電磁法在深部地熱中的研究與應用

李貴棟 劉 巍

河北省地球物理勘查院

電磁法在深部地熱中的研究與應用

李貴棟 劉 巍

河北省地球物理勘查院

地熱資源是一種綜合資源。改革開放以來，隨著地熱資源的不斷開采，其可采儲量下降。我國經濟發展的步伐嚴重受制于這種不合理的能源結構。目前，在全國范圍內，已開發的地熱資源共計約 4000 余處而且還處于逐年上漲的態勢中。鑒于以上原因，本文簡單分析、對比幾種勘查地熱的地球物理方法，以電法為重點，著重研究激發極化法、可控源音頻大地電磁測深法和電阻率測深法來尋找地熱資源。通過對比上述三種方法的成果進行了綜合分析，并以東北實驗區作為試點進行驗證。

電法；磁法；深部；地熱資源

1、電法在地熱勘查中的應用

1.1 地熱與地球物理方法

地下熱水是識別地熱資源的重要特征，它具有低阻異常、電阻率低等特點。有多種方式來勘查地下熱水，例如：①電法勘探；②重磁勘探；③地震勘探等。但是探測手段的不同，會獲取不同的效果。

(1)電法勘探。電法勘查主要是根據不同的礦石、巖石的導電性特點，通過研究天然或者人工的電磁場空間分布規律進行礦產資源、地熱資源勘測的一種重要手法。該方法是一種方便、快捷的方法，也因此得到了廣泛的應用。應用此方法可以檢測地下熱水儲存量、分布范圍及熱源位置，除此之外，還可以斷定巖石斷裂構造位置等。

(2)重磁勘探。重磁勘探可以在地熱勘查、地熱田儲量、分布評價等方面具有重要的作用。重磁勘探在探測構造斷裂帶、巖石凸起凸起構造和地下熱水具有明顯的優勢，其主要利用了重力場、磁力場的變化規律特征。

(3)地震勘探。地震勘探是一種用來解決地質問題的重要手段。它主要研究地震波的動力學特征和運動學特征。在巖層斷裂位置以及成因方面，二維地震剖面具有良好的效果，特別是在已獲取了明確的層位信息和標準反射信息時，利用這種方法進行推斷將更為準確。

在地熱資源的勘探方面，應該根據不同的實際情況選擇不同的物探方法。這樣既可以降低成本，還可以提高探測效率。自由電異常和電阻率異常等情況，可能是因為地熱的存在而導致的。在外電場下引起的極化過程可能會因為熱水蝕變粘土化等因素導致。這些異常特征為地熱的電法、磁法勘查提供了非常重要的理論支撐。

1.2 電法在地熱勘查中的應用實例

早在1991年，在黑龍江濱東地區某鎮發現兩處具備多項火山存在特征以及巖石構造分帶特征，因為多方面原因，后續并未對進行深一步的勘察。近年來，在該地區發生了多處大小不一的塌陷坑。這些塌陷坑雖然毫無排列規則，但是相互連接，直徑范圍在1～10m之間。塌陷坑中的互切割，存在明顯的斷層特征，并呈現出呈現片礫狀、疊瓦狀。有關氣象信息表示，該地區寒冷的冬季，夜間氣溫達零下 20℃左右時，也不曾出現霜凍，植物依然呈霧凇景，并且該地區的草提前10～20天進行發芽。該地區在 被大雪覆蓋之后，地表出現多個蜂窩狀小洞，而且其中無積雪。

該地區劃屬興凱湖—布列亞山地層塊區，該區域內水系較多，都屬于松花江水系，主要有：牤牛河、拉林河、螞蟻河、阿什河等。

(1)第四系松散堆積層孔隙潛水。在上述的水系兩岸分布著一階地和低漫灘。這也就提供了較厚而穩定含水層。同時，這些水系附近地下水蘊藏豐富，能提供大量的水供給。這些含水層厚度大約在15～40m左右，巖性大部分為砂礫石層，而且單井涌水量 100～200t/d；大氣降水為主要的水補給來源。

(2)低山丘陵基巖裂隙水。在區域內，二疊系變質巖和侏羅系火山碎屑巖產生了斷裂構造和風化裂隙。這也為大氣降水的滲入提供了良好的條件，非常有利于形成基巖裂隙水。但是，由于裂隙大小不一，也導致了含水量各不相同。被風化強烈的火山巖，花崗巖為地下水循環提供了良好的條件，而且也會地下徑流方式提供水補給。區域內火山巖是區內產生地熱的原因之一。由于巖漿中的水分含量增加，蒸汽也就提供了更大的壓力。一部分熱量傳遞給了巖石，并間接的提供給了地下循環水，使其變熱。另外，部分巖漿蒸汽空隙上升至地下循環水中，使水的溫度增高，構成了地熱田。

圖1 測區水溫地質圖

2、巖層電阻率與深部地熱溫度關系的研究

2.1 巖層電阻率和溫度的關系

電阻率法不僅是一種切實可行的物探勘查方法，也是地熱田勘探的常用方法之一。在斷裂構造位置、地層埋深等多個領用，可以采用利用率異常方法。熱儲構造電阻率和孔隙度、地下水礦物化等多個指標相關。

隨著溫度的不斷升高， 地下水溶劑礦物質的能力增強，密度和粘滯性減少，水的礦化程度增高，導電 離子增加，電阻率降低。由含水巖層標本電阻率和巖礦化度及溫度變化關系曲線可以看出：在相同壓力下，相同溫度的水礦物質化程度越高，其電阻率越低。除此之外，在水礦化度不變的情況下，溫度約升高，其電阻率降低。當溫度和礦物化程度達到一定值后，其電阻率不在發生變化。

2.2 電阻率推斷深部地熱溫度的前提條件

巖層巖性、巖層所含液體的導電性和巖層破碎的走向等多個因素都對巖層的電阻率產生影響。在小的范圍內，巖層的電阻率和巖層孔隙度隨溫度溫度變化不會發生較大的變化，而在大范圍內，就會變化的非常明顯。這一特征為尋找熱田打下了良好的基礎。

在計算時，第一：需要先對地質分布進行分析，如果缺失地質剖面信息缺失，則需使用電阻率斷面圖進行推理；第二：需要將不同巖性的地層劃分成不同的小區，按照分布情況，結合物性參數，并依據實測電阻率電阻率溫度計算；最后：用溫度異常進行地質解釋。

3、電法在東北實驗區的使用

3.1 工區地質和地球物理特征

根據采集的材料進行分析，雖然各個區內在導電性方面存在一定差異，但是在理論上可以明顯的區分出地質界線。一般情況下，第四系和第三系地層在一定程度上存在電阻率差異，但是由于第三系地層情況非常復雜，還包含有半成巖的特征，一些地段有部分熱水填充到了第三系砂礫層內，所以難以利用電阻率變化準確刻畫出出第三系地層厚度。

3.2 電性斷層推斷和地質解釋

從整體反演試驗中上，一條電阻率分布在大約深度100米左右，高于100米區域的電阻率較低， 而100米以下區域隨深度而電阻率明顯上升。導致出現這一現象的原因可能由于巖石結構和地質構造發生變化導致。在試驗中，很難利用電阻率準確計算出第三系的真實厚度，所以在解釋斷面工作中，將電阻率高的界面推斷為花崗巖。