地球物理勘探在地熱勘查中的應用分析

喻佑順

摘 要：由于我國地域廣闊，各類資源和能源儲量相對豐富，其中地熱資源約占全球熱能總量的7.9%，但是目前我國的開采量僅為地熱資源的5.82%。在社會經濟迅速發展和城市化進程不斷加快的背景下，人們對地熱資源的需求量越來越多，因此地熱勘探開采工作尤為重要。本文針對物理勘查的概念以及方法，結合實際地熱資源勘查案例，分析其應用和效果，為其他地區的地熱勘查提供參考和借鑒。

關鍵詞：物理勘探;地熱勘查;應用分析

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0132-03

0 引言

地熱資源是一種非常寶貴的自然資源，在為人們提供熱能的同時也提供了豐富的水資源和礦物資源。其本身具有用途廣泛、功能多樣而且使用年限較長、綠色環保等突出特點，是我國當前大力扶持和鼓勵使用的新型能源之一。在供暖、洗浴、醫療、飲用礦泉水生產等領域能夠發揮巨大的作用，所以地熱資源的勘探開采成為了社會資源利用戰略最主要的組成部分。

1 物理勘探概述

地熱資源是地球上一種可以通過人為控制進行開采活動并利用的可再生自然資源，因其在社會發展的多個領域中能夠發揮較大的作用而被人們所重視，地熱能所具有的經濟價值和社會效益逐漸被人們所認可。而且在綠色環保的發展戰略要求下，地熱能的使用成為了能源開發的主要方向，我國的地熱能儲量十分豐富，但開采量較少，所以應用合理的勘探方法對地熱能進行勘察是十分必要的。

2 物理勘探的方法

對地熱能進行勘察有很多的物理勘探方法，其具有效率高、成本低、適用范圍廣泛、深度大等優勢，而且隨著科學技術的進步，出現了很多種先進的儀器設備和處理技術，能夠將物理勘探方法的作用發揮到最大程度。但是不同的物理勘探方法也具有不同的特點和適用條件，以下是現階段我國對地熱能勘查的主要方法：

（1）重力勘探。因為在自然環境中地下巖石和各種礦物的密度分布呈現不均勻的現狀，因此就會引起一定程度的重力變化，或者是也可能是因為地質體育周圍的巖石密度存在較大的差異而出現重力變化，這種現象就是重力差異。根據這種原理和其他相關資料能夠有效的勘查處該區域的地下儲熱區的起伏狀況和斷裂構造的分許，從而判斷出該地區地熱流體的位置。通過野外觀測獲取重力數據，繪制成為重力異常圖，可參照圖像尋找到地熱資源。

（2）磁法勘探。由于地熱資源中含有一定量的礦物，所以利用其磁化強度能夠勘查出地熱流體的狀況，比如空間分布、流動規律等信息。比較典型的就是在沉積巖地區，能夠觀察到該地區的地磁場異常，而引起異常的主要原因就是巖漿巖的流動。借助航空磁測或者是地面高精度磁測能夠準確測量出地熱能位置。

（3）電法勘探。其實地球物理勘查方法中應用最廣泛、最普及的方式，是通過導熱構造以及熱能儲備分布和熱儲蓋層組合的特征進行分析判斷，從而勘探出地熱資源形態。比較常用的有電測探法，即是對探查地區的地層進行縱向的劃分，目的是為了確定熱儲層和蓋層結構。然后根據導電電阻在巖石斷裂破碎帶兩側的數值高低變化繪制電測深曲圖，如果存在比較顯著的低阻異常則說明該地區存在儲熱構造;其二是激發極化法，利用激發極化的效應直接向地下供直流電，保持電流不變的情況下，測量地面上兩個電極之間的電位差，期間電位差會隨著時間的變化而發生變化，在趨向穩定飽和值時進行斷電，所得到的數據為一次場電位差。斷電之后的數據為二次場電位差。通過這兩項數據的變化能夠判斷出水熱蝕變帶，進而確定水熱礦化現象;其三是可控源音頻大地電磁測探法，其主要是利用有限長接地電偶級子作為場源，隨后在距離偶極中心一定距離的地方對電和磁的參數變化進行觀察，通過對電場水平的分量和磁場水平分量的觀測，在利用電場振幅來計算阻抗電阻率、利用電場相位計算阻抗相位，最后綜合兩種計算反向演算電阻率的參數，進而能夠對地質結構進行判斷。這種方法的探測深度較大，而且縱向和橫向的分辨率較高，同時人工場源要比自然場源穩定，所以具有相對較好的勘查效果。

（4）地震勘查。除了重力、電、磁以外，地震勘探也具有精度高和探測深度大的優點，因其是利用人工激發而產生的地震波在擁有不同彈性的地層之內進行傳播，從而獲得傳播的規律以此來對地質結構進行推測。原理是地震波在地下受到巖石的彈性參數的影響而產生反射、折射以及透射的現象，借助先進儀器對地震波進行數據收集，可以推斷出該地區是否存在儲熱區。

（5）遙感測控勘探技術。即是指利用現代化科技體系中的衛星或者是航空拍照等提供的影像、圖片資料，按照不同的比例尺和時間對勘探區域進行監測，從而能夠分析出該地區的地質條件，比如地形、地貌、地質結構、河流分布等，可以對是否存在地熱資源或其他礦藏進行有效的判斷。

3 地熱勘查中物探方法的組合應用

3.1 地球物理勘探方法的組合應用

在地球物理勘查過程中對參數的勘探，所利用的方法就是一種典型的組合型勘探技術。由于地球物理勘探技術的內涵就是應用不同的參數測量方法來實現對調查區域進行數據信息收集，其主要包括平面測量和垂直測量兩大方面。因此為了保障在勘探中對測量的數據進行有效的總結和分析，應該采用多種物探方法相結合的方式。特別是在地質勘查工作中首先要合理的選擇測量技術，然后根據實際情況中的研究區域與其他地層地質特點的差異性進行組合。能夠達到以下幾個目的：（1）能夠確定地熱異常范圍和熱量儲存區的分布特點;（2）能夠基本確認勘查地區基底的起伏和存在隱伏斷裂的空間位置;（3）可以更有效的確定勘查區域的地層結構和地熱儲存區的埋藏深度等。所以物探方法的組合應用可以完成地熱資源儲存區域的相關工作任務。

3.2 不同現實情況對物探方法的選擇

在城市地熱資源的勘查工作中主要采用的是可控源音頻大地電磁法和地震法組合。因為可控源音頻大地電磁法具有勘測范圍廣泛、效率高和成本低的優勢，但是其勘測的深度相對較淺，具有一定的深層屏蔽性。而地震法的優勢是勘測準確度高、深度大。不過具有成本費用高、效率較低，尤其是在后期處理工作中特別緩慢，由此兩種方法恰好形成優勢互補，通過二者的結合能夠比較有效的提高信號抗干擾能力，又能夠提高勘測的深度，具有良好的勘查效果。

而在北方平原地區一般是采用遙感測控技術和高密度電法的組合進行勘查活動。因為北方基本為平原地貌，面積相對廣闊，而且地勢平坦，非常適合遙感測控技術工作的開展，能夠快速的圈定地熱異常的范圍，但是精度無法完全得到保障，此時應用高密度電法勘探技術能夠彌補遙感測控技術的缺陷，實現縮小勘探區域，形成準確度高、成本費用低的地球物理勘探方法組合。

另一方面如果是針對裂縫型地熱資源進行勘查就需要組合遙感測控技術和大地電磁或者是可控源音頻大地電磁技術，因為裂縫型地熱資源主要是通過地下深大裂縫和地下深處熱源相連通而能夠產生地熱異常，因此使用這兩種組合方式能夠有效的勘測處地熱儲存區的位置和范圍。相對于通過熱傳遞產生地熱異常的承壓型地熱資源來說，使用地震法和重力勘探法則會更加有效。

4 物理勘查方法的實際應用

4.1 地質概況

以我國甘肅省蘭州市轄區內某地區的地熱勘查為例，對地球物理勘探方法的應用展開分析。該區域位于祁連山造山帶的祁連地塊，地層露出巖石主要有侵入巖、奧陶系、侏羅系以及前長城系、新近系為第四系。在早古生代的地殼運動比較強烈，新生代晚期的喜馬拉雅運動促使老地層褶皺成山，形成了該地區的基本構造骨架，其地質構呈緊閉褶皺狀況。另一方面該地區的基底是由盆地蓋層自下而上的侏羅系地層和新近系碎屑巖沉積以及元古宇變質巖組成的，其在巖性下部具有砂礫巖、砂巖等，上部有砂質泥巖和細砂巖厚度在500-600m。此外其地下水的主要有三種;類型，包括基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水等其主要是通過大氣降水和溝谷河流潛水等進行補給。

4.2 勘探工作布置

本次勘查活動主要是通過可控源音頻大地電磁測探法，首先是通過對淺地層的構造和巖性以及寬度、深度以及地下水情況進行勘查，然后應用大地電磁測深測量技術探測深部地熱異常的范圍和位置，目的是為了查明該地區基底的起伏狀況和斷裂帶的分布情況。這種方法從縱向和橫向分辨率上都有所提高，能夠比較準確的反饋出淺部構造和深部構造的真實情況。該地區從西南到東北共設置五個大地電磁測量物理點，標記為L1，同時平行于L1測量線的L2同樣設置五個大地電測量物理點，在其東北方向在進行五個大地電磁測量物理點的布置，形成三道橫向主測線，同時連接這三條主測線形成覆蓋該地區的測量網絡。

4.3 資料解譯

根據該地區的中新生界沉積蓋層與古老變質基底之間存在的電性界面，來對基底埋深進行反演解釋。可以根據現場電阻率等值線的橫向梯度變化和垂直位移的特點，對斷裂層的構造和斷裂傾向進行推測。解譯的結果說明F1斷層面傾向西南方向，造成了山前盆地的總體沉積格局。而F2和F3斷層面是相對方向的傾向，使其間產生了一條地塹，造成新近系沉積，并且使地塹內的構造埋深程度是從西北向東南方向逐漸遞減。而F4斷層只是在L1測量線的剖面上有體現，主要控制著第四系的沉積，因此可以推斷出該地區呈現導水斷裂。其次可控源音頻大地電磁測深能夠證明在西南端的埋深最最淺，而在中段位置就會受到兩條斷層面的影響形成小范圍的地塹。在該地區的東北端基底埋深程度有所減小，與靠近城區新近系厚度就越淺。此外因為三條剖面上的電測測量點在縱向進行了連接，所以出現了第四條縱剖面，從而可以推測出有隱伏F5和F6的存在，其中一個為導熱斷裂，另一個為導水斷裂。

4.4 地球物理勘查結果

根據可控源音頻大地電磁測探法可以說明該地區的地下構造大概呈現一致，其中共勘查了六條斷裂，經分析推斷F1斷裂為山前逆沖斷裂、F2和F3為相向而傾的正斷層、F4為層間次級小斷裂、F5是隱伏控熱斷裂、F6是隱伏導水斷裂，從而這六條斷裂面形成了一個比較完整的地熱能資源地質構造。又因為該地區的地勢起伏較大，而且F2和F3之間出現了地塹構造，F5和F6又分別是地塹構造中的導熱斷裂和導水斷裂，且流體流向與地下水方向一致，說明地下存在地熱儲區。而其范圍是東到F3斷裂、西到F2斷裂、北到勘查區邊界、南到勘查區的南邊界。參照比例尺可以計算該地熱田的長為8000m，平均寬度為1250m，總面積約為1.61km2。

5 地球物理勘探在地熱勘查中存在的問題

地球物理勘探方法在地熱勘查中會遇到一些阻礙，如相關業主和勘探設計部門以及當地政府對物探技術的認識和了解程度不夠，就會導致對地熱勘查工作不重視，由此會限制該地區的地熱資源開發和使用;其次是因為地球物理問題具有多種解釋的特點，所以勘探地區的物質形態和分布以及性質可能會存在比較大的差異性，對地球物理勘探技術和方法都會產生或多或少的影響。也就導致了當前通過地球物理勘探方法所獲得的相關參數和數據存在局限性;其三是在我國在改革開放以后，社會經濟迅猛發展，對自然資源的消耗量巨大，同時地熱資源的開發和開采力度不足，盡管在現階段我國的地熱資源勘查工作已經朝向更深層次發展，但不可否認的是現有的地球物理勘探技術和方法已經不能夠適應市場需求。并且受到地熱資源儲存區域的地形和地質條件的影響，勘探和開發難度越來越大，而且在勘測現場所建立的磁場強度也不能滿足向深部開采的要求，不利于地球物理勘探技術的發展和對地熱資源開發的研究。

6 地球物理勘探在地熱勘查工作中的建議

由于當前地球物理勘探技術和方法在實際的地熱資源勘查活動中存在一定的問題和阻礙，所以相關工作人員和部門要針對這些制約因素進行科學有效的分析，從中綜合出一系列的應對措施，以提高地球物理勘探方法的應用效率和水平，其具體建議和應對措施如下：

（1）在應用地球物理勘探方法開展地熱勘查工作時，要在解釋推斷的過程中充分的考慮勘查區域的地質情況、地形形態、水文分布等信息，要將涉及到地熱資源勘探的所有資料進行綜合整理，以此作為選擇地球物理勘探方法的依據。（2）在實際的勘查工作中要能夠因地制宜，在了解勘查區域的基本情況后確定所要應用的地球物理勘探方法和技術，在秉持經濟、高效、簡便、科學的原則上實現勘探的成本最低、人工投入最低，減少不必要的資源和能源浪費，促進地球物理勘探方法的可持續發展。（3）由于地熱資源的勘查工作具有一定的復雜性，所以為保障全面了解勘探區域、更好的勘探地熱資源儲藏區，應該要注重地球物理勘探方法的組合，加強不同物探技術的驗證和補充，能夠最大限度的實現地熱勘查結果的準確度。（4）要想提高地球物理勘探技術和方法的應用效率，最基本的要求就是要制定合理的勘探計劃和方案，在統籌規劃的基礎上合理對各種資源進行優化配置、嚴格規范勘查工作流程、建立健全完善的監督保障體制，形成一套系統性、完整性的地球物理勘探體系，促進物探方法和技術的有序實施，更有效的提高地熱勘查工作的效率和質量，降低工作風險。

7 結語

綜上所述，因為地球物理勘探活動能夠將調查區域的地質情況和地熱儲區的信息進行直接的反饋，所以可以應用在地熱勘查中。而且還要根據調查區的實際地質情況和地勢起伏等條件合理的選擇勘探方法，以保障勘查結果的準確性。同時在應用地球物理勘探方法時要科學合理的布置相關工作，對資料解譯進行仔細分析，最終才能實現為地熱資源開采提供依據的目的。

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