地热地面地球物理勘查方法及应用评价.pdf

地热地面地球物理勘查方法及应用评价 马海，蒲东鸿，魏晓华。虞金林。焦子天 ( 中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏南京2 11 1 3 5 ) 摘要：地热集热、矿、水于一体。作为一种绿色环保的生态型能源，具有巨大的开发价值和发展前景。但地热 复杂的存在形式决定了其较高的开发难度和开发成本，可靠的勘查工作成为地热开发的重要保障和前提。 文章结合国内外地热勘查工作经验，综合分析了重力勘探、磁法勘探、电( 磁) 测深法、地震勘探、浅层测温、 氡气测量等各种地面地球物理勘查方法在地热勘查工作中的应用实用性和可靠性以及多方法综合勘探 的有效性为地球物理勘查方法在地热勘查工作中的综合应用提供参考。 关键词：地热；温泉；地球物理勘查；物探方法；应用 A b s t r a c t ：G e o t h e r m yi n c o r p o r a t e sh e a t ，m i n i n ga n dw a t e r ( A sak i n do fg r e e ne c o t y p ee n e r g y ) ，i sh a sh u g e d e v e l o p m e n tv a l u ea n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s B u ti t sc o m p l e xe x i s t e n c ef o r md e c i d e si t sd e v e l o p m e n td i f f i c u l t y a n dh i g hc o s to fd e v e l o p m e n t ，a n dr e l i a b l ee x p l o r a t i o nb e c o m e st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e ea n dp r e m i s eo f g e o t h e r m a ld e v e l o p m e n t T h ep a p e rc o m b i n e sg e o t h e r m a le x p l o r a t i o nw o r ke x p e r i e n c e sa t h o m ea n da b r o a d ， a n dc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no fg e o t h e r m a le x p l o r a t i o np r a c t i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，a sw e l la s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ei n t e g r a t e de x p l o r a t i o no fa l lk i n d so fg r o u n dg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nm e t h o d s ，s u c ha s g r a v i t yp r o s p e c t i n g ，m a g n e t i cp r o s p e c t i n g ，e l e c t r i c ( m a g n e t i c ) s o u n d i n gm e t h o d ，s e i s m i ce x p l o r a t i o n ，t h es h a l l o w t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，a n dt h eg r o u n dr a d o nm e a s u r e m e n t I t c a n p r o v i d er e f e r e n c e s f o ri n t e g r a t e d a p p l i c a t i o no ft h eg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nm e t h o di ng e o t h e r m a le x p l o r a t i o n K e yw o r d s ：g e o t h e r m y ；h o ts p r i n g s ；g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n ；g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n gm e t h o d ；a p p l i c a t i o n 0引言 地热产生于地球内部放射性物质的蜕变 U 2 3 8 、U 2 3 5 、T h 2 3 2 、K 4 0 其半衰期多在1 0 9 。1 0 1 0 年与地球年龄相当在地球中有较大丰度与较高 放射性热效率对地热的形成有着极为重要的意 义。地热通过岩层热传导、地下水热对流、岩浆侵 入、火山喷发、地震等方式将内部热量释放 1 - 2 。地 热流体作为地热资源开发的主要载体具有水资 源、矿产资源和热能资源的三重属性【3 - 4 1 ，其功能 多、用途广作为洁净的可持续再生能源。近年来 地热的开发和利用受到国内外的高度重视 5 - 6 1 。 地热资源勘探是地热资源开发和利用的基 础也是地球物理方法重要的应用领域。地球物理 勘查主要应用于地热普查阶段和重点区域的补充 勘查工作是地热开发可行性分析中重要的组成部 分其工作的核心为推断地热构造存在的位置。为 后续工作的开展缩小搜索范围从而达到降低投资 风险的目的【蜘。我国地质工作者经过多年的地热勘 查工作积累逐步形成了一套较完备的探测方法技 术、数据处理和解释方法，用于地热常见的物理勘 查方法主要有：重力勘探、磁法勘探、电磁测深法 ( 包括T E M 、M T 、A M T 、C S A M T 等) 、常规电阻率测 深、地震勘探、浅层测温 8 t 、氡气测量、微动勘探和遥 感技术等。然而同样的方法在不同的工作区往往 取得的效果不尽相同。因此，需深人探讨各种工作 方法和手段的原理、适用条件以及成果解释的针对 性等同时需要探讨多种物探方法综合勘探的有效 性和必要性。 _ ；盎材型星壁坠塑 - 4 3 - 万方数据 1地热地球物理基础 地球物理方法的有效应用基于其对目标体岩 性地球物理特性的区分地热资源按照不同的评价 标准分为不同类型不同类型的地热赋存构造具有 不同的地球物理响应这也是导致地热地球物理方 法多样、多变性的原因。 1 1 地热资源分类及分布 地热资源一般按热储介质、构造成因、水热传 输方式可划分成不同的类型。按热储介质可分为孑L 隙型、裂隙型和岩溶裂隙型：按构造成因可分为沉 积盆地型和隆起山地型：按热传输方式可分为传 导型和对流型 9 - 1 2 】。按构造成因可将中国的地热资 源分为沉积盆地型和隆起山地型两大类。另外按 热源和构造等综合条件又可将隆起山地型地热资 源细划为火山型、非火山型和深循型三类：按盆地 的构造性质又可将盆地型地热资源细分为断陷盆 地型和坳陷盆地型两大类【1 3 J 。 本文根据地球物理方法的针对性将地热资源 分为以下四大类：火山岩型、花岗岩型、块内基岩裸 露型、盆地和古潜山型。中国地热资源分布具有明 显的规律性和地带性其中火山岩型地热主要位于 板块或构造地体的边缘，分布地区主要有云南、西 藏、台湾等；花岗岩型地热分布地区主要有辽东、福 建、广东、湖南、江西等；块内基岩裸露型地热分布 地区主要有河南、山西、湖北、四川、贵州等：盆地和 古潜山型地热分布地区主要有中国的东部地区、东 南沿海、台湾、环鄂尔多斯断陷盆地、藏南、川西和 滇西等区域。不同类型的地热系统具有不同的地球 物理勘查依据。 1 2 地热地球物理特性 地热具有水地球物理响应和热地球物理响应两 个主要方面其次岩性参数响应也是判断地热存在 的重要地球物理响应 1 4 - 1 s 3 。水往往赋存于孔隙、裂隙 或岩溶中，其中断裂、破碎构造是地下水存在的较理 想环境，相关的地球物理特性主要有布格场分布、电 阻率、极化率、磁化率、波速等。地热往往会引起岩性 参数的变化，如孑L 隙度、渗透率等，进一步导致密度、 波速、电阻率、磁化率等参数的变化，还会引起地温 梯度和放射性元素等分布的变化，如氡气浓度等。根 据地热地球物理特性的响应可以针对热和水不同 目标选择有效的物探方法开展探测工作。 1 3 常用地热地球物理方法 重力法依据重力布格异常可以比较容易地推 测平原区覆盖层下基底隆起、凹陷及断裂构造位 置。根据推测地质构造分布可预测地热田可能形成 的有利远景区域在地热田勘查初级阶段。利用该 方法可以缩小地热田勘查靶区。另外随着温度的 升高，岩石密度具有明显的降低也成为重力方法 勘查地热的重要依据。 磁法在地热田勘查中同样是一种常用的地球物 理方法应用磁测资料可以发现断裂构造带位置及 走向圈定侵入岩体范围，结合地质资料，推测侵入 体形成的大致地质年代和岩性由此预测侵入岩体 对形成地热田的影响程度。磁测资料还能帮助人们 了解沉积盆地的范围以及盆地内基底起伏情况。根 据磁测资料推测结果结合相关地质资料能够预测 地热可能形成的远景区域缩小地热田的勘查区域。 电( 磁) 测深法是目前地热勘查中最常用的地 球物理方法之一，地热勘查常用的电( 磁) 方法有对 称四极测深法、频率测深法、瞬变电磁法( T E M ) 虹唧、 大地电磁测深法( M T ) 、音频大地电磁测深法 ( A M T ) 、可控源音频大地电磁测深法( C S A M T ) 【- s ， 以及可控源和天然源相结合的E H 一4 电磁测深【捌。 热储区电阻率是热储区体积范围内各种介质电阻 率的综合反映，主要包括地层岩性、地层温度、水离 子类型和浓度、地层孔隙度、渗透率及岩层破碎程 度等。另外热水的溶解能力相对较高随着地下水 温度的升高，地下水溶解能力增强水的密度和粘 滞性减小随之地下水矿化度增高，离子活跃性增 加，电阻率降低形成热储构造区低电阻率异常特 征。但是对于高温蒸汽地热系统而言由于蒸汽类 似于一种高阻介质充满地层孔隙中使得高温蒸汽 地热系统体积电阻率呈相对高阻异常特征 2 0 - 2 1 1 。 地震法主要通过研究人工激发的地震波的运 动学和动力学特征来解决地质问题 2 2 1 。地震法通过 地震波的反射、折射和透射情况，经过成像、反演等 可精确反映地下岩层、构造、流体、气体等的分布及 赋存情况。微动属于地震法的一种，是地球表面 日常微小的颤动它区别于有特定震源和发震事件 的“微震”，在任何时间和地点均可以观测例。微动 勘测方法就是一种以平稳随机过程为依据从微动 信号中提取面波( 瑞雷波) 频散曲线。通过对频散曲 _ 互盎材型墅幽 万方数据 线反演得到地下介质S 波速度结构的地球物理勘 探方法。相关研究与实验结果表明。隐伏断裂破碎 带在微动视S 波速度剖面上有明显的低速异常显 示这成为微动剖面解释隐伏地热构造的重要标 志。并为地热井位选址提供重要依据。 测温法包括大地热流值测量、地层温度测量和 地层温度梯度测量| 2 - S l 。岩层热导率和大地热流值对 形成地热田至关重要大地热流值的高低决定了这 个地区接收深部传递上来热量的多少热流值越 高形成高温异常越有利。热流值是关于地球内部 释放热量在地表能够测量的唯一参数是预测一个 地区能否形成地热田的重要参数，热流值越高，形 成地热田越有利。 氡气测量法是一种便利有效的放射性探测技 术，在众多领域中得到了广泛应用。放射性元素在 自然界中广泛存在在其衰变过程中产生许多子 体，其中氧严R n ) 是唯一呈气态的子体，它可以由 地下迁移到地表，从而反映地下深层的信息。 2 应用实例 一般在实际勘查工作中采用多种方法相结合 的模式展开物探工作。一方面尽可能减少多解性， 另一方面互相印证方法的可靠性。下面用几个应用 实例展示各种物探方法在地热勘查中的应用。 2 1 重力和磁法 某地热田开展综合物探勘查工作图I 为磁法曲 线和重力曲线的对比参照图图l 所示的重力水平梯 度曲线异常位置预测一条断裂的存在。此位置也与布 格重力曲线和磁力曲线的异常位置相对应。此处后经 进一步勘查确定为一个规模较大的正断层。 2 2 氡气和可控源大地电磁测深法 图2 是某地热田C S A M T 电阻率剖面与氡气 检测曲线的对比图图2 中三个电阻率低异常推测 为岩性破碎或小型断层三个氡气高异常与三个推 测断裂位置保持一致，进一步印证了我们的推测。 因此两种方法结合除了可以分别发挥各自探测优 势之外，还具有互相印证的作用。 2 啪直号I I 芦l 籴= 嵩 童翟 qI 5 0 O 蓦蔓 一3 一布格重力曲线；一重力水平梯度曲线；- 磁力曲线；异常位置 图1 某地热田磁法曲线和重力曲线对比图 二二二一号 F l ，F 2 ，F 3 一三个推测断裂带；H l ，H 2 ，H 3 一三个推测异常位置 图2 某地热田C S A M T 电阻率剖面和氡气检测曲线对比 _ 互盔1 | 才丝堡垒墼垡 4 5 万方数据 2 3 音频大地电磁测深法 图3 为某地热田开展A M T 工作中两个相交电 阻率剖面的三维展示图。在没有其它辅助物探手段 勘查的情况下合理全面的测线布设也可以在一定 程度上实现自我验证，达到减小多解性、提高探测 可靠度的目的。图3 中两条相交剖面所推测的岩性 分界面与地区岩层产状一致推测的岩性情况与钻 井结果保持一致。 D F I D F 2 一推测断裂破碎带：S R 一推测岩性分界面 图3 某地热田A M T 电阻率剖面三维展示 2 4 微动探测 图4 是丰台某小区地热井前期勘查工作所做的 微动探测成果与钻井成果的对比图。勘探结果与实钻 结果基本一致。在此地区利用微动测深方法较准确地 推断出了断裂位置为井位选择与设计起到了重要作 用经钻井验证成功地打出一口高温高产地热井。 3 方法评价 3 1 物探方法应用简评 重力在勘查基底隆起、凹陷，确定断裂构造位 置、走向上是一种十分有效的物探方法，特别是在 平原覆盖区效果更为显著。 电( 磁) 测深法，特别是( 可控源) 大地电磁测深 法在体现基岩面起伏、地层大体分层和判断断裂的 走向趋势方面都有很好的效果。电( 磁) 测深法之所 以分支方法众多是因为其面临的地质问题极其复 杂同样地不同地热地质问题需要不同电( 磁) 测深 法来解决。 l 一第四系；2 一新近系；3 一古近系；4 - 白垩系；5 一侏罗系； 6 一青白口系下马岭组；7 一蓟县系铁岭组；8 一蓟县系洪水庄组； 9 一蓟县系雾迷山组 图4J 一5 9 地热井热井微动探测结果与钻井成果对比 磁法特别是航空磁测结果效果更为明显。由 于航空磁法测量面积大，磁场区域背景广，一些弱 小、杂乱的磁异常在区域背景磁场的衬托下反映将 更为明显 由于地热资源一般蕴藏在地下数千米导致地 震方法勘查成本高在城市地震勘查中震源问题解 决比较困难因此地震方法在地热田勘查中很少应 用。但对地热田勘查来讲，目标区的高分辨率地震 资料具有极高的参考价值因此油气田地热勘查应 该得到足够重视。 地温法是寻找深部地热田最直接的方法。该方 法对浅部地热田勘查效果较好对深部地热田勘查 存在较大的局限性因此，在地热田勘查过程中要 分析地热田形成原因根据勘查目的确定温度测量 方法的应用。另外。地热勘查不仅要解决热的问题。 还要解决水的问题因此温度测量必须与其他方法 一起综合应用，才能达到探测目的。 氡气测量具有操作便捷、响应明显的特点但 其与地温测量具有类似的特点需要作为辅助手段 与其他方法一起综合应用。 微动测深方法对深部低速层的分辨能力较高 对破碎带等低速异常体探测效果良好能有效圈定 万方数据 含水破碎带区域解释推断精度相对高可为地热 井位选址提供重要依据。 3 2 物探方法选择 针对我国不同类型地热田地区可以根据其地 质任务的特殊性选择合理的物探方法组合。对火山 岩区，高分辨率地震资料、重力、大地电磁测深等可 以实现对深部热源及深部断裂构造的探测：微动测 深可以观测深部火山活动；地面电法、磁法、重力、 地温测量等可以研究盖层及破碎发育。对花岗岩 区，地面电法、磁法、地温测量、氡气测量等探测基 岩埋深及断裂发育：微动探测活动断裂及热水通道 情况：大地电磁测深法可探测热源情况。块内基岩 裸露区，地面电法、磁法、地温测量、氡气测量等探 测局部断裂：浅地震研究盖层及盖层下的断裂。盆 地和古潜山重力法可探测中新生代下伏灰岩古潜 山分布：收集石油地震剖面和构造图研究古潜山细 详构造：地面电法可探测研究古潜山构造。 4 结语 地球物理勘探工作在地热勘查中的地位举足 轻重越来越成为减小地热勘探开发风险的重要手 段。物探工作的重点应该是最大限度地排除其解释 多解性这就需要全面考虑地热地质任务的特殊 性结合地质水文工作成果和资料。有针对地取舍 和综合有效的物探方法加以合理的探测工作设 计方能达到地球物理工作目的。 参考文献 1 1 周厚芳，刘闯，石昆法地热资源探测方法研究进展 o 】地球物理学进展，2 0 0 3 ，1 2 ( 1 8 ) ( 4 ) ：6 5 6 6 6 1 f 2 1 曾昭发，陈雄，李静，等地热地球物理勘探新进 展】地球物理学进展，2 0 1 2 ，2 ，( 2 7 ) ( 1 ) ：1 6 8 - 1 7 7 3 1 陈仲侯工程与环境物探教程f M l 北京：地质出版 社1 9 9 6 ：2 2 0 - 2 2 5 4 1 吴继新地热勘查中各种技术方法的综合运用f 1 1 地下水，2 0 1 3 ，3 5 ( 3 ) ：1 0 5 - 1 0 6 f 5 1 庞忠和。黄少鹏中国地热研究的进展与展1 ( 1 9 9 5 2 0 1 4 ) 地质科学，2 0 1 4 ，4 9 ( 3 ) ：7 1 9 7 2 7 6 】邓志德地热勘查方法的应用探讨U 】地球，2 0 1 4 ( 8 ) ：1 5 9 ，3 3 1 7 1 徐光辉，余钦范，哀学诚深部地热勘查方法在北 京地区应用的探讨U 】物探与化探，2 0 0 7 ，3 1 ( 1 ) ：9 1 3 8 王连成浅层测温在地热勘查开发中的应用U ， 太原理工大学学报，1 9 9 8 ，2 9 ( 1 ) ：5 1 5 6 f 9 T o k s o zMN ，L a c o s sRT M i c r o t r e m o r s m o d e s t r n c t u r ea n ds o u r c e s U J S c i e n c e ，1 9 6 8 ，1 5 9 ：8 7 2 8 7 3 1 0 B e r k t o l dA E l e c t r o m a g n e t i cs t u d i e si ng e o t h e r - m a lr e g i o n sU 】G e o p h y s i c a lS u r v e y s ，1 9 8 3 ，6 ( 1 2 ) ： 1 7 3 - 2 0 0 11 A b i y eTA ，H a i l eT G e o p h y s i c a le x p l o r a t i o no f t h eB o k ug e o t h e r m a la r e a ，C e n t r a lE t h i o p i a nR i e U G e o t h e r m i c s ，2 0 0 8 ，3 7 ( 6 ) ：5 8 6 5 9 6 【1 2 蔺文静，刘志明中国地热资源及其潜力评估U 】 中国地质，2 0 1 3 ，4 0 ( 1 ) ：3 1 2 3 2 1 1 3 】陈墨香中国地热研究之进展U 】地球科学一中 国地质大学学报。1 9 9 5 ，2 0 ( 4 ) ：3 6 7 3 7 2 1 4 1 金永念，张登明，刘志平综合地球物理勘查技术 在地热勘查中的应用田水文地质工程地质，2 0 0 6 ( 1 ) ： 9 2 - 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