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地热资源常用勘探方法及功效简介

郑州富士达公司 寇伟

以往勘探结果表明，板块内岩溶热水的形成与出露一般都是受压扭性断裂与张扭性断裂的双重控制。由于张性断裂有着良好的张开程度，地下热水常沿这类断裂流动、排泄；压性断裂面是受主压应力作用的结构面，也是受应力最大的结构面，因此断裂深、规模大。压性结构面的两侧，岩石挤压强烈，岩石结构致密，岩石的电阻率或电位值变高。当地下热水在深部向排泄区水平径流时，遇到阻水的压性断裂，改变径流条件，充斥断裂层内形成地下热水的富集，致使其沿着张性断裂或压性断裂的相对启开部分向上运移。在压性断裂与张性断裂交汇处，岩石破碎，裂隙发育，形成热水上升的良好通道。所以地下热水的出现，多是张性断裂与其主干压性断裂联合作用的结果。因此，应用物探方法在板内区域寻找地下热水的关键就是寻找控制地下热水的构造，即通过物探方法对断裂构造、特别是开启性断裂构造的明显反映，寻找基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,结合区域水文地质条件判断其富水性，再进一步探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。

目前国内的深部地热勘探主要依赖地球物理勘探方法。地球物理勘探方法在地热勘探中具有其独特的优点，是其他方法无法替代的。具体表现在：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。随着地球物理勘探仪器的更新换代和性能的提高，地球物理数据处理技术的发展，使得地球物理勘探方法成为地热勘探中的主角。目前，由于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、岩性测深技术将难于担当此任。近二十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瞬变电磁测深和大地电磁测深等。在所有物探方法中电阻率或电位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 , 一些电法、磁法的探测效果明显不足，而CSAMT可控源音频大地电磁测深方法则在深部地热勘查中发挥了越来越重要的作用，被越来越多的地热勘探项目使用，并取得了较好的效果。当然，仅靠一种CSAMT可控源音频大地探测方法是不够的，在实践中往往还要使用另外几种物探方法配合勘探和验证，才能最终判定地热资源分布状况。

下面介绍目前常用的综合物探方法及其在地热资源勘探中的应用情况

1、高精度磁法勘探（磁力仪）

高精度磁力仪是一项较为成熟的地球物理勘探技术，广泛应用于资源勘探、基础地质调查、工程地质调查等领域。近年的理论研究和实践表明，高精度磁法资料在解译断裂构造中可发挥很大的作用。虽然灰岩的磁性相对较弱，但当发生断裂形成断层及破碎带后，由于断面两盘发生了长度几十米较为明显的相对位移以及破碎带的存在，会产生磁异常及电阻率的变化。使用分辨率达 0.1 nT的高精度质子磁力仪，可以有效地记录

磁异常的微弱变化，甄别出3000米深度以上30米断距的断层，对于埋藏深度较小的断层，高精度磁力仪探测资料解译断层的能力会更强。高精度磁法的优点是轻便、快速、成本低，在给定区域内寻找 “ 靶子 ”（断裂及其破碎带）效果的明显；缺点是对宽度大的断层构造异常反应明显，对于小的断层构造异常反应模糊，容易引起误判和漏断，而且还不能清楚确定断层的具体深度、破碎带宽度、断层走向和倾角等信息。

2、高分辨率地震勘探

在第四纪与灰岩之间以及第四纪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。高分辨率反射波法地震勘探的优点是：可以高精度地连续追踪标准反射层，细致反映构造，不仅能够探测断裂的确切位置，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。缺点是若没有较多的钻孔地质资料作为参考进行矫正的话，在地震资料的处理 、解释过程中难免出现技术针对性不强等问题，导致产生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以及地震时一维转换速度不准等问题。

3、大功率瞬变电磁法

大功率瞬变电磁法又称瞬变电磁测深(TEM)，它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，特点是有较大的探测深度和对低阻体有较强的分辨率。TEM系统由发射和接收两部分组成，发射部分是有限长度的接地导线，发射波形为阶跃状方波，根据法拉第定律，该脉冲在地下激发二次涡旋电流，随着时间的推移，电流的极大值向地下深处移动并向外扩散。由发射所激发出的随时间变化的感应电流，又引起了随时间变化的磁场，可以在接收部分的磁探头(线圈或磁棒)中产生感应电动势，形成电磁测深的接收信号，这一过程类似于地震勘探中用检波器进行信号接收。在横向均质的地球中，感应电流是水平的闭合环，在电流极性改变之后，接收的感应电动势先反映浅部地层信息，随着感应电流的移动、扩散，接收到的感应电动势逐渐包含深部岩层的信息，通过在时间域的测量，可以得到随时间衰减的信号曲线，从而获得在测点处由浅至深的地电信息。

大功率瞬变电磁法在地热勘探中有以下三方面的应用：(1)构造勘探：瞬变电磁法勘探对于复杂的断裂构造、火成岩构造、岩溶构造具有反应灵敏、不受高阻屏蔽影响的优势；(2)岩性勘探：由于地层完整性、矿物质量与类型、空隙度发育情况等是决定深部地热资源情况的关键因素，它们与岩层的电阻率有密切关系，因而可以通过探测出的电阻率分布分析得到地质岩性特征；(3)地热资源勘探：因在热藏内外所探得的电位差和相位都有明显的差异，不同供电频率所产生的变化也不尽相同，利用这种差异和变化的不同， 能准确地确定热藏的范围和边界及相邻区块的含水性。

由于大功率瞬变电磁测深法的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；大功率瞬变电磁测深法对于单测点垂直测深的分辨率很高，但是在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。另外，由于大功率瞬变电磁测深法的勘探设备价值远高于普通瞬变电磁法仪，国内现有设备有限、勘探成本相对较高，不利于一般地热资源勘探推广使用。

4、可控源大地电磁法勘探（CSAMT）

电法勘探是通过观测和研究天然电磁场和人工电磁场在不同岩矿石间的电性差异进行地质勘查和找矿的一种物探方法，因电法勘探具有简捷、准确的特点，在地热勘查中应用最为广泛。应用电法勘探可以探测与地下热水有成因关系的断裂构造位置，圈定地下热水分布范围，确定覆盖层厚度热源的位置以及隐伏基岩岩性等。就国内目前较为普及的电阻率法和高密度电阻率法探测仪而言，由于放电量和拉线长度有限，不可能用于深层地热勘探；天然场选频仪的频点有限（3—5个）、探测深度不够（约400米），也不能用于地热勘探。

就适合深层地热资源的电法勘探方法来看，只有频率域大地电磁勘探法的应用效果相对最好。比较来看，可控源声频大地电磁法（CSAMT）原理与大地电磁法（MT）原理是一样的，所不同的是大地电磁法的场源是天然的、即被动场源，可控源声频大地电磁法的场源是人工发射源、即主动源。天然场源的频带极宽，从10000Hz-10000秒或更宽，所以勘探深度极大；而人工场源限于发射技术限制，频带范围一般为 8192Hz-100秒或略长，所以勘探深度一般在3000米以内。天然场源信号来自太空，可视为垂直于大地的平面电磁波，符合大地电磁法对场源的要求；而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方法的发射—接收的距离一般为 10-15km。MT场源是不同频率简谐波组成的连续复合波，CSAMT 场源一般是谐波丰富的、不同频率的方波序列，两者的数据处理方法不同，但反演解释方法相同。CSAMT方法除场源发射设备外，其接收设备与 MT 法相同。由于目前进口的MT勘探设备不能有效克服电磁噪声干扰、所得探测结果质量不高，严重影响了深层地热资源勘探中的使用效果。从目前可查到资料介绍情况来看，已有地热勘探项目中常用的电法勘探方法多为可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）,国内地质、煤矿、石油等系统省级物探单位均配有可做CSAMT法的进口V8或GDP-32综合电法仪，但由于设备价值一二百万元、需要十几个人配合操作，使用成本居高不下。

CSAMT方法的激励场源为可以人工控制发射电流及其频率的电偶极子或磁偶极子，测深点位于距场源较远地段，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，为进一步的地质解释提供详实可靠的深部资料。

CSAMT方法的最大优点是：1）发射频率和强度可控、可进行多次叠加，信噪比高、抗干扰能力强，因而在电磁环境噪声大的地区也能获得高质量的视电阻率曲线和相位曲线；2）CSAMT方法是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）可以同时可以完成7个探测点的电磁测深任务，可以通过改变接收点距离来控制横向分辨率，由于是同时完成了多探测点剖面和测深双重任务，大大提高了工作效率；4）高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。

由于受设备性能限制，应用CSAMT法仍要受到外部条件的限制和影响：1）一般要有地质勘探资料证实勘查对象与周围地质体之间存在较明显的电阻率差异，确保勘查对象产生的电性异常能从干扰背景中分辨出来，否则会影响分析结果，易产生误判；2）当勘探区域内外来电磁噪声干扰较严重时，勘探效果将受到影响，明显降低可信度；3）其纵向分辨率满足不了需要，特别是深部频点很稀，分辨能力较差，若是勘探区域内勘查对象与围岩之间电性差异较小，或勘查对象的相对规模不大、埋深较大，则无法肯定能否测出异常响应；4）其等电阻率彩色剖面图是通过Suefer软件绘制的，输入数据的留用或剔除全靠人工判定，会形成主观的判定结果，仅靠过于稀少的频点数据连接起来的等电阻率曲线图看起来过于抽象不真实。另外，从一部分地热井的测井电阻率看，CSAMT确定的电性层与实际地层并不是完全一一对应的。

开凿地热井有四大风险：地质风险、深度风险、温度风险和水量风险。

1）地质风险：假若勘探区域内不存在断裂或岩溶裂隙等地热发育的地质构造，就不可能找到并打出地热水，首要任务是要确定是否存在地热资源的地质构造。

2）深度风险：对于存在岩溶裂隙发育的区域，若是所定打井深度不到裂隙发育层的实际所在深度，就会打不出地热水；对于断层构造型地热井，若是打井与断层破碎带不相交或相交点深度很浅，就不会打出地热水；即使打出的地热井，若定井位不准、与断层相交点以下所打深度就是多打浪费的。

3）温度风险：对于存在断层构造型地热井，所定井位与断层破碎带相交点的深浅决定了打出地热水温度的高低，按照地层增温率原理，相交点以下因没有地热水和破碎带，其深度与地热井出水温度基本无关，准确选定地热井在深部与断层破碎带相交是地热井定井的难点和关键。

4）水量风险：最大风险莫过于水量风险，如果所打地热井基本无水就等于是凿了口废井。因此打井前必须知道井位下水文地质情况，探明含水层的数量、深度、含水量，确定固井深度和要保留的含水层，在精确勘探结果的基础上科学设计凿井施工方案。

地热资源勘探的具体任务为：①查明目标区域内是否有断裂或岩溶裂隙存在，并确定其大致产状；②了解该地区地层的发育特征，寻找地热构造，确定断层构造的位置、

走向及倾角；③查明含水层的数量、层深、含水量，精准确定地热井的位置、打井深度，科学预测出水温度和出水量。

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。即单一物探方法有时具有多解性，如高温热水和蚀变矿物都能引起低阻，高温热流体视电阻率低、但视电阻率低的地方不一定都有高温热流体。而通过综合物探可以避免采用单一方法在深度广度精度方面的不足，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资料，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。由于综合物探方法组合中的每一种物探方法都有各自的优点和缺点，无论是在勘探的精度还是勘探的范围上都有差别，一般是要根据地热资源的实际情况、自身物探能力和条件，选取合适的物探方法。

对于缺乏百万元以上的V8、GDP-32、GSM-07等综合电法仪、无法进行CSAMT可控源音频大地电磁测深法的物探项目，通常采取以高精度磁法在工区扫面找到靶区、用高分辨率地震勘探在重点地段做剖面定位、再使用瞬变电磁法在重点部位测深和确定富水性的综合物探工作模式，通过各种不同性质的物探方法相互验证、相互补充，避免受单一方法多解性的影响，提高查找地热资源的成功率。由于这几种探测仪器的定位、定深精度有限，这种普通物探方法组合的探测效果一般，只能定性的找到地热资源，不能够精准确定地热资源的各种参数，据此确定地热井位的成功率不高。

随着对深部地热勘探需求和地热井投资的不断增长，对地热勘探的准确性要求也在不断提高，新兴地球物理勘探手段的引入和研发将成为必然。根据以往经验来看，磁法中的高精度磁力仪与电法中的可控源大地电磁法勘探技术相结合，取长补短，可以取得较好的勘探效果。先利用高精度磁力仪具有的直观、快速、对线性异常和断层构造反应灵敏的特点，在目标区域进行普查式的勘探，找出有可能形成深部地热构造的靶区；然后再利用可控源大地电磁法勘探技术（CSAMT），对确认目标靶区进行重点勘探，从而得到详实、可靠的勘探结果。

由于这两种勘探方法所用的都是价格不菲的进口设备，勘探时间较长、占用人工较多，用其勘探地热资源、定地热井的费用自然也就较高。而近几年研发成功的富士达VCT大地电磁场成像探测仪，经过不断探索和积累地热资源勘探经验，实践证明完全可以替代高精度磁力仪和可控源大地电磁法、独立承担地热资源勘探定井任务，勘探密度更大、速度更快、效果更好。关于富士达VCT大地电磁场成像探测仪与可控源大地电磁法（CSAMT）在地热井勘探中的效果对比，将另撰文分析。