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水合物是目前地球上尚未开发的储量最大的潜在能源（李中元，2004）。据估计，世界各种构造环境中的水合物资源量为2.1×1016 m3（范宜仁和朱学娟，2011），而以水合物形式存在于地层中的甲烷贮藏量至少为2.0×1016 m3，相当于已探明的矿物燃料总储量的两倍（Sloan and Koh，2008）。在自然界中，水合物主要分布于海底沉积物和极地永久冻土带中（卢振权等，2010；赵省民等，2011）。中国是仅次于俄罗斯和加拿大的第三大冻土分布国，青藏高原以及大兴安岭地区广泛分布着大面积永久冻土带，具有良好的水合物生成、储存条件（周幼吾等，2000；祝有海等，2010）。根据我国重点冻土区开展的地质与地球物理调查工作，目前已在青藏高原祁连山木里地区发现水合物产地1处，评价出南祁连盆地、羌塘盆地及漠河盆地三大成矿远景区、12个成矿区带，资源潜力巨大（祝有海等，2009，2010，2020；韩建光等，2016）。青藏高原是我国陆域冻土区水合物调查的重点地区，同时也是我国勘探程度较低、油气资源潜力巨大的地区，尽管已在勘查技术研究工作取得了一定进展，但水合物矿藏综合预测与评价系统还未建立，急待建立适于陆域冻土区水合物的精细测量、识别与定量评价技术（方慧等，2017；祝有海等，2020）。
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近年来，为了进一步扩大冻土区水合物找矿潜力区，同时也为钻井部署水合物钻孔提供技术支持，开展了水合物音频大地电磁测深（AMT）调查工作。AMT方法是在大地电磁测深法（MT）基础上进一步发展的频率域测深方法，观测音频段电磁信号频率响应，探测深度为地下0~2 km，具有分辨能力强、观测效率高等特点，是研究地壳浅部地质构造和矿产勘查的有效手段（陈文华，1981；陈乐寿和王光鄂，1990）。AMT方法已经在固体矿产、地热、地质构造、油气勘查等方面已经发挥了重要作用（Ogawa et al.，1994；杨进和安海忠，1995；Balyavskii et al.，2004；Santos et al.，2006；柳建新等，2008；Yamaguchi et al.，2010；任伟和金胜，2011；Abdelzaher et al.，2011；唐新功等，2011；谭捍东等，2013；闵刚等，2014；汤井田等，2015；王永清等，2017；He Lanfang et al.，2018；康敏等，2018；Di Qingyun et al.，2020；杜贤军等，2020；王桥等，2022）。由于我国陆域冻土区水合物调查研究起步较晚，利用AMT方法勘探水合物的相关研究成果较少（裴发根等，2017；方慧等，2017；黄一凡等；2018；何梅兴等，2022）。AMT方法是以岩石的电性差异为基础来研究地层电性结构的，由于祁连山冻土区水合物埋藏深度浅，且电阻率与围岩存在电性差异，因此AMT方法能够用于水合物勘探。对于AMT方法来说，野外数据采集时必须设置合适的测线长度、点距和频点数，以便实测数据的室内处理和解释。一般而言，采集的测点数与频点数越多越好，这样对于室内资料处理就具有丰富的数据信息，但是，随着野外采集信息的增大，相应所需的人力、物力、财力也随之增加，也会使得野外数据采集工作的效率相应下降，因此如何实现高效、经济的数据采集工作是研究区开展大面积水合物资源调查亟待解决的问题。此外，由于祁连山冻土区水合物赋存状态不同，水合物的电阻率、赋存规模和埋深差异较大，造成对应的AMT响应特征不明确，给室内数据处理和解释带来困难。因此，为了给祁连山冻土区水合物勘探提供技术支持，有必要开展针对不同水合物储层的AMT响应特征研究。
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本文基于祁连山冻土区水合物的实际赋存地质条件，结合电阻率测井建立了水合物储层的地电模型，采用有限单元法（FEM）开展了不同水合物赋存模型的AMT响应特征研究，得出了AMT方法探测祁连山冻土区水合物储层的适用范围；采用非线性共轭梯度算法（NLCG）开展了不同采集参数（测线长度、点距和频点数）对水合物储层反演结果的影响规律研究，通过对比分析不同采集参数引起的响应特征差异，获取了有利于探测水合物储层的采集参数设置方案。
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1 水合物赋存地质特征
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2008~2009年，中国地质调查局组织实施了水合物科学钻探工程，在研究区共钻探8口科学钻探孔，并成功钻获水合物实物样品。钻获水合物实物样品的钻孔包括DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8，在DK-4、DK-5、DK-6钻孔中仅发现一些水合物存在的异常现象（祝有海等，2009；卢振权等，2013）。2013~2015年，为了进一步研究祁连山冻土区水合物的形成条件、控制因素及分布规律，神华集团联合中国地质调查局和青海煤炭地质105勘探队在祁连山冻土区补充实施了部分科学钻探孔，目前已在DKXX-19、DKXX-13、DKXX-11孔成功钻获水合物实物样品，为研究区开展相关研究工作奠定了基础（卢振权等，2015；谭富荣等，2017）。祁连山冻土区发现的水合物存在两种明显不同的产出方式：① 以薄层状、片状、团块状赋存于粉砂岩、泥岩、油页岩的裂隙面中；② 以浸染状赋存于砂岩、粉砂岩的孔隙中（图1）（祝有海等，2010）。根据钻探岩芯资料表明，祁连山冻土区水合物主要存在于中侏罗统江仓组。根据钻孔岩芯样品测试可知水合物储层孔隙度介于5%~20%之间，水合物饱和度介于30%~80%之间（郭星旺，2011；林振洲等，2013）。根据水合物的地质特征和赋存特征，水合物成藏于多年冻土层之下，储层类型为特有的R型水合物沉积（Koh et al.，2012）。
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祁连山冻土区水合物的具体地质特征见表1。与加拿大麦肯齐三角洲发现的水合物样品相比，祁连山冻土区水合物具有埋藏深度浅、冻土层较薄、气体组分复杂、煤层气为主等明显特征，不同于国外极地冻土区发现的水合物，应为一种新类型水合物，具有重要的科学意义（祝有海等，2010）。
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2 地层电性关系建模
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2.1 电阻率计算模型
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为了开展祁连山冻土区水合物AMT数值模拟工作，需根据研究区水合物的实际赋存地质条件，设置合理的水合物储层电阻率值，建立较真实的地电模型来模拟研究区地层电性的变化规律。水合物储层影响电性变化的物性参数主要包括孔隙度、水合物饱和度，而测井储层评价中经常用到的阿尔奇公式正是连接地层孔隙度、含水饱和度、电阻率三者的纽带，因此可以将阿尔奇公式引入到水合物储层评价中，其数学关系式为（Archie，1942）：
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图1 祁连山冻土区钻获水合物及点火燃烧现象（据Li Bo et al.，2015）
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Fig.1 Gas hydrate obtained by drilling and ignition combustion in the Qilian Mountain permafrost (after Li Bo et al., 2015)
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式中，Rt为实际地层电阻率，单位为 Ω·m；Rw为地层水电阻率，单位为 Ω·m；φ为地层孔隙度，单位为%；Sw为地层孔隙中含水饱和度，单位为%；a、m、n为经验指数，根据实际地层情况选取，其中1＜m＜3，0.5＜a＜2.5。
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根据前人对陆域冻土区水合物开展的相关储层评价工作（Lee et al.，2011； 郭星旺，2011），选取Rw=2 Ω·m，n=1.9386，a=0.51，m=1.32，则上式可转换为：
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由上式可知，水合物储层Rt是φ和水合物饱和度（Sh）的函数，在此定义为研究区水合物储层电阻率计算模型。据此，可根据研究区水合物储层φ、Sh的实际变化情况，计算得到相应的储层电性参数。
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2.2 地电模型
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AMT方法的适用条件是目标地质体与围岩地层存在一定的电阻率差异，凭借AMT较宽的频率段范围能够反映地下不同深度的地层电性信息，进而利用相关反演技术分析得出目标地质体的相关地质信息。为此，开展祁连山冻土区水合物AMT数值模拟工作，首先需要确定水合物储层与围岩地层的电性关系。由于水合物样品的保存对温度、压力的要求非常苛刻，一旦脱离赋存所需的温压环境，极不稳定极易分解，因而给通过样品测试了解其电性特征带来困难。由于测井具有原位测量的优势，因此利用测井曲线来分析水合物储层与围岩地层的电性特征是非常直观有效的。为此，利用祁连山冻土区已钻获水合物实物样品的DK-1、DK-3孔的测井资料来分析研究区的地层电性特征（图2）。
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对于水合物赋存层段，常规测井曲线通常显示高电阻率、高声波速度的响应特征（Lee et al.，2011）。从图2中可知：DK-1、DK-3孔水合物赋存层段，其电阻率值明显高于围岩地层，表现出显著的高阻特征，且随赋存层段厚度的增加，相对应的高电阻率异常更加明显。DK-1、DK-3孔共识别出四处水合物赋存层段，对这四层水合物的电阻率值按不同岩性进行了统计（表2），从表中可知：DK-1孔水合物储层岩性为细砂岩、粉砂岩，水合物赋存层段电阻率最高值的平均值是围岩地层电阻率最高值的平均值的2.97倍；DK-3孔水合物储层岩性为泥岩，水合物赋存层段电阻率最高值是围岩地层电阻率最高值的2.96倍。
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图2 祁连山冻土区水合物科学钻探孔常规测井资料（据郭星旺，2011）
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Fig.2 Downhole logs from gas hydrate scientific drilling holes in the Qilian Mountain permafrost (after Guo Xingwang, 2011)
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基于以上对不同岩性储层的电性关系的分析，设定研究区地电模型中水合物储层电阻率为围岩地层电阻率的3倍。根据研究区冻土层电阻率值的变化特征，设定冻土层电阻率为水合物储层电阻率的2倍（Zhu Youhai et al.，2010；林振洲等，2013）。据此，利用建立的水合物电阻率计算模型，设置储层为不同的孔隙度、水合物饱和度，根据以上电性关系就可以建立研究区不同的地电模型，为开展相关AMT正演模拟工作奠定基础。
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3 结果与讨论
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祁连山冻土区水合物赋存状态的差异，对该地区开展AMT勘探造成了一定的影响。为了给研究区AMT野外实测数据的处理与解释提供相关的技术支持，有必要开展不同水合物储层AMT正演响应特征数值模拟研究。本文通过建立水合物层状地层模型和高阻异常体模型，利用FEM算法正演模拟得到相应模型的AMT响应特征，通过对比分析不同水合物储层响应特征的差异，进而总结出研究区有利于AMT方法勘探的水合物储层。
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3.1 天然气水合物层状地层模型响应特征
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当祁连山冻土区水合物赋存状态呈横向连续性分布时，水合物储层可以近似为水平均匀层状模型，其地电模型参数为：第一层为地表冻土层，电阻率2ρ，厚度100 m；第二层为上覆围岩层，电阻率ρ/3，厚度100 m；第三层为水合物储层，电阻率ρ，厚度200 m；第四层为下伏围岩层，电阻率ρ/3，厚度600 m（图3）。
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祁连山冻土区已钻获水合物的地层孔隙度变化范围主要为5%~20%，水合物饱和度变化范围主要为30%~80%（郭星旺，2011；林振洲等，2013），基于此选取水合物储层孔隙度为10%，水合物饱和度为30%、80%，利用电阻率模型计算得到水合物层状模型的电阻率ρ值为43 Ω·m、483 Ω·m。祁连山冻土区已钻获的水合物具有埋藏深度较浅、电性高阻异常的特征（祝有海等，2009；卢振权等，2010；祝有海等，2011），加之地表冻土层呈高电阻率覆盖，故正演模拟参数设置如下：频率范围为0.1~10000 Hz，将上述频率范围转换为对数并以0.06为间距抽取频点数66个（表3），剖面测线长度为5 km，测点间距25 m，据此正演模拟得到相应水合物层状模型的视电阻率断面图（图4）。
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图3 祁连山冻土区水合物层状地层地电模型
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Fig.3 Geoelectrical model of gas hydrate stratified formation in the Qilian Mountain permafrost
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从图4中可知：由于水合物层状模型各层电性差异比较显著，当没有受到其他因素影响、产状稳定分布时，视电阻率等值线呈水平延伸；当水合物层状模型电阻率值为43 Ω·m、483 Ω·m时，水合物高阻异常分别出现在100 Hz、1000 Hz附近，高阻异常呈水平分布。
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通过以上分析可知，当祁连山冻土区水合物呈水平均匀层状分布时，AMT正演模拟效果较好，说明AMT方法对于识别与圈定层状分布的水合物储层是有利的。
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3.2 天然气水合物高阻异常体模型响应特征
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当祁连山冻土区水合物呈局部异常不连续分布时，水合物储层可以近似为高阻异常体模型。为了得出研究区有利于AMT 方法勘探的水合物储层，分别分析了水合物高阻异常体在电阻率、赋存规模、埋深变化时的AMT正演响应特征。根据水合物高阻异常体赋存状态的变化，设计了不同的地电模型，其模型参数为：第一层为地表冻土层，电阻率2ρ，厚度100 m；第二层为水合物储层，围岩地层电阻率为ρ/3，在第二层距上覆冻土层h处有一个电阻率为ρ，大小为d×200 m的水合物高阻异常体（图5）。
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3.2.1 不同电阻率的正演模拟
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为了研究祁连山冻土区水合物储层电阻率变化时的AMT响应特征，根据研究区水合物储层孔隙度、水合物饱和度的变化范围，设置不同的储层电阻率值，建立相应的地电模型进行正演模拟分析。祁连山冻土区已钻获水合物样品的地层孔隙度变化范围主要为5%~20%，水合物饱和度变化范围主要为30%~80%（郭星旺和祝有海，2011；林振洲等，2013），基于此选取水合物高阻异常体的孔隙度为10%，水合物饱和度为30%、40%、50%、60%、70%、80%，利用电阻率模型计算得到电阻率值为43 Ω·m、57 Ω·m、82 Ω·m、126 Ω·m、220 Ω·m、483 Ω·m，平均值为168.5 Ω·m。据此，固定埋深h=100 m，宽度d=500 m，改变水合物高阻异常体ρ值依次为43 Ω·m、168 Ω·m、483 Ω·m，其他正演模拟参数设置与前述一致，利用AMT有限元程序正演模拟得到相应水合物高阻异常体模型TE、TM极化模式的视电阻率断面图（图6）。
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从图6中可知：TE、TM极化模式视电阻率断面图上均出现了不同程度的视电阻率等值线下凹的现象，说明有高阻异常出现，指示为水合物高阻异常体，反映利用AMT方法模拟低阻地层中的水合物高阻异常体效果较为明显；TE极化模式视电阻率断面图对于水合物高阻异常体的纵向分辨能力较好，能够用于圈定高阻异常体的纵向电性影响范围；TM极化模式视电阻率断面图对于水合物高阻异常体的横向分辨能力较好，能够用于圈定高阻异常体的横向电性影响范围。
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图4 祁连山冻土区水合物层状地层模型视电阻率拟断面图
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Fig.4 Apparent resistivity section diagrams of gas hydrate stratified formation in the Qilian Mountain permafrost
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(a) —ρ=43 Ω·m； (b) —ρ=483 Ω·m
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图5 祁连山冻土区水合物高阻异常体地电模型
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Fig.5 Geoelectrical model of high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost
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当水合物高阻异常体电阻率为43 Ω·m时（图6a、b），TE极化模式视电阻率从顶部100 Hz附近出现高阻异常区，影响频率段范围较广，大致为0.4~100 Hz；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围大致为2250~2750 m，宽度为500 m，与实际水合物高阻异常体模型相吻合。当水合物高阻异常体电阻率为168 Ω·m时（图6c、d），TE极化模式视电阻率从顶部300 Hz附近出现高阻异常区，影响频率段范围减小，大致为3~300 Hz；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围与水合物高阻异常体电阻率为43 Ω·m的相同，能够反映实际水合物高阻异常体模型的赋存规模。当水合物高阻异常体电阻率为483 Ω·m时（图6e、f），TE极化模式视电阻率从顶部1000 Hz附近出现高阻异常区，影响频率段范围进一步减小，大致为100~1000 Hz；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围大致为2350~2650 m，宽度为300 m，相比实际水合物高阻异常体模型误差较大。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物高阻异常体在埋深、赋存规模一定的条件下，随着水合物高阻异常体电阻率值的增大，TE、TM极化模式视电阻率断面图中高阻异常影响范围减小，AMT正演响应特征减弱，反映研究区为较高阻电性地层时，对于AMT方法识别与圈定水合物有利分布区域是不利的。
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当水合物高阻异常体的电阻率为483 Ω·m时，正演模拟得到的响应特征已严重偏离实际模型，说明研究区水合物高阻异常体的电阻率大于483 Ω·m时，AMT方法已较难表征水合物储层。根据祁连山冻土区水合物储层孔隙度、水合物饱和度的变化范围，利用电阻率模型计算公式估算了相应的储层电阻率值（表4）。从表中可知，水合物储层电阻率值大于483 Ω·m时，所对应的储层孔隙度小于5%，水合物饱和度大于70%，反映了低孔隙度、高水合物饱和度的储层特征。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物储层孔隙度小于5%、水合物饱和度大于70%时，AMT方法难以识别与圈定水合物储层。
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3.2.2 不同赋存规模的正演模拟
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为了反映祁连山冻土区一般水合物储层的电性特征，选取孔隙度为10%、水合物饱和度变化范围为30%~80%时的平均电阻率值作为水合物高阻异常体模型的ρ值，基于此选取ρ值为168 Ω·m，上边缘距上覆冻土层h=100 m，改变水合物高阻异常体宽度d分别为50 m、350 m、400 m，其他正演模拟参数设置与前述一致，利用AMT有限元程序正演模拟得到相应水合物高阻异常体模型TE、TM极化模式的视电阻率断面图（图7）。
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从图7中可知，随着水合物高阻异常体宽度从50 m增大到400 m，TE、TM极化模式视电阻率断面图中高阻异常影响范围增加，AMT正演响应特征逐渐增强。当水合物高阻异常体宽度为50 m时（图7a、b），TE极化模式视电阻率等值线呈水平展布，对水合物高阻异常体无响应；TM极化模式视电阻率等值线在横向上对水合物高阻异常体亦无响应，不能反映实际水合物高阻异常体模型的分布范围。当水合物高阻异常体宽度为350 m时（图7c、d），TE极化模式视电阻率等值线明显下凹，从顶部300 Hz附近出现高阻异常区，影响频率段范围大致为3~300 Hz；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围大致为2350~2650 m，宽度为300 m，与实际水合物高阻异常体模型存在一定偏差。当水合物高阻异常体宽度为400 m时（图7e、f），TE极化模式视电阻率等值线下凹程度更加明显，AMT响应特征增强；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围大致为2300~2700 m，宽度为400 m，与实际水合物高阻异常体模型相吻合。
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图6 祁连山冻土区不同水合物高阻异常体视电阻率拟断面图
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Fig.6 Apparent resistivity section diagrams of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with different resistivities
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（a）—TE极化模式（ρ=43 Ω·m）；（b）—TM极化模式（ρ=43 Ω·m）；（c）—TE极化模式（ρ=168 Ω·m）；（d）—TM极化模式（ρ=168 Ω·m）；（e）—TE极化模式（ρ=483 Ω·m）；（f）—TM极化模式（ρ=483 Ω·m）
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(a) —TE mode (ρ=43 Ω·m) ; (b) —TM mode (ρ=43 Ω·m) ; (c) —TE mode (ρ=168 Ω·m) ; (d) —TM mode (ρ=168 Ω·m) ; (e) —TE mode (ρ=483 Ω·m) ; (f) —TM mode (ρ=483 Ω·m)
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物高阻异常体在电阻率值、埋深一定的条件下，随着水合物高阻异常体赋存规模的增大，TE、TM极化模式视电阻率断面图中高阻异常影响范围增大，AMT正演响应特征增强；当研究区水合物赋存规模小于50 m时，AMT方法难以识别水合物的有利分布区域，而当研究区水合物赋存规模大于400 m时，AMT方法能够有效识别与圈定水合物的有利分布区域。
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3.2.3 不同埋深的正演模拟
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为了研究祁连山冻土区水合物储层不同埋深时的AMT响应特征，固定水合物高阻异常体ρ值为168 Ω·m，宽度d=400 m，改变水合物高阻异常体上边缘距上覆冻土层h分别为100 m、350 m、400 m，其他正演模拟参数设置与前述一致，利用AMT有限元程序正演模拟得到相应水合物高阻异常体模型TE、TM极化模式的视电阻率断面图（图8）。
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从图8中可知，随着水合物高阻异常体埋深从200 m增大到500 m，TE、TM极化模式视电阻率断面图中高阻异常影响范围减小，AMT正演响应特征逐渐减弱。当水合物高阻异常体埋深为200 m时（图8a、b），TE极化模式视电阻率等值线下凹明显，从顶部300 Hz附近出现高阻异常区，影响频率段范围大致为3~300 Hz；TM极化模式视电阻率高阻异常区在横向上影响范围大致为2300~2700 m，宽度为400 m，与实际水合物高阻异常体模型相吻合。当水合物高阻异常体埋深为450 m时（图8c、d），TE极化模式视电阻率等值线下凹程度明显减小，AMT响应特征减弱；TM极化模式视电阻率等值线在横向上对水合物高阻异常体无响应，不能反映实际水合物高阻异常体模型的分布范围。当水合物高阻异常体埋深为500 m时（图8e、f），TE极化模式视电阻率等值线呈水平展布，对水合物高阻异常体无响应；TM极化模式视电阻率等值线在横向上对水合物高阻异常体亦无响应，不能反映实际水合物高阻异常体模型的分布范围。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物高阻异常体在电阻率值、赋存规模一定的条件下，随着水合物高阻异常体埋深的增大，TE、TM极化模式视电阻率断面图中高阻异常影响范围减小，AMT正演响应特征减弱；当水合物埋深超过500 m时，AMT方法难以识别与圈定水合物的有利分布区域。
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3.3 采集参数对AMT反演结果的影响研究
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在野外开展AMT数据采集工作时，测线长度、测点间距、采集频点个数的合理选择为室内数据资料的处理与解释提供了便利，是开展野外实际测量工作必须考虑的问题。本文通过建立典型水合物高阻异常体模型，设置不同采集参数（测线长度、测点间距、频点数），利用NLCG算法对比分析不同采集参数的反演结果的差异，进而获得研究区有利于勘探水合物储层的采集参数设置方案。
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图7 祁连山冻土区水合物高阻异常体不同赋存规模的视电阻率拟断面图
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Fig.7 Apparent resistivity section diagrams of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with different occurrence scales
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（a）—TE极化模式（d=50 m）；（b）—TM极化模式（d=50 m）；（c）—TE极化模式（d=350 m）；（d）—TM极化模式（d=350 m）；（e）—TE极化模式（d=400 m）；（f）—TM极化模式（d=400 m）
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(a) —TE mode (d=50 m) ; (b) —TM mode (d=50 m) ; (c) —TE mode (d=350 m) ; (d) —TM mode (d=350 m) ; (e) —TE mode (d=400 m) ; (f) —TM mode (d=400 m)
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图8 祁连山冻土区水合物高阻异常体不同埋深的视电阻率拟断面图
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Fig.8 Apparent resistivity section diagrams of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with different bury depths
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（a）—TE极化模式（h=100 m）；（b）—TM极化模式（h=100 m）；（c）—TE极化模式（h=350 m）；（d）—TM极化模式（h=350 m）；（e）—TE极化模式（h=400 m）；（f）—TM极化模式（h=400 m）
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(a) —TE mode (h=100 m) ; (b) —TM mode (h=100 m) ; (c) —TE mode (h=350 m) ; (d) —TM mode (h=350 m) ; (e) —TE mode (h=400 m) ; (f) —TM mode (h=400 m)
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3.3.1 天然气水合物典型高阻异常体正演模拟
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由于上覆冻土层与水合物储层的电性差异不太明显，且水合物储层紧伏在冻土层之下，对反演结果造成较大影响，因此建立的地电模型不考虑上覆冻土层。为了反映祁连山冻土区一般水合物储层的电性特征，选取孔隙度为10%、水合物饱和度变化范围为30%~80%时的平均电阻率值作为水合物高阻异常体模型的电阻率值，故取水合物高阻异常体电阻率近似为170 Ω·m。根据DK-1孔的电阻率测井曲线（图2），水合物储层电阻率值与围岩地层电阻率值的比值最大可达10（Lu Zhenquan et al.，2011；姚大为等，2013），为了增强水合物高阻异常体的反演效果，从而更好地研究采集参数对反演结果的影响，设定围岩地层电阻率值为17 Ω·m。根据以上水合物地层的电性特征，从而可以建立研究区水合物的典型高阻异常体地电模型（图9）。
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水合物高阻异常体地电模型参数设置如下：剖面测线长度为10.5 km，测点间距为25 m，水合物高阻异常体为350 m×1000 m，埋深为150 m。利用AMT有限元程序正演模拟得到该水合物异常体模型在TE、TM模式下的正演响应特征（图10），其中正演模拟设置的频率变化范围为0.1 Hz~1 kHz，将上述频率转换为对数并以0.03为间距抽取频点数，共计91个频点（表5）。
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图9 祁连山冻土区水合物典型高阻异常体地电模型
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Fig.9 Typical geoelectrical model of the high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost
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从图10中可知，水合物高阻异常体在TE、TM极化模式的视电阻率断面图、相位断面图中响应明显，有利于开展采集参数对AMT反演结果的影响研究。对于TE、TM极化模式视电阻率断面图（图10a、c），从顶部100 Hz附近出现高阻异常区，TE极化模式在1 Hz附近高阻异常区闭合，而TM极化模式在低频部分高阻异常区不闭合。对于TE、TM极化模式相位断面图（图10b、d），从顶部100 Hz附近出现低值异常区，并且异常区在高频端闭合，能够较好地反映水合物高阻异常体的形态特征。
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图10 祁连山冻土区水合物典型高阻异常体模型AMT正演响应
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Fig.10 AMT responses for typical high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost
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（a）—TE视电阻率拟断面图；（b）—TE相位拟断面图;（c）—TM视电阻率拟断面图;（d）—TM相位拟断面图
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(a) —apparent resistivity of TE mode; (b) —phase of TE mode; (c) —apparent resistivity of TM mode; (d) —phase of TM mode
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3.3.2 不同测线长度对水合物AMT反演结果的影响
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为了研究不同测线长度对水合物AMT反演结果的影响，依次设置测线长度4 km、3 km、2 km、1 km进行数值模拟分析。为了更好地模拟野外实测数据，反演原始数据加入3%的高斯噪声，测点间距为50 m，频点变化范围为0.398~398 Hz，将频率转换为对数并以0.06为间距抽取频点数46个（表5），正则化参数为10，初始电阻率为17 Ω·m，网格剖分为92×50（不包括延拓网格），TE+TM组合模式反演。
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图11为不同测线长度的二维NLCG反演结果，图中黑框表示水合物高阻异常体实际模型的大小和位置。从图中可知，随着测线长度从1 km逐渐增大到4 km，反演结果反映的高阻异常体的大小、位置逐渐与实际模型相吻合。当测线长度与水合物高阻异常体宽度相等时（图11d），反演结果显示的高阻异常体的宽度只有800 m左右，底边界位于深度550 m附近位置，所反映的异常体的大小、位置和实际模型不相符；当测线长度为水合物高阻异常体宽度的两倍时（图11c），反演结果显示的高阻异常体宽度为970 m，顶界面、底界面的位置与实际模型基本一致，所反映的高阻异常体的大小比实际模型略小；当测线长度为水合物高阻异常体宽度的3倍以上时（图11a、b），反演结果反映的高阻异常体的大小、位置与实际模型吻合。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物AMT勘探测线长度设置的越长，对于水合物高阻异常体的识别越有利，而随着测线长度的增大，野外采集成本和室内资料处理的时间也相应增加。因此，测线长度应依据祁连山冻土区水合物实际赋存的规模来选择，一般应选取大于水合物可能赋存区域的两倍以上，选择3倍时效果最佳。
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3.3.3 不同点距对水合物AMT反演结果的影响
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为了研究不同测点间距对水合物AMT反演结果的影响，依次设置测点间距25 m、50 m、100 m、200 m进行数值模拟分析。同时考虑测线长度对反演结果的影响，选取测线长度为4 km，其他反演参数设置与前述一致。
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图11 祁连山冻土区水合物高阻异常体测线长度为4 km（a）、3 km（b）、2 km（c）及1 km（d）时的二维NLCG反演结果
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Fig.11 2D NLCG inversion results of the high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with survey line lengths of 4 km (a) , 3 km (b) , 2 km (c) and 1 km (d)
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图12为不同点距的二维NLCG反演结果，从图中可知，随着测点间距从25 m逐渐增大到200 m，相对应在高阻异常体上方的测点数依次为41个、21个、11个、5个，AMT反演效果逐渐变差，所反映的高阻异常体的宽度不断减小，与实际模型的偏差逐渐增大。当测点间距为25 m、50 m时（图12a、b），两者反演结果所反映的高阻异常体的大小、位置基本一致，且与实际模型相吻合；当测点间距为100 m时（图12c），反演结果所反映的高阻异常体宽度为900 m，顶界面、底界面的位置与实际模型基本一致，所反映的高阻异常体的大小比实际模型略小；当测点间距为200 m时（图12d），反演结果显示的高阻异常体的宽度与实际模型相差较大，不能真实反映实际模型的大小和位置。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物AMT勘探测点间距设置得越小，对于水合物高阻异常体的识别越有利，而随着测点间距的减小，野外采集成本和室内资料处理的时间也相应增加。根据祁连山冻土区水合物在横向上赋存连续性较差的特点（祝有海等，2010；卢振权等，2010），在该区开展水合物AMT勘探时，在水合物可能赋存区域的测点数不应少于6个，选取11个时最佳。
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3.3.4 不同频点数对水合物AMT反演结果的影响
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为了研究不同频点数选择对水合物AMT反演结果的影响，依次设置频点数46个、31个、16个、7个进行数值模拟分析，相对应的具体频率值见表5。同时考虑测线长度和点距对反演结果的影响，选取测线长度4 km，测点间距50 m，其他反演参数设置与前述一致。
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图12 祁连山冻土区水合物高阻异常体点距为25 m（a）、50 m（b）、100 m（c）及200 m（d）的二维NLCG反演结果
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Fig.12 2D NLCG inversion results of the high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with different station spacing of 25 m (a) , 50 m (b) , 100 m (c) and 200 m (d)
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图13为不同频点数的二维NLCG反演结果，从图中可知，当频点数从46个逐渐减小到7个，相对应在高阻异常体的影响频率范围内（100~1000 Hz）的频点数依次为10个、7个、4个、2个，AMT反演效果逐渐变差，所反映的高阻异常体的大小、位置与实际模型的偏差逐渐增大。当频点数为46个、31个时（图13a、b），反演结果所反映的高阻异常体的大小、位置与实际模型吻合得较好；当频点数为16个时（图13c），反演结果显示的高阻异常体宽度为970 m，顶界面、底界面的位置与实际模型基本一致，所反映的高阻异常体的大小比实际模型略小；当频点数为7个时（图13d），反演结果显示的高阻异常体宽度为950 m，底界面的位置位于深度580 m附近位置，所反映的异常体的大小、位置和实际模型不相符。
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通过以上分析可知，祁连山冻土区水合物AMT勘探频点数设置得越多，对于水合物高阻异常体的识别越有利，而随着频点数的增多，野外采集成本和室内资料处理的时间也相应增加。祁连山冻土区已钻获的水合物实物样品埋藏深度较浅，深度范围主要介于130~396 m（祝有海等，2009；卢振权等，2010），属于AMT探测的高频段范围。因此，在该区开展水合物AMT勘探时，频点数设置在高频段（100~1000 Hz）不应少于3个，选取4个时最佳。
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图13 祁连山冻土区水合物高阻异常体频点数为46（a）、37（b）、6（c）及7（d）的二维NLCG反演结果
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Fig.13 2D NLCG inversion results of the high-resistance abnormal body of gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost, with different numbers of frequency points of 46 (a) , 37 (b) , 6 (c) and 7 (d)
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4 结论
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（1）利用基于阿尔奇公式的水合物储层电阻率计算模型，结合祁连山冻土区水合物钻探孔的电测井资料，建立了不同岩性的水合物储层电性关系，为研究区地电模型的建立奠定了基础。
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（2）利用FEM算法正演模拟了祁连山冻土区水合物储层电阻率、赋存规模、埋深变化时的AMT响应特征，得出了研究区AMT方法探测水合物储层的适用范围。当水合物储层孔隙度小于5%、水合物饱和度大于70%、赋存规模小于50 m、埋深超过500 m时，AMT方法难以识别与圈定水合物储层。
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（3）利用NLCG算法模拟了采集参数（测线长度、测点间距、频点数）对水合物储层AMT反演结果的影响，得出了研究区有利于探测水合物储层的采集参数设置方案。在水合物可能赋存区域，效果最佳的采集参数为3倍区域宽度的测线长度、11个测点数、4个高频段（100~1000 Hz）的频点数。
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摘要
音频大地电磁测深（AMT）是以岩石的电性差异为基础来研究地层电性结构的有效探测方法。冻土区水合物具有显著的高阻特征，与围岩存在电性差异，AMT方法可用于冻土区水合物勘探评价。基于祁连山冻土区水合物储层的实际赋存地质特征，结合电阻率测井建立水合物储层的地电模型，采用有限单元法和非线性共轭梯度法数值模拟了AMT方法探测水合物储层的适用范围和最佳采集参数设置方案。当水合物储层孔隙度小于5%、水合物饱和度大于70%、赋存规模小于50 m、埋深超过500 m时，AMT方法难以识别与圈定水合物储层；在水合物可能赋存区域，效果最佳的采集参数为3倍区域宽度的测线长度、11个测点数、4个高频段（100~1000 Hz）的频点数。研究结果可为祁连山冻土区水合物电法勘探提供理论依据和技术支撑。
Abstract
Audio magnetotelluric (AMT) is an effective exploration method to study the electrical structure of strata based on the electrical differences of rocks. The gas hydrate in the permafrost has the characteristic of high resistivity, which is different from the surrounding rock electrically. The AMT method can be used for the exploration and evaluation of gas hydrate in the permafrost. Based on the actual geological characteristics of gas hydrate reservoir in the Qilian Mountain permafrost, the geoelectric model of gas hydrate reservoir is established by combining with resistivity logging. The application range of AMT method for gas hydrate reservoir detection and the optimal acquisition parameter setting scheme were simulated by using finite element method and nonlinear conjugate gradient method. When porosity of gas hydrate reservoir is less than 5%, gas hydrate saturation is greater than 70%, occurrence scale is less than 50 m, or burial depth is greater than 500 m, AMT technique cannot identify and delineate the favorable gas hydrate reservoir. Survey line should be more than twice the length of probable occurrence scale, while tripling the length will make the best result. The number of stations should be no less than 6, and 11 stations are optimal. At the high frequency section (10~1000 Hz), there should be no less than 3 frequency points, 4 being the best number. The research results could provide important reference for gas hydrate reservoir electrical prospecting in the Qilian Mountain permafrost.
