海洋地热流测量技术及其方法研究

随着我国海域天然气水合物调查工作的深入开展,海洋地热流测量成果对其他地质地球物理调查资料的解释和研究成果的提升至关重要。因此,海洋地热流测量以及相关的研究工作越来越被人们所关注。论文通过对目前我国海洋地热流测量工作开展的现状、测量地热流值中的地温梯度和沉积物热导率值的理论基础、测量技术和种类以及相应的技术特点进行了分析,结合海上调查中的实际工作情况,系统介绍测量技术方法,指出目前海洋地热流测量技术方法研究的方向。     

陆缘气体水合物稳定性及其热流评估

陆缘气体水合物的一个显著特征是似海底反射(BSR)。该反射通常与预测的气体水合物稳定区域的底部相一致。因为气体水合物的出现受到温压条件的控制，有人认为BSR标志着一个等温面，所以可以用它来估计陆缘热流。关键参数有BSR深度的温度、海底温度以及BSR与海底之间的热导率结构。然而，这些所需参数通常难以得到，必须用气体水合物稳定性模型和地震速度得出热导率的经验方程求取。在本文中．使用了钻穿气体水合物区域的l0个ODP站位的井下温度、热导率、孔隙度和测井数据来研究估计值的质量。我们对巴基斯坦马克兰陆缘的约束条件的分析和应用如下：(i)尽管毛细作用力、化学杂质或不平衡条件会降低(或升高)BSR深度的温度，但是该温度依然可以用海水一甲烷体系近似算出。倘若能对热探针测量加以校准，则地温梯度的误差会小于10％，否则可出现高达20％或者更高的不确定性。此外．因必须考虑底部水温的季节性变化．这又可对温度梯度的影响造成达近10％的误差；(ii)一定数量的低热导率气体水合物对体积热导率的影响可以忽略；(iii)BSR与海底之间的热导率剖面通常可以用平均值近似算出；(iv)应该用海底测量代替经验方程，因为经验方程会产生5—30％的误差。除了需要高质量的地震数据以外，一个先决条件是要有大量的热导率数据和海洋学数据。推荐使用热探针来测量地温梯度，这可使热流测量值的不确定性是其估计值降低到5—10％。如果不使用这些数据，则误差／不确定性可以达到计算值的50—60％。     

巴基斯坦马克兰增生棱体实测热流值与由BSR导出的热流值的比较

1997年秋，德国“Sonne”号调查船在巴斯坦第马克兰增生楔进行SO－124航次调查，利用地球物理调查以分析构造变形增生楔中天然气水合物富集沉积的热状况。垂直变形前锋的走向测量的42个热流值，并作了地震反射试验。本次调查从南部的深海平原开始，覆盖到陆坡2300m水深处。本次研究的目的是比较由BSR导出的热流值（意味着是估算的热流值）与在海底实测的热流值。这需要用速度和孔隙度之间的经验方程式来计算不同浓度沉积物的物理性质。变形前锋前南热流实测值经沉积之间的经验方程式来计算不同深度沉积物的物理性质。变形前锋南部热流沉积作用校后为47mW/m^2,这稍高于Hutchison等（Earth Planetayt Sci.Lett.56(1981)252-265)报道的热流值。在所有盆地中热流的估算值都明显高于实测值。因此，由海底实测的温度值推测而得到BSR处的温度比天然气水合物稳定条件得出的温度要低5－6K.估算和实测的热流值都有一个普遍的趋势：即从变形前然向北增厚的棱体都有小小的减少。类似的结果也在其他增生楔中存在，如Wang等[J.Geophys.Res.98(B3)(1993)4121-4142]和Ferguson等[J.Geophys.Res.98(B6)(1993)9975-9984]所述。在斜坡盆地中热流值具有小的变化，表明主要受传导热传递控制。液体可能沿着边界断层流动，这我们很难控制。快速沉积作用对BSR的动力特征的作用同样对估算热流值具有重大的影响。我们的数据组清楚显示，详细的地震调查资料和控制好地地下速度资料对比较实测热流值和由BSR导出的热流值是完全必要的。然而，未能胡定速度－孔隙度关系和一个高的，仅是近似建立的沉积速度，代表关键性的,失去约束条件的沉积速率只能从钻井资料中得到。     

南海西沙海槽地区的海底热流测量

为了解南海西沙海槽区的地热特征,利用Ewing型地热探针在该区开展了地热测量,并利用TK04热导率仪测量了相关站位表层沉积物样品的热导率,获得了7个站位的热流数据。结果表明,研究区7个站位的热导率变化范围为0.88~1.06 W/m.K,平均为0.96 W/m.K,地温梯度变化范围为85~120℃/km,热流值变化范围为83~112 mW/m2,平均达到95 mW/m2。分析表明测量结果与20世纪80年代中美合作在西沙海槽的地热测量结果一致性较好,说明研究区仍具有高热流特征,推测高热流特征可能与本区高热背景、莫霍面埋深较浅、断裂发育、晚期岩浆活动和基底起伏等有关。     

根据似海底反射计算地热流和地温梯度：实例研究

天然气水合物是由水和具有低质量分子的烃(主要为甲烷)构成的冰状结晶固体，形成于高压、低温环境中并主要发现于两类不同的区域：外部陆缘和永久冻土带。印度次大陆在东西部陆缘均拥有广阔的近岸带。由国家海洋研究所、Goa和国家地球物理研究所、Hyderabad及其它几个部门所开展的先期研究表明本区具有形成天然气水合物的有利环境。发现的天然气水合物位于海底沉积物中几百米的范围内，在大陆边缘及其邻近区的水深超过500m(以保持天然气水合物的温压条件)，在聚集陆缘带尤其如此。     

南海北部东沙海域天然气水合物分解事件及其与海底滑塌的关系

东沙海域是南海北部一个重要的天然气水合物成藏区, 其陆坡广泛发育滑塌构造。文章对采自东沙陆坡中部973-4柱样和下部平坦区973-5柱样开展了沉积学粒度、底栖有孔虫种属特征和稳定同位素等的综合分析。研究结果表明: 两个柱样中底栖有孔虫的δ¹³C在末次冰期均出现明显负偏现象, 同时δ¹⁸O增高, 指示该时期东沙海域存在持续的天然气水合物分解事件; 末次冰消期以来, δ¹³C负偏现象逐渐消失, δ¹⁸O值降低, 可能是由于海平面上升阻止了天然气水合物分解。973-4柱样仅在末次盛冰期对应层位440~600cm段存在明显的滑塌沉积, 且该层段对应的特征底栖有孔虫Uvigerina spp.和Bulimina spp.的数量突增, 推测该区的海底滑塌可能是由于末次盛冰期海平面大幅度下降引起天然气水合物大量分解诱发所致; 973-5柱样同样记录到了海底滑塌现象, 但其滑塌沉积晚于973-4柱样的滑塌时间, 且其规模较小。     

冲绳海槽高热流值区的特征

研究表明,冲绳海槽是一个罕见的高热流值区,是个活动的弧后裂谷,而且热水活动,地震活动,火山活动与之有密切的联系。     

利用孔隙水Br/Cl、I/Cl比和氯同位素组成来示踪南海北部东沙海域浅层流体来源

The Dongsha area is one of the most promising target areas for gas hydrate exploration in the South China Sea(SCS).The study of pore water geochemistry has played a key role in Chinese gas hydrate exploration.Br/Cl,I/Cl and δ37Cl in pore water were applied here in tracing gas hydrate occurrence,chemical evolution of pore fluids and water/rock interactions in low temperature sediment environments.The samples were collected from Sites HD255 PC and HD309 PC in the Dongsha area in 2004.At Site HD255 PC,we found the elevated Br/Cl,I/Cl and decreased SO_4/Cl at the depth of 4–5 m,suggestive of a laterally migrated fluid probably generated from the gas hydrate occurrence.The range of δ37Cl is –0.54‰ to +0.96‰,and positive δ~(37)Cl at 4–5 m interval should be related with different diffusion rates between ~(35)Cl and ~(37)Cl.At Site HD309 PC,a laterally migrated fluid was also found at the depth of 3–4 m,with the Br/Cl two times to that of the seawater and decreased I/Cl,indicating the fluid has no relationship with the gas hydrate.In this site,the chlorine isotopic composition varies from –0.7‰ to+1.9‰.Extra high Br/Cl might relate with the deep generated fluid.At higher temperature and pressure,the Br/Cl of the fluid is elevated during the hydrous silicate formation,while positive δ37Cl is also associated with the same mechanism.     

南海海域新生代沉积盆地的油气资源

南海新生代经历过大陆张裂与分离、海底扩张和地块碰撞等构造演化历史,南海北部为被动大陆边缘,南部是碰撞挤压边缘,东部为俯冲聚敛边缘,西部是走滑边缘。在这种构造体制下,形成了许多沉积盆地。北部和西部边缘上发育着张性沉积盆地和走滑拉张盆地;在南部边缘上,其北部发育着张性盆地,南部为挤压环境下形成的盆地,如前陆盆地、前孤盆地;东部边缘上发育着前孤盆地。目前油气勘探实践证明,南海南部的油气资源比北部丰富。究其原因,南海北部为被动大陆边缘,张性沉积盆地的烃源岩体积较小,而南部挤压环境下形成的沉积盆地的烃源岩体积大;北部的地热流较南部小,因此地温梯度也较小,故南部边缘烃源岩的成熟度比北部高;由于南部边缘处于挤压构造环境,在沉积盆地中形成了许多挤压构造,而北部边缘一直处于张性构造环境,形成的构造较少且较小;同时,南部边缘沉积盆地中,烃源岩生烃与构造形成在时间上搭配较好。因此,在南海南部边缘沉积盆地中形成了许多大型油气田,而南海北部边缘沉积盆地中,大型油气田较少,中小型油气田较多。     

珠江口附近海域波浪场的数值计算与特征分析

本文以WRF模式输出结果作为风场驱动条件,采用SWAN和WAVEWATCHIII相嵌套的方法,对珠江口附近海域进行20年(1991-2010年)的波浪场数值计算。根据计算结果,分析了珠江口海域波高和周期的空间、时间变化特征。结果显示:珠江入海口及近岸Hs较小,外海Hs较大,大部分海域年均Hs在0.4m以上;珠江口附近海域和近海地区年均Te偏小,在2s^3s之间,外海最大可达5s。珠江海域有效波高(Hs)的季节分布呈现出春夏季较小,秋冬季较大的特点。从概率学角度分别统计20年中前5%和10%的Hs及Te,可知:珠江口近海区域Hs,5%在1~2m,大万山群岛处可达Hs,5%2m;在珠江口附近Hs,10%为1.5m,万山海域Hs,10%在2.5m以上;计算海域Te,5%和Te,10%多在4s以上。     

长江口海域温、盐度分布的基本特征和上升流现象

长江口位于黄海和东海的分界处。1985年8月至1986年10月对长江口海区进行了水文调查，调查范围为124°E以西，30°45''N以北，32°N以南的黄海和东海区域(图1)。 本海区属中纬度季风区，水深一般不超过50m，气象因素对水文要素的影响很大。冬季盛行偏北风，西伯利亚的干冷气流频频南下，因海面冷却和蒸发造成的垂直对流可直达海底。夏季盛行偏南风，并常有台风侵扰。 长江径流量十分充沛，每年约有9240亿立方米的淡水人海，约占进入黄海、东海的径流量的80%。长江径流量的季节变化十分显著，5-10月径流量约占全年总径流量的71%。充足的淡水入海和海面的增温影响，使调查海区水体在夏季明显分层，并形成强大的淡水舌。特别令人感兴趣的是此淡水舌不是沿长江入海口门的方向指向东南，而是经常转向东北方向，并且转角的大小随着径流量的增大而增大。 长江口区的潮流比较大，潮混合对这里的水文要素的垂直和水平分布有重要影响。长江口是部分混合型即B型为主的河口(沈焕庭等，1986) ，发达的潮混合和充沛的径流输入，两者相互作用，使得河口区的盐度垂直分布有时呈垂直均匀状态，有时呈层化状态。 长江口海区南部有台湾暖流北上，其延续体可越过长江口到达32°N以北海区。长江口北面有苏北沿岸流和黄海沿岸流南下。北上的台湾暖流和南下的黄海沿岸流和苏北沿岸流同长江冲淡水相互交汇、混合，对长江口区的水文要素分布、变化有重要影响。 以下我们根据1985年8月至1986年8月调查所得资料和部分历史资料，对长江口海区水文要素的基本特征作一扼要的记述。     

现行黄河口海域泥沙冲淤的定量计算及其规律探讨

本文利用现行黄河口海域多年的水深测量资料,用计算机绘制了黄河口冲淤等值线图和冲淤立体图.在此基础上,详细地分析研究了黄河口海域泥沙冲淤变化的规律和特点.从定量的角度,为河口治理及各种海洋工程建设提供了科学依据.     

现行黄河口海域泥沙冲淤的定量计算及其规律探讨

本文利用现行黄河口海域多年的水深测量资料,用计算机绘制了黄河口冲淤等值线图和冲淤立体图。在此基础上,详细地分析研究了黄河口海域泥沙冲淤变化的规律和特点。从定量的角度,为河口治理及各种海洋工程建设提供了科学依据。     

北太平洋西部和印度洋东部及其邻近海域表层水体中137Cs的分布

对北太平洋西部海域、苏禄海及印尼海、中国南海、印度洋东部海域、孟加拉湾及安达曼海等表层水体中放射性核素137Cs的活度进行了测定。结果表明,上述海域表层水体中137Cs活度显示了较大的变化范围,最低值出现在南极附近的南大洋(1.1Bqm-3),较高的活度值则出现在北太平洋西部海域及中国南海(3Bqm-3)。在所研究水域范围内,137Cs活度的纬度分布特征并没有完全有效地反映出137Cs的全球理论大气沉降趋势及其纬度效应。综合本研究及Miyake等人(1988)的测定结果,我们计算出137Cs自表层海水中的析出速率在苏禄海及印尼海约为0.016/a,在孟加拉湾及安达曼海约为0.033/a,在中国南海约为0.029/a,这一结果明显低于西北太平洋日本沿海表层水体中137Cs的析出速率。这可能是因为在这些海域,横向及纵向的水体混合过程相对都较慢,而且颗粒物对137Cs的吸附析出过程也比较弱所致。     

基于DPSIR模型和耦合协调度模型的胶州湾海域承载力分析

海域承载力是海洋资源利用协调发展的重要指标,本研究旨在根据胶州湾海域资源特征,基于DPSIR模型构建海域承载力评价指标体系,运用熵值法评价2000—2020年胶州湾海域承载力,并运用耦合协调度模型分析胶州湾海域承载力子系统内部的耦合协调度。结果表明,2000—2020年胶州湾海域承载力和耦合协调度变化幅度范围分别为0.70~0.95和0.73~0.85。研究结论如下:1)2000—2020年胶州湾海域承载力处于强可载、近满载状态,总体呈降低趋势;2)在压力层中的对海洋资源的需求是影响海域承载力的主要因素,而GDP (Gross Domestic Product)增长率、海洋渔船数和海洋渔船功率、人均滩涂面积和人均用海面积、主要海洋产业增加值年增长率、人工增殖放流则分别是影响驱动力层、压力层、状态层、影响层、响应层的主要因素;3)2000—2020年间胶州湾海域承载力整体耦合协调度总体呈“初级协调至良好协调”态势。     

安德拉水位计测量中水位值计算的误差分析和估算

在安德拉水位计的实际应用中,除由压力测量引起的水位测量误差外,在水位数据的计算中,也存在着误差因素。本文分析了这些因素的误差分量,并粗略地估算了它们的大小;由此提出了参与水位值计算的几个主要订正参数的选值方法。