陳江欣， 拜陽， 關(guān)永賢， 楊勝雄， 宋海斌*， 劉伯然

1 國土資源部油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所, 青島　266071　2 海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室， 青島　266071　3 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，同濟大學海洋與地球科學學院， 上?！?00092　4 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州　510760　5 國家海洋局第三海洋研究所， 廈門　361005

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海底邊界層異常(地震海洋學)反射地震特征的地球物理分析

陳江欣1,2， 拜陽3， 關(guān)永賢4， 楊勝雄4， 宋海斌3*， 劉伯然5

1 國土資源部油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所, 青島2660712 海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室， 青島2660713 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，同濟大學海洋與地球科學學院， 上海2000924 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州5107605 國家海洋局第三海洋研究所， 廈門361005

摘要通過對南海北部與西部大量反射地震剖面海水層部分進行再處理，與以往地震海洋學主要關(guān)注海水層內(nèi)部的反射結(jié)構(gòu)不同，本文重點對海底附近水體的各種復雜反射地震特征進行分類、分析與總結(jié).與傳統(tǒng)對海底邊界層的定義不同，我們將海底邊界附近的水體稱之為海底邊界層.本文利用傳統(tǒng)地震相分析方法，分析海底邊界層各種復雜反射地震結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、連續(xù)性、振幅以及視頻率特征，結(jié)合過去相關(guān)的地震海洋學研究成果、海底邊界層理論與其它各種海底附近作用/過程，不僅對中尺度渦旋、內(nèi)孤立波和背風波在地震剖面上的反射地震特征進行了歸類與分析，并推斷最新發(fā)現(xiàn)的一些反射地震特征可能揭示的各種海洋作用/過程，例如不同的地震相特征可能反映了海底湍流邊界層，海底沉積物再懸浮，天然氣滲漏羽狀流和麻坑內(nèi)部異常上升流相關(guān)海底界面作用過程.結(jié)果分析表明，地震海洋學方法不僅能夠?qū)Ｑ髢?nèi)波、渦旋等物理海洋現(xiàn)象進行研究，同時也能夠?qū)５赘浇鞣N復雜海洋作用/過程進行成像，從而拓展了地震海洋學的研究領(lǐng)域，一定程度上也能為過去不能有效對海底邊界面發(fā)生的各種冷泉熱液活動、生物和沉積等作用過程進行現(xiàn)場觀測提供新的探測方法和研究視角.

關(guān)鍵詞地震海洋學; 沉積動力學; 地震相; 麻坑; 南海

In this paper, conventional seismic facies analysis method is used to analyze, classify and summarize the external geometry, internal configuration, continuity, amplitude and apparent frequency of some complex seismic reflections of seawater column near the oceanic bottom. Combined with the past research results of seismic oceanography, theory of bottom boundary layer and other various processes near the seafloor, this article not only classifies the reflection characteristics of meso-scale eddies, internal solitary wave and Lee wave, but also speculates that some possible processes could result in a few of the newly discovered abnormal seismic reflections. For example, sheet seismic facies unit may reflect turbulent bottom boundary layer; hair reflection configuration can be caused by the sediment resuspension, resulted from the interaction of bottom current and high frequency undulating seafloor, such as sand dunes; plume seismic facies unit indicate the characteristic of seep plume; and broom seismic facies unit could be associated with the upwelling currents and sediment resuspension in pockmarks. Results indicate that seismic oceanography can image not only processes within the ocean water column, such as internal wave and eddy, but also some complex processes near the seafloor, which greatly expands the research field of seismic oceanography and provides a new method and research perspective on the field observation of processes near the seafloor. Here, bottom boundary layer refers to the water column near the seafloor, and we call all the processes of this area “seafloor processes”.KeywordsSeismic Oceanography; Sediment Dynamics; Seismic Facies; Pockmark; South China Sea

1引言

地震海洋學方法是利用常規(guī)海洋反射地震方法進行海洋學研究的一種新興的海洋調(diào)查方法.最初在2003年，Holbrook等(2003)在Science上發(fā)表了用常規(guī)反射地震方法來研究海洋溫鹽細結(jié)構(gòu)的論文，揭示了該方法應(yīng)用于海洋學研究的可能性.隨后，越來越多與此相關(guān)的研究結(jié)果表明，該方法能夠從定性以及定量兩個方面對各種物理海洋學現(xiàn)象進行研究，包括水團邊界(Nandi et al., 2004)、海洋鋒面(Holbrook et al., 2003; Nakamura et al.,2006)、中尺度渦旋(Ménesguen et al., 2009; 宋海斌等，2009;Biescas et al.,2008;Quentel et al.,2010；Mikiya et al.,2011; Tang et al.,2013; Tang et al.,2014a)，渦旋旋臂(Song et al.,2011)、水平漩渦(Sheen et al.,2012)、海洋內(nèi)波(Holbrook and Fer, 2005;Krahmann et al.,2008;宋海斌等，2009, 2010)、內(nèi)潮(Holbrook et al., 2009)、內(nèi)孤立波(Tang et al.,2014b; 拜陽等, 2015)，背風波(Eakin et al.,2011)、黑潮(Tsuji et al.,2005; Nakamura et al.,2006)、不同海域的各種海流(Buffett et al.,2009;Mirshak et al.,2010;Pinheiro et al.,2010)、各種溫鹽細結(jié)構(gòu)(Holbrook et al., 2003; Tang and Zheng,2011;Blacic and Holbrook,2010)以及溫鹽階梯結(jié)構(gòu)(Fer et al., 2010；Biescas et al.,2010)等海洋現(xiàn)象.與傳統(tǒng)的物理海洋調(diào)查方法相比較，該方法具有更高的橫向分辨率，能夠更快速得對整個海洋觀測剖面進行成像(宋海斌等, 2008)，因而能夠更好得對海洋內(nèi)部不同尺度海洋現(xiàn)象的垂向結(jié)構(gòu)進行成像，從而可以利用反射地震學方法進行進一步的反演與定量分析研究(Ruddick et al.,2009; Papenberg et al.,2010; 宋洋等, 2010; 黃興輝等, 2011; 陳江欣等,2013;董崇志等, 2013).

迄今，地震海洋學的研究應(yīng)用更多關(guān)注海水層內(nèi)部的海洋學現(xiàn)象.實際上，海洋中正在進行中的各種海洋沉積過程、冷泉與熱液活動和海洋生物地球化學活動等，理論上只要能夠達到產(chǎn)生地震反射特征的條件，均可以利用地震海洋學方法進行研究，但針對于這方面目前僅有少量研究予以關(guān)注.徐華寧等(2012)在水體反射地震剖面中發(fā)現(xiàn)了2個明顯的異常強反射柱體，并推斷其可能是天然氣水合物分解造成的大量甲烷釋放而致使水體出現(xiàn)強擾動并形成明顯的羽狀流，Vsemirnova等(2012)利用地震海洋學與物理海洋學數(shù)據(jù)觀察到了海底霧狀層的存在；Hildebrand等(2012)證實多道反射地震數(shù)據(jù)能夠?qū)ι钏蜌庑孤冻上癫⒔沂酒渌秸共?；拜陽?2014)利用地震海洋學剖面推斷出中建南盆地的底流活動非常發(fā)育并且可能有海底活動麻坑存在.由于這些作用過程更多分布在海底邊界附近，因而本文將重點對海底附近水體的地震反射特征予以關(guān)注與分析.

水底邊界層是由部分沉積物和水柱中的水體組成，直接受水體和沉積物性質(zhì)分布及過程影響，被多數(shù)人認為是物理海洋學與沉積學的交叉研究對象.在物理海洋學上，水底邊界層主要是由摩擦作用影響的高度決定的，自上而下主要包括對數(shù)層，粘滯層與擴散邊界層，主要受到其內(nèi)部的流體動力學條件控制，是重要的水體與沉積物交換與作用界面(McCave, 1976；Boudreau and Jorgensen, 2001；Thomsen, 2003; Thomsen et al.，2003；Lorke and MacIntyre, 2009).實際上，海底邊界層(Bottom Boundary Layer/Benthic Boundary Layer)存在許多不同的定義，這取決于研究者所關(guān)心的研究尺度、性質(zhì)和現(xiàn)象(Boudreau and Jorgensen, 2001)，其研究領(lǐng)域也不僅僅局限于水層的流體動力學過程，甚至包括界面區(qū)域的生物過程、放射性化學、生物地球化學過程以及沉積動力學過程(Richardson and Bryant, 1996).在本文，我們將海底附近水體稱之為“海底邊界層”，而將在此區(qū)域廣泛發(fā)育的各種海洋作用/過程稱之為“海底界面過程”.

通過對南海大量地震資料的處理與分析，我們發(fā)現(xiàn)了海底附近大量的異常反射特征，這些異常反射特征與以往海洋內(nèi)部的反射特征不同，更可能揭示了海底邊界附近復雜的海洋作用/過程.本文主要利用地震海洋學方法對海底邊界附近水體進行成像，利用傳統(tǒng)地震相分析方法對這些異常反射特征進行分析、分類與總結(jié)，結(jié)合以往研究成果分析其可能的海洋作用過程，從而可以拓展地震海洋學的研究領(lǐng)域，為海底邊界層的研究提供新的調(diào)查方法與研究視角.該方向的深入研究有助于深入認識深層海水運動、海底邊界處發(fā)生的各種過程，從而揭示地球系統(tǒng)流體部分與固體部分相互作用的本質(zhì)(宋海斌，2012).

2數(shù)據(jù)與方法

近些年來，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海北部與西部廣大區(qū)域采集了大量多道反射地震數(shù)據(jù)，本文研究參考數(shù)據(jù)主要集中在東沙隆起區(qū)域與中建南盆地北部區(qū)域.東沙隆起區(qū)域(圖1，A1區(qū)域)位于珠江口東南，屬于珠江口盆地中央隆起帶東部的一個次級構(gòu)造單元，是南海北部陸架上最突出的海底地形.水深主要分布在0～1000 m之間，主要由兩個海底高原組成.一個呈圓形，位于陸架最外緣的坡折部位，其中央部位發(fā)育高出海面幾十米的環(huán)礁即為東沙島.另一個呈菱形，位于東沙島 NW 方向約100 km，主要3個水下淺灘組成.區(qū)域內(nèi)受到從呂宋海峽而來的黑潮分支，(漲落)潮流，珠江等流系的影響，海底剝蝕嚴重，發(fā)育大量沙波和沖蝕河谷(欒錫武等, 2010,2011).中建南盆地北部區(qū)域(圖1，A2區(qū)域)位于西沙群島以西，水深主要分布在400～1000 m之間，為一斜坡階地地形.與中建南盆地中南部相比，該區(qū)域新生代沉積較薄，海底發(fā)育深水水道和大量直徑在1000～2000 m的圓形、橢圓形、長條形、新月形和不規(guī)則形麻坑，該區(qū)域整體勘探程度較低(Sun et al., 2011;陳江欣等, 2015).

圖1　本文主要研究參考區(qū)域A1(東沙隆起區(qū)域)和A2(中建南盆地北部區(qū)域)Fig.1　The main study areas, A1 (Dongsha Uplift) and A2 (the northern Zhongjiannan Basin)

本文通過對上述區(qū)域大量地震數(shù)據(jù)進行處理，以獲得海底界面附近的反射地震剖面.海水層以及海底以下淺部地層多道反射地震數(shù)據(jù)的主要處理流程有(1)：定義觀測系統(tǒng)，直達波壓制與振幅恢復，高通濾波，共中心點抽道集，常速水平疊加(海水聲速)以及部分海水層剖面經(jīng)過疊后FK濾波處理.部分海底以下地層剖面的處理流程包括(2)：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，振幅補償，6～100 Hz帶通濾波，多次波壓制，反褶積，速度分析，動校正，共中心點疊加，疊后噪聲壓制，4～70 Hz帶通濾波和FX偏移.本文所用多波束數(shù)據(jù)為1998—1999年由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號”船利用船載多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Sea Beam-2112所采集，原始數(shù)據(jù)處理流程經(jīng)過(3)：導航定位濾波、參數(shù)校正、吃水改正、聲速改正、數(shù)據(jù)濾清等處理步驟，有效地消除了噪點，保留了海底的各種微地貌特征.本資料的定位精度優(yōu)于±10 m，水深測量準確度平均值約為0.3%.水深數(shù)據(jù)最終被以距離倒數(shù)加權(quán)算法差值得到網(wǎng)格間距為100 m×100 m的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù).

地震相是一個可以在區(qū)域內(nèi)圈定的、由地震反射層組成的三維單元，是地震地層學與層序地層學解釋的重要基礎(chǔ)，其解釋過程主要依據(jù)地震剖面的特殊反射特征，包括內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、連續(xù)性、振幅以及頻譜，是沉積相的反射地震響應(yīng)(Sangree and Widmier, 1977；Brown and Fisher，1980；Veeken，2007, 2013).海水層的反射地震剖面反映了海底附近流體的活動特征，內(nèi)部反射特征變化多樣并且形態(tài)復雜.由于其成因可能涉及多種不同的海底界面過程，故其解釋分析并沒有現(xiàn)有的流體動力學反射地震模型可以借鑒.由于過去沒有其它海洋約束數(shù)據(jù)資料的同步采集，所以本文主要根據(jù)反射地震的幾何形態(tài)、反射結(jié)構(gòu)、連續(xù)性、振幅和頻率特征對海底界面處的異常反射特征進行分析與總結(jié)，結(jié)合其可能的各種海洋作用/過程，建立海底邊界層異常反射地震特征的地震相分類.

3結(jié)果與討論

通過對南海北部與西部大量地震剖面進行歸類與總結(jié)，根據(jù)以往研究成果進行對比和分析，我們對海底邊界附近比較廣泛存在的或較為確定的相關(guān)海底作用/過程及其在反射地震剖面上的特征進行了分析與總結(jié).其中，海底湍流邊界層廣泛存在于海底邊界附近；海水與崎嶇海底的相互作用在海底地形較為復雜，底流相對活躍的海底附近尤其發(fā)育，隨著海水流速的不同，其反射結(jié)構(gòu)特征相異，同時容易引起海底沉積物的再懸浮和搬運；內(nèi)孤立波在南海北部，尤其在東沙海域廣泛發(fā)育；背風波在海底山脊和崎嶇海底附近同樣可以產(chǎn)生；南海中尺度渦旋在整個南海分布廣泛，不僅是海水內(nèi)部的重要混合動力過程，其與海底的碰撞消亡同樣也會引起海底沉積物的再懸浮，參與海洋的沉積動力過程；除此之外，盆地內(nèi)部的流體也會在海底滲漏逸散，形成羽狀流，引起沉積物的再懸浮，形成麻坑等復雜海底流體逸散地貌.

3.1海底湍流邊界層

南海北部大量反射地震剖面海底界面附近海水層具有如圖2所示垂向結(jié)構(gòu)特征.該水層位于北部陸坡區(qū)域(圖1，A1)，成席狀披蓋橫向連續(xù)分布，與海底近似平行，并與上覆海水形成比較明顯的邊界(圖中黑色虛線所示)，邊界上方海水成層狀分布，內(nèi)波發(fā)育，振幅明顯強于邊界下方.該水層內(nèi)部呈反射雜亂狀，反射振幅一般較弱，視頻率較低.

其整體特征說明，這種近海底海水層的出現(xiàn)與海底關(guān)系十分密切，我們推斷其反映的是海底湍流邊界層(Turbulent Bottom Boundary Layer).海底湍流邊界層發(fā)育大量不規(guī)則內(nèi)部結(jié)構(gòu)的湍流，其能量隨著形成更多更小的小渦旋而耗散(Thomsen，2003).這表明，海底湍流邊界層內(nèi)部混合作用比較強，內(nèi)部成分趨于均一，地震反射振幅減弱.海水層上邊界呈毛刺狀并具有穿層現(xiàn)象(圖2b)，這指示海水在該邊界上由湍流邊界層轉(zhuǎn)換為地轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著影響的?？寺鼘?Thomsen(2003)指出海底邊界層在大陸邊緣處于5～50 m厚的數(shù)量級，而該海水層在左側(cè)最厚約有150 m，大部分處于100 m以下，而最薄處約有幾米厚(圖2b).由于粘滯層與擴散邊界層僅局限于海底附近很薄的區(qū)域，反射地震剖面的分辨率還不足以對其進行成像.而這種海水層內(nèi)的海水流動與海流、(漲落)潮流或上升流等海水流動有關(guān).3.2海底水流與崎嶇海底相互作用導致的懸浮沉積物海底附近的海水活動很大程度上受到海底地形的影響，圖3a所示剖面的海底附近同樣分布類似圖2的近海底海水層特征，黑色虛線指示該海水層的頂部邊 界.該測線位于東沙隆起區(qū)域(圖1，A1)，海水在測線黃色虛框左側(cè)呈現(xiàn)弱振幅、混濁反射特征，而在黃色虛框內(nèi)部和右側(cè)則呈現(xiàn)內(nèi)部弱振幅、雜亂反射特征，海水層整體反射振幅較弱，視頻率偏低.黃色虛框內(nèi)部所示海底發(fā)育有沙波，沙波波長約為200 m，沿海底橫向展布約有5 km(圖3b).沙波上方發(fā)育特殊反射地震特征，反射同相軸自海底呈毛發(fā)披覆狀排列，連續(xù)性偏低，并與海底成一定角度.整體反射結(jié)構(gòu)特征橫向連續(xù)性較好并與沙波分布一致呈毯式披蓋，振幅與周圍海水相比較強，視頻率適中或偏高，隨著離海底高度的增加，反射振幅逐漸減弱并與周圍海水趨同，垂向厚度約有30 m，我們將這種特殊的反射結(jié)構(gòu)特征稱之為披毛狀反射(圖3b).

圖3　(a)海底與黑色虛線之間發(fā)育有與圖1類似的席狀披蓋幾何反射特征，反映了海底湍流邊界層.(b)圖a中黃色虛框的放大圖.海底發(fā)育沙波，沙波上方發(fā)育披毛狀反射結(jié)構(gòu)特征.Hansen等(1994)模擬得到波紋底床上震蕩流所引起的流動(c1、c3、c5)與懸浮沉積物分布(c2、c4、c6)，而圖b的披毛狀反射特征與c2，c6類似，反映了沙波附近懸浮沉積物的反射地震特征.(b)中黑色箭頭指示推斷的海水流動方向.反射地震數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(1)處理.Fig.3　(a) The Sheet drape seismic facies unit also develops between the seafloor and black dashed line, which is similar with Fig. 1 and indicates the turbulent bottom boundary layer. (b) A larger version of the yellow dashed rectangle in fig. a. Sand dunes develop on the seafloor and hair reflection configuration grows above them. Flow patterns (c1, c3, c5) and distribution of suspended sediment (c2, c4, c6) at different phases during a wave cycle were calculated by Hansen et al. (1994).The reflection pattern of hair reflection configuration is similar with c2, c6, referring to the reflection characteristic of suspended sediment above sand dunes. (b) Black arrow indicates the speculative direction of water flow. Seismic section was processed by sequence (1).

披毛狀反射結(jié)構(gòu)主要發(fā)育于海底沙波與高頻崎嶇海底上覆海水層，其發(fā)育特征與Hansen等(1994)利用離散渦流模型模擬所得到波紋底床之上的流場與沉積物懸浮類似(圖3 c1，c2，c5，c6，黃色方框所示)，在這里我們將這種反射特征解釋為海底水流與沙波等高頻崎嶇海底相互作用形成的流場和沉積物再懸浮相關(guān)的反射地震特征.與模擬結(jié)果相類比，其靠近海底的強振幅與低頻特征主要是懸浮顆粒物所引起的，而并非是海水的溫鹽差異所造成的，因為其周圍弱振幅，混濁、雜亂反射特征的海水層反射地震特征表明周圍海水的溫鹽差異已經(jīng)隨著邊界層大量湍流混合活動而趨于均一.

3.3不同水動力環(huán)境下的海底水流與崎嶇海底相互作用

除了披毛狀反射結(jié)構(gòu)，海底沙波之上還發(fā)育有如圖4所示兩種反射結(jié)構(gòu)特征：高頻小錯斷與高頻波動.圖4所示測線位于東沙隆起區(qū)域(圖1，A1)，圖4a所示黑色虛線大體表示海底邊界層的頂部邊界，內(nèi)部反射較弱，連續(xù)性較弱，頻率適中.反射地震特征表明，與圖3海底邊界層海水相比，其內(nèi)部海水的混合作用相對較弱，水動力環(huán)境較弱.海底發(fā)育有約3 km的海底沙波，沙波之上發(fā)育有沿海底毯式披蓋分布、連續(xù)性較低、振幅偏強而頻率偏高的高頻小錯斷反射結(jié)構(gòu).圖4b海底附近海水成層性較好，振幅較強.海底有沙波發(fā)育，沙波之上發(fā)育有成毯式披蓋分布、連續(xù)性較低、振幅適中和頻率偏高的高頻波動反射結(jié)構(gòu).

邊界層理論認為，水流隨著流速的增大會發(fā)生層流(Laminar Flow)和湍流(Turbulent Flow)兩種形態(tài)，并在臨界雷諾數(shù)位置發(fā)生轉(zhuǎn)換，但實際上在此轉(zhuǎn)換位置水流會產(chǎn)生擺動，形成一種間歇性狀態(tài)(Rott, 1990).圖3所示兩種異常反射特征均表現(xiàn)出與海底沙波高頻起伏海底分布相關(guān)，但呈現(xiàn)不同反射地震結(jié)構(gòu)的特征.海水在這種崎嶇地表流動時，隨著流速的不同，我們推斷其在海底邊界會產(chǎn)生類似的流動形態(tài)轉(zhuǎn)換，即這三種與沙波等海底高頻起伏海底相關(guān)的反射特征很可能代表海水與海底相互作用的不同階段.當水動力環(huán)境較弱時，海水呈現(xiàn)高頻波動特征，海水由層流轉(zhuǎn)化為高頻波動，這時的水動力環(huán)境還不足以引起海底沉積物的懸浮，而更容易促進海水內(nèi)部的混合，導致層結(jié)海水邊界處海水溫鹽差異降低，層結(jié)內(nèi)部保持穩(wěn)定，因而造成整體反射振幅相比于周圍海水適中或偏強，反射同相軸視頻率偏高.當水動力環(huán)境較強時，海水發(fā)生較強的波動，并在某些區(qū)域發(fā)生破碎形成湍流，并引起海底沉積物的再懸浮，導致反射振幅增強，視頻率偏高，連續(xù)性變差.當進一步增強時，海水內(nèi)部由于強烈的湍流混合作用而趨于均一，但是強烈的動力環(huán)境導致海底沉積物的再懸浮并隨著海水的流動方向發(fā)生漂移，形成具有強反射振幅、視頻率偏高的披毛狀反射結(jié)構(gòu).因而，海水的流水動力環(huán)境從強到弱可能依次為圖3b，圖4a，圖4b.

圖4a，圖4b的反射結(jié)構(gòu)特征同樣在圖5不規(guī)則海底沙波的上方發(fā)育，該測線位于東沙隆起區(qū)域(圖1，A1).圖5中黑色虛框處發(fā)育有高頻小錯斷反射結(jié)構(gòu)，而黃色虛框處發(fā)育有高頻波動反射結(jié)構(gòu).由于這些反射結(jié)構(gòu)是與海水與海底沙波地形的相互作用有關(guān)，左側(cè)黃色虛框的高頻波動反射特征位于黑色虛框所示的高頻小錯斷之上，這表明靠近海底沙波的水動力環(huán)境較強，而這也與上述分析一致.

3.4內(nèi)孤立波

東沙附近海域有大量內(nèi)孤立波(Internal Solitary Wave)發(fā)育，其主要成因是呂宋海峽海域內(nèi)潮與崎嶇陡峭海底地形的相互作用而產(chǎn)生(Ramp et al., 2004; Zhao et al., 2004).傳統(tǒng)對于內(nèi)孤立波的研究主要有遙感觀測、錨系觀測、聲學觀測、數(shù)值模擬以及物理模擬方法，但Tang等(2014b)和拜陽等(2015)的研究證實，與常規(guī)方法相比，地震海洋學方法對內(nèi)孤立波的垂向結(jié)構(gòu)成像、波數(shù)譜計算以及傳播速度估算等方面具有重要的技術(shù)優(yōu)勢.圖5所示內(nèi)孤立波(ISW)具有下沉型垂向孤包幾何形態(tài)，與周圍普遍發(fā)育的內(nèi)波相比，具有更高的振幅與波寬.

3.5背風波

圖4　(a)海底沙波上方發(fā)育的高頻小錯斷反射結(jié)構(gòu)特征，海底與黑色虛線之間海水層揭示海底湍流邊界層的反射特征，與圖2類似.(b)海底沙波上方發(fā)育的高頻波動反射結(jié)構(gòu)特征.反射地震數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(1)處理.Fig.4　(a) There is also high frequency small vertical faults reflection configuration above sand dunes. As similar with Fig. 2, seawater between seafloor and black dashed line refer to the reflection characteristic of turbulent bottom boundary layer. (b) High frequency fluctuations reflection configuration developing above the sand dunes. Seismic section was processed by sequence (1).

圖5　黑色虛框所示為高頻小錯斷，黃色虛框所示為高頻波動.剖面中部發(fā)育有具有大振幅垂向孤包幾何反射形態(tài)的內(nèi)孤立波(ISW).反射地震數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(1)處理.Fig.5　High frequency small vertical faults and fluctuations develop in black and yellow dashed rectangles respectively. Internal solitary waves (ISW) propagated along this section, with geometry of large amplitude vertical solitary package. Seismic section was processed by sequence (1).

圖6　(a)海底山脊(Ridge1、2)一側(cè)上覆海水發(fā)育有大振幅傾斜孤包反射幾何形態(tài)，反映了背風波低階(LW1)、高階(LW2)模態(tài)的不同反射結(jié)構(gòu)特征.而LW3可能反映了隨海流而剝離的背風波能量耗散形態(tài)特征.(b)層流流經(jīng)隆起物產(chǎn)生背風波而形成的型阻結(jié)構(gòu)(Edwards et al., 2004)，示意了低階模態(tài)的背風波.(c)模擬得到的高階模態(tài)背風波位移場(Klymak et al., 2010).紅色箭頭為推測剖面內(nèi)(a)的海水流動方向.反射地震數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(1)處理.Fig.6　(a) Geometry of large amplitude tilted solitary package on sides of Ridges 1, 2 show the reflection characteristics of low-mode (LW1) and high-mode (LW2) Lee waves respectively. Lee Wave 3 (LW3) probably indicates the energy dissipation of lee wave, peeled away by ocean currents. (b) Schematic of form drag generated by stratified flow past a bump of height (Edwards et al., 2004), showing the low-mode Lee wave. (c) Displacement field of high-mode stationary wave simulated by Klymak et al. (2010). Red arrow points the speculative direction of water flow along this section. Seismic section was processed by sequence (1).

東沙海域附近(圖1，A1)具有復雜的海底地貌，海底崎嶇不平，發(fā)育有大量沙波與不同規(guī)模的海底山脊和沖蝕河谷.海流流經(jīng)海底山脊容易形成背風波(Lee Wave)，與大量物理海洋實際觀測與數(shù)值模擬不同，Eakin等(2011)證實地震海洋學方法能夠?qū)Ｑ笾小⒋蟪叨缺筹L波成像，提供其垂向結(jié)構(gòu)形態(tài)并能夠用于進一步對其物理性質(zhì)的計算分析.圖6a所示地震剖面位于東沙附近海域，海底發(fā)育有兩處較高的海底山脊.山脊1與2(Ridge 1，2)分別約有300 m和200 m高，山脊上覆海水受到海底山脊地形的強烈影響而形成背風波(LW1、2、3)，典型背風波具有垂向傾斜、振幅較大的下沉孤包幾何形態(tài)，層結(jié)海水層層疊置，傾斜下凹，垂向連續(xù)性較好，反射振幅適中，視頻率適中.

背風波1(LW1)的反射形態(tài)結(jié)構(gòu)與Edwards等(2004)模擬層流流經(jīng)隆起物而形成的背風波成因的型阻結(jié)構(gòu)類似，具有低階模態(tài)背風波特征，如圖6b所示；背風波2(LW2)具有復雜的內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)，很可能反映高階模態(tài)的背風波特征，這與Klymak等(2010)模擬得到的高階模態(tài)背風波位移場特征相似，如圖6c中白色虛框所示.我們在剖面左側(cè)發(fā)現(xiàn)另外一種橫向連續(xù)性較差、高頻波動、頻率偏低的異常反射特征(LW3)，我們推測其成因與背風波有關(guān)，可能反映背風波隨著海流的橫向漂流，隨著內(nèi)部混合作用的持續(xù)，形成與圖6c白色實框所示相類似的形態(tài)結(jié)構(gòu).根據(jù)背風波形態(tài)特征的一致性(圖6 a、b、c)，我們推斷該區(qū)域背景海水在剖面內(nèi)的運動方向為自右向左，背風波3(LW3)在山脊2(Ridge 2)處產(chǎn)生，隨著海流自右向左漂移，其形態(tài)結(jié)構(gòu)隨著內(nèi)部海水的混合作用而與背風波2(LW2)相比具有更加復雜的內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)特征，如同相軸連續(xù)性變差.

3.6海洋渦旋與海底的相互作用

渦旋是海洋中重要的中小尺度海洋現(xiàn)象，地震海洋學方法能夠提供海洋渦旋的垂向結(jié)構(gòu)(Biescas et al., 2008;Pinheiro et al., 2010)，并且能夠通過地震反演得到其內(nèi)部的溫度、鹽度、密度和聲速等物理性質(zhì)(Papenberg et al., 2010; 宋洋等, 2010；黃興輝等，2011；Kormann et al., 2011;陳江欣等, 2013；Bornstein et al., 2013; Biescas et al., 2014).地震海洋學研究表明，海洋渦旋的內(nèi)部垂向結(jié)構(gòu)并不完全相同，例如地中海渦旋一般具有透鏡狀的幾何形態(tài)(Biescas et al., 2008; 宋海斌等，2009；陳江欣等, 2013)，而其它一些地區(qū)的渦旋則并不具有明顯的上邊界，從而呈現(xiàn)碗狀的幾何形態(tài)(Mikiya et al., 2011; Tang et al., 2014a)，還有研究發(fā)現(xiàn)渦旋具有旋臂(Song et al., 2011).這些發(fā)現(xiàn)不僅提供了渦旋內(nèi)部的可視化垂向結(jié)構(gòu)，而且在一定程度上改變了我們利用傳統(tǒng)海洋學調(diào)查方法研究對渦旋的認識，例如走航溫鹽測量、錨系觀測和海洋遙感等.

與以往研究不同，我們在南海北部陸坡海底附近發(fā)現(xiàn)了大量可能存在的渦旋活動.圖7所示剖面位于研究區(qū)域A2(圖1)陸坡海底附近，在水深大約800 m處發(fā)育有一處海底渦旋，整體呈透鏡狀幾何形態(tài)，長約20 km，厚約300 m，左側(cè)封閉，右側(cè)與陸坡相撞呈開放狀態(tài).地震剖面顯示，渦旋的垂向結(jié)構(gòu)具有相對較為均勻、弱反射振幅的渦旋核心水(黑色箭頭所示)，以及核心水外圍具有連續(xù)性較低，強反射振幅和視頻率偏低的渦旋混合水(白色箭頭所示).渦旋右側(cè)與陸坡碰撞處具有反映渦旋核心水的弱反射振幅特征，但其上方虛線橢圓所示區(qū)域具有明顯的反射雜亂、強振幅特征，反射同相軸沿陸坡有上傾趨勢.我們推斷這是由于渦旋活動受到陸坡限制，產(chǎn)生大量湍流混合作用并導致海底沉積物懸浮、上涌，從而導致海水的反射振幅增強、傾斜.海底湍流邊界層沿渦旋下方陸坡海底附近區(qū)域發(fā)育，位于海底與白色虛線之間.該海水層厚度約有50 m，內(nèi)部反射混濁、均勻，振幅偏弱，與白色虛線上方海水的反射地震特征明顯相異.其特征與渦旋上方海底附近區(qū)域的海水反射地震特征恰恰相反，表明渦旋的存在很明顯影響了其右側(cè)和上方的海底湍流邊界層，上方海水的強振幅則是由于海底沉積物的再懸浮所導致.

圖7　海底與白色虛線之間海水層反映海底湍流邊界層(TBBL)的反射結(jié)構(gòu)特征，與圖2類似.剖面中部發(fā)育有透鏡狀反射幾何特征，揭示海洋渦旋的結(jié)構(gòu)特征，即具有渦旋核心水(黑色箭頭)和渦旋混合水(白色箭頭)雙層包裹反射結(jié)構(gòu)特征.白色虛線橢圓所示區(qū)域具有強振幅特征，為渦旋活動受到陸坡限制，產(chǎn)生強烈湍流混合作用促使海底沉積物懸浮、 上涌所導致.反射地震數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(1)處理.Fig.7　As similar with Fig.2, water column between seafloor and white dashed line indicates the turbulent bottom boundary layer. Lenticular reflection configuration reveals the characteristic of an eddy with structure of the eddy core water (black arrow) and the eddy mixed water (white arrow). High amplitude reflection characteristics in white dashed ellipse indicate the suspended sediment caused by intense mixing of turbulence resulted from the interaction of seafloor and eddy. Seismic section was processed by sequence (1).

3.7海底流體逸散羽狀流

據(jù)上所析，海洋中的海流與渦旋均可能通過動力作用導致海底沉積物的再懸浮并在反射地震剖面中有所反映.海底附近還可能發(fā)育大量麻坑(Pockmark)，這些海底微地貌特征是由于來自地層淺部或者深部的流體在海底滲漏逸散，導致海底附近沉積物受到剝蝕而形成的(Judd and Hovland，2007).研究表明，南海北部與西部陸架與陸坡區(qū)域發(fā)育有大量海底麻坑，海底流體逸散活動廣泛發(fā)育(陳江欣等，2015).

大量反射地震剖面顯示，海底麻坑上覆海水部分發(fā)育異常反射地震特征.圖8b所示剖面位于南海西沙群島西緣(圖1，A2)，水深大約800 m，測線位置為圖8b黑線所示.海底多波束地形圖(圖8b)揭示該區(qū)域海底發(fā)育有海底圓形、新月形麻坑以及復雜的海底軟沉積物變形.測線SE方向有5處比較明顯的麻坑發(fā)育，分別如圖8a、b白色箭頭對應(yīng)所示，分別編號為1～5.海底以下反射地震疊加剖面揭示，麻坑與流體逸散通道相伴生，盆地流體沿著逸散通道運移滲漏，并在海底形成麻坑.麻坑上覆海水黃色虛框區(qū)域發(fā)育有高頻波動，黑色虛框區(qū)域由于2～4號麻坑順序排列而地形起伏，上覆海水具有強振幅、傾斜披覆反射的披毛狀特征，相比圖3b分布稀疏，但是均出現(xiàn)在波動海底的上方，其成因與圖3b披毛狀反射地震特征成因類似，也為懸浮沉積物成因.除此之外，在1號與5號麻坑上覆海水發(fā)育有垂向異常反射條帶，呈羽狀幾何形態(tài)，寬約1 km，高約400 m，內(nèi)部反射混濁且相對均一，振幅偏弱，視頻率偏低.由于類似特征主要發(fā)育在麻坑上方，其幾何特征又與高頻聲學探測得到的羽狀流相似(Rollet et al., 2006; Valdes et al., 2007; Logan et al., 2010; Jones et al., 2010; Etiope et al., 2013)，如圖8c，因而我們推斷這種異常反射地震特征成因與麻坑密切相關(guān)，揭示了活動麻坑的流體(水、天然氣、松散沉積物等)逸散活動特征.

3.8麻坑內(nèi)部異常流與沉積物再懸浮

與圖8a不同，圖9a(圖1，A2)所示麻坑(PM1)內(nèi)部海水層呈現(xiàn)掃帚狀幾何特征，內(nèi)部反射雜亂，振幅偏弱，頻率偏低.1號麻坑位于麻坑鏈內(nèi)部，整體呈長條形；2號麻坑呈近似橢圓狀，3號麻坑呈不規(guī)則狀，如圖9b所示.反射地震剖面顯示，1號麻坑與地層內(nèi)部斷層相連，而2、3號麻坑則沒有可以作為流體逸散的通道，僅1號麻坑上覆海水發(fā)育此異常特征，這表明這種海底附近的異常反射特征與麻坑有關(guān).Hammer等(2009)的數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測指出，海流流經(jīng)麻坑時會發(fā)生變化，從而在麻坑內(nèi)部產(chǎn)生向上的流動分量形成上升流，這種上升流能夠降低沉積速率并且能夠揚起麻坑內(nèi)部的細碎顆粒，并一定程度上能夠令麻坑加深.圖9a麻坑(PM1)上覆海水異常反射特征的幾何形態(tài)與Hammer等(2009)的數(shù)學模擬結(jié)果非常相似(圖9c)，它揭示了麻坑內(nèi)部異常海流與懸浮細碎顆粒的反射地震特征，并指示海流方向在剖面內(nèi)是自左往右(圖9a，c).但PM2、3并沒有類似的反射特征出現(xiàn)，我們推測這種現(xiàn)象的發(fā)生仍然需要麻坑內(nèi)部流體逸散活動的參與，即深部流體自底辟沿著小裂隙與斷層流體通道，向上運移，在PM1處逸散并導致麻坑內(nèi)部沉積物的再懸浮，這些懸浮沉積物又被麻坑內(nèi)部的上升流所帶走(圖9a).

3.9海洋作用過程與地震相特征

與海洋內(nèi)部的反射地震剖面相比，海底附近區(qū)域的反射地震特征更加復雜多樣，具有各種異常幾何反射結(jié)構(gòu)和反射地震屬性特征.這些異常反射地震特征反映了海底附近各種復雜的海洋作用/過程.通過對各種地震反射特征進行分類統(tǒng)計，我們總結(jié)了各種異常反射地震特征的地震相特征，并結(jié)合以往研究成果分析了其最可能的海洋作用/過程，具體列表如表1所示.

4結(jié)論

通過對南海北部與西部采集的大量地震數(shù)據(jù)進行處理，我們重點對海底附近海水層的異常反射地震特征進行研究，主要利用傳統(tǒng)地震相分析方法對這些異常反射特征進行分析、分類與總結(jié)，主要包括其反射幾何形態(tài)、內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、連續(xù)性、振幅和頻率.

圖8　(a)海底以上及以下地震數(shù)據(jù)經(jīng)過處理流程(1)處理，并在海底處進行拼接.海底發(fā)育有大量白色箭頭所示麻坑，與圖(b)中多波束地形圖中的麻坑位置相對應(yīng)，其中黑色直線為地震測線的位置.多波束地形數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(3)處理.黃色虛框處發(fā)育有高頻波動， 黑色虛框處發(fā)育有披毛狀反射結(jié)構(gòu)特征.圖(a)中兩處自麻坑向海洋內(nèi)部垂向延伸的羽狀幾何形態(tài)反射結(jié)構(gòu)與圖(c)中高頻聲學羽狀流(Jones et al., 2010)相類似，可能反映麻坑內(nèi)部的流體逸散活動.Fig.8　(a) Seismic section above and below the seafloor were processed in sequence (1) and jointed together along the seafloor. There are many pockmarks (white arrows) on the seafloor, which locations are pointed out by white arrows in the multi-beam topographic map (b). The black line shows the location of seismic line. The multi-beam topographic data was processed in sequence (3). High frequency fluctuations and hair reflection configuration develop in yellow and black dashed rectangles respectively. The geometry of plume seismic facies unit is similar with hydroacoustic flares (Jones et al., 2010), probably indicating the activity of methane seepage in pockmarks.

圖9　(a)海底以上地震數(shù)據(jù)經(jīng)過處理流程(1)處理，而海底以下數(shù)據(jù)則經(jīng)過處理流程(2)處理，并在海底處進行拼合.(b)多波束斜率地形圖顯示海底發(fā)育有大量麻坑(PM)與泥火山(MV)，紅線為圖(a)地震剖面位置.(c)數(shù)值模擬得到麻坑內(nèi)部流速的垂向分量揭示麻坑內(nèi)部存在上升流(Hammer et al., 2009)，麻坑1(PM1)內(nèi)部掃帚狀反射幾何形態(tài)反映了這種活動特征.(a)中紅色箭頭指示推測的剖面內(nèi)海流方向.多波束地形數(shù)據(jù)經(jīng)處理流程(3)處理.Fig.9　(a) Seismic sections above and below the seafloor were processed in sequence (1) and (2) respectively and jointed together along the seafloor. (b) Slope map shows that there are many pockmarks and mud volcanoes on the seafloor. Red line indicates the location of seismic line. (c) Vertical component of current velocity from numerical modeling, showing upwelling in a pockmark (Hammer et al., 2009), and the broom seismic facies unit reflects the flow activity. Red arrow (Fig. a) indicates the speculative direction of water flow along this section. The multi-beam topographic data was processed in sequence (3).

地震相特征幾何形態(tài)反射結(jié)構(gòu)連續(xù)性振幅視頻率發(fā)育位置圖示可能的海洋作用過程席狀披蓋雜亂、混濁差弱低近似平行海底附近圖2、3、4a、7海底湍流邊界層毯式披蓋披毛狀,高頻小錯斷、高頻波動低中強中高沙波等高頻起伏海底圖3a、4、5、8a海底水流與海底相互作用、沉積物再懸浮垂向孤包垂向?qū)盈B上凸、下凹好中中東沙等發(fā)育區(qū)域圖5內(nèi)孤立波傾斜孤包傾斜層疊下凹、凹凸相間好、低中中海底山脊附近圖6背風波低階、高階模態(tài)透鏡狀、碗狀雙層包裹低、差內(nèi)弱外強中、低海洋內(nèi)部、海底附近圖7海洋渦旋活動羽狀混濁差弱低海底麻坑等流體滲漏區(qū)圖8a流體逸散羽狀流掃帚狀雜亂差弱低麻坑等凹坑內(nèi)部圖9a麻坑內(nèi)異常流(上升流、渦旋、湍流)與沉積物再懸浮

結(jié)果分析表明，海底附近海水層的地震反射與海洋內(nèi)部的相比具有更加復雜的幾何形態(tài)和反射結(jié)構(gòu)特征，可能揭示了海底附近各種復雜的海洋作用/過程.海底附近廣泛發(fā)育的弱振幅雜亂反射席狀披蓋地震相，反映的是海底附近廣泛發(fā)育的湍流邊界層；海底沙波等高頻起伏海底容易與上覆海流相互作用從而形成披毛狀的，高頻的小錯斷和波動等毯式披蓋地震相特征；海底山脊地形容易與海流發(fā)生作用形成背風波，其大振幅傾斜孤包特征與內(nèi)孤立波大振幅的垂向孤包相異，而前者主要發(fā)生在海底山脊上方，后者則主要發(fā)生在特定海區(qū)，受到海底地形、潮流等成因環(huán)境控制，比如東沙群島海域.除此之外，流體逸散活動所形成的羽狀流與麻坑的內(nèi)部活動均可引起反射地震異常，分別形成具有羽狀和掃帚狀的反射幾何形態(tài)，而海洋內(nèi)部的內(nèi)孤立波和海洋渦旋已經(jīng)被地震海洋學研究所證實.我們對這些重要的異常反射地震特征進行了分類和分析，并對其地震相特征進行了歸納和總結(jié)，分析總結(jié)結(jié)果見表1所示.

傳統(tǒng)地震海洋學的研究主要集中在海洋內(nèi)部物理海洋學過程的觀測和研究，而我們的研究分析結(jié)果表明，地震海洋學可以捕捉海底附近更加復雜的海洋作用/過程.上述分析結(jié)果更多展現(xiàn)的是海洋中可能一直存在并廣泛發(fā)育的海洋作用/過程，實際上海底附近還有更多復雜的海洋作用/過程，例如濁流等重力流活動、等深流、熱液活動、海底滑坡和各種生物活動等.這些作用/過程一直以來是難以進行觀測的海洋作用/過程，而我們的研究分析表明，地震海洋學可以作為一種具有優(yōu)勢的研究手段對海底附近的各種復雜海洋作用/過程進行成像，不僅對本文所推測的各種作用/過程適應(yīng)，同樣也可能適應(yīng)于這些過去難以觀測的海洋作用/過程.但這方面的研究需要針對各種海洋作用/過程是否突發(fā)性特征、不同活動規(guī)模和規(guī)律等特點進行不同探測手段的配合使用.

致謝感謝廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局資料處理研究所馮震宇所長，張寶金副所長以及其他各位同事為作者在廣州研究期間提供的支持與幫助.

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(本文編輯劉少華)

基金項目國家自然科學基金重大計劃重點項目(91128205)與國家自然科學基金(41576047)資助.

作者簡介陳江欣,男，1987年生，山東青島市人，主要從事海洋地球物理研究. E-mail: jiangxin_chen@sina.com *通信作者宋海斌，E-mail: hbsong@#edu.cn

doi:10.6038/cjg20160620 中圖分類號P738,P315 1293-1300, 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.05.018.

收稿日期2015-09-21, 2016-02-10收修定稿

Geophysical analysis of abnormal seismic (oceanography) reflection characteristics of oceanic bottom boundary layer

CHEN Jiang-Xin1,2, BAI Yang3, GUAN Yong-Xian4, YANG Sheng-Xiong4,SONG Hai-Bin3*, LIU Bo-Ran5

1KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology,ChinaGeologicalSurvey,Qingdao266071,China2LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China3StateKeylaboratoryofMarineGeology,SchoolofOceanandEarthScience,TongjiUniversity,Shanghai200092,China4KeyLaboratoryofMarineMineralResources,MinistryofLandandResources,GuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou510760,China5ThirdInstituteof0ceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China

AbstractTraditional seismic oceanography researches dominantly pay attention to the oceanographic phenomena within the water column, such as internal wave, eddy, thermohaline fine structure, water mass boundaries, internal tide, thermohaline staircase, lee wave and so on, and could provide extra information quantitatively and qualitatively, compared with physical oceanography method. So far, very few researches try to study the water column near the seafloor, which is a significant boundary layer where water-sediment dynamic interaction, cold seepage, hydrothermal vents, biochemical activities and energy dissipation of many oceanic processes may occur. To be different from previous seismic oceanography researches, this paper mainly focuses on seismic reflections of seawater columns near the seafloor, by reprocessing a large amount of seismic sections acquired in the west and north of the South China Sea.

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