沉积物中水合物微观分布模式的声学响应机理研究

沉积物中水合物微观分布模式的声学响应机理是地震技术在水合物研究领域中应用的基础。由于缺乏高精度直接观测技术，国内外研究多采用假想的水合物微观分布模式解释声学数据，与实际情况往往有较大偏差。本研究拟结合最新的高精度计算机层析成像技术（微米级CT技术）和"声学与时域反射联合探测技术"，采用模拟实验的方法直接观测水合物生成和分解过程中石英砂体系的水合物微观分布模式，并与实时测量的水合物声学响应参数等结合在一起，通过系统分析水合物饱和度、纵横波速度（Vp，Vs）和水合物微观分布模式三者之间的关系，阐明沉积物中水合物微观分布模式的声学响应机理，为沉积层中水合物微观分布的声学识别方法和岩石物理模型的建立提供科学支撑，对水合物地球物理勘探具有重要的理论和实际意义。

天然气水合物微观分布模式及其声学响应机理是水合物地球物理研究的基础。本项目通过改进水合物高精度CT技术和弯曲元技术，直接观测了沉积物孔隙尺度下水合物微观分布模式，并获取了相应的声学数据，首次实现应用直接观测的微观分布解释声学现象，阐明了水合物微观分布的声学响应机理，提出了适合于水合物饱和度估算的岩石物理模型，较为圆满地完成了项目工作任务。.研究结果表明，研制的新型弯曲元技术能有效获取石英砂、南海沉积物等介质中水合物形成过程的声波信号和纵横波速度。在0.09-0.125mm、0.425-0.8mm两种粒径石英砂中进行实验表明，纵横波速度随水合物饱和度增加呈分段式增长，在水合物形成初期和后期声速增长较快，形成中期声速增长相对较缓。在南海沉积物中，当饱和度小于14%时，声波信号随着水合物形成逐渐减小，纵横波速度变化不明显；当饱和度大于14%后，声波信号和纵横波速度随饱和度增加而快速增大。.利用改进的CT技术有效地探测了石英砂和南海沉积物中水合物形成的微观分布模式，为上述声学现象提供了很好的解释。石英砂中水合物率先在游离气泡周围形成，桥接了沉积物颗粒，增强的支撑力致使声速快速增长；水合物形成中期，孔隙流体中溶解气开始大量形成悬浮状态的水合物，虽然饱和度在增加，但由于水合物对沉积骨架支撑力较弱，对声速影响不大；水合物形成后期，水合物的体量足以支撑整个沉积骨架，甚至包裹沉积物颗粒形成包裹状的胶结模式，对声速造成巨大影响，声速随饱和度增加急剧上升。南海沉积物内部具有较大丰度的有孔虫空腔壳体，水合物优先在有孔虫壳体中形成，呈悬浮状态，对声速影响不大，但形成的水合物微粒子造成了较大的散射衰减，致使声波信号逐渐减小；当饱和度大于14%后，水合物足以充填有孔虫壳体，且部分水合物开始支撑沉积物颗粒生成，因此声波信号和声速均随饱和度增加而快速增大。.研究成果首次清晰地揭示了沉积物中水合物微观分布的声学响应特征，可为岩石物理模型和水合物勘探研究提供新的思路和数据支持。以往研究中多采用单一的假想微观模式解释声学数据，建立的模型具有较大的不确定性。本项研究为模型的校正和重新建立打开了可能途径，研究成果已引起英国国家海洋研究中心等国际同行的重视，具有较好的应用前景。基于上述实验数据验证了时间平均方程等六种模型，结果表明，权重方程和BGTL理论的联合是估算石英砂和南海沉积物中水合物饱和度的合适模型。