地热地球物理勘探新进展_曾昭发.pdf

第 卷 第 期 年 月 页码 地 球 物 理 学 进 展 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 地热地球物理勘探新进展 曾昭发 陈 雄 李 静 李桐林 张良怀 吉林大学地球探测科学与技术学院 长春 摘 要 地热作为一种清洁能源具有巨大的开发潜力 将在我国的经济发展中起到巨大的作用 在传统的热水型 地热开发的基础上 国际上非常重视热干岩 型地热的勘探开发 在这两类地热勘查和开发 中 地球物理方法具有非常重要的作用 本文从地热系统的目标体岩石的地球物理性质出发 分析岩石的地球物理 性质与温度 压力和含水量等影响因素的关系 例如随着温度的升高 岩石会出现去磁 电阻率降低 密度降低 弹 性波速度也现明显降低等现象 进而分析地球物理方法应用到具体的地热勘查地质 地球物理异常模型 结合国 际上 世纪以后的新方法技术 分析了重磁 电 地震方法在利用由于岩石温度的升高而出现的特殊地球物理现 象 并应用于地热勘探 通过国内外实例介绍了各种地球物理勘探方法在地热勘查中成功应用 为进一步提高我国 地热勘查水平 提供一些参考 关键词 地热 地球物理勘探 地热地质 地球物理模型 岩石物理性质 中图分类号 文献标识码 收稿日期 修回日期 投稿网址 基金项目 吉林省科技发展计划 吉林省长白山地区三维地球物理反演和地热研究 和国家自然科学基金项目 联合 资助 作者简介 曾昭发 男 年生 广西全州县人 博士 吉林大学地球探测科学与技术学院教授 博士生导师 主要从事应用地球物理电磁 法教学和研究 期 曾昭发 等 地热地球物理勘探新进展 引 言 世界经济对石油 煤炭和天然气等非再生能源 的依赖严重制约了社会的可持续发展 也造成了严 重的环境污染和生态平衡的破坏 近年来 国内外非 常重视地热等绿色 可持续再生能源的开发和利用 地热是指由蕴藏在地球内部的放射性物质发生热蜕 变等原因产生 在地球内热相对富集地区和大地构 造活动强烈地区且达到人类 开 发 利 用 标 准 的 热 能 地热资源有着极其广泛的用途 可应用于洗浴 和医疗 蒸气发电 工业烘干 供暖 温室种植 水产 养殖 饮用矿泉 农业灌溉等领域 地球内部一方面由放射性物质蜕变不断产生热 量 另一方面又不断的通过各种方式将内部热量释 放 从而保持地球内部热量的平衡 地球内部热量释 放主要是以岩层热传导 地下水热对流 岩浆侵入 火山喷发 地震等方式 释放出来的这部分热量是我 们可能利用的有效热源 也是形成地热田的主要热 量来源 估计 在地球内部 深度 处所储存的高于地表温度的总热量约为 大约相当于 桶石油 世界每年石油的消 耗是 桶 燃烧所放出的热量 如果这个热 量的很小一部分能够被利用 其贡献也将是非常巨 大的 大量研究资料表明 在地质构造活动强烈地 区 存在一股强大的来自地壳深部及上地幔的过量 热流 地质构造活动性越强 热流量越高 同时断裂 构造对地热田分布有直接的控制作用 上地幔岩浆 热液沿深大断裂上升至地壳上部 将浅层地下水加 热 这些被加热的地下热水沿断裂上升 和浅部凉水 混合 在地表形成热泉或在上覆地层中形成地热异 常区 当这些热异常区存在较好的热储构造时就能 够形成地热田 深大断裂不仅提供了深部热量上升 通道 还提供了地热田的地下水补给通道 地热资源类型的划分有多种方法 根据地热系 统的地质环境和热量的传递方式可分成对流型地热 系统和传导型地热系统两大类 依据地热资源的存 在形式可分为水热型地热资源和热干岩型地热资 源 水热型地热资源包括 干蒸汽型地热田 特点是热焓高 温度大于 发电效率高 著名的此类地热田有美国盖塞 尔斯 意大利拉得瑞罗和日本松川等 我国尚未发现 此类型地热田 湿蒸汽型地热田 特点是以热水为主 水占 其余为蒸汽 温度大于 这种类 形的地热田有著名的新西兰怀拉基 冰岛雷克雅未 克 日本大岳 我国西藏羊八井 云南腾冲和台湾大 屯等 热水型地热田 特点是热流体仅为单相的热 水 这类地热田在我国分布很广 北京 天津和东南 沿海等地都有 这些出露温泉大都属于断裂构造对流型温泉 热储构造埋藏浅 人们只需要用简单的勘查方法 如 对称四极测深法 地表测温法及化探汞量测量等方 法就可以追踪断裂构造走向 探测断层产状和破碎 带位置 进而通过钻探发现深部的热储构造 获取更 高的出水温度和出水量 达到扩大开发利用深部地 下热水的目的 但是经过多年地热勘查 出露地表的 这部分地热资源基本开发完毕 为了满足人们对地 热资源量的需求 必须开发那些深部地热资源 热干岩型地热 资源地 热田特点是热储大 通常埋深为 利用地下 热干岩体发电的设想 是美国人莫顿和史密斯于 年提出的 年 他们在新墨西哥州北部打 了两口约 的深斜井 从一口井中将冷水注 入到热干岩体 从另一口井取出由岩体加热产生的 蒸汽 发电功率达 千瓦 热干岩 技术主要是 通过在钻孔中以加压的 方 式将 水注入到 深度的高温岩体 通常为花岗岩 中 这些水 被加热呈沸腾状态并通过裂隙从附近的另外一处钻 孔中喷出地面 喷出的热水被注入到一个热交换器 中 将其它沸点较低的液体加热 将生成的气体驱动 蒸汽涡轮机进行发电 冷却后的水可以进一步提取 热能后再次注入钻孔中循环利用 日本已经进行热 干岩发电研究和试验 英国 法国 德国和俄罗斯等 国正在积极开展探索和研究 地热资源的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 地球物理方 法应用于地热探测具有悠久的历史 形成了一套较 完备的探测方法技术和数据处理和解释方法 包括 航空 地面和井中地球物理方法 从地热评价的 阶段 具有地热田早期评价的区域地球物理调查方 法 地球物理勘探方法和地热开发的地球物理方法 从方法的来源有油气地球物理方法 金属矿地球物 理方法和其它地球物理方法 大量的文献介绍 采用 地 球 物 理 勘 查 地 热 方 面 的 理 论 应 用 实 例 等 基于地球物理方法在地热勘查中的 重要性以及方法种类和方法作用的差异 本文将从 地热勘查的模型 热储的岩石物性的特征出发 介绍 地球物理学进展 卷 最近国际上提出的地热勘查新方法 作为地球物理物 理方法应用于地热探测的机理和目前国际上的探测应 用主要进展的一个简单总结 供相关技术人员参考 地热田地质模型 地热勘查的基本模型类似于油气勘探 也由 生 储 盖 等部分组成 图 为地热地质模型 的示意图 从图可见 产生热的热源主要是来自地球 深部 由于岩浆作用或构造运动 部分热量到达地壳 的浅 部 并储存 起来 形成可供人 类利 用 的 地热 资源 根据地热的形成和产生地热异常的规律 地热 发生对流具有如下 个步骤 补充区域 该区域地面的雨水进行补给 补 给的区域很大 包括地面的径流的所有区域向地下 岩石进行微小的渗漏 流入带 地面雨水进入到地热储层区域的 路径 热水地热储集区 流出带 在地面水进入热源区之前 热水流 出的途径 上流带或流出途径的流出端 即热水或温泉 流出到地表 根据以上特点 很多人总结地热勘探的模型 通 常对于不同类型的地热 模型有所变化 但总的来 说 包括生 储 盖三个部分 其地球物理性质的差 异 成为地热勘探的基础 图 图 是三个比较典型的地质模型 这三 个模型基本特征一致 模型中都包括有 热源 即热的主要来源 通常是指地壳深部 的岩浆囊或侵入体 热储 即基岩的一部分 其裂隙和孔隙中包 含有天然的流体 岩石盖层 也就是渗透性较差的岩石 它能 保持流体储存在下伏岩石中 并保持较高的温度 防 止地表水与热水混合 而降低温度 图 是比较常见 的一种地热 在该地热模型中盖层为低阻层 而下伏 的岩石电阻率相对较高 图 是一个实际探测中 常见的地热模型 它包含了地形的变化对地质层和 结构特点的影响 图 是通常盆地区域或较厚沉积 盖层区地热模型 地热田地球物理勘探方法基础 地热的勘查深度越来越大 地球物理方法重要 图 传导型地热系统的电阻率模型 示意图 等 图 陡倾地形条件下一般化的地热系统 性及难度也就越来越大 对于地球物理勘探方法的 应用 其方法基础主要包括以下方面 期 曾昭发 等 地热地球物理勘探新进展 图 高温地热场模型图 电阻率 电性参数是地球物理电法 电磁法勘探中最重 要的参数 也是应用于地热勘查最重要的方法基础 电阻率在地热的勘查中作用非常明显 一方面 构造 带 地热田的生储盖等不同部位具有较明显的电性 差异 对于构造带型的热储 其电阻率与围岩电阻率 的差异在很多文献中讨论过 另一方面 随着温 度的升高 电阻率发生很大的变化 这也是电法和电 磁法在地热勘查中作用明显的另一个重要原因 地下的热作用 将很明显改变岩石的地球物理 性质 地热区电阻率的空间分布不仅受围岩性质的 影响 还与勘探对象 热水的分布直接有关 前苏联 科学家 通过大量试验研究 得出含 水岩层电阻率和温度变化之间的关系为 式中 分别是地层温度为 和 时的 地层电阻率 是岩石温度系数 岩石系数和岩性及 含水溶液矿化度有关 一般情况下岩石温度系数取 值为 在蚀变的玄 武岩条件下 对 式进行了校正 得到电阻率和温 度的经验性公式为 其中 和 是在温度 和 时的电阻率 经验常数 和 分别是在温度为 时确定的 总体上 随着温度的升高 电阻率在不断的降 低 可见在地热田勘查中 低阻体成为最重要的目 标 由于它的直接指示作用和地热田不同部位电性 差异明显 电法和电磁法也就成为地热资源勘探中 最直接有效的方法技术 图 地热区弹性波速度和密度与温度的关系 图 地热田井中样品的 波速度与温度 的关系 密度和磁化率的变化 密度和磁化率是重磁勘探方法的基础 一方面 地球物理学进展 卷 通过重磁测量的数据研究地热目标的构造体系 分 析地热的成因环境 另一方面温度的变化影响磁化 率的变化 这种变化主要体现在对磁性矿物的去磁 作用 特别是当温度升高到居里温度时 岩石磁性消 失 这一规律成为研究深部热源的重要线索 另外随 着温度的升高 密度具有明显的降低 也成为重力方 法勘查地热的重要基础 弹性波速度的影响 随着温度的升高 岩石的力学性质将发生很大 变化 这种变化在地球物理勘探中曾有过广泛研 究 其中最明显的规律是随着温度的升高 岩 石的纵波速度降低 横波速度逐渐减少 最后趋于 零 高分辨率三维纵波和横波速度结构可以通过传 播时间来获得 在美国的加州 地热区采用微地震来确 定泊松比和孔隙度的分布规律 可以通过纵横波 速度的扰动变化 以及泊松比和孔隙度的变化规律 来圈定可能的地热流强度 裂隙发育区和流体的饱 和度 地区平均的泊松比在 左右 低于 通常地壳背景的 地球物理方法勘探模型 在多年勘探成果的基础上 研究人员总结出如 下两类模型 以指导地球物理方法的应用和研究 基于侵入热源的地热模型 图 从图可 见 由于地下掩体的侵入 形成了高温热源 同时对 上覆地层的地球物理性质产生较大的影响 例如形 成了一个蒙脱石层带和伊利石 蒙脱石带 这两个 带具有良好的保护下部热源的功能 同时两个带具 有较低的电阻率 对地热田具有良好的指示作用 由于岩体侵入 温度较高 对岩石的磁性和密度 以及弹性波速度产生较大的影响 最典型的异常特 点是自由空气重力异常和航磁异常的负相关 布格 重力异常与磁异常的正相关 受地下深部侵入体的影响 图 热源影 响到上部的沉积岩或含水层 并将含水地层加热 该 模型中侵入体比较深 因而探测目的主要针对上部 含水层或地质体 这类地热田的评价 地震方法用来 确定含水层以及构造带 在电磁法的基础上可以确 定地热田范围 图 和图 都是利用图 和图 地质模型来获 得的典型地球物理探测剖面 图 可见温度的变化 与电阻率具有良好的相关性 图 是基于 和 两种探测方式联合反演结果 具有良好的指示 作用 图 电阻率测深结果和钻孔 地热测量值的 综合剖面图 等 图 采用大地电磁的 和 数据 联合反演的结果图 等 地热探测的异常的类型 对于地热的勘探 不同的地球物理方法具有不 同的效果 总结了地球物理方法在 地热中的应用 根据地球物理方法的异常效果进行 了总结和分析 这里根据方法在地热的不同探测阶 段的作用类型 将探测方法分为三种类型 区域评价方法或地热指示方法 这些方法中 有间接探测的方法 也可以直接提 取与地下热能有关信息的方法 指导地热的勘查和 期 曾昭发 等 地热地球物理勘探新进展 指示区域远景 包括 遥感方法 遥感方法的数据种类很多 电磁 波谱范围也较广 具有卫星 航空和地面的遥感探 测 例如 采用不同时期的遥感数据 计 算地下的热流分布规律 为地热的勘查和评价提供 了重要的手段 特别是航空和卫星红外遥感是直 接指示地热远景区的重要方法技术 放 射 性 探 测 方 法 重 磁 方 法 和 自 然 电 位 等方法 这些地球物理方法的主要特点是测 量效率高 能开展大面积的测量 并能够积累区域的 面积数据 通过对这些数据分析和解释 确定地热区 域远景的规划和区域的评价具有重要的意义 地热田的勘探与评价方法 对一个局部区域的地热田勘探 需要勘探的内 容不仅是地热存在的区域 还需要评估其赋存的深 度 温度和含水量等参数 这是地热钻探和开发的最 重要 的 前 期 工 作 这 些 方 法 技 术 文 献 中 介 绍 最 多 包括 重磁方法 电法和电磁法 电法和电磁方法种类很多 包括直流电测深 频率电磁测深 和 等方法 地震方法包括人工地震方法和基于天然地 震波的各种探测方法 地热田的开发与监测方法 地热田的开发和监测是地热开发和可持续发展 的重要保证 我国目前主要是以上两类地球物理方 法的应用 在国际上 地热田的开发和后期的监测 中 地球物理发挥了越来越重要的作用 特别是在热 干岩的开发中 方法包括 地震方法 井中地球物理方法 遥感和微重力测量方法 直接用于地热勘查的新技术 由于地热的经济价值以及国际上发展绿色经济 的需要 将应用于油气和金属矿勘探的方法技术直 接应用于地热勘探 在多年的应用中 为适应地热的 探测 将这些地球物理方法进行了创新 取得了一些 新的进展 这里介绍以下几种方法及其应用 重磁方法及在地热勘查中直接指示作用 等 在研究安纳托 利亚东部的区域构造的时候发现 一个重要的指示 区域地下地热远景区域的指标是自由空气重力异常 与航磁异常的明显的负相关关系 如图 所示 在 之间 之间 根据该区的 地震资料 综合认为这种负相关的关系表现为由于 热液的上升 致使区域地壳变薄 产生了自由空气重 力异常的升高 而由于热的作用 居里面深度的抬升 和去磁化作用 产生了相对的低磁异常 并成为地热 勘查的重要标志 另外 由于高温造成的低密度区域 在区域布格重力异常上产生高振幅的负值异常 最 大能够达到 采用功率谱的方法确定的 高温目标体深度南部达到 而北部为 而采用欧拉反褶积的方法确定地壳深度在 之间 图 安纳托利亚东部自由空气重力异常与磁异常的负相关关系指示了地下深部的热流的分布规律 另外航磁在浅部的地热勘查中 由于热液作用 岩石具有较强的去磁化作用 该作用在新西兰的 地球物理学进展 卷 图 地下地热区温度和电阻率的关系剖面图 地热田产生 剩余磁异常 根据以 上特征 重磁方法不仅应用于构造或区域岩石分类 与判别 间接地辅助地热勘查 还能够将以上特征直 接用于地热区的评价 基于电法和电磁法的探测评价和温度评价 方法 由于地热流体或热干岩的地热田电阻率低值与 温度有良好的相关性 可采用电法和电磁法进行地 热直接勘查 在具有较好的钻孔资料或其他资料的 约束下 根据电阻率的分布 直接确定地下目标体的 温度分布规律 图 就是智利一个地热区的大地电 磁测量结果与温度的分布剖面图 从图可见 温 度与电阻率低值区具有良好的一致性 地震方法直接用于地热勘查 等采用地震随机噪声成像 的方法来研究美国 地热田的地质构造 他们 采用 个稳定的测量台站 反演 秒的 地下速度图像 反演其结果表现为 在 地区 横波速度通常非常低 特别是在 的深度 具有一个恒定的低速区 在 的深度具有 一定的低速异常 当到达 的深度 这一低速 异常区消失 图 分析认为 以上的低速异 常来自地热的蚀变带 在 以下没有探测到侵 入的岩体 但是 的横波速度异常分析是 岩石的部分熔融所致 在深度为 的低速区域 下部为中新统 现代火山系统 分析现代的一些岩 浆活动也将分布在这一深度区域 图 是速度和速度扰动变化的剖面图 从剖面 图上可以更加明显地看到以上的规律 图 是地热 田区即 地区与非地热区 地区 速度变化 随深度变化对比图 由图可见由于地热作用 岩石的 弹性波速度具有明显的降低 这也成为地热探测重 要的直接性标志 结 论 地热作为一种重要的可再生 清洁能源 对促进 国家可持续发展具有重要的意义 对地热资源的勘 探与开发 方法技术主要引进如石油 天然气和金属 矿的勘探的方法技术 由于地热的一些特殊性 需要 总结出一套有效的 并具有专属性的方法技术 综合以上的介绍 重磁方法的异常特征表明 在 地热田上方由于温度的升高 使得岩石去磁和密度 的降低 表现出磁异常与自由空气重力异常的负相 关和磁异常与布格重力异常的正相关 成为地热勘 查的良好的指示特征 电阻率与温度的良好相关性 成为电磁法预测地下深部地热温度的重要的指示参 数 人工地震复杂的数据采集方法技术极大的增加 了勘查的成本 天然地震台站采集天然地震数据成 为地热勘查中非常重要的方法技术 在提高探测效 果的同时 能够降低勘探的成本 在未来的地热资源勘探开发应用中 随着勘探 深度的加大 开发成本及技术难度也随之增加 为了 更准确有效的应用地球物理勘探方法进行地热田勘 查 我们应结合地热本身的各种物性差异以及相应 期 曾昭发 等 地热地球物理