大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用

大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用
罗富恒，杨 森
（重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆 400023）
摘要：我国地热资源以中低温地热为主，成因类型多为传导型，其中以沉积盆地隆起型地热田分布最多。

目前地热勘查以电磁法为主，利用电阻率参数解译深部地层分布及断裂构造展布，预测热储构造位置，进而指导钻孔布置。

本文以大地电磁测深法的应用为例进行探究，首先阐述了探测技术概念，其次分析了其在地热资源勘查中的应用优势，然后结合实例对具体的勘查方法与成果解释进行论述，旨在促进地热资源勘查技术理论研究及技术发展，以提高地热资源开发效益。

关键词：地热田；电磁法勘查；资料解译；可控源
作为一种清洁可再生的新兴能源，地热能具有低碳、可开发周期长、开采得当可实现取之不尽用之不竭的突出优点，越来越受到人们的重视。

地球是一个热库，其内部蕴含巨量的热能，在温度差的作用下，深部热能不断向浅部辐射传导[1]。

为维护国家能源安全，实现社会经济的可持续发展，研究地热资源形成机制及其赋存特征具有极其重要的理论意义和现实意义。

1 大地电磁测深法概述 大地电磁测深方法是将探查地下电阻率差异为基础，寻找地下热储。

随着深度加大，地表观测到由地下热水引起的电阻率差异越来越小，以至难以分辨由地热变化引起的电阻率异常[2]。

根据实测电阻率结果推断确定热储层位及地质构造空间分布情况。

通常野外数据采集仪器为美国Zong 公司开发的GDP－32Ⅱ型多功能电法仪，数据处理和解释使用Scs2D 软件。

可控源音频大地电磁测深法测线NE 向布置3条，收发距7-8Km，AB 距1.3-1.5Km，测点mn 间距40m，测量频率0.125-8192hZ。

2 大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用优势 所谓地热是指来自地球内部的热能量，多以热水或者是水汽的形式埋藏在地下，或出露地表，被广泛应用于电力、医用治疗和采暖供热等多个领域，是具有较高开发价值与发展前景的天然环保清洁能源[3]。

可控源音频大地电磁测深（CSAMT）用人工控制的场源做频率测深，在寻找低阻异常方面具有良好的效果。

同时，具有勘探深度大、受高阻层屏蔽影响小、受地形影响小、对低阻层识别度高、分辨率高、成本低、工作效率高等诸多优点，是地热勘查主要方法之一。

3 实例探析大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用方法 某工作区地表出露为新近系（N）和第四系（Ｑ）；据钻孔揭露，下覆基岩为花岗岩及斑状花岗岩。

构造形迹主要表现断裂构造和由断裂控制的地垒和断陷。

断裂构造大致可分近南北向、北东至近东西向和北西向三组，其中以近南北向断裂为主体断裂，北东至近东西向和北西为次一级伴生断裂。

该勘查项目主要应用可控源音频大地电磁测深法。

3.1 热储 热水主要赋存于新近系（N）砂砾层中，或者花岗岩断裂破碎带中。

区内热储通道应为断裂构造，通过断裂构造热水进入浅表层新近系岩层中。

图1是区内实测Ⅱ号地质剖面草图，其中编号ZK203孔（井深386m）和ZK208孔（井深312.87m）出水温度超过200℃，两个钻孔热水位于海拔4350-4550m
之间新近系砂砾层中。

图1 地热田Ⅱ号地质剖面
3.2 岩石电性特征 区内实测电阻率统计结果表明：①花岗岩电阻率＞1000Ω·m，中性火山岩电阻率200-700Ω·m，构造角砾岩平均电阻率196Ω·m；
②热水砂砾层电阻率在n-n×10Ω·m，含冷水砂砾层电阻率大于100Ω·m，这个结果说明热水可以使岩石电阻率降低；③冷水和热水之间存在明显电阻率差异，反映了温度和矿化度对水电阻率的影响很大。

上述结果表明，可以利用实测电阻率分析区内地下热储赋存状
态。

3.3 可控源音频大地电磁测深结果
Ⅱ号地质剖面基本沿着沟谷呈折线布设，剖面大致描绘出火山岩地垒和地堑断陷大致分布情况。

由图1可见，编号F6断裂为正断裂，断距超过200m；从剖面起点至编号F6断裂之间花岗岩顶界深度小于400m，剖面内有6个已经完工地热勘探（开发）钻孔；其中剖面起点处孔（ZK205）温度最低，剖面中部两个地热井（ZK203和ZK208）温度超过200℃，两个钻孔深度均不超过400m，开采的是浅部新近系砂砾层中的热水资源；其他三个钻孔温度均超过100℃。

地质推断从F6自剖面末端花岗岩顶界深度超过500m。

图2是区内可控源音频大地电磁测深G 线综合剖面图，该剖面位于Ⅱ号地质剖面北侧，基本沿着Ⅱ号地质剖面布设，两剖面最近
距离不到100m，两剖面点号完全一致。

由图2可见，x＝700m 附近浅部出现明显纵向低阻异常，这个低阻异常对应地质推断编号Fx 4断裂，温度最高的ZK203孔和ZK208孔均终孔于Fx 4断裂上盘，且离断裂面距离最近；根据可控源音频大地电磁测深结果可以确定这个断裂（Fx 4）向下延深很大，其底部出现明显低阻异常。

ZK207孔、ZK203孔、ZK208孔和ZK200孔附近高阻顶界面均在h＝4300m 附近，
与这些钻孔揭露的花岗岩顶界面深度基本一致；这四个钻孔热水采集深度均在h＝4500m 附近，对应这个深度出现热水产生明显低阻层。

x＝1500m 附近出现断裂（编号F6），这个位置对应可控源音频大地电磁测深出现电阻率阶跃性突变，应为断裂构造（F6）产生；编号F6断裂上盘高阻界面深度在h＝4100m 附近，与ZK204孔揭露结果完全一致。

分别在x＝850m 和x＝1350m 附近浅部出现的微弱电阻率异常应为编号F3和F5
断裂影响产生。

图2 地热田CSAMT 勘查G 线综合剖面
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按照一定时间密度，对转辙机功率曲线图形[2-3]数值（如图3所示）进行显著性提取，这些图形数值包括提取不同时间间隔内的功率均值、方差和变化率，这些数值组成输入矩阵。

对这些数值去均值和归一化预处理。

本标准时间间隔密度取
3、4、5。

图3 时间序列的功率曲线图
4.4.2 卷积计算
建议卷积核维度为3×3，按照随机赋值的方法给卷积核赋初值，用卷积核按照步长为1的节奏横向和纵向照射输入数据矩阵，计算矩阵内积（卷积计算），组装成特征矩阵。

实际上，卷积计算是对输入数据进行特征提取，每个卷积核的元素对应相关权重系数和偏移量。

4.4.3 激励非线性映射
对卷积层计算结果做非线性映射，可以突出区域信号图形特征，减少参数数量。

一般激励函数可选取sigmiod、Relu等函数。

本标准选用sigmoid函数，该函数也叫Logistic函数，取值范围为(0,1)，它可以将一个实数映射到(0,1)的区间。

Sigmiod函数表达式见式1所示。

=
1
1+ −
（1）
4.4.4 池化计算
池化就是对非线性映射结果进行进一步的特征选择和信息过滤，压缩数据和参数数量，减小过度拟合。

要保持三个功能，即特征不变性、特征降维、防止过度拟合。

池化一般有三种方法：LP池化，即在选定的池化区域内选取平均值或者最大值；随机池化，按一定的概率分布，随机选取其中一个概率值；谱池化，基于FFT的池化方法，对特征图的每个通道分别进行DFT变换，并从频谱中心截取序列进行DFT逆变换得到池化结果。

本标准选用池化尺寸为1×2，池化策略为最大池化。

4.4.5 全连接层计算
全连接层计算实际上是对前面计算的一个总结，给出一个最终的结果。

首先对特征图进行维度改变，先将卷积层或池化层输出的所有二维特征图映射成1个一维的征向量，然后对所有特征进行不同的加权求和，得到一个一维概率分类数组（softmax函数做逻辑回归计算)，该数组是每个分类类别的概率数值组合，可直接对卷积结果进行分类结果判定。

例如：Softmax[0.48 , 0.07, 0.82，0.92，0.42, 0.35]表示6个类别的概率值，其中第四类（0.92）可能性最大，结果匹配为第四类。

4.4.6 卷积核训练
卷积核表达的是信号图形某一个显著特征，具有决定性的作用。

但初始卷积核只能用随机赋值的方法确定，卷积计算的概率误差很大，通过将误差进行逆向传播，依次求得全连接层、池化层、卷积层的误差，利用求得的误差对卷积核进行更新，进行卷积、池化、全连接层循环计算，反复进行全连接层、池化层、卷积层的误差逆向重新分配，直至最终概率误差小于限值，这时求得的卷积核就可以用于实际应用了。

训练采用最优梯度法，训练公式见式2。

w t+1=w t−α
∂△y
∂w
（2）
式中：w—卷积核中的权值系数；
△y—计算误差；
α—学习速度；
∂△y
∂w
—梯度。

5 格式要素
除了技术要素以外，标准文本必备的规范性、格式性要素还包括，封面、前言和范围。

标准封面应包含标准分类号、标准属性、标准编号、标准名称、标准发布实施单位和日期。

标准属性主要表明标准的国家、行业、地方和企业标准性质；国家标准编号为GB，行业标准为行业缩写，地方标准为DB××，企业标准为QB××。

标准编号为标准管理部门赋予的标准唯一顺序号和年代。

前言包括标准的归口单位、编制单位、编制人员、编制依据、部分标准的结构组成，以及标准与专利的关系。

范围是标准正文的第一章，是标准必备要素，主要论述标准的内容所包括的界限，标准适用的时间和空间界限，行政区划等。

6 结语
通过上述讨论，可以得到以下结论：（1）卷积神经网络算法标准预研是标准编制的前置工作，存在必要性；（2）标准的预研遵循了法定程序，保证了标准的科学性和适用性；（3）卷积神经网络算法标准属性应为推荐性技术标准，不属于管理标准或工作标准；（4）卷积神经网络算法标准的编制应具有一定的经济和科学效益。

参考文献：
[1]翟永强.贝叶斯网络在道岔控制电路故障诊断中的应用研究[D].兰州:兰州交通大学,2012.
[2]白殿一,刘慎斋,等.标准化文件的起草[M].北京:中国标准出版社, 2020.
[3]王瑞峰,陈旺斌.基于灰色神经网络的S700K转辙机故障诊断方法研究[D].北京:铁道学报,2016.
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对比实测地质剖面和可控源音频大地电磁测深反演电阻率结果可以确认，可控源音频大地电磁测深勘查结果可以明确反应出花岗岩界面深度、浅部热水赋存状态和断裂构造展布情况[4]。

由于对流型热储资源均来自地下深部，对比分析可控源音频大地电磁测深勘查结果、实测地质资料、已知钻孔温度及钻孔与编号Fx4断裂之间相对位置关系等因素，结合ZK207孔、ZK203孔和ZK208孔出水温度结果分析，确定编号Fx4断裂是地下水上升通道，下部低阻区应为深部热储。

根据实测地质及可控源音频大地电磁测深勘查结果在编号Fx4和Fx1断裂交汇位置布设深部地热开发孔。

深部地热开发孔终孔深度1508m，自喷，出水温度超过210℃。

根据钻孔揭露结果，地表至300m 为安山岩和安山质火山玻璃组合，300m至1508m为花岗岩。

280m至310m岩石较为破碎，690m至1180m之间分段出现明显岩石破碎现象，推断上述岩石破碎段为断裂破碎带产生，热水主要来源于深部花岗岩体内断裂破碎带。

4 结语
综上所述，大地电磁测深法在地热资源勘查中应用具有勘探深度大、勘查效率高、操作便捷等诸多有点。

在本文所述勘查项目中，通过可控源音频大地电磁法对指定区域内的地层结构、高低阻电性层分布、断裂构造发育情况进行评价，明确断裂构造的控热作用，以确定本区地下热储赋存状态和分布位置。

实践表明此种勘查方法应用效果较好，达到了预期目标，具有应用推广价值。

参考文献：
[1]贾昊凝,李艳,黎晏彰,等.天然硫化物矿物对地球深部热能的热电转化效应研究[J].岩石矿物学杂志,2019(06):815-822.
[2]陈庞龙,肖骑彬,赵国泽,等.用大地电磁测深法探测深圳断裂带的结构特征[J].地震地质,2010(3):360-371.
[3]张保建,沈照理,乔增宝,等.地下热水的水化学资料在判断断层中的应用——以聊城市城区地热田为例[J].工程勘察,2010(01):51-54. [4]顾广宇,刘威.可控源音频大地电磁测深法在花岗岩地区地热勘探应用[J].能源技术与管理,2017(05):178-179.
作者简介：
罗富恒（1988-），男，本科，工程师，主要从事水文地质、区域地质工作。