南海东邻台湾、菲律宾群岛, 西接中南半岛, 北靠华南大陆, 南至加里曼丹岛, 是西太平洋大陆边缘面积最大、水深最深的边缘海, 面积约350×10⁴ km², 约为渤海、黄海和东海总面积的3倍, 南北长约2 900 km, 东西宽约1 600 km, 平均水深为1 212 m, 中央部分平均水深超过4 000 m, 最大水深达5 559 m(图 1)^{[19, 20]}。南海分布有30多个新生代沉积盆地, 蕴含丰富的油气资源, 是世界四大海洋油气聚集中心之一^{[21, 22]}。

图  1  研究区地质背景简图(新生代盆地分布据文献[18])

Figure 1.  Geologic and tectonic sketch map of the South China Sea (Cenozoic basins modified from reference [18])

南海的形成演化受控于欧亚板块、印—澳板块、菲律宾海板块以及太平洋板块等作用之下, 四周包含了大陆边缘的三大主要类型, 即南北两侧的张裂型(被动型)边缘、东侧的俯冲型(主动型)边缘和西侧的剪切型(转换)边缘；南海经历了中生代时期东亚陆缘大规模地块拼合、构造挤压和大规模走滑伸展以及中特提斯洋最终关闭的过程, 又经历了新生代大陆岩石圈拉张破裂、海盆扩张直到后期的俯冲、碰撞过程^[20], 其大地构造位置特殊, 演化过程复杂, 形成了裂谷、海盆、挤压、推覆、走滑等多种地质构造以及陆壳、过渡壳、洋壳等多种不同性质的下伏地壳^[23-25], 历来为国内外地质与地球物理学家研究的热点^[26]。

海洋浅地层剖面(浅剖)探测是利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测海底浅部地层结构和构造的^[27]。通过浅剖资料能识别海底浅层的地质构造, 如精细的海底地形、海底滑坡、断层、海底麻坑、丘状沉积体、泥底辟等^[28-31]。浅剖探测因其低成本、高效率的特点, 现已在海洋地质调查、海底矿产资源探测(如富钴结壳和天然气水合物)中得到广泛应用。

研究表明, 冷泉活动较强的地区可以在浅剖剖面中记录到羽状流^{[32, 33]}。冷泉喷出时, 会以气泡的形式释放出天然气(成分以甲烷为主), 大量气泡在喷口附近上升和溶解稀释, 会明显改变该海水区域的声速、密度等物理性质^[34], 从而被声学仪器捕捉到。浅剖剖面中浊反射、帘式反射、增强反射特征和声学空白带等可以指示浅层气的聚集, 因此, 浅剖不仅能够探测浅层气和海水层内的声学异常体, 而且对于研究地层中流体运移、沉积物物理性质变化都有很好的应用, 适合冷泉系统的研究^[9]。

冷泉活动较强的地区可以在浅剖剖面中记录到羽状流。研究表明，高频浅剖资料(18～20 kHz)能够显示羽状流，而低频(4 kHz)浅剖只能够反映海底以下地层的构造。本次新发现的浅地层剖面处于台西南盆地西南部附近(东沙东北部), 即著名的“九龙甲烷礁”附近所在区域, 水深约1 100 m。该图为高频浅剖资料，可以看到海底以上的声学柱体与海底大约呈80°角，该声学柱体规模较大，宽约200 m，高度超过180 m，浅剖剖面上羽状流特征明显(图 2)。根据该地区发现的大量古冷泉和活动冷泉证据来看, 该羽状流所在位置极可能是活动冷泉区。

图  2  研究区A发现的疑似冷泉活动的浅地层剖面图(研究区A位置见图 1)

Figure 2.  Sub-bottom profile found in study area A(see fig. 1 for location)

多波束声呐系统(回声探测仪)作为一种高精度海底地形地貌探测技术, 可实现全覆盖、快速、高精度获取海底深度信息, 现已成为水深测量和海底地质填图的主要技术手段^[35]。多波束图像可以清晰地显示海底的各种地形地貌和结构构造特征, 如滑塌、断层、陡坎、沙波、水道、槽沟、麻坑、海底侵蚀、沙脊及沙丘等, 并可进行三维可视化^[36-38]。

多波束系统在采集水深数据的同时, 可以记录换能器至海底之间的水体信号, 形成一个类似扇形的回波信号, 将回波信号转换为影像, 即为多波束水体影像。近年来, 多波束水体影像作为一种新型研究手段, 已经开始应用于探测海底冷泉、天然气水合物气柱及羽状流等海洋地质活动^{[39, 40]}。

本次处理的多波束水体影像数据来自“海洋六号”2016年在琼东南海域的调查航次, 多波束系统为挪威Kongsberg的EM122系统, 在约1 300 m水深区域、90°的覆盖角、7节的航行速度以及加密模式下, 多波束系统获得了高密度、高质量的多波束水深数据。水体影像数据处理软件为CARIS8.1，为了能够更好地展现整个羽状流的形态, 处理过程中将所有探测到羽状流的多个水体影像进行叠加然后再绘图显示(图 3), 发现地点位于最新发现的“Haima”活动冷泉附近^[41], 水深约1 300 m, 疑似冷泉活动。

图  3  多波束水体影像技术探测到的海底羽状流和冷泉活动(研究区位置见图 1)

Figure 3.  Cold seeps found in study area B by Multi-beam water column data profile(see Fig. 1 for location)

自20世纪90年代开始, 南海就有关于冷泉相关发现的报道^[42], 近十几年来, 南海的油气资源与天然气水合物勘探工作日益受到重视, 与之相关的冷泉研究也取得了重要进展, 相继发现了一些古冷泉和活动冷泉区。2002—2004年间的不同航次在东沙海域均发现了冷泉碳酸盐岩^{[13, 43-46]}, 冷泉碳酸盐岩是冷泉系统的重要标志^[47], 广泛分布于全球大陆边缘。研究表明, 冷泉碳酸盐岩的成岩环境与冷泉流体(多为甲烷)活动有关^{[48, 49]}, 较多的研究显示冷泉碳酸盐岩通常与天然气水合物伴生, 对天然气水合物具有指示作用^[50-53]。因此, 冷泉碳酸盐岩成为继地震类底反射(如BSR)标志发现后, 指示可能发育天然气水合物的另一个重要证据^[54-56]。

据统计, 南海多处海域均有冷泉的发现, 包括神狐海域(水合物试采钻探区)、东沙群岛海域、东沙东北部海域、台西南海域、琼东南海域、西沙海槽海域、南沙南部海域和越南沿岸等(表 1、图 4)。2004年中德合作航次发现的“九龙甲烷礁”古冷泉^{[10, 11]}(图 4), 位于南海北部东沙群岛东北部陆坡, 总面积约430 km², 是世界上面积最大的冷泉碳酸盐岩分布区域^[57], 随后的研究表明，该区目前可能仍发育有微弱的冷泉活动^{[14, 45, 58]}, 之后在东沙海域陆续有古冷泉的发现(表 1)。随后, 2005年在西沙海槽西北部斜坡获取了冷泉碳酸盐岩样品, 研究结果证实西沙海槽与东沙东北部海域一样, 具有天然气渗漏活动及冷泉沉积^[56]。在台西南海脊, 通过ROV调查发现现代冷泉生物类群存在的活动冷泉区^[12], 之后在台西南陆续有大量的相关研究, 证实该海域存在活动冷泉(表 1)。2007年我国成功在南海神狐海域获取天然气水合物实物样品^[59], 之后在该海域也发现了大量的古冷泉活动证据, 比如与冷泉相关的一系列特征如声速羽状体、声速空白带和泥火山等地质构造等^[9]。最新的研究成果显示, 在南海的琼东南海域和南沙南部海域也发现了活动冷泉^{[41, 60]}(图 4)。总的来说, 南海冷泉分布广泛, 水深范围为200～3 000 m(表 1), 沿南海北部陆坡一带冷泉非常发育, 其中东沙各海域和台西南海域研究程度较高, 研究程度较低的南海南部海域也有了活动冷泉的发现。

图  4  南海冷泉系统分布图(详细的经纬度信息及资料来源见表 1；近5年发现的深水油气沉积油气藏据文献[21])

Figure 4.  Cold seep system map of the South China Sea( see Table 1 for detailed latitude and longitude information and references; deepwater oil and gas reservoirs discovered in the past five years from reference [21])

深部油气和天然气水合物分解的烃类气体在适当条件下可以穿透上覆沉积物, 以冷泉形式出露在海底^{[88, 89]}, 以自生碳酸盐岩的形式在海底堆积^{[68, 90, 91]}。冷泉常与石油、天然气水合物等资源伴生, 目前研究的冷泉多以天然气为主要成分, 其气体的重要来源是海底浅层沉积物中天然气水合物的分解, 二者的关系非常密切, 且冷泉的发现通常早于油气藏的勘探发现, 因此，在很大程度上, 海底冷泉指示其海底之下存在巨大气源供给及其天然气水合物^{[9, 92]}, 目前在世界海域发现的冷泉渗漏活动区中绝大多数发育水合物矿藏。

自我国首次在南海神狐海域成功取得天然气水合物实物样品以来^[59], 一系列的海洋地质调查结果显示该海域为古冷泉活动区^[62-66], 有研究证明：神狐海域烟囱状的冷泉碳酸盐岩同时反映了该海区曾经发生过持续的富甲烷流体的喷流活动, 天然气水合物的分解可能是该海区烃类活动的重要原因^{[64, 65]}。随后, 广州海洋地质调查局又在邻近“九龙甲烷礁”的海域沉积物中钻获了天然气水合物样品^{[15, 16]}, 再次印证了冷泉与水合物矿藏之间的密切联系。通过统计发现，最近5年南海勘探发现的油气及深水油气藏^[21](图 4)均主要分布于冷泉发育区或冷泉区附近：如近年来在神狐—东沙群岛海域冷泉区一带发现的LW3-1等7个气田(图 4), 累计新增探明可采储量达1.59×10⁸ t油当量^[21]；2014年于琼东南盆地“Haima”冷泉北部勘探发现的LS17-2和LS25-1气田(图 4), 三级储量均超过千亿立方米^[93]，亦主要分布于活动冷泉及疑似活动冷泉之附近区域。

总之，冷泉及其伴生物与深水油气和深水海底浅层天然气水合物资源有着密切的成因联系, 冷泉及其伴生物地震地质异常体的探测与识别，对于海洋油气勘探及天然气水合物勘查具有非常重要的指示引领作用。目前通过浅剖技术和多波束水体影像都可以探测到冷泉活动, 但两者各有优势。其中, 浅剖不仅能够探测海水层内的声学异常体, 也能对浅层气进行识别^[9], 而多波束水体影像技术则可实现对海底进行100%覆盖探测, 本文中提及的琼东南海域(研究区B)的羽状流即为该技术在南海的首次运用, 其成果显著。很显然，这两种地球物理技术均可以在海洋地质调查过程中全程开启且成本低、效率高, 可实现采集和处理一体化, 并实时监控海底声学异常。在探测到海底气柱、声学空白或羽状流等地质现象后, 即可进行更深入的海洋地质调查及研究工作, 进而极大地提高海洋找矿成功率, 可谓是开展海域油气地质调查和天然气水合物资源勘查的实用技术与简易工作方法。

通过系统收集和分析南海海底冷泉相关资料及研究成果, 结合浅剖和多波束水体影像技术在海底冷泉识别中的具体应用, 主要获得了以下两点结论与认识：

(1)南海冷泉分布广泛, 包括神狐海域(水合物试采钻探区)、东沙群岛海域、东沙东北部及台西南海域、琼东南海域、西沙海槽海域、南沙南部海域和越南沿岸等, 冷泉区水深范围为200～3 000 m。总之，南海北部陆坡一带冷泉非常发育, 而在研究程度较低的南海南部海域也有活动冷泉的发现。

(2)冷泉与油气和深水海底浅层天然气水合物资源存在密切的成因联系, 冷泉探测对海洋油气及水合物勘查的指示作用明显。目前在南海北部神狐海域、东沙群岛海域、东沙东北部海域、琼东南海域和南沙南部海域诸多冷泉区，均勘探和调查发现存在油气或水合物分布。浅剖和多波束水体影像技术都可以探测和识别冷泉活动, 两者相结合, 可达到低成本、高效率海底声学异常探测的良好效果, 亦能极大地提高海洋找矿勘探的成功率, 是油气调查和水合物资源勘查的实用技术方法。