沙志彬 杨木壮 梁金强 龚跃华
（广州海洋地质调查局，广州，510760）
第一作者简介：沙志彬，男，1972年生，工程师，1994年毕业于中国地质大学（武汉）石油系石油地质勘查专业，主要从事天然气水合物的调查与研究工作。
摘要 BSR的波形剖面对判断地层中是否存在天然气水合物及其下伏游离气具有重要的意义。当地层中富含水合物及下伏游离气时，其波形剖面有明显的反映，BSR波形极性与海底反射极性相反，大致代表含水合物层的底界。本文根据国内外的研究成果，综合分析了BSR的反射系数、极性和波形特征。
关键词 天然气水合物 BSR 波形剖面
1 前言
野外地震资料经过计算机处理后形成的时间剖面，有多种显示方式，其中波形曲线显示方式（常称波形剖面）对于天然气水合物的识别具有重要作用，因为波形剖面可以细致地反映地震波的动力学特征，如频率、振幅和相位等。当地层中富含天然气水合物及存在下伏游离气时，其波形剖面有相应的反映，如BSR的波形、反射系数等，特别是能够从波形反射同相轴特征来判别海底和BSR的反射极性。
2 BSR——含水合物层的底界
众所周知，含水合物的地层在地震反射剖面上常常会出现一强振幅的连续反射波，大致与海底反射波平行，故称似海底反射波（Bottom Simulating Reflector，即BSR）。BSR大致代表水合物稳定域的底界，分析认为是BSR上部沉积物形成水合物后，由于速度的增加而形成的较强波阻抗界面。国外有关研究成果表明，水合物稳定域底界代表的是一特定的压力和温度面。由于海底下地层压力变化不大，但地温变化却很大（存在地温梯度），海底的起伏变化将造成地层中等温面的起伏变化，从而形成水合物稳定域的底界。因此，BSR大致与海底地形平行。当地层层面与海底斜交时，BSR与地层层面斜交；当地层层面与海底平行时，BSR与地层层面平行。如果BSR下部含游离气，则BSR上下的波阻抗差异更大，BSR特征更加明显。
3 BSR的反射系数
通过比较BSR振幅与海底反射振幅，可估算BSR反射系数（Anstey,1977），也可通过比较海底一次反射振幅与其第一个多次反射振幅，估计海底反射系数（Anstey,1977;Warner,1990）。
Hamilton（1978,1982）、Bachman（1982）和Andreassen（1995）等科学家，通过研究波弗特海底反射系数，经计算后结果近似为0.25～0.3，并且得出结论，BSR近道振幅，即BSR反射系数近似为－0.15～－0.24。但这不是绝对的，因为有时BSR振幅比海底反射振幅还大。秘鲁近海水合物BSR的反射系数平均为－0.135，最大0.2～－0.3（Miller等，1991）；俄勒冈近海ODP892站位BSR反射系数－0.07～－0.27；哥伦比亚近海BSR振幅超过海底反射值，反射系数达到－0.2～－0.3（Minshull等，1994）；温哥华岛近海BSR的反射系数为－0.1～－0.15（Hyndman和Spence,1991），Shipley和Didyk（1981）估算该区BSR振幅反射系数平均为海底反射振幅的25%～50%。
4 BSR的反射极性
相对于海底，BSR显示出负极性反射同相轴，即所谓的极性反转（与海底反射相反），并具有较大反射系数（Shipley等，1979;Lee等，1993），表明BSR起因于声阻抗剧烈降低的界面。其实，反射波的极性是由反射界面的反射系数（R）决定的，而反射系数则与界面两侧介质的波阻抗差异（ρ1v1－ρ2v2）有关；实际上，海底和BSR都是一个强波阻抗面，海底是海水和表层沉积物的分界面，上部为低速层，下部为相对高速层，反射系数为正值；BSR是含水合物层与下部地层（或含气层）的分界面，上部为高速层（水合物成矿带是相对高速体），下部为相对低速层（如含游离气，则速度更低），反射系数为负值，因此造成了BSR与海底反射波的极性相反的现象（图1）。
图1 阿拉斯加北部地区波形剖面（据Andreassen等，1997）
Fig.1 The wavelet profile of the northern district of Alaska（after Andreassen et al.,1997）
5 BSR的波形相位识别及波形特征
对于波形剖面，视每个调查区和处理流程而定，剖面显示方式可以不一样，即海底反射波可以显示向左，也可以显示向右；反之，BSR显示亦然。但不管如何，理论上，BSR反射波形必定与海底反射波形的相位相反。
为方便分析反射特征，视向右的最大振幅值作为波峰（一个从低阻层到高阻层的反射界面），向左的最大振幅值为波谷（一个从高阻层到低阻层的反射界面）。由于处理效果原因，在波形剖面的解释过程中，容易受到“旁瓣”的干扰，造成识别海底和BSR波形的困难，所以对于海底初至波（对应于海底初始相位）的正确判别至关重要。依实际解释波形剖面中的经验总结，只有把海底和BSR的主相位当作它们各自的波形才是正确的（图2）。
图2 西沙海槽测线A（CDP680）海底和BSR的波形及相位
Fig.2 The wavelet and phase of the seafloor and BSR in the Xisha trough
美国迪基肯地球物理勘探公司证实波形随入射角和偏移距的变化而变化，因气枪脉冲、海底反射，以及由不同主频、振幅组成的多震源组合导致问题较复杂，为了与实际地震资料上的BSR频率值匹配，通常对波形进行10～40Hz的滤波处理。
在波形剖面上，如果未能观察到水合物层顶界之反射，表明水合物沉积物的顶界是慢慢混合或逐渐过渡的，即是说向浅层水合物的含量不高；若不能观察到BSR之下游离气层底界的反射，说明游离气层仅局限于一薄层内，该层太薄以致在波形剖面上难以分辨（Miller,1991;Hyndman和Spence,1992;Bangs等，1993）。如果波形剖面上BSR为强波谷－波峰组合，Lee等（1993）认为，这种成对出现的双峰波形反映了典型的高阻抗之下存在低阻抗薄层的地震响应，该薄层很可能是水合物层之下的含游离气层。
BSR波形通常为简单的单一对称脉冲特征，大多数BSR波形都表现为成对出现的强振幅波谷－波峰组合（即双峰，图3a），少数为强振幅单峰波形（图3b）。若水合物沉积物之下没有游离气，由于其下的速度是一正常的海洋沉积物速度，这时BSR波形几乎是一对称的波谷。此外，一些具有多波峰的地震道在主相位的上下有时具有不对称波形。
加拿大温哥华岛外北卡斯凯迪亚水合物研究区的89-08测线剖面展示了海底及BSR的初至波和首个多次波（为更直观反映波形的变化，对含有多次波的剖面B振幅作出三倍于剖面A振幅的显示），可以看出海底和BSR的初至波极性相反，而它们的多次波波形与其初至波又正好相反（图4）。
对挪威西部Storegga滑塌区的高、低频反射地震资料研究，发现双BSR这一不寻常的声波反射模式，这种现象比较独特、且少见，对该现象的成因众说纷纭。但从K5测线的波形剖面可看出，海底及BSR2为正常相位，而BSR1则显示出典型的相位倒转。可认为BSR2是天然气水合物的顶界，BSR1是天然气水合物稳定带的底界（图5）。
图3 西沙海槽区的波形剖面
Fig.3 The wavelet profile of the Xisha trough
图4 北卡斯凯迪亚89-08测线的波形剖面
Fig.4 The wavelet profile of the Line 89-08
图5 挪威K5测线的波形剖面
Fig.5 The wavelet profile of the line K5
Miller等（1991）、Hyndman和Davis（1992）模拟了BSR的近垂直入射波形模式（图6），分别代表（a）厚度呈梯度变化的水合物层、（b）厚度呈梯度变化的下伏游离气层和（c）具有6m厚水合物层的波形（图中一并给出速度和泊松比值）。经过比较各自的波形可看出，（a）模型为一近似的对称波形，当厚度大于15m时，较薄层波形（c）有时不对称；对于（b）模型，厚度大于15m的层，顶底脉冲对称，顶底的薄气层干涉产生复杂波形；而（c）模型，波形比较对称，振幅较小。从模型分析可知，波形会随水合物、游离气的厚度和含量的变化而变化，所以根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比，可以粗略确定游离气带的厚度。
图6 具有BSR的近垂直合成地震道波形模式
Fig.6 The model of the synthetic seismic wavelet of the BSR
6 BSR波形剖面的应用
图7为我国南海北部陆坡西沙海槽测线A的瞬时振幅剖面和一段波形剖面，波形剖面中可看出海底与BSR极性相反（即海底波形向右，而BSR波形向左），而从瞬时振幅剖面上则可看出可能由水合物造成的空白带，综合判断该地区可能存在天然气水合物。
图8为我国南海北部陆坡东沙群岛测线B的一段波形剖面，在波形剖面中，海底反射时间在3.6～3.7s处，其反射波主相位方向向左；与地震剖面相对应的波形剖面上显示的S-BSR反射时间为3.9～4.05s，反射波波形方向向右，与海底反射波形极性反转，而且波形以强振幅双峰波形为主，分析认为该区域可能存在天然气水合物。
根据我国南海北部陆坡其他的地震地球物理资料综合分析，该区域显示了存在天然气水合物的一系列地震识别标志和特征，如BSR、振幅空白、极性反转和速度异常等。随着勘探和研究的不断深入，不久的将来，相信我们将会获得更准确而直接的天然气水合物识别标志，从而揭开我国南海北部陆坡天然气水合物的神秘面纱。
7 认识和讨论
1）海底反射系数一般为0.20～0.30,BSR反射系数一般为－0.15～－0.25,BSR反射系数绝对值通常为海底反射系数的60%～80%;
2）BSR的反射极性与海底的反射极性相反；
图7 西沙海槽测线A瞬时振幅剖面及放大的波形剖面（据梁金强等，2000）
Fig.7 The profile of the instantaneous amplitude and enlargement wavelet of the line A in the Xisha trough（after Liang et al.,2000）
图8 东沙群岛测线B的波形剖面
Fig.8 The profile of wavelet of the line B in the Dongsha archipelago
3）BSR波形通常表现为成对出现的强振幅双峰或单峰波形特征，而且随着BSR之下游离气带厚度的不断变化，它们的波形也有所变化；
4）根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比可以确定游离气带的厚度；
5）在没有BSR或BSR反射较弱的情况下，可借鉴振幅空白带或其他地震异常信息进行分析；
6）BSR与天然气水合物不是一一对应的关系，还要利用含水合物地层具有正AVO异常、高S/P速度比率、轻的碳同位素值及电测井曲线等重要弹性参数和物性特征综合识别由水合物引起的“真BSR”，通过观察BSR的振幅和波形特征，确定BSR变化规律，必要时在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，利用其多种属性剖面才能把握其特征。
参考文献
李正文，赵志超.1988.地震勘探资料解释.北京：地质出版社
杨木壮.2000.海洋天然气水合物地震识别标志.南海地质研究（12），武汉：中国地质出版社
张光学，黄永样，陈邦彦等.2003.海域天然气水合物地震学.北京：海洋出版社
Hyndman R D,Spence G D.1992.A seismic study of methane hydrate marine bottom simulating reflectors.Journal of Geophysical Research,97（B5）:6683～6698
Lee M W et al.1993.Seismic character of gas hydrates on the southeastern U.S.continental margin.Marine Geophysical Researches,16:163～184
Posewang J.et al.2002.张光学译，双BSR之谜：水合物稳定域变化的指示标志.海洋地质，（3）：69～76
Shiply T H et al.1979.Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises.A.A.P.G.Bulletin,63（12）:2204～2213
The signature of the bsr Wavelet and Application of the Distinguishable for Marine Gas Hydrants
Sha Zhibin Yang Muzhuang Liang Jinqiang Gong Yuehua
（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,5 10760）
Abstract:It's very significant to use the wavelet profile of the BSR to distinguish the gas hydrates and underlying free gases in the strata.BSR is the basement of the gas hydrates,and the polarity of the wavelet of the BSR and seafloor are reverse.If gas hydrates and free gases exist in the strata,the wavelet of the BSR will change.This paper searches for the seismic evidence and analyzes their features,including reflection coefficient,polarity and wavelet.
Key Words:Gas Hydrates BSR Wavelet Profile