摘要:海底麻坑是由地层中流体向海底快速喷发或缓慢渗漏所形成的一种凹陷地貌，对其形态及成因机理进行深入研究具有重要意义。本研究基于高分辨率多波束地形、侧扫声纳、浅地层剖面及多道地震探测数据，对舟山群岛东部青浜岛海域发育的麻坑及其微地貌进行研究，分析表明:研究区发育有3个大型麻坑，并受到NE—SW向底流的改造而出现不同程度沿此方向的拉长，呈新月形或拉长形。麻坑侧壁呈现西陡东缓、西高东低的特征。3个大型麻坑内部发育有小的次级单元麻坑，或形成复合麻坑和链状麻坑等。麻坑之下地层出现声学浑浊等浅层气特征反射。在麻坑内外分别钻孔取样进行烃类气体的同位素分析，结果表明形成麻坑的流体为生物成因的甲烷气。研究区3个大型麻坑是在台风活动诱发下，由第四系地层中的甲烷气猛烈喷溢形成，而麻坑微地貌则是在随后发生的海底浅层气小规模缓慢逃逸形成的。
关键词:海洋地质学;海底麻坑;形态特征;浅层气;成因演化;青浜岛海域
海底麻坑是在全球海域陆架—陆坡—深海平原均有发育的一种凹陷地貌，以圆形、椭圆形为主，直径数米至数千米，深度亦随其规模不同而有所差异[1-2]。1970年King和Maclean最早对加拿大新斯科舍(NovaScotia)近海大陆架上的麻坑进行了描述，随后开展了地形地貌探测、沉积相分析等一系列研究[3]。但当时由于缺少地震资料及烃类气体存在的地化证据，Josenhans等(1983)所支持的气体逃逸成因未得到认可，麻坑被认为是一种残余地貌[4]。直到1983年Hovland等(1985、1987)获得气体泄漏的有利证据，海底流体通过断层、不整合面等通道向上运移继而形成麻坑的解释才开始成为主流观点[5-6]。各国学者已对北海[7]、黑海[8]、波罗的海[9]、西非陆缘[10]、墨西哥湾[11]等海域海底麻坑进行了不同程度的研究，涵盖其分布规律、形态特征及发育机制等。
由于麻坑的形成与海底流体活动(甲烷气体泄漏、地下水迁移、盐底辟等)密不可分，因此其对于研究海洋油气藏勘探、海底构造特征乃至微生物群落的分布都有重要的指示意义，近年来逐渐成为海洋地质学研究的热点[12-15]。此外，麻坑发育地区常常形成不稳定海底。边坡失稳、不均匀沉降等灾害地质因素会对海洋工程造成不利影响。挪威陆缘的Storegga滑坡[16]、美国东部陆缘的CapeFear滑坡[17]都被证实与麻坑活动有关;北海Gullfaks油田[18]的麻坑区曾发生过不可控的井喷事件;阿拉伯湾一处原本稳定的麻坑因海洋平台的建造重新变得活跃，继而影响平台的稳定性[1]。因此，对于海底麻坑地貌及与之密切相关的地层中流体活动的研究变得日益重要。本研究通过高分辨率多波束、侧扫声纳及多道地震等技术手段探测到的海底地形地貌和地层反射数据分析了舟山群岛东部青浜岛海域海底麻坑的分布和形态特征，并对其形成机制及演化作一探讨。
1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于舟山群岛东部的青浜岛海域，地处现代长江水下三角洲南缘，构造上位于浙闽隆起带中部(图1)。此处海域相对开阔，发育水下堆积岸坡，水深一般为20～50m，底质类型以粉砂质黏土为主。前人研究表明，在长江三角洲的前三角洲沉积相中，广泛分布着浅层气，水深最大至35m。浅层气顶界面埋深在100m之内，通常为数米至数十米[19-20]。这些浅层气主要为生物成因，是地层中有机质在甲烷菌的生物化学分解作用下所形成的。
1.2数据和方法
声学和地震探测已成为海底麻坑形态定量研究、成因分析的主要技术手段[21-23]。本研究重点研究范围包括青浜岛北部的测区Ⅰ及东北部的测区Ⅱ(图1)，所用数据来自于2014—2015年在该区的路由调查专项。其中地形地貌测量采用的是R2Sonic多波束测深系统和Klein3000侧扫声纳。采集到的水深数据经定位处理、潮位和声速改正，去噪后，进行网格化处理生成数字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)，进而生成等深线及水深剖面图。声纳数据主要进行了去噪、增益处理。浅部地层反射数据来源于Benthos公司的CAP-6600浅地层剖面仪及高分辨率多道地震仪。此次地震勘探使用了12.5m道间距24道固态缆系统，穿透深度可达海底面之下300.0m。对原始数据进行能量均衡、滤波、抽道，叠加等处理后生成三维地震剖面图。
此外，在Ⅰ区布设了两个钻孔[图2(a)]。其中D1孔(30.221°N、122.713°E，孔深70.0m，水深28.3m)位于麻坑的内部，D2孔(30.222°N、122.711°E，孔深50.0m，水深26.6m)位于麻坑的外部，应用同位素比例质谱仪(DeltaPlusXP)对不同层位样品进行烃类同位素的分析，以确定浅层气的类型。
2结果与讨论
2.1海底麻坑形态特征
研究区发育的3个大麻坑形状均不规则，Ⅰ区麻坑呈新月形，Ⅱ区两个麻坑为拉长形，而其内部小麻坑则以单元麻坑、复合麻坑或链状麻坑存在。
2.1.1多波束探测到的麻坑研究区发育的麻坑均直接出露于海底面，尽管形状不规则但长轴走向基本沿NE—SW方向(图2)。Ⅰ区的麻坑最大，长轴约为500m，面积为0.10km2，大体呈新月形，麻坑底部可见一些零散的蚀余残丘。Ⅱ区的两个麻坑规模相对较小，面积分别为0.08km2和0.05km2。从横剖面看，Ⅱ区南部麻坑呈现宽缓的“U”形，而Ⅰ区麻坑与Ⅱ区北部麻坑均为“W”形，且中部凸起低于两侧海底(图3)。值得注意的是，这3个麻坑的边缘都呈现西侧陡、东侧缓的不对称特征，东侧海底面高程低于西侧，推测与底流受科氏力的影响有关。
2.1.2声纳探测到的麻坑本区麻坑底部并非平滑海底，而是发育有次一级的小型麻坑(图4)，呈椭圆形或似圆形，深度不超过0.5m，最大者长轴不过20.0m。最小的单元麻坑直径<5.0m，可能代表了地层中单次流体喷溢或渗漏。不对称麻坑在声纳图像上表现为一侧拥有极强的后向反射强度。图4(b)可见两个孤立麻坑相连形成的复合麻坑以及定向排列的链状麻坑。麻坑之间NE—SW向的细密流痕应为底流改造所致。
2.2麻坑及下伏地层的反射特征
声学及地震剖面揭示出研究区海底地层中浅层气的存在(图5～7)。含气沉积层反射特征明显，主要包括声学浑浊、强反射、层内“隆起”以及同相轴下拉等。深入分析这些特征反射的成因对于了解麻坑的形成过程具有重要意义。
2.2.1声学浑浊声学反射浑浊常被看作海底细颗粒沉积物中浅层气存在的一个确切证据。图5是研究区1条NW—SE方向的浅地层剖面，穿越了Ⅰ区和Ⅱ区南部麻坑。由图5可以发现，麻坑底部表现为强反射，而其下方地层则出现大片浑浊反射区，与两侧正常沉积地层的水平层理区分明显。含气层出现的声学浑浊是由于气泡对声波的散射和吸收造成了声能的衰减，并屏蔽了来自深部地层的反射信号，从而在剖面上形成一个模糊的反射区。剖面上两麻坑之间海底面之下地层也出现了浅层气扰动造成的不规则反射浑浊。
图6是Ⅱ区麻坑内一条NE—SW方向的浅地层剖面。此处的声学浑浊表现为一种幕式反射，两侧近乎直立。海底面之下的强反射面为含气层的顶界面。
2.2.2层内“隆起”图7中多道地震剖面上蓝色箭头所指的麻坑正下方的似丘状反射，被称为层内“隆起”。考虑到地震波在水体中波速低于其在海底沉积物中的波速，因此这种上凸的特征反射不会是由波速差异引起的。尽管关于这种“隆起”的形成原因仍无定论，但学者们普遍认为与气体的垂向迁移有关，因为其多见于浅层气柱状扰动区[1]。
2.2.3同相轴下拉研究区多道地震剖面上浅层气造成的另一特征反射为同相轴下拉。由于沉积物孔隙率及饱和度等物理性质的差异，气体在地层中的横向分布未必均匀。局部地层含气降低了地震波的传播速度，使得双程走时延长，同相轴被下拉，剖面上形成一种类似断层的假象(图7)。图8黄色箭头所指为同相轴下拉的一种特殊情形，即当含气层足够厚时，同相轴下凹，仿佛沉积物塌陷形成的凹陷，但这也是低速区所造成的一种假象。
2.3麻坑区海底浅层气类型
海底浅层烃类气体按照成因大致可分为微生物气、热解气、裂解气以及混合成因气。δ13C1是判定烃类气体成因的一个重要依据，不同成因气的δ13C1有明显的差异。此次实验采用顶空气(罐顶气)方法来提取沉积物中的烃类气体。所提取的气体主要包括游离气以及部分弱吸附烃和水溶烃，技术上能够覆盖浅部地层中的绝大部分气体。每次测试前，称取30g沉积物样品装入250mL盐水瓶，加饱和NaCl溶液至距顶部50mL时立即用胶塞密封，倒置达到气、液(固)相平衡。然后应用同位素比例质谱仪对顶空气样品中的烃类单体同位素进行测定，顶空气样品进样量为1mL。分析结果以δ‰表示，采用PDB(PeeDeeBelemnite)标准，测试精度<0.2‰。
研究区钻孔所取样品的δ13C1值均小于-55‰(表1)，而δ13C1值小于-55‰作为生物成因气的判据已得到国内外大多数学者认可[1]。同时所有样品中弱吸附重烃含量并没有达到仪器的检测限，说明该区海底浅层气重烃含量极低，为典型的生物成因气，是在地层中甲烷菌分解作用下产生的。位于麻坑内部的D1孔δ13C1值(D1-5至D1-15)随深度增加而上升，而同层位的δ13C1值(D1-5)又高于麻坑外的D2孔(D2-4)，符合研究区浅层气自下而上运移的规律。
2.4讨论
2.4.1麻坑成因通过对研究区海底麻坑及其下伏地层地球物理特征的分析，加之麻坑内外钻孔样地球化学分析结果的佐证，可基本确定形成本区麻坑的流体为生物成因浅层气。第四纪以来，本区经历多次海侵海退，沉积了多套海陆交互相地层，其中淤泥质黏土层因富含有机质是良好的烃源岩，同时又可作为盖层，而粗粒的砂质沉积物则成为了浅层气的储集层。多道地震剖面上，除麻坑下方因气体屏蔽造成的信号中断外，本区海底基岩面反射连续且相对完整，未见明显的断裂或破碎带(图7、8)。由此推测，研究区海底浅层气主要来源于300m以内的第四系地层，以浅层气运移为主的海底流体活动是形成该区麻坑的主因。
气体喷发形成麻坑的机制，按照Kelley等(1994)、Hovland等(1988)的划分，可归结为突变模式和平衡模式[24-25]。而本区这种在大型麻坑内部还发育次一级麻坑微地貌的情形相对罕见，很可能是这两种模式的结合。3个大型麻坑是受突发性灾害(地震、风暴浪等)驱使，盖层封闭能力降低，其下储层的流体发生突然而剧烈的喷溢，进而形成麻坑。舟山海域历史上地震活动少，震级低，属于少震小震地区，但夏秋季受台风影响频繁，故而台风活动极易成为地层中不稳定流体活动的诱因。大型麻坑形成之后，其内部又发生多处浅层气的小规模缓慢逃逸，从而在其底部海底形成许多小型麻坑。
2.4.2麻坑演化麻坑极少见规则的圆形或椭圆形，当海底凹陷初步形成之后，底流的性质和作用方式便对其形态发展起着至关重要的作用[26-27]。从麻坑形态来看，研究区3个大型麻坑应该都受到了NE—SW向潮流的冲刷，从而出现不同程度沿此方向的拉长。拉长的麻坑又会反过来影响流场，产生一定束流效应，同时麻坑内部产生的湍流会对麻坑壁产生侵蚀，造成麻坑形态的不规则化及进一步拉长。当麻坑之下地层中气藏枯竭或转移，麻坑会进入一个“休眠期”。本区麻坑既未被填充或埋藏，也未见被风暴浪强烈毁坏的痕迹，推测浅层气的渗漏仍在进行，且可能已处于边生烃边释放的动态平衡。在今后一段时期内，本区的麻坑地貌仍将不断演化发展，伴随着大麻坑的冲刷延长，小麻坑的新生、联合等，直至进入“休眠期”。——论文作者：杨婧荷1，来向华1*，陈中轩2
相关期刊推荐：《应用海洋学学报》(季刊)创刊于1982年，本刊为全国性海洋科学学术期刊。主要刊载台湾海峡及其邻区海域(东海、南海)的物理海洋学、海洋化学、海洋环境学、海洋生物与水产学、海洋地质与地震学、海洋开发与管理等方面的学术论文和研究报告等。读者对象主要是国内外海洋生物、水产、化学、环保、水文、气象、港工、地质、地震等单位和部门的科技人员、管理人员、高等院校相应专业的师生等。
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