地热地面地球物理勘查方法及应用评价

马海，蒲东鸿，魏晓华，虞金林，焦子天

（中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏 南京 211135）

0 引言

地热产生于地球内部放射性物质的蜕变，U238、U235、Th232、K40 其 半 衰 期 多 在109~1010年，与地球年龄相当，在地球中有较大丰度与较高放射性热效率， 对地热的形成有着极为重要的意义。 地热通过岩层热传导、地下水热对流、岩浆侵入、火山喷发、地震等方式将内部热量释放[1-2]。 地热流体作为地热资源开发的主要载体具有水资源、矿产资源和热能资源的三重属性[3-4]，其功能多、用途广，作为洁净的可持续再生能源，近年来地热的开发和利用受到国内外的高度重视[5-6]。

地热资源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。 地球物理勘查主要应用于地热普查阶段和重点区域的补充勘查工作，是地热开发可行性分析中重要的组成部分， 其工作的核心为推断地热构造存在的位置，为后续工作的开展缩小搜索范围，从而达到降低投资风险的目的[6-7]。我国地质工作者经过多年的地热勘查工作积累，逐步形成了一套较完备的探测方法技术、数据处理和解释方法，用于地热常见的物理勘查方法主要有：重力勘探、磁法勘探、电磁测深法（包括TEM、MT、AMT、CSAMT 等）、 常规电阻率测深、地震勘探、浅层测温[8]、氡气测量、微动勘探和遥感技术等。 然而，同样的方法在不同的工作区往往取得的效果不尽相同。 因此，需深入探讨各种工作方法和手段的原理、适用条件以及成果解释的针对性等，同时需要探讨多种物探方法综合勘探的有效性和必要性。

1 地热地球物理基础

地球物理方法的有效应用基于其对目标体岩性地球物理特性的区分，地热资源按照不同的评价标准分为不同类型，不同类型的地热赋存构造具有不同的地球物理响应，这也是导致地热地球物理方法多样、多变性的原因。

1.1 地热资源分类及分布

地热资源一般按热储介质、构造成因、水热传输方式可划分成不同的类型。按热储介质可分为孔隙型、裂隙型和岩溶裂隙型；按构造成因可分为沉积盆地型和隆起山地型；按热传输方式，可分为传导型和对流型[9-12]。 按构造成因可将中国的地热资源分为沉积盆地型和隆起山地型两大类。 另外，按热源和构造等综合条件，又可将隆起山地型地热资源细划为火山型、非火山型和深循型三类；按盆地的构造性质，又可将盆地型地热资源细分为断陷盆地型和坳陷盆地型两大类[13]。

本文根据地球物理方法的针对性将地热资源分为以下四大类：火山岩型、花岗岩型、块内基岩裸露型、盆地和古潜山型。 中国地热资源分布具有明显的规律性和地带性，其中火山岩型地热主要位于板块或构造地体的边缘， 分布地区主要有云南、西藏、台湾等；花岗岩型地热分布地区主要有辽东、福建、广东、湖南、江西等；块内基岩裸露型地热分布地区主要有河南、山西、湖北、四川、贵州等；盆地和古潜山型地热分布地区主要有中国的东部地区、东南沿海、台湾、环鄂尔多斯断陷盆地、藏南、川西和滇西等区域。不同类型的地热系统具有不同的地球物理勘查依据。

1.2 地热地球物理特性

地热具有水地球物理响应和热地球物理响应两个主要方面， 其次岩性参数响应也是判断地热存在的重要地球物理响应[14-15]。 水往往赋存于孔隙、裂隙或岩溶中，其中断裂、破碎构造是地下水存在的较理想环境，相关的地球物理特性主要有布格场分布、电阻率、极化率、磁化率、波速等。 地热往往会引起岩性参数的变化，如孔隙度、渗透率等，进一步导致密度、波速、电阻率、磁化率等参数的变化，还会引起地温梯度和放射性元素等分布的变化，如氡气浓度等。 根据地热地球物理特性的响应， 可以针对热和水不同目标选择有效的物探方法开展探测工作。

1.3 常用地热地球物理方法

重力法依据重力布格异常，可以比较容易地推测平原区覆盖层下基底隆起、 凹陷及断裂构造位置。根据推测地质构造分布可预测地热田可能形成的有利远景区域，在地热田勘查初级阶段，利用该方法可以缩小地热田勘查靶区。 另外，随着温度的升高，岩石密度具有明显的降低，也成为重力方法勘查地热的重要依据。

磁法在地热田勘查中同样是一种常用的地球物理方法， 应用磁测资料可以发现断裂构造带位置及走向，圈定侵入岩体范围，结合地质资料，推测侵入体形成的大致地质年代和岩性， 由此预测侵入岩体对形成地热田的影响程度。 磁测资料还能帮助人们了解沉积盆地的范围，以及盆地内基底起伏情况。 根据磁测资料推测结果， 结合相关地质资料能够预测地热可能形成的远景区域，缩小地热田的勘查区域。

电（磁）测深法是目前地热勘查中最常用的地球物理方法之一，地热勘查常用的电（磁）方法有对称四极测深法、频率测深法、瞬变电磁法（TEM）[16-17]、大地电磁测深法 （MT）、 音频大地电磁测深法（AMT）、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）[18]，以及可控源和天然源相结合的EH-4 电磁测深[19]。热储区电阻率是热储区体积范围内各种介质电阻率的综合反映，主要包括地层岩性、地层温度、水离子类型和浓度、地层孔隙度、渗透率及岩层破碎程度等。另外，热水的溶解能力相对较高，随着地下水温度的升高，地下水溶解能力增强，水的密度和粘滞性减小，随之地下水矿化度增高，离子活跃性增加，电阻率降低，形成热储构造区低电阻率异常特征。 但是对于高温蒸汽地热系统而言，由于蒸汽类似于一种高阻介质充满地层孔隙中，使得高温蒸汽地热系统体积电阻率呈相对高阻异常特征[20-21]。

地震法主要通过研究人工激发的地震波的运动学和动力学特征来解决地质问题[22]。地震法通过地震波的反射、折射和透射情况，经过成像、反演等可精确反映地下岩层、构造、流体、气体等的分布及赋存情况[23]。 微动属于地震法的一种，是地球表面日常微小的颤动，它区别于有特定震源和发震事件的“微震”，在任何时间和地点均可以观测[24]。 微动勘测方法就是一种以平稳随机过程为依据，从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演，得到地下介质S 波速度结构的地球物理勘探方法。 相关研究与实验结果表明，隐伏断裂破碎带在微动视S 波速度剖面上有明显的低速异常显示， 这成为微动剖面解释隐伏地热构造的重要标志，并为地热井位选址提供重要依据。

测温法包括大地热流值测量、地层温度测量和地层温度梯度测量[25]。岩层热导率和大地热流值对形成地热田至关重要，大地热流值的高低决定了这个地区接收深部传递上来热量的多少， 热流值越高，形成高温异常越有利。 热流值是关于地球内部释放热量在地表能够测量的唯一参数，是预测一个地区能否形成地热田的重要参数，热流值越高，形成地热田越有利。

氡气测量法是一种便利有效的放射性探测技术，在众多领域中得到了广泛应用。 放射性元素在自然界中广泛存在， 在其衰变过程中产生许多子体，其中氧(222Rn )是唯一呈气态的子体，它可以由地下迁移到地表，从而反映地下深层的信息。

2 应用实例

一般在实际勘查工作中采用多种方法相结合的模式展开物探工作， 一方面尽可能减少多解性，另一方面互相印证方法的可靠性。下面用几个应用实例展示各种物探方法在地热勘查中的应用。

2.1 重力和磁法

某地热田开展综合物探勘查工作，图1 为磁法曲线和重力曲线的对比参照图，图1 所示的重力水平梯度曲线异常位置预测一条断裂的存在。此位置也与布格重力曲线和磁力曲线的异常位置相对应。此处后经进一步勘查确定为一个规模较大的正断层。

2.2 氡气和可控源大地电磁测深法

图2 是某地热田CSAMT 电阻率剖面与氡气检测曲线的对比图，图2 中三个电阻率低异常推测为岩性破碎或小型断层，三个氡气高异常与三个推测断裂位置保持一致， 进一步印证了我们的推测。因此两种方法结合除了可以分别发挥各自探测优势之外，还具有互相印证的作用。

图1 某地热田磁法曲线和重力曲线对比图

图2 某地热田CSAMT 电阻率剖面和氡气检测曲线对比

2.3 音频大地电磁测深法

图3 为某地热田开展AMT 工作中两个相交电阻率剖面的三维展示图。在没有其它辅助物探手段勘查的情况下，合理全面的测线布设也可以在一定程度上实现自我验证，达到减小多解性、提高探测可靠度的目的。图3 中两条相交剖面所推测的岩性分界面与地区岩层产状一致，推测的岩性情况与钻井结果保持一致。

图3 某地热田AMT 电阻率剖面三维展示

2.4 微动探测

图4 是丰台某小区地热井前期勘查工作所做的微动探测成果与钻井成果的对比图。勘探结果与实钻结果基本一致。在此地区利用微动测深方法较准确地推断出了断裂位置，为井位选择与设计起到了重要作用，经钻井验证成功地打出一口高温高产地热井。

3 方法评价

3.1 物探方法应用简评

重力在勘查基底隆起、凹陷，确定断裂构造位置、走向上是一种十分有效的物探方法，特别是在平原覆盖区效果更为显著。

电（磁）测深法，特别是（可控源）大地电磁测深法在体现基岩面起伏、地层大体分层和判断断裂的走向趋势方面都有很好的效果。电（磁）测深法之所以分支方法众多，是因为其面临的地质问题极其复杂，同样地不同地热地质问题需要不同电（磁）测深法来解决。

图4 J-59 地热井热井微动探测结果与钻井成果对比

磁法，特别是航空磁测结果效果更为明显。 由于航空磁法测量面积大，磁场区域背景广，一些弱小、杂乱的磁异常在区域背景磁场的衬托下反映将更为明显。

由于地热资源一般蕴藏在地下数千米，导致地震方法勘查成本高，在城市地震勘查中震源问题解决比较困难，因此地震方法在地热田勘查中很少应用。 但对地热田勘查来讲，目标区的高分辨率地震资料具有极高的参考价值，因此油气田地热勘查应该得到足够重视。

地温法是寻找深部地热田最直接的方法，该方法对浅部地热田勘查效果较好，对深部地热田勘查存在较大的局限性，因此，在地热田勘查过程中要分析地热田形成原因，根据勘查目的确定温度测量方法的应用。另外，地热勘查不仅要解决热的问题，还要解决水的问题，因此温度测量必须与其他方法一起综合应用，才能达到探测目的。

氡气测量具有操作便捷、 响应明显的特点，但其与地温测量具有类似的特点，需要作为辅助手段与其他方法一起综合应用。

微动测深方法对深部低速层的分辨能力较高，对破碎带等低速异常体探测效果良好，能有效圈定含水破碎带区域，解释推断精度相对高，可为地热井位选址提供重要依据。

3.2 物探方法选择

针对我国不同类型地热田地区，可以根据其地质任务的特殊性选择合理的物探方法组合。对火山岩区，高分辨率地震资料、重力、大地电磁测深等可以实现对深部热源及深部断裂构造的探测；微动测深可以观测深部火山活动；地面电法、磁法、重力、地温测量等可以研究盖层及破碎发育。 对花岗岩区，地面电法、磁法、地温测量、氡气测量等探测基岩埋深及断裂发育；微动探测活动断裂及热水通道情况；大地电磁测深法可探测热源情况。 块内基岩裸露区，地面电法、磁法、地温测量、氡气测量等探测局部断裂；浅地震研究盖层及盖层下的断裂。 盆地和古潜山，重力法可探测中新生代下伏灰岩古潜山分布；收集石油地震剖面和构造图研究古潜山细详构造；地面电法可探测研究古潜山构造。

4 结语

地球物理勘探工作在地热勘查中的地位举足轻重，越来越成为减小地热勘探开发风险的重要手段。物探工作的重点应该是最大限度地排除其解释多解性， 这就需要全面考虑地热地质任务的特殊性，结合地质水文工作成果和资料，有针对地取舍和综合有效的物探方法， 加以合理的探测工作设计，方能达到地球物理工作目的。

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