Seismic Investigations of a Bottom Simulating Reflector : Implications on Gas Hydrate and free Gas at Southern Hydrate Ridge

One of the key questions related to the prediction of the hydrate distribution and quantity is the nature of the interface at the base of the gas hydrate stability zone (GHSZ), where it is generally considered that free gas is present below. The presence of gas below the gas hydrate stability zone is a major contributor to the formation of a bottom simulating reflector (BSR) present in seismic profile records. Improved geophysical methods were used in September 2000 during cruise Sonne SO150 to seismically investigate the nature of the BSR across Hydrate Ridge, which is part of the Cascadia accretionary complex, offshore the Oregon continental margin. The experiments were carried out by using a variety of source and receiver acquisition systems. Within the scope of Ocean Drilling Program (ODP) Leg 204, Southern Hydrate Ridge was drilled in the year 2002 providing additional information to verify the results derived from the seismic data and supporting ongoing analyses with relevant acoustic log data. The analyses, presented in this study, focus on deriving P-wave velocities from the seismic data to quantify the gas hydrate content within the GHSZ. By combining ocean bottom hydrophone (OBH) data with surface (SCS) and deep tow streamer data, an accurate velocity-depth distribution is determined, which is constrained by the acoustic logs of Ocean Drilling Program (ODP) Leg 204 and the depth of the BSR is predicted within a 5 m uncertainty. In general, the P-wave velocities are below 1600 m/s, averaged over the entire GHSZ, which leads to an estimate of about 1% of hydrate of pore space. This is in general below the average value of 2% resulting from ODP analyses, but is within an uncertainty of 1%, when considering thin hydrated layers affecting the mean velocity distribution. The analyses of the frequency dependent amplitude variations of the BSR signal, result in the presence of a thin gas bearing layer below the BSR with an average thickness of 8 ± 4 m. The existence of a thick gas zone of several 100 m beneath the GHSZ, as observed in other hydrate provinces, is ruled out by P-wave velocity considerations. The presence of a thin gas layer leads to the assumption that amplitude variation along the BSR, in addition to a change in the gas concentration, is caused by tuning effects. Amplitude and velocity anomalies are not necessarily the result of a change in gas hydrate saturation. Further, it is assumed that this thin gas layer is an indication for gas hydrate in the GHSZ being recyled due to tectonic uplift and a major contributor for the free gas below. Zusammenfassung Eine der am häufigsten gestellten Fragen im Bezug auf die Vorhersage der Gas Hydrat Verteilung und Quantifizierung ist die nach der Beschaffenheit der Unterkante der Gas Hydrat Stabilitätszone (GHSZ). An deren Unterseite wird im allgemeinen freies Gas vermutet. Die Anwesenheit von freiem Gas unterhalb der Stabilitätszone ist ein wesentlicher Beitrag für die Abbildung eines Boden Simulierenden Reflektors (BSR) in seismischen Aufzeichnungen. Unterschiedliche geophysikalische Methoden wurden im September 2000 während der Meßfahrt Sonne SO-150 angewandt, um die Beschaffenheit des BSR am Hydrat Rücken im Cascadia Subduktionskomplex des Oregon Kontinentalrandes zu untersuchen. Die Experimente wurden mit unterschiedlichen Quellund Empfängerkonfigurationen durchgeführt. Im Rahmen des Ocean Drilling Program (ODP) Leg 204 wurden im Jahr 2002 Bohrungen am südlichen Hydrat Rücken durchgeführt. Diese liefern zusätzliche Informationen, um die Ergebnisse der seismischen Untersuchungen zu verifizieren und um weitergehende Analysen mit Hilfe von relevanten Logdaten zu unterstützen. Die Analysen in dieser Arbeit beschäftigen sich mit der Ableitung eines P-Wellen Geschwindigkeitsfeldes aus den seismischen Daten, um die Gas Hydrat-Menge innerhalb der GHSZ zu quantifizieren. Die Kombination von Ozean Boden Hydrophon (OBH) Daten mit Oberflächen Streamer (SCS) und tiefgeschleppten Streamer Daten ermöglicht es, eine genaue Geschwindigkeits-Tiefen-Verteilung zu errechnen, welche durch die gemessenen Akustiklogs des ODP Leg 204 verifiziert werden. Hierbei liegt die Vorhersage der BSR-Tiefe mit einer Ungenauigkeit von 5 m bei den gemessenen Tiefen des ODP Projektes. Im allgemeinen liegen die aus den seismischen Daten abgeleiteten Geschwindigkeiten in der GHSZ unterhalb von 1600 m/s. Diese niedrigen Geschwindigkeiten weisen auf einen geringen Hydratanteil von ungefähr 1% im Porenraum hin, welcher unterhalb des Ergebnisses der ODP Daten von 2% liegt. Berücksichtigt man den Effekt von dünnen hydratisierten Schichten auf die mittlere Geschwindigkeit innerhalb der gesamten GHSZ, liegt dieser Wert jedoch in der Ungenauigkeit von 1%. Die Analysen der frequenzabhängigen Amplitudenvariationen am BSR resultieren in einer dünnen gashaltigen Schicht unterhalb des BSR, deren Dicke 8 m ±4 m entspricht. Eine gashaltige Schicht mit größerer Mächtigkeit unterhalb der GHSZ läßt sich anhand von Geschwindigkeitsanalysen ausschließen. Das Vorhandensein einer dünnen Gasschicht läßt die Vermutung zu, daß die Amplitudenvariationen am BSR, im Zusammenhang mit möglichen Änderungen der Gaskonzentration, auch durch Tuningeffekte verursacht werden. Amplitudenund Geschwindigkeitsanomalien sind nicht unweigerlich das Ergebnis von sich ändernden Hydratkonzentrationen innerhalb der GHSZ. Weiterhin deutet das Vorhandensein einer dünnen freien Gasschicht darauf hin, daß sich das Hydrat, hervorgerufen durch tektonische Hebungen, an der Unterkante der GHSZ auflöst und somit ein primärer Lieferant für das frei Gas darstellt.