针对含天然气水合物砂岩建立岩石物理模型,建模过程引入临界水合物饱和度参数描述天然气水合物不同赋存模式,并描述与喷流机制有关的含水合物地层速度频散与衰减规律。计算结果表明,当水合物饱和度低于临界饱和度时,水合物仅存在于孔隙流体混合物中,含水合物砂岩的速度对水合物饱和度的变化不敏感。当水合物饱和度高于临界饱和度时,水合物作为孔隙填充物及固体基质同时存在,含水合物砂岩的速度随水合物饱和度的增加呈现显著增加的趋势。同时,频散与衰减的频带范围受控于水合物与水组成的混合物的粘滞系数。设计并计算水合物饱和度及含水合物地层厚度非均匀变化模型,基于岩石物理模型及传播矩阵理论,计算并分析非均匀水合物地层模型的地震响应特征。研究发现,含水合物地层厚度与似海底反射层即BSR（Bottom Simulating Reflector）的反射振幅及其对应的时频谱振幅能量正相关。建立基于水合物临界饱和度岩石物理模型的反演方法,预测中国南海神狐海域SH2和SH17井中水合物饱和度随地层深度的变化。计算结果表明,本文基于临界水合物饱和度模型的反演方法与常规方法相比具有更高的实用性与精度,能够在反映水合物赋存状态的同时,准确预测水合物饱和度在井中的垂向分布。基于实际地震解释结果建立含水合物地层模型,计算并分析其地震响应特征以及对应的时频属性、瞬时属性以及地震AVO（Amplitude Versus Offset）属性。分析表明,不同时频属性在识别含水合物地层顶底边界、内部饱和度变化时具有不同的敏感性。并且,与横波有关的AVO属性能够较准确地识别含水合物地层顶、底界面,表明横波属性能够有效识别具有固体骨架赋存状态的含水合物地层。研究结果可为含水合物地层的地震描述提供方法技术。