天然气水合物是由水和气体（主要为甲烷）组成的晶状化合物，在世界海域大陆边缘、深水湖（贝加尔湖）以及陆地的永久冻土带都有广泛分布，其存在对未来能源和全球环境的影响意义重大。一方面，天然气水合物的主要组成气体甲烷是一种洁净能源，因此合理开发和利用天然气水合物资源将会极大减轻能源短缺以及当前传统能源消费所带来的环境污染等负面影响;另一方面，已有研究表明在地质历史时期曾发生过多次海底天然气水合物的突然分解释放，导致全球性气候、环境的突变和灾害，同时海底浅层(＜100m)渗漏型天然气水合物的聚集在海洋油气资源的开发过程中也存在极大的地质危害。因此，天然气水合物的研究不仅具有重要的能源战略意义、也具有重要环境意义和科学研究意义。　　 海洋天然气水合物的地球物理研究工作始于上世纪70年代，源于科学家在地震反射剖面上发现了似海底反射(Bottom Simulating Reflector，简称BSRs)，并推测可能与天然气水合物的存在有关。随后俄罗斯调查船在黑海以及深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project)在中美洲外海和布莱克海台的海底取样获得水合物样品证实这一假设的正确性，并且证实甲烷是自然状态下存在的气体水合物的主要气体组分。由于BSRs的出现与海洋沉积中的气体水合物存在非常相关，这使得地震调查成为识别和预测世界海域大陆斜坡天然气水合物分布的最主要，同时也是最流行的勘探方法。　　 天然气水合物的存在会改变沉积地层的声学特征，在地震反射剖面上形成似海底反射、出现BSR横穿地层等典型的地震反射特征，并造成BSR界面速度的急剧变化，这些特征也是地震方法能够广泛应用于海洋天然气水合物探测的重要前提。本文的研究就是以神狐海域单源单缆采集的三维地震数据为基础，详细探讨海洋天然气水合物调查的高分辨率地震成像关键技术，形成最佳的处理思路，使地震成像结果能够凸显含天然气水合物的地震反射特征;在此基础上，综合利用多种地球物理方法（阻抗反演、属性聚类分析及神经网络方法等）并结合含天然气水合物地层的特点和地质条件，分析不同地球物理方法对天然气水合物识别的有效性。论文利用属性聚类方法获得了研究区扩散型天然气水合物和游离气的三维分布，分析了产生这一分布特征的地质原因。此外，为了获得研究区扩散型天然气水合物与渗漏型天然气水合物的完整分布，引入地震海洋学的相关技术并结合地形地貌特点综合分析，利用高分辨率地层成像和水体成像方法，发现了渗漏型天然气水合物存在的地球物理证据。本文的研究成果不仅形成了针对天然气水合物探测的三维地震数据成像的技术思路，并以此为基础对研究区天然气水合物的分布进行了预测。更重要的是，将地震海洋学方法引入浅部天然气渗漏识别中，发现浅部的渗漏型水合物的分布，从而达到全面分析甲烷气体的运移与水合物的形成过程，确定研究区天然气水合物的分布特征，完善了当前的地质认识，为南海天然气水合物资源评价提供重要的分布参数，同时为碳循环的科学研究提供有价值的信息。　　 论文主要研究天然气水合物多道地震成像、天然气水合物地震识别和研究区天然气水合物分布特征预测三个方面的内容，其中天然气水合物多道地震数据成像是研究的基础，识别是关键，而对研究区天然气水合物分布特征的预测则是地球物理方法与地质条件综合分析的结果。　　 天然气水合物地震成像。多道地震数据成像的前提是保幅，目的是保持地层反射的相对振幅关系，关键目标是凸显含天然气水合物地层的地震反射特征，发现天然气水合物存在的典型地震反射标志，包括BSR、BSR横穿地层和强振幅特征、振幅空白带、地层速度异常等，为天然气水合物识别提供定性依据。为了突出含天然气水合物地层的地震反射特征，论文提出了以保幅噪音压制、子波处理、多次衰减和叠前时间偏移为重点的地震数据成像的基本思路。此外，国内的天然气水合物勘探已经逐步由二维向三维发展，三维地震勘探的数据采集主要采用单源单缆方式进行。结合研究区地质条件和采集数据的特点，论文探讨了三维地震数据成像的关键技术，指出三维地震数据成像的重点在于三维方位角定义、面元划分和面元扩展等方面。三维地震数据的成像不仅更有利于从空间上描述含天然气水合物地层的地震反射特征，还可以获得三维地层速度数据体，因此能够提供更多与天然气水合物的存在相关的信息，进一步拓宽对天然气水合物分布的定性认识。　　 扩散型天然气水合物地震识别。地震识别的基础是地震成像，目的是解决地震反射特征与天然气水合物的存在是否对应。结合含天然气水合物沉积层的特点，论文分析对阻抗反演、属性分析及神经网络聚类方法等地球物理方法得到的识别结果进行全面分析，判别不同方法对天然气水合物识别的可行性。由于含天然气水合物沉积层本身的特点，论文讨论了地震波阻抗反演在识别天然气水合物方面的局限性并分析其原因。在提取了大量地震属性基础上，通过综合分析获得了与天然气水合物的存在相关的地震属性，在此基础上进一步优选并以钻探取样结果为约束，确定了以振幅类属性为学习样本的神经网络聚类方法来对天然气水合物进行识别，得到研究区扩散型天然气水合物的三维空间分布。此外，针对游离气分散分布的特点，利用含气地层的地震反射弱振幅特性，并通过弱振幅在三维空间的连通性来识别游离气并确定其分布区间。　　 研究区天然气水合物分布地震预测。根据2007年钻井、测井和取样结果，大多数学者当前对研究区天然气水合物的普遍认识是:　　 1）天然气水合物以细颗粒均匀存在于水合物稳定带内，但平面分布范围极不规则;　　 2）天然气水合物是单层分布的，其埋深位于海底之下150～300m之间;　　 3）形成天然气水合物所需要的游离气并不紧靠BSR下方，而是相对更深的生物成因气扩散形成;　　 4）含水合物沉积层的声波速度较高，其底界与BSR对应关系很好;　　 5）水合物稳定带的孔隙度相对较高。　　 由于测井记录长度和取样深度的限制，研究区域天然气水合物在垂向深度上的分布特征并不确定。论文将SH7井的多种测井数据与对应的地震数据联系起来进行综合分析并与地震反射特征建立联系，以此为基础建立伪井数据和地质模型，进行叠后数据的伪井约束反演和AVO(Amplitude versus offset)正演模拟。伪井约束反演结果表明在已证实的含水合物层之下存在另外一个高速层，而进一步的AVO叠前正演结果与实际地震数据的反射特征比较发现含天然气水合物层是由饱水沉积与含水合物沉积的薄互层组成的，因此可以推测钻孔处已知含天然气水合物层之下很可能存在另一个含水合物层。另外，为了证实渗漏型天然气水合物的存在，将高分辨率多道地震反射数据分离为二个独立部分并分别对水体和地层成像，结果发现水体出现二个似羽状流的异常反射，并且这些异常所在位置与海底的地形地貌特征（如海底下陷、气溢出口）存在一定的关联。根据这一异常，与之对应的地层精细成像结果发现在海底之下不足100m的深度位置出现一个指示天然气水合物存在的明显似海底反射(BSR)。同时，详尽的速度分析揭示渗漏位置之下沉积地层的速度存在下降，可以推测这一异常与渗漏型天然气水合物的存在有关，并且其分布特征与扩散型天然气水合物存在一定的关系。　　 简而言之，论文以单源单缆方式采集的三维高分辨率地震数据为基础，结合研究区地形地质条件，全面分析多道地震数据特征，利用多种地球物理方法，预测在已知含天然气水合物稳定层之下至少还存在另一个含天然气水合物地层，提出了渗漏型天然气水合物存在的多方面证据。论文所取得的主要成果表现在以下几个方面:　　 (1)形成一套能凸显地形复杂海域含天然气水合物地层地震反射特征的2D和3D地震成像技术;　　 (2)以测井数据为约束，将地震反射特征与岩性建立关联，利用AVO正演模拟与伪井约束反演结果综合分析，预测研究区含天然气水合物地层的垂向分布特征;　　 (3)将地震海洋学方法引入渗漏型天然气水合物的识别，并分析扩散型天然气水合物与渗漏型天然气水合物的分布关系;　　 (4)针对含天然气水合物地层为未固结沉积物的特点，利用敏感地震属性聚类的方法，预测扩散型天然气水合物的平面分布特征并分析其地质成因;　　 (5)论文预测了研究区扩散型和渗漏型水合物完整的空间分布模式，这一结果在一定程度上补充和完善了当前南中国海天然气水合物研究的普遍认识，开拓了南中海天然气水合物研究思路，为资源量的准确评价提供更充分的依据。