基于SONIC软件的鄂霍次克海浅表陆坡可燃冰勘探研究

臧鹤超，华志励，刘波

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266001)



基于SONIC软件的鄂霍次克海浅表陆坡可燃冰勘探研究

臧鹤超，华志励，刘波

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266001)

摘要：运用自主研发设计的SONIC软件，控制深海勘探设备Echo水声探测系统，对位于西北太平洋边缘的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷释放情况进行勘探研究。重点对萨哈林岛东面浅表陆坡进行了大规模的水声测扫，通过采集回声信号，应用SONIC软件处理和成像后，实现了海底甲烷气体渗漏点(GF)、冷泉和海床的可视化。在发现甲烷气体渗漏点后，运用SONIC的成像功能，分析冷泉中甲烷气体浓度及形态的变化，运用GPS系统进行实时跟踪与定位，利用重力取样器等采样工具，在多个海域成功采集到了可燃冰岩心样本，并及时进行了分析，得到了该地区可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等数据。另外，通过梳理本次考察的经验，对规范我国可燃冰资源调查方法也会产生积极影响。

关键词：SONIC软件；鄂霍次克海；可燃冰

可燃冰[1-2](又称天然气水合物)是一种由天然气和水分子组成的固体物质，具有独特的笼型结构，通常呈现白色冰状的外貌，故又称为可燃冰。据粗略估算[3-4]，在海洋中可燃冰的储量非常巨大，世界海洋可燃冰生成带所含天然气的储量约8.5×1016m3,其中大部分存在于深海海底，其储量大约为陆地储量的100倍以上。在地球石油和煤炭资源日渐枯竭的今天，可燃冰勘探和开发的意义变得越来越重要。

可燃冰存在于海底泥层下沉积物中，必须通过特定的标志来确定其埋藏地点。冷泉[5-6]是一种水气(以烃类气体为主)混合的海底排泄现象，其诱因是地壳活动和天然气水合物矿床结构的不稳定性[7-8]，当地壳活动和矿床发生垮塌时，就会有天然气气体外溢喷发，形成冷泉现象，所以冷泉是发现可燃冰矿床的一个重要标志。

图1　鄂霍次克海海域GF和冷泉喷溢点Fig.1GF and cold seep eruption points of the Okhotsk Sea

1　研究目的

在本次鄂霍次克海中俄联合考察过程中，通过运用自主研发的SONIC上位软件，控制深海勘探设备Echo水声探测系统，对远东地区萨哈林岛东面的鄂霍次克海海域进行了科学考察,发现多处甲烷气体渗漏点(gas flare,GF)和冷泉喷溢点，如图1所示(海图上黑点标示处为GF和冷泉喷溢点)。通过声纳和GPS定位，应用重力采样器等取样设备，对海床沉积物进行了岩心取样，成功地采集到了可燃冰岩心样本。本文通过对冷泉中甲烷气体浓度及压力参数变化、可燃冰岩心样本进行分析，最终得出到了燃冰的分布情况，甲烷气泡的渗漏形态和甲烷排放总量。

2　SONIC软件应用

2.1水声系统总体结构描述

Echo水声探测系统由底层的两台声纳Sargan-HM Left、Sargan-HM Right、一台深海水声测深仪Sargan-EM和一台高分辨率多道反射地震仪ELAC组成，由SONIC软件实时控制，如图2所示。该系统分别以12 kHz、20 kHz和135 kHz的频率建立了4个独立通道，来进行水声测量和定位。在声学测量的同时，由全球定位系统(GPS)来辅助进行准确的岩心采样器定位，可将海底深度、海底地貌和海床剖面模拟量信号及时传送到SONIC上位软件，由SONIC上位软件进行还原和成像，最后在显示屏上显示和记录，使科学调查人员能够实时动态地掌握海底可燃冰的可能存在点和甲烷气泡的渗漏形态。

该系统共有两种运行模式，如图3所示。对被调查海域的声学背景环境进行探测的航行器，在全速前进的条件下持续前进时(大约9～12 kn)，应使用测深仪Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以双通道频率(12 kHz和20 kHz)进行声学探测。

当声学调查的航行器以低速(大约3 ～ 6 kn)在预定海域运行时，应使用声学测深仪Sargan-EM和ELAC以12 kHz和20 kHz的频率，在垂直方向上形成两条射线，同时，声纳Sargan-HM在20 kHz和135 kHz的频率下，分别向两边与垂直方向形成30°的夹角进行测量。船只在低速条件下应用该方法对可燃冰气体渗漏源进行监测，比高速条件下有效测量范围扩大3倍左右，能够有效定位渗漏源地点和船体之间的相对位置关系。

图2　Echo水声探测系统结构图Fig.2　Structure chart of Echo underwater acoustic detection system

图3　声学回声扫描信号的两种模式Fig.3　Two modes of echo scanning signal

2.2SONIC软件

作为整个系统控制部分的SONIC软件应用VB 6.0 软件开发，由参数设置界面、系统控制软件、水声信号处理软件和水声信号成像软件4部分组成，具备系统功能控制、水声发射器参数设置和对4个水声通道发来的的实时水声信号进行收集、预处理、存储和图像化的功能，它的硬件配置包括：

(1)接口单元;

(2)双声卡Creative Labs;

(3)个人计算机(奔腾Ⅱ或更高);

(4)32位Windows操作系统。

在程序和初始化软件的帮助下，可在SONIC软件初始化界面对水声发射器信号的参数进行设定(包括水深范围、平均声速等),如图4所示。

图4　SONIC软件的初始化界面Fig.4　Initial interface of software SONIC

水声发射器信号的记录格式如下：首先，发送水声“Ping”的日期和时间(该设定运用Visual Basic 6软件的不同日期类来编写)；其次，发送水声“Ping”的时间设定值随着测量深度的增加，按照其回声情况来设定。

每次计数(N)等于设定的深度范围和深度测量结果之间的比率，因此，记录一次“Ping”需要占用(8+2N) B的存储空间。一个数据文件的名称以测量所消耗的小时和分钟数命名。例如，如果第一个回声信号在2010年6月1日的02:25发出，那么这个回声信号的数据文件就被命名为0225.1dt或0225.2dt,命名取决于以信道编号的文件夹是Data1Jun10 或 Data11Jun10，也取决于声卡的编号。另外，包含有注册回声参数必要信息的配置文件0225.1cf 或0225.2cf，如表1所示，被作为初始化文件(INI-file)记录在同一个文件夹内。

表1　配置文件示例

应用4路模数声学变换器对水声信号进行数字化处理，其同步处理和低通滤波功能非常显著，实时回声信号经水声信号处理软件可视化处理后，使用两个标准的彩色显示器进行显示，每个通道表示了两个具有独立深度范围和独立调色板的多色回声图，如图5所示。SONIC软件提供了在需要的深度范围内对回声信号进行同步探测、过滤、记录和可视化的功能。

图5　显示器中的海床声学信号Fig.5　Acoustic signals of the seabed in a monitor

3　SONIC软件分析

3.1SONIC软件在可燃冰勘探方面的分析

图6为科考船只在全速运行状态下，应用测深仪Sargan-EM和ELAC在垂直方向上以双通道频率(12 kHz和20 kHz)进行声学信号采集，经SONIC软件处理后，显示在彩色显示器上的图像。

图6　测深仪Sargan-EM和ELAC发现冷泉水柱Fig.6　Cold seep discovery with Sargan-EM and ELAC

图中箭头指出的密集的垂直信号部分是海底冷泉喷流形成的水柱[9-11]，其中竖线代表了水中上升的气泡，冷泉的发现，标志着海底潜藏着烃类气体，是发现可燃冰的重要标志[12]。发现冷泉后，马上运用重力取样器等取样设备，对该地点海床进行了岩心取样，得到了包含可燃冰的沉积物岩心(图7a)，并从中取得了可燃冰样本(图7b图)。

图7　采集到的可燃冰样本Fig.7　Collected gas hydrate samples

本航次的科学考察共发现大约96处GF，其中有大约30处是首次发现，在其中的18处沉积物岩心中发现了可燃冰样本，并利用分析仪器现场对其甲烷含量、沉积物和孔隙水进行了化学成分检测。

3.2SONIC软件在甲烷气泡形态方面的分析

图8　GF点密集区域成像图Fig.8　High concentration imaging of methane gas signal

图8是利用SONIC软件对200 m浅海陆坡海底GF点密集区域[13]的成像图，可看到大量的甲烷气泡从海床下涌出，形成冷泉。箭头所指红色区域为高浓度甲烷气体信号，此GF点位于可燃冰稳定带(MHSZ)的上层或上层边缘。

利用SONIC软件动态分析可知，这些GF点的甲烷排放量一般为0.5～500 mmol/s不等，数量众多，面积可达数平方公里；通过软件测算单个气泡的上升速度为10～39 cm/s，可测算出这里的平均海底甲烷通量为5 μmol/ km2s；根据浅海陆坡的面积推测和对不同区域甲烷排放量速度的测算，萨哈林岛东部陆坡甲烷气体渗漏的总量可达每年0.2 Mt。

4　研究结论

依靠SONIC软件的成像功能、数学统计功能和图像分析功能，经过精确计算可以得到如下结论：

(1)可燃冰的分布情况

本次考察共进行了为期两周的海上航行，航程达2 300 n mile。利用SONIC软件对GF的声学勘探显示，在萨哈林岛东部海底坡地上大约有96处GF，其中有大约30处是首次发现。在从105 m到1 480 m的不同深度的海床上发现大量GF，但其中大多数GF集中在600～900 m深的海床上。

SONIC软件能够有效发现和锁定GF和冷泉，判别甲烷浓度和研究甲烷气泡形态等信息，为可燃冰样本的勘探和开采提供有效信息。

(2)浅海陆坡GF的甲烷气泡上升速度和气体渗漏速度

利用SONIC软件发现，单个GF的甲烷气体渗漏速度从0.5～500 mmol/s不等，萨哈林岛东部陆坡GF的甲烷气泡上升速度为10～39 cm/s。

(3)甲烷排放总量统计

通过SONIC软件对多个采样点甲烷排放量的统计和估算，和对不同区域甲烷排放量速度的测算，估算出萨哈林岛东部陆坡甲烷气体渗漏的总量约为每年0.2 Mt。

参考文献：

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.001

收稿日期：2016-04-18

基金项目：国际科技合作项目(2014DFR60490)

作者简介：臧鹤超(1981-)，男，工程师，研究方向为海洋工程、海洋环境监测仪器开发和海洋物理学。Email：zanghechao@126.com

中图分类号：P962

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)04-0001-06

SONIC based gas hydrate exploration in shallow slope of the Okhotsk Sea

ZANG He-chao,HUA Zhi-li,LIU Bo

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001,China)

Abstract∶We control deep-sea exploration equipment Echo underwater acoustic detection system with self-developed software SONIC to investigate methane release of gas hydrate at Okhotsk Sea of northwest Pacific edge. We perform large-scale acoustic sweep on east slope of Sakhalin Island. We implemented visualization of seabed gas flare(GF),cold seep and seabed through echo signal collection, processing and imaging via software SONIC. After GF discovery, we analyzed the variation of methane gas concentration and morphology in cold seep through imaging functionality of software SONIC. We successfully collected core samples of gas hydrate in multiple waters with GPS real-time tracking and positioning and gravity sampler, analyzed them in time, and acquired methane emission amount and rate in gas hydrate in the area. Moreover, the investigation experience will have positive effect on normalizing investigation methods of gas hydrate in China.

Key words∶SONIC software; Okhotsk Sea;gas hydrate

【海洋科技与装备】