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海洋天然气水合物（简称水合物）受温度、压力、盐度及其气体组分等条件的影响，呈不同厚度、类型赋存于不同岩性、未固结沉积物中（Sloan and Koh，2007; Collett et al.，2009）。与常规油气成藏相似，水合物富集成藏除了与温压条件有关，还受流体运移、储层特性、气源条件等多种因素影响（Collett et al.，2009; 吴能友等，2009; 苏明等；2014；Ruppel and Kessler，2017; You Kehua et al.，2019; 宁伏龙等，2020，2022；王秀娟等，2021，2023）。细粒泥质沉积物中富含有机质，在活跃的微生物作用下能产生烃类气体，由于细粒泥质沉积物孔隙小阻碍水合物形成，数值模拟发现仅靠水合物稳定带内的气源难以形成富集的水合物（Liu Xiaoli and Flemings，2007; Malinverno and Goldberg，2015）。溶解的甲烷气扩散到相邻大孔隙的粗粒沉积物中，可以聚集形成水合物，通过扩散作用近距离运移的微生物成因气可以在薄砂层内形成富集的水合物，如卡斯卡迪亚北部陆缘出现的小于5 cm砂层（Malinverno，2010）与墨西哥湾2.5 m砂层（Cook and Malinverno，2013），水合物饱和度可达60%以上。因此，要形成具有一定厚度、大范围且富集的水合物，需要大量烃类气体运移至水合物稳定带，在合适的温压环境、盐度、有利储层内水合物聚集成藏。
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前人在热流体活动区发现了局部异常浅的似海底反射（bottom simulating reflector，BSR），BSR位于区域水合物稳定带底界之上，表明水合物系统受深部热流影响向上发生动态调整（Minshull and White，1989），Xu Wenyue et al.（1999，2004）利用数值模拟证实了稳定带底界的调整区会出现多相共存。在卡斯卡迪亚俯冲带南水合物脊的冷泉发育处，ODP204航次采集了保压样品，Milkov et al.（2004）收集了释放气体量与压力变化关系，证实了岩芯内水合物、游离气、水三相共存。三相共存与水合物系统不平衡、发生动态调整有关，但是也可能是处于动态平衡状态，而影响水合物系统发生调整的因素有多种，从水合物成藏角度看，影响因素包括温度、压力、孔隙水盐度、孔隙度、流体运移或气体组分等，表现为不同成藏类型，依据储层内水合物生成与分解速度相对大小，将水合物动态成藏划分为成长型、成熟型和消退型（樊栓狮等，2008）。在国际多个海域发现了羽状BSR、连续BSR、不连续BSR、BSR簇、双BSR及多BSR等多种类型，而在中国南海珠江口盆地发现了双BSR区域，随钻纵波速度测井出现地层含游离气的低纵波速度异常，而横波速度表现为含水合物的高横波速度异常，复杂的测井响应指示了水合物与游离气共存（Qian Jin et al.，2018; Kang Dongjun et al.，2020），表明水合物系统发生了调整。2020年，我国在该调整区域进行了第二次水合物试采，利用水平井技术获得了最大日产气量，进一步证实了水合物与游离气共存（Ye Jianliang et al.，2020），表明水合物系统发生调整区域是有利试采目标。
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大量研究认为温压环境变化会使水合物稳定带附近的水合物发生分解、甲烷气局部聚集，地层出现超压而变得不稳定，如果稳定带附近存在有利储层，水合物分解产生的气体可进行长距离运移，在稳定带底界之上形成大量麻坑（Sultan et al.，2004，2020; Berndt et al.，2012; Ruppel and Kessler，2017; Davies et al.，2023）。在大陆边缘的水合物稳定带向陆尖灭处易发生甲烷渗漏，海洋变暖导致海底温度升高，可能使水合物发生分解而释放大量甲烷（Brothers et al.，2013; Skarke et al.，2014），但是最新研究发现大气中甲烷异常并不是来自中纬度地区水合物分解产生的甲烷（Joung et al.，2022）。从宏观上看，多种地质因素的变化可直接或间接导致水合物稳定带底界出现向上或向下调整，如快速沉积和海底侵蚀作用导致多个BSR或双BSR形成（Bangs et al.，2010；Zander et al.，2017；Jin Jiapeng et al.，2020a; 周吉林等，2022），冰期与间冰期循环导致底层水温度和海平面变化，而出现BSR向上或向下调整（Bangs et al.，2005；Davies et al.，2021，2023），逆冲断层上下盘构造活动与侵蚀作用，使断层上下盘的BSR厚度出现较大差异（Kinoshita et al.，2011；Han Shuoshuo et al.，2021）等。本文系统总结国际海域及中国南海BSR出现异常区域的地震与测井数据，分析水合物系统动态调整的异常特征、识别标志及其对三相共存的影响，认为水合物动态调整是导致水合物与下部游离气共存、多层分布的一个重要因素，水合物富集与下部游离气层相互作用，游离气为水合物富集提供充足气源，而水合物形成降低地层渗透率，有利于游离气的聚集并富集成藏，因此，水合物与下伏游离气是一个相互依存的体系，二者联合研究有利于未来的水合物商业化开发。
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1 水合物系统动态调整识别
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水合物系统的动态调整是指水合物稳定带底界随外界环境变化而发生调整，至今仍未达到平衡状态，表现为水合物稳定带厚度变化，并伴随着水合物的分解、形成等过程，出现水合物-游离气-水及骨架的多相共存。目前已在国际多个海域发现了水合物系统发生动态调整的异常指示（图1），但是不同区域影响水合物系统发生调整的因素不同，动态调整产生的异常特征也不同。
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1.1 水合物系统动态调整的地震标志
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在地震剖面中BSR是水合物的一个重要识别标志，表现为与海底近似平行、极性与海底相反且可能与地层斜交的反射特征，BSR的深度受温压条件控制，而且与水合物层及下伏游离气层的波阻抗差有关。BSR常用来指示水合物稳定带底界，但是数值模拟研究表明两者也并不完全吻合（Shipley et al.，1979；Xu Wenyue et al.，1999，2004）。同时，大量地震勘探研究表明，在外界地质因素造成温度和压力快速变化或组成水合物的气体组分存在差异时，BSR与水合物稳定带底界不一致，地震剖面上出现多BSR、双BSR、羽状BSR、古BSR及BSR与稳定带不一致等异常反射，指示水合物系统处于动态调整的不平衡阶段。
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图1 全球海域不同方法发现水合物及多类型BSR发育区分布图
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Fig.1 Distribution map of gas hydrate and different types of BSRs using different methods in the world oceans
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1.1.1 多BSR
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多BSR由3个及以上近平行的BSR组成，不同BSR的连续性、振幅、极性等反射特征存在差异（图2），通常由冰期与间冰期循环、快速沉积及复杂构造活动造成，而冰期与间冰期循环导致海底温度与海平面的变化对水合物层的稳定性影响相反，二者对稳定带的影响与水深有关。西非毛里塔尼亚陆缘的地震剖面上出现4个BSR，其形成是由冰期和间冰期循环造成，该区域水深约在600~800 m之间，其稳定性对海底温度及其海平面变化较为敏感，尽管冰期时海底温度降低、海平面降低，而间冰期时海底温度升高、海平面升高，但是又由于沉积作用影响，最终导致BSR发生周期性上移（图2a），大量富含甲烷的流体沿着稳定带底界向海底方向运移（Davies et al.，2017）。在倾斜地层中出现局部强振幅反射或者在稳定带向陆尖灭处出现大量海底麻坑，指示了水合物的分解与水合物稳定带的调整（Davies et al.，2023）。而在黑海多瑙河深水扇区，水深约1200~1500 m，自500 ka以来，该区域发育多期水道-天然堤沉积体系，平均沉积速率可达0.03 cm/a，天然堤沉积区下部发育4个BSR，在水道轴部及下部不发育，最浅的BSR1位于海底以下约320~380 m，近似平行于海底，代表现今水合物稳定带底界，下部发育3个更深的、负极性、振幅较弱且与地层斜交的BSR，为BSR2~BSR4（图2b）。气体组分数据表明该地区为典型生物甲烷气特征，模拟甲烷水合物稳定带底界发现，部分BSR1与模拟的现今水合物稳定带底界吻合，但西部天然堤为快速沉积区，下方的BSR1与预测稳定带底界差别较大，可能是因为天然堤上巨厚沉积物的快速沉积导致地层温压条件尚未达到稳定状态（Zander et al.，2017）。
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新西兰北岛与南岛之间的格兰多脊处于俯冲-隆升的构造环境，脊部两侧分别受侵蚀和快速沉积作用，出现了多个BSR，局部发生了向上或向下调整（Kroeger et al.，2023）。从地震剖面看（图2c），脊部及向陆方向的浅部地层中发育呈强振幅、连续、极性与海底相反特征的区域BSR1，其上部发育极性与海底一致的强振幅反射，为富含水合物层的顶界面。向陆沉积一侧的BSR1下部发育弱振幅、连续性较差、陡倾角且极性与海底相反的BSR2，在脊部方向与BSR1重合。隆升作用使脊部水深变浅，稳定带底界上移，但是沉积作用又导致稳定带底界下移，隆升与沉积作用双重影响造成BSR2在脊部逐渐向上收敛，向上调整到现今BSR1位置。脊部侵蚀地层发育BSR3，位于BSR1之上，是由于俯冲作用产生逆冲脊，尽管水深变浅，但是受侵蚀作用的影响导致BSR向下调整，BSR3为古BSR，处于现今水合物稳定带内（图2c）。在BSR1与BSR2或BSR3都是水合物系统调整区域，出现强弱振幅变化，可能是水合物与游离气共存区。
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图2 国际多个海域发现多BSR地震反射特征
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Fig.2 Multiple BSRs discovered in the international oceans
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（a）—西非毛里塔尼亚陆缘由于冰期与间冰期循环导致BSR上移（据Davies et al.，2017）；（b）—黑海快速沉积导致BSR多次上移（据Zander et al.，2017）；（c）—新西兰格兰多脊部区域的俯冲-侵蚀与沉积作用导致BSR向上或向下调整（据Kroeger et al.，2023）
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(a) —upward shift of BSR due to glacial-interglacial cycles in the Mauritania offshore, West Afric (after Davies et al., 2017) ; (b) —multiple upward shifts of BSR caused by rapid sedimentation in the Black Sea (after Zander et al., 2017) ; (c) —upward or downward shifts of BSR due to erosion and sedimentation caused by subduction in the Glendhu Ridge, New Zealand (after Kroeger et al., 2023)
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1.1.2 双BSR
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双BSR是指在地震剖面上同时出现上下叠置的两个BSR，上方BSR极性与海底极性相反，而下方BSR极性可能与海底的极性相反，也可能极性相同，不同区域由于其成因不同，特征可能存在差异（图3）。上部BSR多为现今水合物稳定带底界，与根据现今海底的温度、压力等条件计算的甲烷水合物稳定带底界相对应，而下方BSR可能是由于不同原因而形成的。
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首先，下方BSR可能与重烃气体有关，指示了Ⅱ型水合物稳定带底界，如南海南部婆罗洲陆缘（Paganoni et al.，2016，2018）和南海北部珠江口盆地（Qian Jin et al.，2018; Wang Xiujuan et al.，2022），均通过钻探在BSR下部发现了Ⅱ型水合物与游离气共存（图3b、d）。由于相同温压条件下，Ⅱ型水合物比I型水合物更稳定，可以在更高温度的地层内赋存，深部热成因气沿断层向上运移，在I型水合物稳定带下部可形成Ⅱ型水合物，在地震剖面出现双BSR。
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其次，下方BSR也可能是由于水合物稳定带底界向上调整导致，新BSR也相对容易形成，形成新BSR的气源可以来自古BSR附近水合物分解产生的气体，只需经过近距离垂向运移就到达新的水合物稳定带内，再次形成水合物和新BSR。导致BSR上移或变浅的因素有多种，如区域的热流体活动、海平面降低、间冰期温度升高、沉积作用及构造隆升等。中国琼东南盆地陆坡峡谷的脊部发现了沉积和热流体活动导致的BSR向上调整（图3c; Zhang Wei et al.，2020，2022），在中国珠江口盆地峡谷脊部W10井附近发现了由于峡谷脊部沉积和局部强流体渗漏导致BSR上移或BSR横向变化，地震剖面中下方不连续的BSR（DBSR）仍较清楚，在浅层能识别新的BSR（图3a），BSR下部出现明显波阻抗变化（Wang Xiujuan et al.，2024）。在卡斯卡迪亚南水合物脊，由于末次冰盛期以来底层水温度升高了1.75~2.25℃，而海平面升高了120 m，由于温度升高比压力增加对水合物稳定域影响更大，BSR向上调整（Bangs et al.，2005），下方BSR呈不连续的弱反射，而上方BSR呈较连续的强反射，大量强振幅反射终止在上方BSR，表明现今BSR下出现游离气层（图3h）。ODP 204航次在BSR附近发现了与热成因有关的重烃气体，如乙烷、丙烷、戊烷等，尤其是在强振幅出现的薄砂层处，且在U1247、U1248和U1250井BSR上部发现了水合物，但是在BSR下部的岩芯、热异常及电阻率测井异常地层均未发现含水合物的异常（Tréhu et al.，2004），表明双BSR之间不一定都仍存在水合物。在日本南海海槽熊野盆地发现BSR位于背斜脊部附近，与脊部倾斜地层相交且近似平行于海底，局部地层反射较强，下部出现略微变弱的连续BSR，海底逆冲断层两侧BSR深度差异较大，上方BSR可能是由于构造隆起导致BSR上移，局部地层同时发生侵蚀，导致逆冲断层两侧BSR厚度差异大（图3e、f）。在新西兰希库朗伊俯冲带的逆冲-褶皱区的地震剖面上发现广泛分布的双BSR（图3i），区域型分布BSR为强振幅反射，受不同影响因素控制，不同逆冲脊部BSR可能出现上移也可能是下移。从局部放大的逆冲脊地震剖面看，受侵蚀侧的上部BSR仍存在，呈强振幅反射，极性与海底一致，为古BSR，BSR之间地层振幅较弱，而未发生侵蚀的地层未发现古BSR（图3g）。
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图3 国际海域不同因素影响的BSR及局部双BSR反射特征
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Fig.3 BSR related to different factors and the characteristics of double BSRs in different world oceans
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（a）—中国南海珠江口盆地峡谷脊部；（b）—中国南海珠江口盆地Ⅱ型水合物；（c）—中国南海琼东南盆地峡谷侧翼（据Zhang Wei et al.，2022）;（d）—南海婆罗洲西北陆缘Ⅱ型水合物（据Paganoni et al.，2016）；（e）—日本南海海槽隆升作用区；（f）—日本南海海槽侵蚀作用区；（g）—新西兰希库朗伊俯冲带逆冲脊部局部区域；（h）—卡斯卡迪亚俯冲带南水合物脊冰期—间冰期转换（据Bangs et al.，2005）;（i）—新西兰希库朗伊俯冲带逆冲脊部; DBSR—不连续BSR
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(a) —canyon ridge of the Pearl River Mouth basin, South China Sea; (b) —structure II gas hydrate occurrence in the Pearl River Mouth basin, South China Sea; (c) —canyon ridge in the Qiongdongnan basin, South China Sea (after Zhang Wei et al., 2022) ; (d) —structure II gas hydrate occurrence in the NW Borneo (after Paganoni et al., 2016) ; (e) —uplift in the Nankai Trough, Japan; (f) —erosion in the Nankai Trough, Japan; (g) —zoom in double BSRs in the thrust ridge of the Hikurangi margin, New Zealand; (h) —double BSRs formed by glacial-interglacial transitions in the southern Hydrate Ridge, the Cascadia subduction zone (after Bangs et al., 2005) ; (i) —regional area in the thrust ridge of the Hikurangi margin, New Zealand; DBSR—the discontinuous BSR
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1.1.3 BSR遗迹
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BSR遗迹是由于侵蚀作用导致稳定带底界向下调整，是原温压环境指示的水合物稳定带底界，现今为水合物层，也是一种古BSR，但水合物系统现今处于平衡状态，与双BSR发育区的古BSR略微不同，双BSR区的古BSR现今可能指示地层内含水合物，也可能不含水合物，且水合物系统仍处于不平衡状态。与俯冲带区域隆升导致侵蚀略微不同，海底峡谷区一直处于侵蚀环境，侵蚀了较厚地层且持续较长时间，如中国南海北部揭阳凹陷发现的BSR遗迹（Jin Jiapeng et al.，2020a）和日本南海海槽BSR遗迹（图4）。该异常指示的水合物层一直处于温压稳定带内，振幅略微变弱、极性与海底一致且与古海底近平行。同时下部游离气向新的稳定带底界运移，在新的稳定带内形成新的含水合物层和现今BSR，而且BSR遗迹与现今BSR之间为含水合物层，而不是共存层。
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1.1.4 矿物相变BSR
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矿物相变面也会出现与海底近似平行、斜切地层的BSR特征（图5）。在多个海域发现了蛋白石A向蛋白石CT或者蛋白石CT向石英的转变，形成了与矿物相变有关的BSR（Kuramoto et al.，1992; Somoza et al.，2014）。大量测井观测表明矿物相变后，其响应特征与含水合物地层不同，地层的密度会明显增加，BSR为与海底极性相同的正极性。另外，与水合物形成的温度相比，矿物相变发生在相对较高的温度条件下，例如深海钻探127和128航次在日本海发现了蛋白石A向蛋白石CT相变，温度为35~50℃之间，南海海槽发现的蛋白石CT向石英相变，温度为50℃左右（Mikada et al.，2002）。在矿物相变区域也会发育与水合物赋存有关的BSR，如挪威Storregge滑坡区，上部BSR与蛋白石A向蛋白石CT矿物相变有关（图5b），下部BSR与水合物有关（Berndt et al.，2004）。
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在南极周围海域，二维地震资料指示了大量与水合物和下伏游离气有关的BSR，同时也发现了与硅质成岩作用有关的BSR（Somoza et al.，2014），而在南极洲沿斯科舍海的亚极地海域同时发现了两种类型BSR（图5a、c）。BSR1位于海底以下双程旅行时150~175 ms，呈连续反射，局部与地层斜交，而BSR2不是一个单一反射，而是由大量强反射组成，位于海底以下双程旅行时400~500 ms，极性为与海底一致的正极性，BSR3位于海底以下双程旅行时 1.5 s，与BSR1和BSR2相比，呈不连续分布，局部为强反射。根据区域地温梯度，BSR1处计算的温度约为2~6℃，该温度难以发生成岩作用，且极性与海底相反，认为与水合物形成有关。而BSR2和BSR3埋深较大，BSR2处计算的温度在27~33℃之间，与蛋白石A向蛋白石CT转化的温度较吻合，反射轴的极性与海底相同，认为BSR2与水合物形成无关，而BSR3处温度更高。因此，可以通过地震振幅的正极性、高地层温度等异常变化识别矿物相变形成的BSR，分析是否与水合物有关。
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图4 峡谷侵蚀和海底滑坡导致BSR下移，稳定带内出现BSR遗迹
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Fig.4 The downward shift of BSR caused by canyon erosion and submarine landslides and the occurrence of relict BSR within the gas hydrate stability zone
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（a）—中国南海北部揭阳凹陷；（b）—日本南海海槽
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(a) —Jieyang sag in the northern South China Sea; (b) —the Nankai Trough in Japan
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图5 不同海域矿物相变和矿物相变形成BSR
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Fig.5 BSR occurrence due to mineral phase transformation in different basins
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（a，c）—南极海域地震剖面显示矿物相变BSR和水合物BSR（据Mikada et al.，2002; Somoza et al.，2014）；（b）—挪威Storregge滑坡区地震剖面显示蛋白石A向蛋白石CT相变界面（据Berndt et al.，2004）；T1、T2、R—标志性的反射层
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(a, c) —the seismic profile of the Antarctic oceans showing the BSRs related to mineral phase transition and gas hydrates (after Mikada et al., 2002; Somoza et al., 2014) ; (b) —the seismic profile of the Storregge landslide in Norway revealing a phase transition interface from opal-A to opal-CT (after Berndt et al., 2004) ; T1, T2, and R—reflection horizons
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1.1.5 无明显BSR变化
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无明显BSR变化是指在含水合物砂质储层中，地震剖面上BSR呈连续反射、振幅强且无明显调整，是由于孔渗性好的砂岩储层中流体较易运移，局部温压环境的变化会影响水合物稳定带的深度，出现水合物与游离气共存。在印度克里希那-噶达瓦里（KG）盆地北西-南东走向的背斜构造上部，发现了砂质储层中高富集的水合物层（R2反射层），BSR呈强振幅、连续反射（Collett et al.，2019）。NGHP-02-20和NGHP-02-24井位于背斜向陆一侧，地震剖面显示BSR变强，近海底发育由快速沉积作用而形成的块体搬运沉积（MTD），并向海方向尖灭（图6a）。NGHP-02-16、NGHP-02-17和NGHP-02-23井岩芯显示R2地层的沉积物由石英和富含黑云母的中等粒度砂岩组成，为水合物储层，取芯和测井计算的水合物饱和度高达80%（Hsiung et al.，2019; Saito et al.，2019）。通过对纵波速度、横波速度和电阻率等测井数据联合分析，发现BSR下部地层为饱和水层，而NGHP-02-24井的测井数据出现地层含游离气的高电阻率、低纵波速度异常响应，且地震剖面出现负振幅增强（图6a），但是横波速度出现高值异常，识别出2 m厚的水合物与游离气共存层，饱和度约40%（Zhou Jilin et al.，2023）。结合稳定带底界模拟分析，认为该位置游离气是由于水合物分解产生的，而不是运移来的游离气，受砂质储层R2展布约束，浅层的快速沉积影响了水合物系统的稳定性，水合物分解后，产生的游离气仅在几米至十几米厚的砂质地层R2内短距离运移，未造成BSR调整。该区域水平砂层内水合物系统成藏表现为从“水合物-水”界面向“水合物-游离气”界面的转变，即正极性强振幅向负极性强振幅的转变，而不是双BSR及多BSR。
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图6 砂层无明显BSR典型剖面
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Fig.6 The seismic profiles showing BSR in a sand-rich reservoir
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（a）—印度克里希那-噶达瓦里盆地过不同井的典型地震剖面，沉积作用造成BSR附近水合物分解及游离气赋存;（b）—中国南海琼东南盆地同一砂层内出现水合物与游离气横向变化
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(a) —the dissolution of gas hydrates and the occurrence of free gas below the BSR due to sedimentation in the Krishna-Godavari basin, India; (b) —the lateral change from gas hydrate layer to free gas layer in the same sand reservoir in the Qiongdongnan basin, South China Sea
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在中国南海琼东南盆地砂质水合物发育区，也发现了水合物和游离气同层分布、横向过渡的特殊接触关系（图6b；Kuang Zenggui et al.，2023），在W07井浅部地层发现了裂隙充填型水合物，而在周围的多个井位、下部近水平砂层内发育孔隙充填型砂质水合物，为多种类型水合物的复合型分布，在局部位置出现了水合物与游离气层的垂向叠置，横向上出现含水合物层的强正振幅与含游离气层负振幅相位反转的异常，BSR深度未发生明显变化。
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1.2 BSR调整地层的测井响应
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地震、测井与岩芯数据联合分析发现了多BSR地层之间存在水合物与游离气共存现象，测井响应特征差异指示存在两种类型，一种是水合物与游离气在同一地层内共存，另一种是水合物与游离气层呈互层的共存分布。从不同海域钻探看，在区域BSR下部也存在温度、测井等异常，表明在其下部几十米深度地层仍赋存水合物。例如在印度KG盆地、中国南海琼东南盆地、新西兰希库朗伊俯冲带及日本南海海槽等地区，测井异常指示水合物与游离气赋存于BSR调整区。
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1.2.1 同层共存的测井响应
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多个海域钻探获得了水合物与游离气同层共存的测井数据，如南海北部珠江口盆地W17井和SC-4J1井（图7），发现了热成因气形成的水合物与游离气共存于I型与Ⅱ型BSR之间（Qian Jin et al.，2018; Kang Dongju et al.，2020; Ye Jianliang et al.，2020; Zhang Wei et al.，2020）。两井相距150 m，都存在5套明显的电阻率异常高值（A—E），其中浅部 3层纵波速度、横波速度均增加，下部2层纵、横波速度出现复杂变化，高值异常厚度从5~20 m不等，中间存在2~5 m厚相对低电阻率层，与计算的饱和水层的速度和电阻率基本一致，认为中间的薄层可能为低饱和度或不含水合物地层（图7b、c）。在W17井A层上部，出现2个薄层的电阻率、横波与纵波速度高值，而SC-4J1井不明显，从地震剖面看，在W17井相对连续水合物层上部，局部出现一个波峰反射，反演的纵波速度出现高值（图7a），表明该层的水合物分布较为局限。在水合物稳定带上部高电阻率异常层（~245 m），发现了纵波速度出现异常低值，而横波速度仍为高值异常（图7b），表明地层仍为水合物层，纵波速度的低值异常可能是因为地层局部含气。
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SC-4J1井E层与上部含水合物层对比显示电阻率均为3~4 Ω·m，而横波速度略微高于饱和水横波速度，纵波速度为1.6~1.7 km/s，略微低于计算的饱和水纵波速度，指示地层含游离气。与SC-4J1井略微不同，W17井在265~268 m处E层，电阻率、横波与纵波速度都出现高值，压力取芯及氯离子异常也指示该层水合物异常，计算的水合物饱和度约为20%~40%（Qian Jin et al.，2018）。在SC-4J1井BSR下部D和E层，未发现高纵波速度异常层，横波速度略微增加，而W17井C、D、E层纵波速度均略微出现异常，但是内部仍存在局部高纵波速度异常层，表明W17井水合物与游离气共存层与SC-4J1井略微不同，指示了水合物与游离气层在横向存在变化。
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图7 中国南海珠江口盆地过W17井和SC-4J1井地震剖面（a）及其伽马、电阻率、纵横波速度测井数据对比（b、c）
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Fig.7 The seismic profile (a) and the inverted P-wave velocity profile (b, c) through sites W17 and SC-4J1, including the well log data of gamma ray, resistivity, S-wave and P-wave velocities in the Pearl River Mouth basin, South China Sea
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1.2.2 互层共存的测井响应
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受俯冲构造及沉积侵蚀作用影响，新西兰希库朗伊俯冲带多个盆地的倾斜地层中发育多BSR现象，指示水合物系统发生向上或向下调整（图2c和图3i）。受钻探资料限制，在泥砂互层区多个BSR之间，地层物性及水合物赋存特征并不清楚。IODP372航次在该海域钻探了U1519井，该井位于陆坡图埃尼盆地埋藏的逆冲脊上，受俯冲影响地层呈倾斜产状，由于多期次海底滑塌沉积，浅部地层发育了250 m厚块体搬运沉积，由于快速沉积导致水合物稳定带的向上调整，局部区域发育了双BSR。利用区域地温梯度和海底温度，计算甲烷稳定带底界为393 m，而地震剖面上识别区域BSR（即BSR1）深度为567 m，且BSR2发育于BSR1下部~100 ms，呈不连续、弱振幅反射，其形态与埋藏的逆冲脊上部地层的不整合面近似平行，BSR1和BSR2近平行且均出现向海一侧变深，与现今海底地形走势并不一致，表明它在当前温压条件下并不平衡，两者之间存在多个强振幅、倾斜地层，指示地层中富流体特性。
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从随钻测井资料看，在563~567 m出现高电阻率、低中子孔隙度、低伽马和略微降低的纵波速度，指示为含气砂层，在区域BSR附近的局部薄层，如573~574 m和586~588 m出现高电阻率、高纵横波速度，指示地层含有水合物。而BSR下部600~605 m、609~611 m出现低纵波速度、高电阻率特征，表明该层可能含有游离气，而在606~607 m、612~614 m多个地层，出现高电阻率、高纵波速度，指示地层含有水合物（图8a）。从测井与速度分析联合约束反演的波阻抗剖面看，在BSR1和BRS2强振幅反射层出现波阻抗高低变化特征，浅层反演的波阻抗与测井获得的波阻抗吻合较好，表明该区域存在水合物与游离气互层（图8b、c）。该井与中国神狐试采区W17井和SC-4J1井的测井异常略微不同，U1519井的水合物与游离气呈明显的互层分布，异常层对应相对低伽马地层。从井震对比看，多个异常层位于倾斜泥砂互层区域，岩芯分析表明气源主要为生物成因气，且在深部地层发现了低氯离子浓度异常（Barnes et al.，2019），表明该区域双BSR不是由Ⅱ型水合物造成，而是由于快速沉积作用导致BSR向上调整，但时间短，水合物未发生完全分解，而导致水合物与游离气共存。
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2 影响BSR调整因素分析
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BSR是识别含水合物和/或游离气的一种重要标志，研究发现BSR与水合物并不存在严格对应关系，如布莱克海台ODP 164航次钻探的997井发现在没有BSR的区域也发育水合物（Paull et al.，1995）。BSR是一个相变面，在水合物发育的区域，主要有3种BSR调整或异常类型：① 矿物相变导致BSR形成；② 水合物系统不平衡；③ Ⅱ型水合物形成。其中水合物系统不平衡造成的BSR向上或向下调整最为普遍，影响因素最多。主动与被动大陆边缘区域都存在BSR调整，而主动大陆边缘的俯冲带前缘区域BSR调整类型更多样，包括多BSR、双BSR、古BSR等，如日本南海海槽（Kinoshita et al.，2011）、新西兰希库朗伊俯冲带（Kroeger et al.，2023）及马尼拉俯冲带等（Kunath et al.，2021）。在被动大陆边缘盆地也发现了多种类型BSR调整，但是与俯冲带相比，同一盆地BSR调整类型可能相对比较单一。在主动大陆边缘由于俯冲带构造影响会出现局部地层隆升、挤压等，产生大量逆冲-褶皱构造影响至海底，导致水合物稳定带内发生复杂的沉积与侵蚀作用。尽管被动大陆边缘盆地内，也出现局部构造隆升，但是很少有隆升作用影响到近海底，主要是隆升构造伴随的断层活动，导致流体运移和热异常变化，从而造成BSR调整。因此，控制BSR调整因素主要包括：① 冰期—间冰期旋回导致的海平面、海底温度变化造成BSR调整；② 区域的快速沉积、晚期的构造隆升等导致BSR上移；③ 热流体对流导致BSR上移；④ 海底侵蚀、地层超压导致BSR下移；⑤ 复杂侵蚀沉积与构造隆升共同作用导致BSR向上与向下调整（图9）。
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2.1 BSR上移影响因素
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稳定带底界是水合物稳定赋存的深度，受温度、压力、盐度和气体组分等因素影响，当水合物处于稳定状态时，代表了水合物赋存的下限深度，从地震剖面识别的BSR与计算的稳定带底界通常为同一深度，但当外界环境影响海底沉积物的温度压力条件时，水合物系统会发生向上或向下调整，而BSR向上调整是满足水合物稳定赋存的温压环境上移的一种表征。导致BSR上移因素有3种：① 冰期与间冰期变化；② 快速沉积作用；③ 局部热流体活动。
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首先，冰期与间冰期旋回导致底层水温度升高或海平面下降，会使水合物稳定带底界上移，原先稳定带内的水合物将发生分解，产生的游离气向上近距离运移并重新稳定，形成新的BSR。如西非毛里塔尼亚陆缘三维地震剖面显示现今BSR为强振幅且斜切地层特征，在其下部地层识别出4条与其产状相似的BSR，最深BSR与现今BSR相差400 m，千年尺度的气候旋回是BSR不断向浅部调整的原因（图2a和图9; Davies et al.，2017）。对南水合物脊的相关研究发现，冰期到间冰期气候转换过程中西太平洋海水温度升高了2℃，导致BSR上移且逐渐变浅（图3h; Bangs et al.，2005）；其次，由于水道-天然堤或块体搬运沉积体系等近海底地层发生快速堆积，深部热量向浅层新地层传递，随着地温梯度的恢复，逐渐达到平衡状态，会在浅部地层形成新的BSR，如果出现多期次快速沉积事件，可能会出现多次调整，从而识别出双BSR或多BSR，在黑海、新西兰希库朗伊俯冲带、日本南海海槽、马尼拉俯冲带等多个海域均发现了该成因的BSR向上调整（图2~4、8、9）。在新西兰希库朗伊俯冲带U1519井，观测到双BSR之间水合物与游离气共存的测井异常（图8）。最后，在局部基底隆升区域，深部流体沿断层向浅部运移，局部浅层沉积物地温梯度会升高，导致水合物稳定带底界向上调整，出现异常浅的BSR，呈上拱羽状特征，如珠江口盆地W18井和W19井，地温梯度较周围区域明显增高，超过60℃/km（Jin Jiapeng et al.，2020b; Zhang Wei et al.，2020）。另外在热流体横向差异对流作用下，同一深度水平砂层内出现“游离气-水合物”横向上的相变，地震剖面上显示水平极性反转，如琼东南盆地GMGS5-W7井附近（Kuang Zenggui et al.，2023）。在受深部热流体影响区域，会出现BSR上移，但是并不一定出现双BSR或多BSR，可能是由于热流体对原水合物层温度影响作用相对较持续和直接，与快速沉积作用或者海底温度影响相比，这种异常的温度需要传递到BSR位置，再使原稳定的水合物发生分解，尽管产生的游离气只需要通过近距离的运移，在新的稳定带附近形成水合物，但是温度在地层内传递需要时间，将出现古BSR与新BSR共存现象。
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图8 新西兰希库朗伊俯冲带过U1519井随钻测井（a）、反演的波阻抗（b）及其地震剖面（c），识别BSR1、BSR2及多个水合物（黄色阴影）与游离气层（绿色阴影）
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Fig.8 The well log data (a) , the inverted acoustic impedance (b) and the seismic profile (c) through the site U1519 in the Hikurangi subduction zone of New Zealand. BSR1, BSR2, multiple gas hydrate (yellow zones) and free gas-bearing (green zones) layers are identified
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2.2 BSR下移影响因素
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温度降低或者压力升高使水合物稳定带底界变深，深部热成因出现也会形成稳定带底界更深的Ⅱ型水合物，因此，导致BSR下移因素主要有3种：① 地层侵蚀作用；② 构造沉降作用；③ Ⅱ型水合物形成。首先，海底滑坡、海底峡谷是较为常见地貌，滑坡会导致陆坡部分地层发生侵蚀，在滑坡趾部发生沉积，而海底峡谷的发育会形成沟-脊地形，峡谷的侧翼和轴部的侵蚀作用区使原有地层减薄，新的平衡将使稳定带变深，BSR向下调整。其次，构造沉降会导致水深变大，水深增加伴随压力增大，会导致水合物稳定域深度增加，BSR向下调整，但相比温度影响，压力对稳定带影响相对较小。在BSR向下调整过程中下部含气层位于新的稳定带内，游离气就会形成水合物，若原BSR附近的水合物没有被侵蚀掉，则会变成正极性反射，为含水合物的古BSR，如中国珠江口盆地东部的揭阳凹陷（图4a; Jin Jiapeng et al.，2020a）和日本南海海槽（图4b; Bangs et al.，2010）。最后，部分热解气富集盆地中，深部热成因重烃气体向上运移，在浅部地层会形成Ⅱ型水合物，相同温压条件下Ⅱ型水合物稳定带底界比甲烷水合物更深，地震剖面上出现II-BSR，如在南海南部婆罗洲（Paganoni et al.，2018）和珠江口盆地（Qian Jin et al.，2018）。
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稳定带底界变深伴随着BSR向下调整，需要更深部的烃类气体向上运移到稳定带内，或原BSR下部圈闭游离气在新的稳定带内形成水合物，既需要下部流体沿断层、气烟囱、砂体等有利通道经长距离运移至浅层，又需要下部地层有充足的气源，因此，流体向上运移需要较长的时间，就导致稳定带底界下移时，形成新的BSR比稳定带底界上移时形成新的BSR要困难，主要是因为下移时流体是长距离运移，而上移时是分解下部水合物层，甲烷经近距离运移。目前观测到BSR下移区域主要位于构造活跃的逆冲-褶皱、断层或倾斜地层区，下部流体活跃且具备有利流体垂向疏导条件，如日本南海海槽、马尼拉俯冲带和新西兰希库朗伊俯冲带等逆冲褶皱区（图3、4、9）。
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图9 不同类型BSR及其指示的水合物系统动态调整和主控因素模式图
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Fig.9 Schematic model of dynamic adjustment and main controlling factors of gas hydrate systems indicated by different types of BSRs
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DBSR—不连续BSR；Ⅱ-BSR—与Ⅱ型水合物赋存相关的BSR
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DBSR—the discontinuous BSR; Ⅱ-BSR—BSR related to occurrence of structure Ⅱ gas hydrate
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2.3 BSR复杂变化
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BSR上移或者下移指示受某种地质因素为主影响的水合物系统调整，但由于海底沉积和构造环境复杂，尤其是构造活跃的俯冲带区域，可能会存在多种因素同时作用导致“竞争”或“加倍”的效果。如在新西兰希库朗伊俯冲带，由于板块俯冲导致该区域形成大量逆冲-褶皱构造，区域流体活跃，同时俯冲陆缘存在较强地震活动，触发多期次海底滑坡。复杂海底侵蚀与沉积作用及其局部隆升构造活动，导致BSR向上与向下调整同时出现，在同一位置出现强弱不同多个BSR（图2c和图3i），不同于黑海快速沉积作用形成的多个BSR（图2b和图9）。另外，流体超压现象在活动大陆边缘较为常见，板块俯冲作用产生的微地震可能诱导流体向上运移，增加逆冲脊地层的孔隙压力，水合物稳定带底界比静水压力变深，由BSR1调整到深部的BSR2。在微地震事件后期，随着流体的扩散和孔隙压力下降到静水压力状态，水合物稳定带底界重新调整到BSR1（图9）。该机制相关证据较少，但仍是一种导致水合物动态成藏并出现双BSR的潜在因素（Han Shuoshuo et al.，2021）。无论哪种因素引起BSR的调整，本质上是BSR界面上下地层内孔隙流体特性变化，导致储层岩石物理性质变化，从而导致界面波阻抗差形成地震反射变化。
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3 结论与认识
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水合物含碳丰富，是海底重要的碳汇形式，但是水合物埋藏浅，易受温度-压力及区域构造-沉积作用的影响，从地质尺度看水合物成藏系统会出现动态调整。本文总结国际多个海域发现的多种不同成因BSR调整现象，包括多BSR、双BSR、古BSR、羽状BSR等多种类型，分析多类型BSR形成的地质主控因素及地震和测井异常，发现多种地质因素可控制水合物系统动态调整，表现为BSR呈多种类型，同时调整过程中水合物与游离气可能在同一地层内赋存或在不同地层之间互层分布特征，表明水合物与游离气复杂分布及相互制约的共生体系。主要有两点认识：
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（1）BSR调整是多因素共同影响，调整地层出现水合物与游离气共存，指示水合物系统的动态成藏。受快速沉积、构造活动、热流体对流、冰期与间冰期底层水温度升高等影响，反射地震识别BSR发生上移，原水合物稳定带内的水合物发生分解，产生的游离气沿倾斜砂层、断层会发生近距离运移，在新的稳定带底界易形成新的BSR。在海底峡谷、海底滑坡等侵蚀作用或地层超压发育区，会导致水合物稳定带底界变深，出现BSR下移。在高通量的流体供给区域，深部流体沿有利通道，经长距离运移至新的稳定带内形成水合物，长距离的流体运移需要较长地质时间，因此，水合物稳定带底界变深时，受深部流体运移的影响，在下部形成新的BSR，要比BSR上移困难。因此，无论BSR上移还是下移，水合物系统未达到平衡，调整地层内出现水合物与游离气共存。
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（2）双BSR与水合物系统动态调整并不对应，水合物系统的动态调整分布在BSR异常与区域构造-沉积环境耦合区。在地震剖面上识别的双BSR，可能为重烃气体形成的Ⅱ型水合物的底界，也可能是细粒沉积物发育区矿物相变而形成。发生水合物系统动态成藏也不一定出现双BSR，受局部热流体影响，还可能表现为水平方向上“水合物-水”向“水合物-游离气”界面转变。当前水合物钻探过程发现BSR调整，可能是水合物复杂成藏过程的多种瞬时状态，借助全球勘探与钻探对比分析，能够了解不同地质环境下水合物与游离气系统的调整与相互影响过程，也需要针对多BSR区域开展钻探，更好地了解水合物动态调整过程。
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摘要
似海底反射(bottom simulating reflectors, BSRs)是指示天然气水合物赋存深度的重要标识，已在全球多个海域研究中发现了千年时间尺度上天然气水合物系统的动态调整，地震剖面上的典型表征是存在多种类型BSR及埋深变化。本文对比分析全球典型海域BSR的地震反射特征及测井响应差异，提出BSR调整及发育的主控因素为：① 冰期—间冰期旋回、快速沉积、逆冲-褶皱与基底隆升，导致稳定带底界或BSR发生调整；② 构造活动释放的热流体导致BSR上移；③ 海底侵蚀作用、地层超压，导致BSR下移等；④ 重烃气体形成Ⅱ型水合物，甲烷水合物稳定带底界下部出现水合物与游离气共存层；⑤ 合适温度条件下细粒沉积物发生矿物相变，形成与水合物无关的双BSR；⑥ 局部热异常会导致同一水平地层从含天然气水合物向游离气变化，横向上出现极性反转，无BSR调整。不同因素导致的稳定带底界调整，会伴随着水合物的形成—分解—再形成的动态变化，导致地层内水合物-游离气-水的三相共存，同时伴随着多层游离气的复杂分布，在地震剖面上呈现出多种类型BSR，指示天然气水合物系统复杂性及其与游离气间的相互影响。
Abstract
Bottom simulating reflectors (BSRs) are crucial indicators of gas hydrate occurrences. Seismic profiles from oceans worldwide reveal diverse BSR types and depths, demonstrating the dynamic adjustment of gas hydrate systems on millennial timescales. This study compares and analyzes the seismic reflection characteristics and logging responses of different BSR types. Several key factors contribute to BSR shifts: ① Fluctuations in sea level and seafloor temperature during glacial-interglacial cycles, coupled with rapid shallow sediment deposition, thrust folding, and basement uplift, can cause upward or downward BSR adjustments; ② Thermal fluid release from late tectonic activity can drive BSRs upward shift; ③ Submarine erosion and formation overpressure can lead to BSR downward shift; ④ Due to active heavy gas leakage from deep strata, structure II hydrate readily forms. This results in the coexistence of hydrate and free gas at the base of the gas hydrate stability zone (BGHSZ) for methane; ⑤ Double BSRs formed by mineral phase transitions are unrelated to gas hydrate in fine-grained sediments; ⑥ Local thermal anomalies can cause the transition from gas hydrate to free gas layer within the same horizontal layer, showing a horizontal polarity reversal without BSR adjustment. Therefore, the dynamic adjustment of the BGHSZ reflects the continuous interplay of gas hydrate formation, decomposition, and reformation, which shows the three-phase coexistence of hydrate-free gas-water and the multiple shallow gas distributions. This results in various types of BSRs observed on seismic profiles, indicating the complexity of gas hydrate systems and their interplay with free gas.
Keywords
gas hydrate ； free gas ； BSR ； three-phase conexistence ； dynamic adjustment
