大部分农田、草原区由于地表植被的保护，地震勘探只能选择在农作物收割后的冬季施工。中国北方地区基本在每年10月中旬浇灌农田，导致土壤含水性高，冬季会形成一套高速冻土层，增加了近地表结构的复杂性。可控震源在地表激发信号，地震波在冻土层中传播会受到冻土介质共振频率的影响，减弱了地震波低频信号的能量。为此，提出利用冻土的耦合共振频率，开展冻土层的地震波传播机理研究。结果表明，冻土层覆盖后，接收的低频信息减弱，频谱整体向高频端移动。实际资料处理表明，冻土层耦合共振频率可拓展高频、补偿低频，适用性强。该方法为季节性冻土地区可控震源采集资料品质的改善提供了一种解决思路。

天然气水合物是一种具有巨大潜能的新型能源，研究冻土区天然气水合物的地震响应特征，对我国陆域天然气水合物的勘探和开发具有重要意义。本文运用Kelvin粘弹性介质模型，基于祁连山冻土区的实际地质地层条件，建立理论地质-地球物理模型；采用交错网格有限差分法进行正演数值模拟，并对自激自收地震记录进行波场特征分析和提取瞬时地震属性。研究结果表明：地震波通过天然气水合物地层时，反射振幅能量较弱；在瞬时频率属性剖面可分辨层厚的范围内，瞬时频率随着层厚增加，频率在小幅度衰减；地震波通过含天然气地层时，反射波表现为强反射特征，瞬时频率能量明显增大；瞬时地震属性对波阻抗界面有更好的分辨能力，特别是瞬时相位属性剖面，作用明显。因此，综合分析波场特征与瞬时属性特征可以为陆域天然气水合物的识别、预测提供依据。

准确评估冻土三维分布和阶段性变化对我国气候、水资源、生态、工程建设等方面具有重要意义。我国多年冻土大多分布在高海拔地区,利用地面物探确定多年冻土厚度具有效率低、成本高、交通不便等问题,而依据电阻率差异的航空电磁技术具有较大优势。根据青海祁连地区冻土厚度、电阻率等信息构建地电模型,并针对AeroTEM时间域航空电磁系统和Impulse频率域航空电磁系统,通过模拟冻土电阻率、厚度、冻土下低阻层、飞行高度和线圈角度变化,分析不同条件下时间域和频率域航空系统一维正演电磁响应差异,进而确定航空电磁技术对冻土顶、底界面的探测能力。模拟结果表明,在较低噪声水平下,Impulse频率域航空电磁系统可以根据融化冻土厚度确定沼泽、湿地及湿润草甸覆盖下的冻土顶界面;AeroTEM时间域系统可以确定冻土底界面,且当冻土下存在低阻层时,确定的底界面准确性将大幅提高。因此,在调查冻土厚度时,可综合利用频率域和时间域航空电磁数据,共同确定多年冻土的顶、底界面。本文研究成果将为航空电磁技术服务于我国冻土调查提供理论支撑。

通过建立正演冻土模型,验证了将高密度电阻率法应用于冻土监测的可行性。对高密度电阻率法装置进行特殊处理,将其应用于对季节性冻土的监测,并进行了七个月份的连续监测。结果表明:高密度电阻率法在季节性冻土监测中可行;通过对实测数据进行反演处理,得到电阻率反演剖面,可以看出表层土壤在季节变化中有明显的结冻、解冻行为;并可估算出冬季冻土深度范围。

自2008年首次在中低纬度带青海木里地区发现天然气水合物以来,开展了一系列的地球物理与地球化学勘查工作,但该区的水合物储层呈现低孔低渗的特征,给勘探工作带来了诸多挑战。为了研究冻土区的天然气水合物模型的电性响应特征,开展了冻土区天然气水合物AMT正演模拟研究。针对木里地区天然气水合物薄层分布的特点,结合该区天然气水合物层测井电阻率值分布特征构建了砂岩与泥岩两类模型,通过对不同参数的两类模型开展AMT正演模拟与反演研究,得到了两类模型的电性响应特征,结果表明:当水合物层的厚度/埋藏深度和水合物层/围岩电阻率比值满足一定条件时,无论是砂岩模型还是泥岩模型,可通过一维反演曲线分辨水合物层;在木里地区水合物稳定带内,无论是砂岩模型还是泥岩模型,对于水合物层的电阻率为含水合物砂岩层、泥岩层的均值时,当其厚度/埋藏深度≥10%时,可通过一维反演曲线分辨水合物层;而当水合物层厚度/埋藏深度≤5%,则无法分辨水合物层。

作为冻土区天然气水合物重要的成藏因素——盖层冻土的厚度,其勘探方法多样且各具特点。选择性价比较高的音频大地电磁测深(AMT)为探测技术,以青海木里地区为研究对象,通过多种典型模型的AMT正演模拟,并对正演响应进行一维自适应正则化反演与分析,结果表明一维正则化反演曲线取对数求导曲线(或称地层界面分层因子曲线)可较好地划分多年冻土层底板,并在木里地区划分多年冻土厚度中取得了较好的应用效果,为冻土区天然气水合物靶区预测提供良好的支撑作用。由过井DK9的两条十字剖面研究表明,井DK9附近的多年冻土厚度起伏变化不大,约在60～100 m之间变化,为天然气水合物的富集提供了良好的盖层条件。其中,垂直于断裂构造方向DK9-2剖面的多年冻土厚度变化较大,约为60～100 m;平行于断裂构造方向的DK9-1剖面的多年冻土厚度变化较小,为68～92 m。