Geophysical characteristics and migration mechanism of active submarine sand waves off the coast of Dongfang, Hainan
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摘要: 海南东方近岸海底发育有大量沙波，利用多波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震资料综合分析了活动沙波的地球物理特征，探讨了沙波的分布特征、迁移机制、活动性及形态演变特征。结果表明，研究区海底沙波分布和规模具有显著空间差异性，大中型沙波主要发育于沙脊上，小型沙波主要发育于沙脊两侧，坑槽区发育近对称沙波，研究区西南部沙波不发育。受潮流和科氏力约束，在海底沙脊西侧沙波迁移方向主要为向北（略偏东），在沙脊东侧主要为向南（略偏西）；受地形制约，坑槽区近对称沙波迁移可能停止或方向发生改变。沙波活动性强的标志主要包括：① 形态呈不对称的“脊尖槽缓”，② 叠置小沙波与沙纹发育，③ 浅部有透明层，④ 陡坡面反射模糊，⑤ 内部斜交前积结构。分析认为，沙波活动性与其形态密切相关，包括弱运动、强运动、不运动3个演变阶段。Abstract: A large numbers of sand waves are developed on the seafloor off the coast of Dongfang, Hainan. This paper is devoted to the study of the geophysical characteristics of active submarine sand waves by means of multi-beam echo-sounding, side-scan sonar, sub-bottom profile, and single-channel seismic, and to the discussion on the distribution pattern, migration mechanism, activity, and morphologic evolution of the sand waves. The results show that there are significant spatial differences in the distribution and scale of submarine sand waves, for examples, large and medium-sized sand waves are mainly developed on the top of sand ridges, small sand waves developed mainly on the two sides of sand ridges, and near-symmetrical sand waves developed in the areas of pits. Submarine sand waves are not developed in the southwest of the study area. Constrained by tidal current and Coriolis force, the migration direction of the sand wave on the west side of the submarine sand ridge is mainly northwards with a few towards east, while those on the east side is mainly southwards with a few slightly towards west. Restricted by topography, the migration of near-symmetric sand waves may stop or change direction. Strongly active submarine sand waves are characterized by the features as follows. (a) Asymmetric shape with "sharp ridge and gentle trough"; (b) Small sand waves and sand ripples superimposed on sand waves; (c)Sub-bottom profile shows transparent layers; (d) Blank reflection on the steep slope; (e) Internal oblique progradation configuration. The analysis shows that the movement of the sand waves is closely related to its morphology, and three stages of evolution from inactive to highly active to motionless are recognized.
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天然气水合物是在低温高压环境下由水和天然气(主要是甲烷)形成的笼形结晶化合物[1]。由于其潜在的巨大规模储量(约3000万亿m3)和清洁的燃烧产物，天然气水合物被视为很有前景的未来能源[2-4]。另一方面，天然气水合物中的甲烷是一种温室效应高于CO2二十多倍的温室气体，因此由于温压条件变化而导致的天然气水合物分解释放出的大量甲烷会对全球气候造成影响[5-8]。因此对于天然气水合物的研究具有重大的意义。
沉积物孔隙水地球化学研究作为海洋沉积研究最主要的手段之一，在天然气水合物的研究当中发挥了非常重要的作用，在天然气水合物异常识别、成藏流体来源、流体运移过程以及流体组分在浅表层微生物地球化学过程的响应等方面取得了大量研究成果[2, 9-15]。如用氯离子和氧同位素异常来识别水合物赋存[2, 16-18]，用硫酸根梯度(或硫酸盐还原带深度)结合溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon，DIC)含量及其同位素组成来识别AOM(Anaerobic Oxidation of Methane，AOM)过程等[10, 12, 19-21]。在南海北部陆坡天然气水合物勘探研究中，孔隙水地球化学在水合物成藏对浅表层沉积物早期成岩作用过程的影响的研究中扮演了非常重要的角色，并取得了很多成果[15, 16, 19, 22-24]。南海北部陆坡潜在水合物远景区均表现出可能与天然气水合物相关的地球化学异常特征，主要表现为浅表层沉积物中较浅的SMI(Sulfate-Methane Interface，SMI)界面、相对偏负的溶解无机碳的碳同位素组成以及其他主微量元素特征等[17, 19, 20, 22, 23, 25-28]。但由于取样限制，大部分报道的工作集中于浅表层，主要的分析结果均是间接证据，真正与水合物直接相关的孔隙水地球化学研究较少。而南海北部地区GMGS1-GMGS3三次的水合物钻探计划为我们的研究提供了基础。
本次研究选取了GMGS2航次的GMGS2-09站位作为研究对象，分析直接与水合物相关的孔隙水地球化学特征，利用地球化学异常识别水合物的赋存并计算水合物在孔隙介质之间的饱和度。
1. 地质背景
南海是西太平洋最大的边缘海之一，其北部陆坡区地形复杂，许多大中型新生代沉积盆地(台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地和莺歌海盆地等)跨越了陆坡区，最大沉积厚度超过10000m。晚更新世和全新世地层沉积速率分别为17.9~19.6cm/ka和9.6~14.6cm/ka[29]。北部陆坡的水深为200~3400m，水温为2~5℃，较快的沉积速率和适宜的温压条件都非常有利于天然气水合物的形成[30]。
中国自20世纪90年代开展天然气水合物的调查研究以来，已在南海北部陆坡圈定了一系列成矿远景区[17, 18, 31-34]。在南海北部的神狐海域，广州海洋地质调查局于2007年实施了首次天然气水合物钻探航次GMGS1，钻获分散状天然气水合物实物样品[17]，并于2015年的GMGS3钻探航次中再次钻获多种类型水合物[35]。2013年，在神狐海域东北部的珠江口盆地东南海域，实施了GMGS2钻探航次，首次钻获了纯块状天然气水合物岩芯样品，并且还有大量层状、块状、结核状及分散状等多种形态的天然气水合物实物样品[18]。2015年在琼东南海域海马冷泉区，发现并采获了浅表层水合物[36]。最终于2017年，中国地质调查局在神狐海域成功实施了天然气水合物试开采，也是国际上首次对细粒沉积物储层实现试采[37]。
2. 样品及分析方法
本文研究的GMGS2钻探位置位于南海北部陆坡珠江口盆地与台西南盆地间(图 1)。其中在GMGS2-05、GMGS2-07、GMGS2-08、GMGS2-09、GMGS2-16等5口井发现水合物实物样品。测井曲线结果显示除了GMGS-08、GMGS-16站位有浅层和深部两层水合物外，其他站位仅发育单层水合物[38]。GMGS2-09井水深664m，钻井深度近110 m，在9~21m层段发育有结核状水合物[38]。GMGS2-09井位在钻探现场采用压榨法提取孔隙水样品13份，样品从8.65m到100.16m连续分布，每份孔隙水取样岩心厚度约3cm。
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针对研究需要对GMGS2-09井的孔隙水进行了氯离子含量、氢氧同位素和阳离子的分析，所有分析均在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。
氯离子含量采用滴定法测定，使用0.1M硝酸银溶液为滴定液，监测标准为IAPSO国际海水标准，使用仪器为瑞士Metrohm的916 Ti-Touch全自动点位滴定仪，电极为复合银电极，分析相对误差低于1%。硫酸根含量采用离子色谱法，使用瑞士Metrohm公司790-1型通用离子色谱仪，Metrosep A Supp4-250型阴离子柱, 相对标准偏差小于3%。
氢氧同位素采用TC/EA-IRMS法测定，分析仪器为FLUSH2000元素分析仪和MAT253型稳定同位素质谱(ThermoFisher, Germany)，使用标准为VSMOW、SLAP、GISP国际氢氧同位素标准，氧同位素分析精度优于0.2‰，氢同位素分析精度优于1‰。
孔隙水的阳离子含量采用离子色谱法，使用瑞士Metrohm公司790-1型通用离子色谱仪，Metrosep C 2-150型阳离子柱。相对标准偏差小于3%。
3. 结果
GMGS2-09站位沉积物孔隙水阴阳离子浓度随深度变化特征如图 2所示。从图中可以看到，氯离子含量从顶到底在正常层位其含量基本稳定，分布在580mM左右。而在水合物赋存层位A区则表现出了较为明显的负漂移，另外在B、C区也出现了明显负漂移迹象。
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图 2 GMGS2-09站位孔隙水阴阳离子含量随深度分布图(图中黑色圆点代表GMGS2-09样品，阴影部分代表水合物层)Figure 2. Profiles of cation and anion with depth(black dots represent GMGS2-09, and shadow regions represent gas hydrate layers)钾和钠离子随深度变化相较于氯离子变化较大，但在A、B、C等水合物存在或者疑似存在的层位也都出现了较为明显的浓度降低情况。除3个异常层位外，整体上钠和钾离子呈现出浓度随深度降低的趋势。镁、钙离子与钾、钠离子表现基本相同，其中钙离子在10m以下含量基本稳定。
GMGS2-09站位氢氧同位素组成如图 3所示，氢氧同位素随深度变化较大，氧同位素值普遍较高，相较以往珠江口盆地东南海域浅表层沉积物孔隙水的值高0.1‰~0.4‰[40]，但在阴阳离子异常区域仍然可以看出氧同位素相对于上下层位有较为明显的高异常，氢同位素值变化也具有类似特征。
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图 3 GMGS2-09站位孔隙水氢氧同位素组成随深度分布图(图中阴影部分代表水合物层)Figure 3. Profiles of hydrogen and oxygen isotopes with depth(shadow regions represent gas hydrate layers)4. 讨论
4.1 GMGS2-9站位水合物层位的识别
由排盐作用引起的盐度异常和水合物结晶引起的氢氧同位素分馏是天然气水合物研究最直接的地球化学异常现象。氯离子浓度负异常耦合氧同位素正异常是天然气水合物形成后分解的最佳证据[2, 41]，或者反之氯离子正异常、氧同位素负异常则被认为是天然气水合物形成的证据，总体上来说在有天然气水合物存在的区域两者应该呈负相关关系。
GMGS2-09站位沉积物孔隙水地球化学特征显示了较为明显的盐度异常以及氢氧同位素异常。如图 4所示，部分出现氯离子含量低异常的层位，其氢氧同位素也表现出了较为明显的异常。但是从图中也可以看出，氧同位素与氯含量并没有呈现出理想的负相关关系，可能是由于沉积物原位孔隙水中氯含量以及氧同位素值初始含量或组成存在差异。
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图 4 GMGS2-09站位孔隙水氯含量以及氢氧同位素相关关系(图中空心矩形代表异常层位的样品，实心圆点代表位于非水合物层的样品)Figure 4. Correlation of chloride concentration, hydrogen and oxygen isotopes(blank squares and black dots represent samples in the layer with and without gas hydrates, respectively)沉积物孔隙水的地球化学异常是相对于相邻层位正常沉积物孔隙水而言，不是与海水比较。由于沉积环境不同(如沉积速率、沉积厚度、热流以及构造等)，不同区域的沉积物孔隙水特征会有不同程度的差别，也会使其偏离海水的数值[2, 42, 43]。如ODP 164航次994、997站位，其氯含量与氧同位素组成均随着深度呈现下降趋势，该现象受制于深部流体的地球化学特征影响[44]。因此我们在对氯离子浓度和氢氧同位素异常进行判别时首先需要对其背景进行校正，先使用非水合物储层的数据进行曲线拟合，然后根据水合物层的拟合值与真实测定值来求出该区域的地球化学异常值并进行图解判别。
通过对GMGS2-09站位的沉积物孔隙水各离子浓度曲线进行了基线拟合(排除图 2所示的含量异常点)，然后根据拟合值对其差异进行校正，我们得到氯含量以及氧同位素的异常值(图 5)。
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图 5 GMGS2-09站位孔隙水氯含量以及氧同位素随深度分布图(左图为原始含量变化图，右图为校正之后的图解)Figure 5. Profile of original chloride concentration and oxygen isotope with depth (on the left), and corrected profile (on the right)对比数据校正前后的变化可以看出校正后前文所述的三层异常层表现出明显的氯低异常和氧同位素正异常的耦合关系，确证了GMGS2-09井在9~17、47以及100m处水合物的存在，其中9~17m层位与实际取样结果完全一致，也与测井曲线结果吻合[38]。中下两层对应的测井曲线并未出现异常，可能与这两层水合物的赋存形态及含量有关。浅表层水合物以块状形式存在，在电阻率伽马等物理指标上会有较明显的显示，中下两层可能是以浸染状形式赋存，含量较低，测井曲线上特征不明显。
4.2 GMGS2-9站位水合物饱和度的估算
基于水合物晶格的排盐机理，取样时所观察到的氯离子负异常均来源于水合物分解产生的淡水稀释所致，因此可以用氯离子淡化程度来估算埋藏时水合物的饱和度[45] (公式1)。
$$ S_{\mathrm{h}}=\left[\beta\left(C_{\mathrm{b}}-C_\text{s}\right)\right] /\left[C_\text{s}+\beta\left(C_{\mathrm{b}}-C_{\mathrm{s}}\right)\right] $$ (1) 公式中Sh为水合物饱和度；Cb为沉积物原始层位孔隙水离子的背景浓度，一般采用原位测量来获取，但是由于原位测量存在困难，可以用基线拟合的背景浓度来代替；Cs为各层位的实测浓度；β为常数，用于校正水合物分解产生的流体密度变化，采用Malinverno等[45]的方法推算出的数据为1.257。
在用氯含量进行估算的同时，我们也用钾和钠含量进行了水合物饱和度的估算(图 6)，在靠近海底的位置，三者的估算结果几乎完全一致，从17m处的20%左右到8.5m处的58%左右。在47m处，氯和钠离子估算值较为接近，均为13%左右，钾离子估算值为31%。在底部100m处，钾和钠离子相当，为20%左右，而氯离子估算结果为48%。从估算结果可以看出，从9m到17m左右深度的水合物含量最高，这与实际采样时在该层位发现结核状水合物的情况相吻合。而估算结果也表明，47m及100m处可能存在相当含量的水合物赋存，尤其是100m处。
图中三者对水合物饱和度的估算也表现出了一定程度的差异，可能来自三种离子自身地球化学性质的差异。钾和钠离子相对于氯离子稳定性稍差，其含量仍会受到深部黏土矿物变质的影响。由于变化不同，在用数学方法拟合时，其精度和准确度也有差异。这个差异会表现在最终结果上。浅表层位置孔隙水的原始含量主要受控于海水，因此其拟合数据的准确度较高，因此三者之间的一致性也比较理想。
5. 结论
GMGS2-09站位位于珠江口盆地东南海域，在该站位钻探时多个层位发现有疑似水合物埋藏的迹象。通过对该站位孔隙水地球化学研究发现，在9、47以及100m三个层位存在水合物，三个层位均表现出氯含量的相对低异常和氢氧同位素的相对正异常。根据氯离子含量以及钠离子含量，我们对该站位的水合物饱和度进行了估算，浅表层最高约为50%，中间以及底层约为20%。浅表层相对较高的水合物饱和度估算结果也与钻探采样过程中在此深度发现结核状水合物的分布相吻合。
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图 2 多波束测深揭示典型沙波分布与形态（a）及沙波迁移方向（b）
Figure 2. Distribution, shape （a）, and migration direction （b） of typical sand waves revealed by multi-beam echo-sounding data
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图 3 侧扫声呐揭示的沙波剖面形态（a）与平面形态（b）及微地貌分布特征（c）
Figure 3. Profile shape （a）, plane shape （b）, and micro-geomorphologic distribution characteristics （c） of sand waves revealed by side-scan sonar
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图 4 浅地层剖面揭示活动沙波特征（a）和坑槽中对称沙波特征（b）
Figure 4. Characteristics of active sand waves （a） and symmetric sand waves in the pit （b） revealed by sub-bottom profile
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图 5 单道地震剖面揭示测线XCL8沙波群形态（a）及沙波结构特征（b）
Figure 5. Shape of sand wave group of line XCL8 （a） and structure characteristics of sand waves （b） revealed by single-channel seismic profile
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图 6 单道地震剖面揭示测线XCL7沙波群形态（a）及坑槽中对称沙波内部结构特征（b）
Figure 6. Shape of sand wave group of line XCL7 （a） and structure characteristics of symmetric sand waves in the pit （b） revealed by single-channel seismic profile
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图 7 海底活动沙波形态演变阶段一（a），阶段二（b）和阶段三（c）的特征
Figure 7. The characteristics of stage 1（a）, stage 2（b）, and stage 3（c）of the morphologic evolution of active submarine sand waves
表 1 主要调查设备及数据采集参数
Table 1 Main parameters of the surveying systems
参数 多波束测深 侧扫声呐 浅地层剖面 单道地震 设备型号 EM710S EdgeTech4200 SES2000Medium SIG 2Mille震源Geo-sense 48电缆 中心频率/kHz 120 110 6 0.6～1 量程/m 通常为水深的3～4倍 单侧100 60 海底以下100 声源发射率/Hz 大于5 约为7 约为12 1 观测系统 船底安装 拖曳于船尾后约120 m，近底观测 船底安装 沉放约0.5 m，拖曳于右船尾后约45 m 
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表 2 海南岛西南近岸海域海底沙波形态参数统计
Table 2 Morphological parameters of submarine sand waves in the southwestern offshore area of Hainan
形态参数 研究区 海南岛西部VI区[7] 东方岸外东区[12] 海南岛西南海域[25] 海南岛东方海域[26] 水深/m 9～46，平均25 19.3～21.3 20～50 30～40 平均15 波长/m 7.1～329，平均93.3 41～148 − 5.8～91.8 41.5～719.7 波高/m 0.3～13.2，平均4.7 1.7～5.9 2～10 0.1～4.3 0.84～9.9 垂直形态参数 5.5～54，平均22 16～29 18～44 − 14.5～196.2 缓坡倾角/（°） 3.2～13，平均5 2.7～5.1 − − 0.34～8.05 陡坡倾角/（°） 3.2～25，平均10.7 10.4～16.8 10～20 − 2.0～13.3 对称指数 1.0～12.8，平均4.5 3.1～4.6 7～12.6 0.32～6.52 0.67～9.63 注：缓坡水平距离（a），陡坡水平距离（b），波长（L=a+b），波高（H），垂直形态参数（L/H），对称指数（a/b）。
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表 3 研究区海底活动沙波地球物理特征
Table 3 Geophysical characteristics of active submarine sand waves in the study area
观测方法 地球物理特征 多波束测深 平面上呈韵律的新月形条带状；剖面上呈“脊尖槽缓”的波状排列，成群出现。 侧扫声呐 海底线呈“竹节状”变化，波脊线两侧回波强度变化明显；发育叠置小沙波与沙纹。 浅地层剖面 波状排列，通常波形不对称；浅部有一层透明层；缓坡面反射连续清晰，陡坡面反射模糊；内部可见迁移活动底界面。 单道地震 波状排列，波形陡缓分明；缓坡面表层为连续强振幅反射，陡坡面表层反射模糊。沙波内部为斜交前积反射结构，下伏为亚平行的层状反射。
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