水合物羽状流数值模拟及地震响应特征研究

Plentiful gases in deeper sediments migrate upwards along faults or cracks and leak into the sea water, and produce a bubble plume. The seafloor sediments abundant with gas hydrates are commonly found in the plume occurrence areas. Therefore, the plume may be an indirect evidence of the gas hydrate existence. At present seismic methods can be used to identify plumes,whereas the seismic response of plumes still lacks deep research. Thereby, this project will carry out study on the seismic response characteristics and the numerical simulation of plumes. Main research contents in this program are as follows. The plume model is constructed based on the acoustic wave velocity model in the sea water containing bubbles and random medium theory or equivalent medium theory, and it includes model parameters of bubble radiuses and bubble contents. The equation of acoustic wave is solved by finite difference and the seismic wave field of plumes is forward simulated. The seismic scattered wave field characteristics produced by plumes are analyzed and summarized. Seismic data of shot gathers are processed by prestack depth migration imaging using seismic scattered wave imaging theory. Seismic attributes sensitive to bubble radiuses and bubble contents are extracted by prestack and poststack seismic data, the relationship between model parameters and seismic attributes are obtained, and the relationship is confirmed by actual seismic data with plumes. This study will provide a theoretical reference basis for seismic methods recognizing plumes. The research results contribute to further explore the decomposition and migration laws of hydrates and the distribution law of methane bubbles in the sea.

地层深部大量气体沿着断层或裂隙向上运移，泄露到海水中形成气泡羽状流，羽状流发育区常发现富含天然气水合物的海底沉积层，因此，羽状流可作为水合物存在的间接证据。目前，地震方法已能检测到羽状流，但对羽状流地震响应尚缺乏深入研究。由此，本项目拟开展羽状流数值模拟及地震响应特征研究，具体为：根据含气泡海水声波速度模型及随机介质理论或等效介质理论建立羽状流模型，包含气泡半径和含量两个模型参量；利用有限差分法求解声波方程进行正演模拟羽状流地震波场，分析总结羽状流产生的地震散射波场特征；应用地震散射成像理论对羽状流炮集地震数据进行叠前深度偏移成像处理；利用叠前和叠后地震资料提取对气泡半径和含量敏感的地震属性，建立模型参量与地震属性之间的关系，再由含羽状流的实际地震资料验证二者之间的关系。本研究为地震方法识别水合物羽状流提供理论参考依据，其成果有助于进一步探索水合物分解和运移规律及海水中甲烷气泡的分布规律。

羽状流是海底气体泄漏的直接表现，可通过声呐及地震方法探测到。声呐发展得相对成熟，探测到的羽状流图像清晰可见，而地震方法相对薄弱。为了更好地进行羽状流大面积地震探测，本项目开展了羽状流数值模拟及其地震响应特征的相关研究。. 1、在分析含气泡海水特性及实际羽状流气泡分布特征基础上，利用等效介质理论和随机介质理论构建了羽状流速度模型，模型能够反应出气泡的垂直运移规律、分布特点及羽状流外观特征，符合羽状流实际赋存状态。. 2、采用有限差分方法求解声波方程，获得模型的炮集地震记录，单炮地震记录表现出羽状流产生的散射波场，与实际羽状流地震剖面相对应；找到适合羽状流地震资料的处理方法——叠前逆时偏移，通过叠前逆时偏移处理获得了成像清晰的羽状流地震偏移剖面。. 3、为研究气泡半径对地震响应的影响，建立了4个气泡半径逐渐递增的羽状流模型。对4个模型的炮集记录提取了振幅类地震属性，结果显示：气泡半径对振幅类属性不敏感，这是由于气泡半径对声波速度影响微弱的缘故。所以，本研究后期重点探讨了气含量对地震属性的影响。. 4、为分析羽状流气含量对地震响应的影响，建立了5个气含量逐渐递增的羽状流模型。对5个羽状流偏移剖面提取了3类(振幅类、频率类和相位类)地震属性，结果显示：振幅类属性与羽状流气含量呈现出很好的线性相关；频率类属性与气含量之间是非线性关系；相位类属性与羽状流气含量之间基本不相关。.针对振幅类属性与羽状流气含量之间的相关性做了进一步探讨，即通过线性拟合，得到气含量与振幅属性的拟合关系式。相对误差验证表明：由拟合公式反求的气含量与模型真实气含量的误差很小，说明拟合关系式基本成立。. 5、为利用气含量与振幅属性关系模型反演实际羽状流气含量，先将实际羽状流地震剖面转换成属性剖面，再由拟合公式反演气含量，获得气含量剖面。对比气含量剖面与属性剖面、实际地震剖面，都具有共同的分布特点，即剖面的右下角的颜色较深，实际羽状流地震剖面的振幅值大，对应的振幅属性值也大，反演出的气含量值也相应大(因为气含量与振幅属性呈线性相关)，也说明剖面右下角的羽状流气泡分布较密。. 最终获得的羽状流气含量剖面能够更加简单直观地反映出羽状流气泡含量的分布情况，由此可以推断海底气泡的分布规律，为进一步估算羽状流气含量及水合物储量奠定基础。