浅议地热资源常用物探方法及功效

mt-vct · 发表于 2020-5-31 16:36

浅议地热资源常用物探方法及功效

寇伟寇通

郑州地象科技有限公司，河南郑州 450000

摘要：目前国内的深部地热勘探主要依赖地球物理勘探方法，由于地热勘探深度大、探测精度要求高、凿井成本高达几百万元，要求物探方法的勘探定井准确性要高。实践中进行深部地热资源勘探的物探方法多种多样、效果不一、各有优劣之处，在此加以简单评价。

关键词：地热资源，物探方法，断裂构造，勘探定井

以往勘探论证成果表明，板块内岩溶热水的形成与出露一般都是受压扭性断裂与张扭性断裂的双重控制。由于张性断裂有着良好的张开程度，地下热水常沿这类断裂流动、排泄；压性断裂面是受主压应力作用的结构面，也是受应力最大的结构面，因此断裂深、规模大。压性结构面的两侧，岩石挤压强烈，岩石结构致密，岩石的电阻率或电位值变高。当地下热水在深部向排泄区水平径流时，遇到阻水的压性断裂，改变径流条件，充斥断裂层内形成地下热水的富集，致使其沿着张性断裂或压性断裂的相对启开部分向上运移。在压性断裂与张性断裂交汇处，岩石破碎，裂隙发育，形成热水上升的良好通道。所以地下热水的出现，多是张性断裂与其主干压性断裂联合作用的结果。因此，应用物探方法在板内区域寻找地下热水的关键就是寻找控制地下热水的构造，即通过物探方法对高值压性断裂构造和低值张性断裂构造的明显反映，寻找压性断裂与张性断裂交汇处的基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,结合区域水文地质条件判断其富水性，从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。[1]

根据地质构造的特点和我们在实践中的经验与认识，在地壳中深层仍有含水裂隙和赋水层的地质构造必然是较大的张性断裂构造，这种断裂构造在近地表浅层的张启宽度少则几百米、多则几公里，与其关联的同一时期地壳运动形成的压性断裂构造一般与张性断裂相距甚远。若是应用物探方法在板内区域寻找地下热水时，除非是进行几公里以上远距离勘探工作，否则在一条测线上很难同时探测到明显的高值压性断裂构造和低值张性断裂构造，而要找到压性断裂与张性断裂交汇处更是难上加难。

其实，地热资源勘探工作的目的就是寻找深部地下含水构造、在最佳位置凿井深部取水，根据地温增热梯度原理，只要取水层足够深、水温就足够热，能否达到抽取出热水的目的，关键是要找到深部含水构造、凿井取到深部的水。因此，地热资源勘探工作就是要通过物探方法对断裂构造、特别是开启性断裂构造的明显反映，寻找含水性和导通性较好的基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,结合区域水文地质条件判断其富水性，再进一步探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。

目前国内的深部地热勘探主要依赖地球物理勘探方法。地球物理勘探方法在地热勘探中具有其独特的优点，是其他方法无法替代的。具体表现在：适用范围广、勘探深度大、勘探效率相对较高、勘探成本相对较低。随着地球物理勘探仪器的更新换代和性能的提高，地球物理数据处理技术的发展，使得地球物理勘探方法成为地热勘探中的主角。目前，由于地热勘探深度在不断加大、探测精度要求也在不断提高，一些传统物探技术如直流电测深技术、岩性测深技术将难于担当此任。近四十年来发展起来的一些新兴技术中，常被用来进行深部地热勘探的电磁测深方法是瞬变电磁测深和大地电磁测深等。在所有物探方法中电阻率或电位值异常是寻找地热资源的主要标志，但当地热资源埋深较大时，反映到地表的异常信息相应减弱，原有的电法、磁法的探测效果明显不足，而从国外引进的CSAMT可控源音频大地电磁测深方法在近二十年内的深部地热勘查中发挥着重要作用，被越来越多的地热勘探项目使用，并取得了较好的效果。然而，使用现有物探方法进行深部地热资源勘探，各种方法效果不一、各有优劣之处，即使是效果较好、备受推崇的CSAMT可控源音频大地探测方法，在实践中也被认定仅靠此法是不够的，往往还要使用另外几种物探方法配合勘探和验证，才能最终判定地热资源分布状况。

那么，在进行深部地热资源勘探中，究竟哪些方法可用、哪些方法不适用，可用方法的优点是什么、还有什么不足，目前市场上使用的物探方法多种多样，都在说自己使用方法的优势大、效果好，缺乏较为客观的分析和评价。

按照本人的理解和认知，评价一种物探方法能否用于深部地热资源勘探及其功效如何，首先看其是否能够满足以下基本条件：一是探测深度至少要达到2000米；二是不能仅仅对地下平面透视而是要进行立体剖切、而且测深分层不能太粗；三是组成线剖面的探测点间距要小、过大会看不清或漏掉含水构造。如果不能满足以上三个条件，无论是设备进口价格有多高、运用技术是多么先进，最多只能作为前期勘探或辅助勘探手段，不能承担地热资源勘探的重任。

1、高分辨率地震勘探

在地球内部地层间普遍存在着速度差异和波阻抗差异，地震勘探就是以这些不同岩矿石间的弹性差异为基础，通过研究人工激发地震波的运动学和动力学特征来解决地质问题的二维以及三维地震剖面。地震勘探方法用于地热勘探中主要观察地震波速度衰减和地层吸收衰减两个参数的变化：一是岩石的地震波速度会随温度升高而降低，而水的地震波速度亦随温度升高会降低的更多；二是当地层含流体后纵横波振幅能量会严重衰减，地震波高频成分也大幅度衰减，含蒸汽时振幅、频率衰减会更严重。

高分辨率地震勘探的优点是：可以高精度地连续追踪标准反射层，细致反映断裂构造的确切位置，而且还能反映断裂的产状、形态、断距、破碎带宽度等一系列重要参数。缺点是若没有较多的钻孔地质资料作为参考进行矫正的话，在地震资料的处理、解释过程中难免出现技术针对性不强等问题，导致产生三维地震偏移速度百分比难以界定、片面强调信噪比造成的小断层反应模糊以及地震时一维转换速度不准等问题。

简评：地震勘探是一种超深且高精度的勘探方法，通过分频扫描分析可以进行细密分层观察断裂构造。但是，由于勘探成本过高、耗时过长，也不可能进行钻孔矫正确保其分析结果的准确性，一般多用于石油勘探而很少用于地热勘探业务。

2、大地电磁法勘探（MT）

大地电磁测深是在地面上观测具有区域性乃至全球性分布特征的天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的一种勘探方法。大地电磁法以自天上到地下穿透地层的天然平面电磁波为场源，依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电导率结构。大地电磁测深反演就是根据地表实测的视电阻率、相位等数据来求取大地深部电导率结构的过程，该电导率结构的正演响应能极好地拟合视电阻率、相位等实测数据。

MT属于天然场源频率域电磁法，具有设备轻便、工作简单、成本低等特点，无需建立人工场，利用天然电磁场就能够了解地下不同深度介质的电性分层，用以推断控制地热孕育、发生、发展、储藏的构造，查明区域地层结构、断裂构造的产状、岩溶裂隙分布等，由高到低的频率响应序列分层细密且探测深度大，目前已被广泛运用于油气勘查、地热勘探、地下水和溶洞勘探、金属矿勘探、工程勘察等领域，且在地震预测、预报和地质灾害防治等领域的应用效果显著。

MT法的不足之处：一是野外施工期限和每个测点上数据采集时间、记录的质量都受大地电磁场变异的强弱制约，无疑会大大影响工作效率、增加工作成本；二是体积勘探的性质决定了MT的分辨率不高，而且电阻率越高、频率越低，分辨能力越差；三是观测误差的大小会受场源性质、构造的复杂程度、干扰的大小、观测时间的长短、叠加次数的多少等多种因素的影响，特别是低频的观测误差较大；四是目前进口的MT勘探设备不能有效克服电磁噪声干扰，尤其是受遍布城乡的电力线路电磁干扰严重，导致很多地方不能勘探、所得探测结果质量不高，严重影响了深层地热资源勘探中的使用效果。

简评：MT法用于地热勘探项目具有很大的优势，其探测深度、分层密度、探测效果都高于一般常用的物探仪。但受布极长度和条件、采集数据时间、电磁干扰、仪器设定频点数少等限制，可勘探区域受限、探测点间距过大、深度分层较少，影响了实际的应用范围和效果。

3、可控源大地电磁法勘探（CSAMT）

可控源音频大地电磁法（CSAMT）原理与大地电磁法（MT）原理是一样的，所不同的是CSAMT法的场源是人工发射源、即主动源，受人工场源发射技术和功率限制，勘探深度一般在3000米以内。由于人工场源发射的是非平面电磁波，传播一定距离后方可视为平面电磁波，该距离为勘探深度的 3-5 倍，所以CSAMT法从发射点到接收端的距离一般为 10-15km。CSAMT法可以人工控制发射电流及其频率，通过观测不同发射频率下电磁场的正交电磁分量及其相位差，计算出不同频率下的视电阻率；由于不同频率的激励场具有不同的趋肤深度，因而观测结果可以反映测点下电阻率随深度的变化特征；通过对各测深点数据进行汇总、处理及反演计算，则可得到整个测区内电阻率的空间分布状态，为进一步的地质解释提供详实可靠的深部资料。

CSAMT法的优点是：（1）发射频率和强度可控、可进行多次叠加，信噪比高、抗干扰能力强，因而在电磁环境噪声大的地区也能获得较高质量的视电阻率曲线和相位曲线；（2）CSAMT法是利用改变频率进行不同深度的电测深，垂直分辨率最高可达勘探深度的5％；（3）可以同时完成7个探测点的电磁测深任务，通过改变接收点距离来控制横向分辨率；（4）高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。

受设备性能限制，CSAMT法尚有以下不足：（1）一般要有地质资料证实勘查对象与周围地质体之间存在较明显的电阻率差异，确保辨识勘查出的电性异常明显异于干扰背景，否则容易产生误判；（2）当勘探区域内电磁噪声干扰较严重时，勘探效果不好、可信度降低；（3）设备单次发射频率点最多不到50个，纵向分辨率低、分层少，尤其是深部频点很稀、分辨能力较差；（4）单次发射和接收需要相隔十几公里的多个操作者配合，费时、费工、效率低；（5）通过Suefer软件绘制的视电阻率彩色等值剖面图，输入数据的留用或剔除全靠人工主观判定，仅靠过于稀少的频点数据连接起来的等电阻率曲线图看起来过于抽象不真实。

简评：CSAMT法与MT法相比，因其使用人工场源增强了探测电磁信号，抗干扰能力、准确性、可信度明显提高，但勘探成本加大、时间加长、测深分辨率降低，50--100米的探测点间距过大，小构造看不到，大构造靠主观判定。若要提高在地热资源勘探效果的准确性和可信度，就必须增加设备单次发射频点和接收仪数量，来增大测深分辨率、缩小探测点间距。

4、EH-4电导率成像系统

EH-4是由美国EMI公司和 Geometrics公司联合研制生产的一种混合源频率域电磁测深系统。其核心仍是被动源电磁法，通过天然背景场源成像(MT)探测1000米以上的深部构造；主动发射的人工信号源（500HZ以上）探测深度很浅，用来探测浅部构造。从实用意义上来讲，EH-4就是MT法，除主动源之外的探测原理和方法完全一样，都是通过对测点电磁场正交分量的观测，得出相互正交的电场分量EX、EY和磁场分量HX、HY，进而获得测点电阻率测深曲线，频率较高的数据反映浅部的地质特征，频率较低的数据反映深部的地层信息。由于磁电传感器频谱范围的限制，EH4的测量频段10Hz－100KHz，探测深度大致在10－800米。增强配置低频磁探头后，EH4低频段可延伸至0.1Hz，探测深度可达1200米。

EH-4电导率成像仪的优点：（1) 在以天然电磁场源为主的MT法基础上，可以同时使用人工电磁场加强浅层探测效果；（2)具有无源电磁法的设备轻便、测深能力强特点，探测深度达800-1200米；（3）仪器操作简单、观测时间短，一个测深点只需20分钟，易实现密点连续测量；（4) EH4可附加地震采集板，兼作地震仪和电导率测量，一机实现综合勘探。EH-4的不足之处与MT法基本相同，只是实际可用分层的频点更少，从0-1000Hz频段实际采集数据的Z文件中仅有22个频点，意味着其对应的地下深度约50米一层，纵向的分辨率低。

简评：另配置低频磁探头的EH-4电导率成像仪的理论探测深度为1200米，实际有效探测深度不足1000米，且不论因其不足受到的限制和影响，仅就其可探测深度就不能满足地热资源勘探的要求。

5、VCT大地电磁成像深层构造探测仪(MT-VCT)

VCT大地电磁场成像探测仪是近几年由郑州地象科技有限公司研发并具有理论创新的大地电磁物探方法，与MT同属于天然场源的大地电磁法物探仪，但是在理论、架构、应用上都有很大的差异：VCT的有效场源是来自于地球内部的导电流体和静磁场的相互作用产生的动态电磁场；由于地磁场源相对稳定、向地面辐射的电磁波所穿过的介质层固定不变，所以VCT采集的是各个频率的衰减程度基本相同、只有小幅值瞬时变化的动态地磁场信号，与气候、时间、地域无关，一致性高；所采取的是大地电磁场形成电磁波垂直传播到地表后剩余能量的序列数值，表征了不同地层介质对于电磁波的吸收和衰减特性，而不是介质电阻率；电磁波的电场和磁场在交替传播过程中所携带的地层信息均可用以独立表征各地层介质的电磁特性；符合镜像法的唯一性定理要求，每个频率的测值与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系。

基于对于大地电磁法的新认知，VCT仅采用一个高性能感应式磁感应器（探头）来垂直于地表采集大地电磁场辐射到地表上的电磁波剩余能量值，在水泥地、岩石上、山林、田间、冻土上都可以施工操作。按照镜像理论每一个频率点都对应着一个固定的波长（深度层），不随介质的电磁特性差异而改变，建立了深度达4000米、吻合度较高的频率（波长）与深度的固定对应关系表。目前VCT用于地热资源勘探使用的是VCT-4000M深层构造探测仪，一个探测点的采集数据时间只要56秒钟，探测速度非常快。每个探测点的探测深度为4000米，显示地层介质信息的层间隔：0—2000米深度内隔5米/层，2000—3000米深度内隔10米/层，3000—4000米深度内隔15米/层。

简评：经过不断探索和积累地热资源勘探经验，实践证明VCT用于地热勘探的速度快、探测密度大、测深分辨率高、自动形成剖面多、观察深层含水构造清晰，完全可以独立承担地热资源勘探定井任务，定井结果与实际凿孔记录吻合度高，成功率高。

6、重力测量法（重力仪）

椭圆球状的地球在不断地自转中会引起地球表面上重力值的变化。重力测量法主要是研究地壳密度的横向不均匀性，即由于各种地质原因使得地壳密度不均匀引起重力的变化。重力异常是由于地壳内部岩石密度分布的不均匀所引起的，影响岩石密度的主要因素有两个，即岩石中的矿物成分和孔隙度。不同种类的岩石有不同的密度值，同种类岩石在不同的地质条件下也会有不同的密度值。重力测量法就是以地壳中不同岩、矿石间之密度差异为基础，通过观测与研究天然重力场的变化规律以查明地质构造和寻找矿产的一种物探方法。

简评：重力测量仪主要用于资源勘探、基础地质调查、工程地质调查等领域。在地热勘查中的应用，仅限于作为前期物探手段来了解盆地基底起伏形态、盖层厚度变化以及古近系火山岩分布特征、断裂构造划分等，为进一步开展地热勘查提供了基础性资料。

7、磁力测量法（磁法勘探）

自然界的岩石矿物具有不同的磁性，受地磁场的磁化后会产生不同的磁性体磁场。不同介质的磁性体磁场与地磁场相叠加会产生不同的变化。磁力测量法就是利用磁力仪观测由岩石的磁性差异引起磁场变化的一种物探方法，亦称为磁法勘探，也简称为磁测。按其观测的空间位置不同，可分为地面磁测、航空磁测及海洋磁测。磁测法主要用于各种比例尺的地质填图、研究区域地质构造、寻找磁铁矿、勘查含油气构造及煤田构造、预测成矿远景区以及寻找含磁性矿物的各种金属与非金属矿床等。

简评：因断裂构造一般反映为磁场局部发生畸变--磁场异常，而断裂带多位于不同磁场区的分界线上，所以在地热勘探中磁力仪可用于前期大范围探寻区域内的深大断裂带，迅速确定靶区后再使用其它物探方法开展精细探测。

8、大功率瞬变电磁法(TEM)

TEM系统由发射和接收两部分组成，发射部分是有限长度的接地导线，发射波形为阶跃状方波，根据法拉第定律，该脉冲在地下激发二次涡旋电流向地下深处移动并向外扩散。由发射所激发出的随时间变化的感应电流形成的磁场，可以通过接收部分的磁探头形成电磁测深的接收信号被采集到。在横向均质的地球中，感应电流是水平的闭合环，在电流极性改变之后，接收的感应电动势先反映浅部地层信息，随着感应电流的移动、扩散，接收到的感应电动势逐渐包含深部岩层的信息，从而获得在测点处由浅至深的地电信息。由此可知，瞬变电磁法是通过研究瞬时变化的电磁场在地球导体中的传播规律来探测地下电性分布的，即研究在方波下降断电后大地二次场随时间的衰减特征以达到解决地质问题的目的。

大功率瞬变电磁测深法仪的发射功率要远大于一般瞬变电磁仪，基本上都在100千瓦之上。由于其勘探深度和精确度主要取决于场源强度、仪器灵敏度及抗干扰能力、地电断面性质、岩层电阻率、工业干扰电平等多种因素，若是发射功率不够、收发距太远，就会影响有效勘探深度和准确度。在进行单测点垂直测深时，由于接收的是时间域混频信号，其探测深度并不简单仅仅是按照接收时间由浅到深递延的，同时要受到发射频率、发射功率、发射电缆线框大小、地下低电阻率岩层厚薄及埋深等诸多因素的影响，现有反演软件很难解译出不同深度所对应的实际岩层。

简评：大功率瞬变电磁法在地热资源勘探中因其不受高阻屏蔽影响一般用来勘查断裂构造、火成岩构造、岩溶构造，可通过探测出的电阻率分布分析得到地质岩性特征。但是若用其探测大范围的目标体时，由于信号强度和地电结构变化，分辨率会降低很多；由于需要大功率大线框发射装置，会耗费较多人工、时间和成本，难以进行远距离多测点线剖面探测，而且实际探测深度很难达到2000米；另外，大功率瞬变电磁测深法的勘探设备价值远高于普通瞬变电磁法仪，国内现有设备有限、勘探成本较高，不利于一般地热资源勘探推广使用。

由于目前国内物探单位拥有的各种物探设备各有所长，但都不能完全满足地热资源勘探的要求。即单一物探方法有时具有多解性，如高温热水和蚀变矿物都能引起低阻，高温热流体视电阻率低、但视电阻率低的地方不一定都有高温热流体。而通过综合物探方法可以避免采用单一方法在深度广度精度方面的不足，多方面勘探获得地质构造条件、地热赋存范围、地下水补给关系及空间位置等信息。因此，为了更好地查明地热资源的地质条件、热储特征和地热资源储量，一般都采用综合物探方法进行地热资源勘探工作。

一般综合物探方法组合中的多种物探方法都有各自的优点和缺点，无论是在勘探的精度还是勘探的范围上都有差别，通常是要根据地热资源的实际情况、自身物探能力和条件，选取几种适合的物探方法。有条件的单位，一般会选择使用V8、GDP-32、GSM-07等综合电法仪中的CSAMT可控源音频大地电磁测深法和MT大地电磁法开展物探工作；没有综合电法仪的单位通常采取以高精度重力仪或磁力仪在工区扫面找到靶区、用高分辨率地震勘探在重点地段做剖面定位；还有那些缺少高端进口设备的单位会先使用高精度重力仪或磁力仪在工区扫面找到靶区，再使用大功率瞬变电磁法在重点部位测深确定富水性的综合物探工作模式。总的来说都是通过各种功效不同的物探方法相互验证、相互补充，避免受单一方法多解性的影响，进而提高查找地热资源的成功率。

参考文献：

【1】雷宛肖宏跃，物探方法在寻找地下热水中的应用及其需要注意的问题，

《中国地球物理学会年刊 2002》p153，地震出版社，北京，2002

【2】花蕾，CSAMT与MT在寻找地热资源中的应用，《吉林大学》,2012

【3】张孟才寇伟寇通，地热资源物探勘查的几点浅识，《工程技术》，2017-全文版

【4】寇伟寇通，MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别，《工程技术》，2017-12