淺議地熱資源常用勘探方法及功效

1、 淺議地熱資源常用物探方法及功效 寇偉 寇通 鄭州地象科技有限公司，河南 鄭州 450000摘要：目前國內(nèi)的深部地熱勘探主要依賴地球物理勘探方法，由于地熱勘探深度大、探測精度要求高、鑿井成本高達幾百萬元，要求物探方法的勘探定井準確性要高。實踐中進行深部地熱資源勘探的物探方法多種多樣、效果不一、各有優(yōu)劣之處，在此加以簡單評價。關(guān)鍵詞：地熱資源，物探方法，斷裂構(gòu)造，勘探定井目前國內(nèi)的深部地熱勘探主要依賴地球物理勘探方法，其優(yōu)點具體表現(xiàn)為：適用范圍廣、勘探深度大、勘探效率相對較高、勘探成本相對較低。在所有物探方法中電阻率或電磁測值異常是尋找地熱資源的主要標志，但當?shù)責豳Y源埋深較大時，反映到地表的異常

2、信息相應(yīng)減弱，原有的電法、磁法的探測效果明顯不足。尤其是地熱勘探深度在不斷加大、探測精度要求也在不斷提高，一些傳統(tǒng)物探技術(shù)如直流電測深技術(shù)已難于擔當此任。在近四十年來發(fā)展起來的一些新興技術(shù)中，常被用來進行深部地熱勘探的電磁測深方法是MT大地電磁測深和CSAMT可控源音頻大地電磁測深等，它們在近二十年內(nèi)的深部地熱勘查中發(fā)揮著重要作用，被越來越多的地熱勘探項目使用，并取得了較好的效果。目前市場上進行深部地熱資源勘探使用的物探方法多種多樣，都說自己使用方法的優(yōu)勢大、效果好，缺乏較為客觀的分析和評價。有的報告抄了幾十頁，真正與項目相關(guān)的內(nèi)容只有一兩頁；有一個項目僅用CSAMT探測了個點就形成了個剖面，

3、找到了個大斷裂；也有項目僅用只能探測幾百米深度的直流激電法，就能找到兩千多米深度的斷裂構(gòu)造定地熱井。用戶相信的是單位資質(zhì)和信譽，并不清楚所用物探方法的優(yōu)劣，即使是井打瞎了勘探方也不承擔任何責任，因為大部分結(jié)論都是建議先打一個鉆探孔、再做進一步勘探，為此造成用戶幾百萬元的損失，并使更多希望開發(fā)地熱資源的熱心者望而卻步。 那么，在進行深部地熱資源勘探中，究竟哪些方法可用、哪些方法不適用，可用方法的優(yōu)點是什么、還有什么不足？按照本人的理解和認知，評價一種物探方法能否用于深部地熱資源勘探及其功效如何，首先看其是否能夠滿足以下基本條件：一是探測深度至少要達到2000米；二是不能僅僅對地下平面透視而是要進

4、行立體剖切、而且測深分層不能太粗；三是組成線剖面的探測點間距要小、過大會看不清或漏掉含水構(gòu)造。如果不能滿足以上三個條件，無論是設(shè)備進口價格有多高、運用技術(shù)是多么先進，最多只能作為前期勘探或輔助勘探手段，不能承擔地熱資源勘探的重任。1、高分辨率地震勘探在地球內(nèi)部地層間普遍存在著速度差異和波阻抗差異，地震勘探就是以這些不同巖礦石間的彈性差異為基礎(chǔ)，通過研究人工激發(fā)地震波的運動學和動力學特征來解決地質(zhì)問題的二維以及三維地震剖面。地震勘探方法用于地熱勘探中主要觀察地震波速度衰減和地層吸收衰減兩個參數(shù)的變化：一是巖石的地震波速度會隨溫度升高而降低，而水的地震波速度亦隨溫度升高會降低的更多；二是當?shù)貙雍?/p>

5、體后縱橫波振幅能量會嚴重衰減，地震波高頻成分也大幅度衰減，含蒸汽時振幅、頻率衰減會更嚴重。高分辨率地震勘探的優(yōu)點是：可以高精度地連續(xù)追蹤標準反射層，細致反映斷裂構(gòu)造的確切位置，而且還能反映斷裂的產(chǎn)狀、形態(tài)、斷距、破碎帶寬度等一系列重要參數(shù)。缺點是需要較多鉆孔地質(zhì)資料作為參考進行矯正，否則會出現(xiàn)資料處理和解釋過程中技術(shù)針對性不強等問題、三維地震偏移速度百分比難以界定、片面強調(diào)信噪比造成的小斷層反應(yīng)模糊等問題。簡評：地震勘探是一種超深且高精度的勘探方法，通過分頻掃描分析可以進行細密分層觀察斷裂構(gòu)造。但是勘探成本過高、耗時過長、不可能進行鉆孔矯，一般多用于石油勘探而很少用于地熱勘探業(yè)務(wù)中。2、大地電

6、磁法勘探（MT）大地電磁測深是一種在地面上觀測天然交變電磁場來研究地下巖層的電學性質(zhì)及其分布特征的物探方法。它以自天上到地下穿透地層的天然平面電磁波為場源，依據(jù)不同頻率的電磁波在導體中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析來獲得大地由淺至深的電導率結(jié)構(gòu)。MT屬于天然場源頻率域電磁法，具有設(shè)備輕便、工作簡單、成本低等特點，無需建立人工場，利用天然電磁場就能夠了解地下不同深度介質(zhì)的電性分層，用以推斷控制地熱構(gòu)造，查明區(qū)域地層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、巖溶裂隙分布等。其不足之處：一是每個測點采集數(shù)據(jù)時間和質(zhì)量都受大地電磁場變異的強弱制約，影響效率、增大

7、成本；二是MT原理和方法決定了采集頻率越低、深度越大、電阻率越高、分辨能力越差；三是觀測誤差的大小會受場源性質(zhì)、構(gòu)造復雜程度、干擾大小、觀測時間長短、疊加次數(shù)多少等多種因素的影響；四是勘探設(shè)備不能有效克服地上電磁噪聲干擾，導致很多地方不能勘探、探測結(jié)果質(zhì)量差。簡評：MT法用于地熱勘探項目具有很大的優(yōu)勢，其探測深度、分層密度、探測效果都高于一般常用的物探儀。但受布極長度和條件、采集數(shù)據(jù)時間、電磁干擾、儀器設(shè)定頻點數(shù)少等限制，可勘探區(qū)域受限、探測點間距過大、深度分層較少，影響了實際的應(yīng)用范圍和效果。3、可控源大地電磁法勘探（CSAMT）可控源音頻大地電磁法（CSAMT）原理與大地電磁法（MT）原理

8、是一樣的，所不同的是CSAMT法的場源是人工發(fā)射源、即主動源。由于人工場源發(fā)射的是非平面電磁波，傳播一定距離后方可視為平面電磁波，該距離為勘探深度的 3-5 倍，所以CSAMT法從發(fā)射點到接收端的距離一般為 10-15km，同時受人工場源發(fā)射技術(shù)和功率限制，勘探深度一般在3000米以內(nèi)。CSAMT法通過觀測不同發(fā)射頻率下電磁場的正交電磁分量及其相位差， 計算出不同頻率下的視電阻率；由于不同頻率的激勵場具有不同的趨膚深度，因而觀測結(jié)果可以反映測點下電阻率隨深度的變化特征；通過對各測深點數(shù)據(jù)進行匯總、處理及反演計算， 則可得到整個測區(qū)內(nèi)電阻率的空間分布狀態(tài)。CSAMT法的優(yōu)點是：（1）發(fā)射頻率和強

9、度可控、可進行多次疊加，信噪比高、抗干擾能力較強；（2）可利用改變頻率進行不同深度的電測深，垂直分辨率最高可達勘探深度的5；（3）可以同時完成多個探測點的電磁測深任務(wù)，通過改變接收點距離來控制橫向分辨率；（4）高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。受設(shè)備性能限制，CSAMT法尚有以下不足：（1）需要有地質(zhì)資料證輔助辨識勘查出的電性異常明顯異于干擾背景，否則容易產(chǎn)生誤判；（2）當勘探區(qū)域內(nèi)電磁噪聲干擾較嚴重時，勘探效果不好、可信度降低；（3）設(shè)備單次發(fā)射頻率點最多不到50個，縱向分辨率低、分層少；（4）單次發(fā)射和接收需要相隔十幾公里的多個操作者配合，費時、費工、效率低。簡評：CSAMT法與MT法相比，

10、因其使用人工場源增強了探測電磁信號，抗干擾能力、準確性、可信度明顯提高，但勘探成本加大、時間加長、測深分辨率降低，50-100米的探測點間距過大，小構(gòu)造看不到，大構(gòu)造靠主觀判定。若要提高在地熱資源勘探效果的準確性和可信度，就必須增加設(shè)備單次發(fā)射頻點和接收儀數(shù)量，來增大測深分辨率、縮小探測點間距。4、EH-4電導率成像系統(tǒng)EH-4是由美國EMI公司和 Geometrics公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的一種混合源頻率域電磁測深系統(tǒng)，其主動發(fā)射的人工信號源（500HZ以上）的探測深度很淺基本上用不上，被動源電磁法的探測原理和方法與MT法完全一樣。由于磁電傳感器頻譜范圍的限制，普通EH4的測量頻段10Hz100K

11、Hz，探測深度約在10850米；配置增強低頻磁探頭后，EH4低頻段可延伸至0.1Hz，理論探測深度可達1200米。EH-4的優(yōu)缺點與MT法基本相同，只是實際可用分層的頻點更少，從0-1000Hz頻段實際采集數(shù)據(jù)的Z文件中僅有22個頻點，意味著其對應(yīng)的地下深度約50米一層，縱向的分辨率低。簡評：配置低頻磁探頭的EH-4電導率成像儀的理論探測深度為1200米，實際有效探測深度不足1000米，且不論因其不足受到的限制和影響，僅論其可探測深度就不能滿足地熱資源勘探的需求。 5、VCT大地電磁成像深層構(gòu)造探測儀(MT-VCT)VCT大地電磁場成像探測儀是近幾年由鄭州地象科技有限公司研發(fā)并具有理論創(chuàng)新的大

12、地電磁物探方法，與MT同屬于天然場源的大地電磁法物探儀，但是在理論、架構(gòu)、應(yīng)用上都有很大的差異：VCT的有效場源是來自于地球內(nèi)部的導電流體和靜磁場的相互作用產(chǎn)生的動態(tài)電磁場；由于地磁場源相對穩(wěn)定、向地面輻射的電磁波所穿過的介質(zhì)層固定不變，所以VCT采集的是各個頻率的衰減程度基本相同、只有小幅值瞬時變化的動態(tài)地磁場信號，與氣候、時間、地域無關(guān)，一致性高；所采取的是大地電磁場形成電磁波垂直傳播到地表后剩余能量的序列數(shù)值，表征了不同地層介質(zhì)對于電磁波的吸收和衰減特性，而不是介質(zhì)電阻率；電磁波的電場和磁場在交替?zhèn)鞑ミ^程中所攜帶的地層信息均可用以獨立表征各地層介質(zhì)的電磁特性；符合鏡像法的唯一性定理要求，

13、每個頻率的測值與地下相應(yīng)波長深度層的電磁波能量值互為鏡像關(guān)系?；趯τ诖蟮仉姶欧ǖ男抡J知，VCT僅采用一個高性能感應(yīng)式磁感應(yīng)器（探頭）來垂直于地表采集大地電磁場輻射到地表上的電磁波剩余能量值，在水泥地、巖石上、山林、田間、凍土上都可以施工操作。按照鏡像理論每一個頻率點都對應(yīng)著一個固定的波長（深度層），不隨介質(zhì)的電磁特性差異而改變，建立了深度達6000米、吻合度較高的頻率（波長）與深度的固定對應(yīng)關(guān)系表。目前VCT用于地熱資源勘探使用的是VCT-4000M深層構(gòu)造探測儀，一個探測點的采集數(shù)據(jù)時間只要56秒鐘，探測速度非?？?。每個探測點的探測深度為4000米，顯示地層介質(zhì)信息的層間隔：02000米深

14、度內(nèi)隔5米/層，20003000米深度內(nèi)隔10米/層，30004000米深度內(nèi)隔15米/層。簡評：經(jīng)過不斷探索和積累地熱資源勘探經(jīng)驗，實踐證明VCT用于地熱勘探的速度快、探測密度大、測深分辨率高、自動形成剖面多、觀察深層含水構(gòu)造清晰，完全可以獨立承擔地熱資源勘探定井任務(wù)，定井結(jié)果與實際鑿孔記錄吻合度高，成功率高。 6、重力測量法（重力儀）和磁力測量法（磁法勘探）橢圓球狀的地球在不斷地自轉(zhuǎn)中會引起地球表面上重力值的變化，由于各種地質(zhì)原因地殼密度不均勻會引起重力的變化。不同種類的巖石有不同的密度值，同種類巖石在不同的地質(zhì)條件下也會有不同的密度值。重力測量法就是以地殼中不同巖、礦石間之密度差異為基礎(chǔ)

15、，通過觀測與研究天然重力場的變化規(guī)律以查明地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)的一種物探方法。 自然界的巖石礦物具有不同的磁性，受地磁場的磁化后會產(chǎn)生不同的磁性體磁場。不同介質(zhì)的磁性體磁場與地磁場相疊加會產(chǎn)生不同的變化。磁力測量法就是利用磁力儀觀測由巖石的磁性差異引起磁場變化的一種物探方法，亦稱為磁法勘探。 簡評：重力測量儀和磁力儀主要用于資源勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。在地熱勘查中的應(yīng)用，僅限于作為前期物探手段來了解盆地基底起伏形態(tài)、蓋層厚度變化以及古近系火山巖分布特征、斷裂構(gòu)造劃分等，為進一步開展地熱勘查提供了基礎(chǔ)性資料。7、大功率瞬變電磁法(TEM)TEM系統(tǒng)通過發(fā)射階躍狀方波脈沖在地下激發(fā)二

16、次渦旋電流向地下深處移動并向外擴散，激發(fā)出的隨時間變化的感應(yīng)電流形成的磁場，再由接收部分的磁探頭形成電磁測深的接收信號被采集到。由此可知，瞬變電磁法是通過研究瞬時變化的電磁場在地球?qū)w中的傳播規(guī)律來探測地下電性分布的，即研究在方波下降斷電后大地二次場隨時間的衰減特征以達到解決地質(zhì)問題的目的。大功率瞬變電磁測深法儀的發(fā)射功率要遠大于一般瞬變電磁儀，基本上都在100千瓦之上。由于其勘探深度和精確度主要取決于場源強度、儀器靈敏度及抗干擾能力、地電斷面性質(zhì)、巖層電阻率、工業(yè)干擾電平等多種因素，若是發(fā)射功率不夠、收發(fā)距太遠，就會影響有效勘探深度和準確度。簡評：大功率瞬變電磁法在地熱資源勘探中用其探測大范圍的目標體時，由于信號強度和地電結(jié)構(gòu)變化，分辨率會降低很多，實際探測深度也很難達到2000米。加之大功率瞬變電磁測深法儀的價值遠高于普通瞬變電磁法儀，勘探成本較高，不利于一般地熱