波、速度下拉等;有些渗漏在海面形成油渍膜,油渍膜可以在合成孔径雷达图像上得到反映.根据海底渗漏的上述地球物理特征,可以识别出可能渗漏区域,海底渗漏的证实需要用到海底观测和取样分析资料.     

A Flux Detection Probe to Quantify Dynamic Groundwater-Surface Water Exchange in the Hyporheic Zone

A new probe was designed to quantify groundwater-surface water exchange in the hyporheic zone under dynamic stage condition. Current methods focus on either vertical pore water velocity or Darcy flux measurements. Both parameters must be understood to evaluate residence time and mass flux of constituents. Furthermore, most instruments are not well suited for monitoring instantaneous velocity or flux under dynamic exchange conditions. For this reason, the flux detection probe (FDP) was designed that employs electrogeophysical measurements to estimate in situ sediment porosity, which can be used to convert pore water velocity to Darcy flux. Dynamic pore water velocity is obtained by monitoring fluid conductivity and temperature along the FDP probe. Pressure sensors deployed at the top and bottom of the probe provide the additional information necessary to estimate vertical permeability. This study focuses on the use of a geophysical method to estimate pore water velocity, porosity, and permeability within a controlled soil column where simulated river water displaces simulated groundwater. The difference between probe derived and theoretical pore water velocity using natural tracers such as electrical conductivity and temperature was −4.9 and 3.9% for downward flow and 1.1 and 12.8% for upward flow, respectively. The difference in porosity calculated from mass and volume packed in the soil column and probe measure porosity ranged between −3.2% and 1.5%. Also, the calculated hydraulic conductivity differed from probe derived values by −8.9%.     

Passing gas through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge,offshore Oregon

We present an equilibrium model of methane venting through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge, offshore Oregon. Free gas supplied from below forms hydrate, depletes water, and elevates salinity until pore water is too saline for further hydrate formation. This system self-generates local three-phase equilibrium and allows free gas migration to the seafloor. Log and core data from Ocean Drilling Program (ODP) Site 1249 show that from the seafloor to 50 m below seafloor (mbsf), pore water salinity is elevated to the point where liquid water, hydrate and free gas coexist. The elevated pore water salinity provides a mechanism for vertical migration of free gas through the regional hydrate stability zone (RHSZ). This process may drive gas venting through hydrate stability zones around the world. Significant amount of gaseous methane can bypass the RHSZ by shifting local thermodynamic conditions.     

基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟

海底冷泉羽状流与海底天然气水合物的分布密切相关,对水合物稳定带的边界具有指示作用,是未来能源勘探的重要领域.研究海底冷泉羽状流的地震响应特征,对确定天然气水合物的储集区域及成藏环境等均有重要意义.当前获得海底冷泉羽状流的地震响应主要通过数值模拟进行,然而该过程所依据的含气泡介质声速模型及随机介质理论不能完整描述海底冷泉的物理性质,采用的声波方程也不适用于高频地震波数值模拟.为了准确地实现海底冷泉羽状流地震波数值模拟,精确分析其地震响应特征,本文提出利用Keller-Miksis气泡振动模型来描述气泡在声波作用下的运动状态,同时考虑气泡间的相互作用,建立海底冷泉气泡模型.在此基础上,本文创新性地采用含气泡液体声波方程进行海底冷泉高频地震波数值模拟.数值模拟结果表明,本文提出的方法能够实现海底冷泉羽状流地震响应的高精度数值模拟.     

Modelling the hysteresis in the velocity pattern of slow‐moving earth flows: the role of excess pore pressure

This paper describes the velocity pattern of a slow‐moving earth flow containing a viscous shear band and a more or less rigid landslide body on top. In the case of small groundwater fluctuations, Bingham's law may describe the velocity of these slow‐moving landslides, with velocity as a linear function of excess shear stress. Many authors have stated that in most cases a non‐linear version of Bingham's law best describes the moving pattern of these earth flows. However, such an exponential relationship fails to describe the hysteresis loop of the velocity, which was found by some authors. These authors showed that the velocity of the investigated earth flows proved to be higher during the rising limb of the groundwater than during the falling limb. To explain the hysteris loop in the velocity pattern, this paper considers the role of excess pore pressure in the rheological behaviour of earth flows by means of a mechanistic model. It describes changes in lateral internal stresses due to a change in the velocity of the earth flow, which generates excess pore pressure followed by pore pressure dissipation. Model results are compared with a hysteresis in the velocity pattern, which was measured on the Valette landslide complex (French Alps). Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.