浅议地热资源常用物探方法及功效 - 海底地热资源勘探技术

华德地毯 · 发表于海洋科普 2024-6-10 10:31:32

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

目前国内的深部地热勘探主要依赖地球物理勘探方法，其优点具体表现为：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。在所有物探方法中电阻率或电磁测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。尤其是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已难于担当此任。在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MT大地电磁测深和CSAMT可控源音频大地电磁测深等，它们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。

目前市场上进行深部地热资源勘探使用的物探方法多种多样，都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。有的报告抄了几十页，真正与项目相关的内容只有一两页；有一个项目仅用CSAMT探测了７个点就形成了２个剖面，找到了２个大断裂；也有项目仅用只能探测几百米深度的直流激电法，就能找到两千多米深度的断裂构造定地热井。用户相信的是单位资质和信誉，并不清楚所用物探方法的优劣，即使是井打瞎了勘探方也不承担任何责任，因为大部分结论都是建议先打一个钻探孔、再做进一步勘探，为此造成用户几百万元的损失，并使更多希望开发地热资源的热心者望而却步。

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？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。缺点是需要较多钻孔地质资料作为参考进行矫正，否则会出现资料处理和解释过程中技术针对性不强等问题、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。但是勘探成本过高、耗时过长、不可能进行钻孔矫，一般多用于石油勘探而很少用于地热勘探业务中。

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。缺点是需要较多钻孔地质资料作为参考进行矫正，否则会出现资料处理和解释过程中技术针对性不强等问题、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。但是勘探成本过高、耗时过长、不可能进行钻孔矫，一般多用于石油勘探而很少用于地热勘探业务中。

2、大地电磁法勘探（MT）

大地电磁测深是一种在地面上观测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物探方法。它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。

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，用以推断控制地热构造，查明区域地层结构、断裂构造的产状、岩溶裂隙分布等。其不足之处：一是每个测点采集数据时间和质量都受大地电磁场变异的强弱制约，影响效率、增大成本；二是MT原理和方法决定了采集频率越低、深度越大、电阻率越高、分辨能力越差；三是观测误差的大小会受场源性质、构造复杂程度、干扰大小、观测时间长短、叠加次数多少等多种因素的影响；四是勘探设备不能有效克服地上电磁噪声干扰，导致很多地方不能勘探、探测结果质量差。

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。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，同时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。CSAMT法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。

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、抗干扰能力较强；（2）可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）可以同时完成多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）需要有地质资料证辅助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；（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。

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，其主动发射的人工信号源（500HZ以上）的探测深度很浅基本上用不上，被动源电磁法的探测原理和方法与MT法完全一样。由于磁电传感器频谱范围的限制，普通EH4的测量频段10Hz－100KHz，探测深度约在10－850米；配置增强低频磁探头后，EH4低频段可延伸至0.1Hz，理论探测深度可达1200米。EH-4的优缺点与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：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，仅论其可探测深度就不能满足地热资源勘探的需求。

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6000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）和磁力测量法（磁法勘探）

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，由于各种地质原因地壳密度不均匀会引起重力的变化。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。

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。

简评：重力测量仪和磁力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、大功率瞬变电磁法(TEM)

TEM系统通过发射阶跃状方波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，激发出的随时间变化的感应电流形成的磁场，再由接收部分的磁探头形成电磁测深的接收信号被采集到。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。

简评：大功率瞬变电磁法在地热资源勘探中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，实际探测深度也很难达到2000米。加之大功率瞬变电磁测深法仪的价值远高于普通瞬变电磁法仪，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。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。

参考文献：

【1】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

【2】花蕾，CSAMT与MT在寻找地热资源中的应用，《吉林大学》,2012

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