中国正处于经济高速发展时期，面临着严峻的能源短缺、能源安全和环境保护问题，为了社会可持续发展和国民经济需要，寻找煤炭、石油等传统能源的替代资源已成为国家亟待解决的科学课题.天然气水合物(Natural Gas Hydrate, NGH，因其外观似冰且遇火即燃，亦称“可燃冰”)，是指分布于陆域永久冻土或深海沉积物中(Sloan, 1998; Collett, 2005)，由天然气与水在低温、高压环境形成的类冰状结晶化合物质，其能量效率值高于传统能源，且燃烧污染少.天然气水合物在全球分布区域广，储量丰富，据估算其全球仅海域储量足够全人类使用接近千年(Buffett and Archer, 2004；Milkov，2004).陆域冻土区天然气水合物储量虽不及海洋地区，但由于陆域赋存地质条件较好，埋藏受冻土层圈闭控制，开采难度和开采风险都较小，是目前全球公认的最具期望替代传统能源的未来新型潜在能源.

中国是全球第三大冻土分布国，青藏高原和大兴安岭地区广泛分布着大面积冻土区(祝有海等，2010)，具有良好的天然气水合物生成、储存条件(陈多福等，2005；金春爽等，2011).音频大地电磁法(Audio-frequency Magnetotelluric, AMT)以天然交变电磁场为场源(李金铭，2005)，工作效率高，能有效探测陆域天然气水合物储藏范围，且不受冻土层高阻屏蔽，可用于陆域天然气水合物探测工作(Craven et al., 2009;汤井田等，2015).目前天然气水合物的电性特征研究主要基于各向同性理论(Spangenberg, 2001; Du Frane et al., 2015; Xiao et al., 2015)，并没有考虑各向异性.但目前大量研究表明(沈金松等，2009；殷长春等，2014；Yin et al., 2014；刘洋和吴小平，2016)，地球介质在多种尺度范围内均普遍存在着电性各向异性现象，同时陆域天然气水合物通常发育于冻土层下方破碎带和岩层裂隙处(Cook and Goldberg, 2008)，由于水合物的高阻特性，其储层也会表现明显的电性各向异性特征(Wannamaker, 2005; Cook et al., 2010;王吉亮等，2013)，因此有必要对天然气水合物的各向异性特征进行探讨以模拟研究真实地质情况.本文将使用考虑对角各向异性情况的AMT二维正演模拟方法，来模拟陆域冻土区各向异性天然气水合物储层的正演响应特征，探讨天然气水合物储层的各向异性特征和识别方法，为天然气水合物的探测研究提供新方向和思路.

天然气水合物是由天然气(主要为甲烷CH₄等烃类气体)和水在高压(1~9 MPa)、低温(-10~20 ℃)条件下形成的似冰状笼形结晶化合物.天然气水合物作为冰态物，其离子活动性弱，可以视为电性绝缘体，因此其电阻率值比赋存位置岩石电阻率大得多.陆域天然气水合物通常发育于冻土层下方破碎带和沉积岩层裂隙处，天然气水合物和岩层的本征电阻率差异，使得赋存位置会表现出明显的各向异性特征.图 1中立方体模型代表天然气水合物赋存岩体，天然气水合物(图 1白色区域)和岩层(图 1灰色区域)成水平层状交替排列分布，其中R_s(stratum)表示天然气水合物的赋存岩层电阻率值，R_ngh表示天然气水合物的电阻率值，由于R_s比R_ngh小得多，天然气水合物岩体电阻率会随着观测方位的改变呈现各向异性特征.其电阻率可由平行岩层的水平电阻率R_‖和垂直岩层的垂向电阻率R_⊥综合表示.当观测位置处于绿色箭头处时，测量电阻率值为水平电阻率R_‖；当观测位置处于红色箭头处时，测量电阻率值为垂向电阻率R_⊥.具体表达式可由基尔霍夫定律表述如下：

(1)

(2)

图 1

Fig. 1

图 1 天然气水合物各向异性模型 Fig. 1 Simplified model of anisotropic NGH reservoirs

其中V_ngh表示天然气水合物占岩体的相对体积.阿尔奇公式是由Archie(1942)提出的地层电阻率和孔隙度、含水饱和度之间联系的经验性公式，可应用于天然气水合物资源的探测评估.将阿尔奇公式针对天然气水合物陆域形成模式做出一定简化，储层中NGH的饱和度S_ngh可以表示为：

(3)

其中n为饱和度经验指数.通过AMT实测数据并结合测井资料可圈定天然气水合物储层范围和相应的电阻率值，利用简化的阿尔奇公式(3)可计算天然气水合物饱和度，继而估算出天然气水合物的具体储量.在一定简化条件下, 冻土区天然气水合物储层可视为饱和多孔介质地电模型(Cai et al., 2017)，当不考虑赋存岩体孔隙度时，V_ngh等同于天然气水合物饱和度S_ngh.本文各向异性参数λ_ani则定义为垂向电阻率与水平电阻率比值的平方根：

(4)

音频大地电磁法(AMT)是大地电磁法的分支之一，通过采集天然交变电磁场在大地产生的感应电场水平两分量和磁场正交三分量来探测地下电性结构特征.AMT工作频率较高，一般从1 Hz至10400 Hz，有时甚至可以达到10⁵ Hz，因此AMT探测范围主要集中于浅部地层范围，探测深度从几米直至5 km左右，相对于CSAMT方法来说，AMT工作效率高，对地层的划分和断裂构造的识别效果较好且无近场效应、过渡带效应的影响.

由于水合物在常温常压状态下并不稳定，很难通过测定标本的方法来了解其具体物性特征；但NGH赋存位置与其围岩具有明显电性差异，因此AMT方法非常适合应用于陆域NGH的探测工作.Craven等(2009)对该方法在冻土区水合物探测中的应用展开了研究，结果表明AMT在天然气水合物探测以及资源储量估算等方面有良好作用.

AMT实测数据资料处理、反演解释工作的基础是对天然气水合物储层的AMT正演响应特征进行系统研究，了解天然气水合物电性物性参数、储存范围和空间位置等信息对AMT数据的影响.同时在陆域天然气水合物资源勘查中，冻土层是水合物形成的一个重要条件，冻土层的高阻特性对AMT响应特征的影响也是必须考虑的因素.由于天然气水合物储层具有明显各向异性特征，本文将采用正演算法对天然气水合物各向异性储层的AMT响应特点进行详细阐述和讨论.

假设天然电磁场入射地面为一平面电磁波, 同时地球地下介质为欧姆导体，由欧姆定律可知J=σE, 且位移电流可忽略不计，则AMT麦克斯韦方程组可表示为：

(5)

其中，J为电流密度(A·m^-2), σ为电导率(S·m^-1), E为电场强度(V·m^-1), ω为角频率, μ₀为真空的磁导率且μ₀=4π×10^－7H·m^-1.

在二维各向异性地电结构中, 假设构造走向沿坐标轴x方向, 则电导率只沿坐标轴y和z方向变化.这表明电磁场在x方向上变化率为0, 即.本文只考虑对角各向异性情况，电导率张量简化为主对角矩阵:

(6)

AMT各向异性正演问题可解耦为两种模式:xy模式，只存在一个水平电场分量即由垂直的磁场分量H_y感应出的E_x, 该模式存在垂直磁场分量H_z; yx模式, 只存在一个水平磁场分量H_x并感应出一个水平电场分量E_y和垂直电场分量E_z.两种模式可以具体表示为:

(7)

(8)

根据控制方程(7)和(8)，可使用有限元法对模型区域进行网格剖分(Key and Weiss, 2006;黄一凡等，2016)，在每个单元对电磁场进行线性插值计算后，扩展至各单元的系数矩阵，最后再对所有单元进行求和计算，可求得测点位置处电场和磁场分量，便可得到xy模式和yx模式阻抗值： , 继而求得不同模式对应的视电阻率和相位值.

不考虑地形起伏情况，天然气水合物赋存状态呈水平层状横向连续分布时，其储层模型可简化为一维层状模型，如图 2所示，假设上覆永久冻土层厚度为50 m，电阻率值为500 Ωm；均匀半空间围岩电阻率值为100 Ωm; 天然气水合物赋存岩层深度300 m，厚度100 m，为各向异性层，假设天然气水合物电阻率值R_ngh=350 Ωm，含水浸润伴生岩层电阻率值R_s=20 Ωm，假设储层中天然气水合物相对体积为V_ngh=50%, 在此理论模型条件下，相对体积等同于天然气水合物饱和度.计算可知水平分量电阻率37.8 Ωm，垂向分量电阻率185 Ωm，各向异性参数λ_ani为2.21.

图 2

Fig. 2

图 2 一维各向异性层状模型 Fig. 2 1D anisotropic layered model

AMT测点布置于地表，数量为20个，点距为150 m，从-1500~1500 m等间隔分布；频点数为25个，在频率范围1~10⁴ Hz对数等间隔分布.正演模拟得到该层状模型的视电阻率和相位拟断面图，如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 层状模型视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位. Fig. 3 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 1D layer model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode.

从图 3中可知：响应拟断面图反映了模型的基本电性特征，高频部分对应的上覆冻土层高阻特征明显，低频部分反映的视电阻率值比较接近半空间围岩电阻率值，中频部分为视电阻率过渡带，yx模式相对于xy模式较为平缓.视电阻率和相位等值线呈水平延伸，符合层状模型的设定.在各向同性情况下，xy模式与yx模式模型正演响应是完全一致的，但是图 3两种模式的视电阻率和相位拟断面图有很大差别，反映出明显的各向异性特征.

为了对比说明各向异性层的影响，将模型上覆冻土层去除，只考虑天然气水合物储层的响应特点，得到图 4所示拟断面图.

图 4

Fig. 4

图 4 层状模型(无表面冻土层)AMT视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位. Fig. 4 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 1D layer model without overlying frozen layer From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode.

从图 4可以看出，xy模式和yx模式随频率变化均出现了多个明显的峰值(谷值)异常；相较于图 3，图 4中xy模式和yx模式响应差距非常明显.主要原因是模型上覆高阻冻土层的存在产生了信号干扰，各向异性层的响应特征等信息在一定程度受到压制.

将模型天然气水合物储层去掉，只考虑表面高阻冻土层的响应特征，此时模型演变为各向同性情况，正演得到图 5所示拟断面图.

图 5

Fig. 5

图 5 层状模型(无天然气水合物赋存层)AMT视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位. Fig. 5 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 1D layer model without anisotropic NHG layer From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode.

由图 5可看出，高频区域反映的浅部高阻异常特征明显，同时随着频率降低视电阻率逐渐减小直至接近均匀半空间电阻率值100 Ωm.由于不存在各向异性层，xy模式和yx模式拟断面图形态特征完全一致.

对比图 3至图 5，在一维情况下，天然气水合物各向异性层的存在在响应拟断面图中有两个明显现象，一是xy和yx模式不再相同而是发生差异性的变化，二是即使单个各向异性层也会使响应曲线出现多个波峰波谷的异常.在冻土区域的地质背景下，水合物储藏区通常存在高阻特性的上覆冻土层，会对水合物储层的异常特征产生一定干扰和影响.

由上述分析可知，冻土区域天然气水合物呈水平均匀层状分布时，AMT正演模拟响应变化能反映出储层的主要电性特征，说明AMT方法对于识别与圈定层状分布的天然气水合物储层是有利的.由于上覆高阻冻土层对AMT测量信号的干扰和制约，天然气水合物的异常特征会有所减弱，但依然能呈现出各向异性等异常现象.

相较于一维地电模型，二维模型更贴近真实地质构造环境.图 6为二维各向异性储块模型，AMT测点和频点信息与图 2一致，模型其他电性特征基本一致，只是水合物异常不再水平无限延展，异常范围是y轴-400至400 m，z轴300至400 m.

图 6

Fig. 6

图 6 二维各向异性块体模型 Fig. 6 2D anisotropic block model

AMT正演模拟得到该二维模型的视电阻率和相位拟断面图，如图 7所示.

图 7

Fig. 7

图 7 二维块体模型视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 7 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D block model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

由图 7可知，yx模式中响应值的异常范围横向边界非常清晰，圈定的横向距离与水合物储块的宽度基本一致，表明yx模式能准确反映异常体的横向延展范围.xy模式中相位拟断面图能反映异常区域的顶、底边界；视电阻率拟断面图能反映异常区域的底边界，无法准确反映顶部边界.xy模式根据响应值的横向变化能粗糙地反映异常体的大致区域，但没有yx模式那样界限清晰.需要特别注意的是，对于AMT响应拟断面图来说，横向坐标代表的是地表测点的水平位置，反映的是真实的横向距离，因此拟断面图中异常区域的横向范围是真实可信的；纵向坐标代表的是AMT采集频率，并非真实深度.本文正演响应值反映的纵向边界表示的是频率的信息，通过xy模式断面图中视电阻率异常的纵向边界所对应的频率，可以估算出异常体纵向边界的大致位置和深度范围.同时，对比图 7与图 4的正演响应结果，二维模型响应的背景场值与层状模型结果是相同的，两者的响应差异直接反映了水合物储块的具体异常特征.

为了更好体现各向异性的响应特征，现考虑二维模型中异常储块只含有天然气水合物介质，即异常块体简化为电阻率值为350 Ωm的各向同性体.图 8为各向同性储块模型的响应拟断面图.由图 8可知，结果反映了异常块体的主要范围和特征，且高视电阻率、低相位的响应区域与模型高阻异常体位置相对应.对比图 7和图 8，xy模式的响应特征基本一致，但yx模式的响应特征变化非常明显.对于对角各向异性介质，xy模式反映的主要是垂向电阻率R_⊥信息，相对于围岩都是高阻，只是差异没有各向同性情况大；yx模式反映的主要是水平电阻率R_‖信息，此时异常体相对于围岩是低阻特征，因此视电阻率和相位响应情况体现的低阻情况，与xy模式有区别.各向异常情况比较复杂，不能等同于各向同性情形.

图 8

Fig. 8

图 8 各向同性储块模型视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 8 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for isotropic block model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

现考虑储块规模变化带来的响应特征影响.保持模型其他条件不变，将天然气水合物储块宽度增加一倍，即水平延展范围为-800至800 m.相应的视电阻率和相位拟断面图如图 9所示.

图 9

Fig. 9

图 9 二维模型(块体延展宽度加倍)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 9 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D double-width block model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

由图 9可知，当异常体延展宽度加倍时，yx模式视电阻率和相位响应值均准确反映了异常体的横向变化情况.xy模式响应值的横向变化范围也相应扩大，同时相位响应值圈定了块体异常区域的顶、底边界，视电阻率响应值反映了异常区域底部边界.

保持模型其他条件不变，将天然气水合物异常块体宽度减小一半，即延展范围为-200至200 m.相应的视电阻率和相位拟断面图如图 10所示.

图 10

Fig. 10

图 10 二维模型(块体延展宽度减小一半)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 10 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D half-width block model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

图 10中两种模式的异常变化特征与图 9类似，随着模型参数改变，yx模式视电阻率和相位值圈定的横向异常区域的横向宽度显著减小，xy模式响应值的横向变化范围也相应减小，同时相位响应值圈定了块体异常区域的顶、底边界，视电阻率响应值反映了异常区域底部边界.

综合图 9和图 10，AMT正演响应对天然气水合物各向异性储层的横向分辨率高，特别是yx模式的响应变化能准确圈定异常区域的横向延展范围.

考虑AMT方法对天然气水合物储层正演响应的纵向分辨率.保持图 6模型其他条件不变，将天然气水合物储块整体上移100 m，即异常体埋深d=150 m，相应的视电阻率和相位拟断面图如图 11所示.

图 11

Fig. 11

图 11 二维模型(块体深度d=150 m)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 11 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D model with depth of the block 150 m From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

相较于原始模型正演响应结果图 7，图 11中xy模式拟断面图的异常区域发生了整体上移；异常区域的横向范围在yx模式中清楚地显示.

保持模型其他条件不变，将天然气水合物异常体整体下移250 m，即埋深d=500 m，相应的视电阻率和相位拟断面图如图 12所示.

图 12

Fig. 12

图 12 二维模型(块体深度d=500 m)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 12 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D model with depth of the block 500 m From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

相较于图 7的响应结果，随着水合物储块埋深的增加，图 12中xy模式拟断面图的异常区域发生了整体下移.由于水合物储块与上覆高阻层距离增大，电阻率值与围岩比较接近，异常区域与附近值差异不大，区域界限没有图 11结果明显.yx模式中响应值能准确显示异常体的横向范围，但受限于各向异性因素的影响以及相对较弱的纵向分辨能力，yx模式不能准确反映模型的纵向边界情况.

前文提到天然气水合物资源的储量与水合物的饱和度关系密切.现在考虑天然气水合物储层中天然气水合物饱和度S_ngh对AMT响应的影响.保持模型其他条件不变，假设储层中天然气水合物饱和度增大到80%，此时R_⊥=267.5 Ωm, R_‖=68.3 Ωm, λ_ani=1.98.相应的视电阻率和相位拟断面图如图 13所示.

图 13

Fig. 13

图 13 二维模型(Sngh增大到80%)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 13 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D model with Sngh increased to 80% From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

由图 13可以看出，xy模式和yx模式的正演响应值均反映了异常区域的范围和主要特征，但由于各向异性参数减弱，水平电阻率与垂向电阻率相对接近，相对于图 7的正演响应结果，图 13中水合物储块区域的异常程度相对周围有所减弱，且xy模式和yx模式响应特征的差异减小.

保持模型其他条件不变，假设储层中天然气水合物饱和度S_ngh减小至20%，则R_⊥=86 Ωm, R_‖=24.7 Ωm, λ_ani=1.87.相应的视电阻率和相位拟断面图如图 14所示.

图 14

Fig. 14

图 14 二维模型(Sngh减小至20%)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界. Fig. 14 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for 2D model with Sngh decreased to 20% From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses.

由图 14可知，当水合物饱和度显著减小时，储块的垂向电阻率与围岩电阻率值非常接近，由于xy模式主要反映的是垂向分量电阻率情况，xy模式的拟断面图接近层状模型特征，此时正演响应无法反映异常区域存在.饱和度减小时，水平分量电阻率值亦显著降低，yx模式拟断面图清晰反映了异常区域的横向分布范围，视电阻率和相位值明显反映了异常体和围岩的差异.

由图 13和图 14可知，天然气水合物饱和度的变化影响了储块的各向异性程度，并在AMT正演响应中呈现了不同特点.AMT正演响应的研究能反映水合物资源的饱和度情况，对于预测天然气水合物资源的储量信息有一定帮助.

实际情况中，天然气水合物通常会赋存于多个不同岩性层位中，现考虑存在两个天然气水合物储块情况下的AMT正演响应特征.假设天然气水合物储层只是饱和度和埋深发生变化，水平位置、厚度、岩层电阻率均不变，其中天然气水合物储层一：S_ngh=80%，埋深d=150 m；储层二：S_ngh=20%，埋深d=500 m.相应的视电阻率和相位拟断面图如图 15所示.

图 15

Fig. 15

图 15 双NGH储块模型视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界，白色椭圆表示圈定的响应异常区域范围，白色点虚线表示水合物储块的可能边界位置. Fig. 15 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for double-block model From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses. The white ellipses represent the response anomaly area. The white dotted lines denote the possible top and bottom boundaries of hydrate blocks.

由图 15可以看出，yx模式中响应值的异常范围横向边界非常清晰，圈定的横向距离与水合物储块宽度一致，准确反映异常体的横向延展范围.yx模式中相位响应图白色椭圆圈定的是三处明显的相对低、高值异常区域.图 15中xy模式根据响应值的横向变化能粗糙地反映异常体的大致区域，但没有yx模式那样界限清晰.xy模式中相位拟断面图能反映异常区域的顶、底边界；视电阻率拟断面图能反映异常区域的底边界，无法准确反映顶部边界.相较于图 11和图 12中单一储块的纵向范围，图 15中xy模式纵向范围增大，由于两块体电阻率值比较接近，埋深间隔不大，两储块的界限位置并不明显，参照响应值分布情况和过渡关系，储块的界限应该在响应等值线为水平状态时的位置，也就是图 15中的白色点虚线.由于两个异常体相对低阻的综合效应，两种模式整体视电阻率值均有所降低.

针对上述模型，移除表面高阻冻土层，考虑无冻土层情况时两水合物储块模型的AMT响应特征.具体的视电阻率和相位拟断面图如图 16所示.

图 16

Fig. 16

图 16 双NGH储块模型(无上覆冻土层)视电阻率和相位拟断面图 从左至右：xy模式视电阻率，xy模式相位，yx模式视电阻率，yx模式相位.图中黑色虚线表示响应值圈定的异常区域边界，白色椭圆表示圈定的响应异常区域范围，白色点虚线表示水合物储块的可能边界位置. Fig. 16 Pseudo-sections of apparent resistivity and phase for double-block model without overlying frozen layer From left to right: apparent resistivity in xy mode, phase in xy mode, apparent resistivity in yx mode, phase in yx mode. The black dashed lines denote the possible anomaly boundaries determined by corresponding responses. The white ellipses represent the response anomaly area. The white dotted lines denote the possible top and bottom boundaries of hydrate blocks.

图 16中yx模式中响应值的异常范围横向边界清晰，准确反映异常体的横向延展范围.yx模式中相位响应图白色椭圆圈定的是三处明显的相对低、高值异常区域，可以看出与图 15中位置基本一致.图 16中xy模式根据响应值的横向变化能反映异常体的大致区域，视电阻率和相位拟断面图都能反映异常区域的顶、底边界.清楚反映了两个异常体的存在和延展范围，由于xy模式和yx模式对各向异性不同的识别能力，xy模式视电阻率是上低下高的特征，yx模式视电阻率是上高下低特征.与图 15一致，图 16中的白色点虚线为正演响应等值线为水平状态时的位置，代表的是储块可能的纵向边界和间隔位置.可以看出，两图中的白色点虚线位置非常接近，表明两种模型的响应异常特征比较吻合.

由于上覆冻土层的高阻特性，水合物模型的正演响应值会因冻土层的存在与否产生较大变化，水合物储层的视电阻率和相位异常程度会有所降低，对比图 15和16可看出响应拟断面图整体上产生了很大差别，但是仔细对比相关图件，可以发现异常值的变化趋势基本保持不变，异常区域的形态和分布特征依然相似；虽然两图正演响应值绝对差值比较明显，但两种模式的异常形态不变，异常边界清楚且一致，视电阻率和相位拟断面图中的极值区域、过渡带位置保持固定.对比结果说明上覆高阻层对AMT探测信号产生了一定干扰和压制，但AMT方法并没有受到上覆冻土层的影响，仍然可以清晰准确地反映天然气水合物资源的电性特征.

本文采用AMT二维对角各向异性正演算法，对陆域天然气水合物各向异性储层层状模型和块体模型及不同模型参数进行了正演模拟试算，分析其视电阻率和相位响应特征.对比响应结果可知，天然气水合物储层的AMT正演响应特征比较明显，AMT响应能清晰显示NGH各向异性异常体空间位置和分布情况，对天然气水合物饱和度变化以及赋存岩层的数量规模都有所反映.

陆域冻土区天然气水合物勘查工作的一大难点是区域内上覆冻土层的高阻特性会对天然电磁波在水合物储层中的传播信号产生一定的掩盖和干扰，从文中模拟结果可知，在上覆高阻层去除时，AMT响应值拟断面图清晰地反映了天然气水合物储层的各向异性特征和异常范围；当高阻层存在时，储层的视电阻率和相位信息异常程度有所降低，但异常区域的形态和分布特征并没有变化.可以看出，上覆高阻冻土层的存在会对勘查工作造成一定干扰和困难，但不会影响AMT方法对陆域天然气水合物的探测和识别能力.当然，为提取水合物储层的关键信息，AMT探测工作需要进一步提高分辨能力，发展降低冻土层干扰、分辨各向异性特征等相关技术手段.

目前我国在陆域和海域天然气水合物资源的勘查研究工作都取得了很大进展，2008年11月在祁连山地区首次发现陆域天然气水合物实物样品；2017年5月，国土资源部宣布我国在南海神狐海域进行的天然气水合物资源试开采成功，取得了持续产气时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果.对于天然气水合物这一重要战略资源的勘查和开发，更多基础和应用方面的研究需要继续开展.本文探讨了各向异性情况下陆域天然气水合物储层的电性特征，水合物的各向异性正演模拟试验证明了AMT方法能有效应用于陆域冻土区的水合物资源勘查，电性各向异性模拟工作为天然气水合物探测研究以及实测资料处理解释提供了新的思路和方向.

感谢审稿专家和本文编辑提出的宝贵修改意见.