地?zé)豳Y源電磁法勘探現(xiàn)狀及展望

吳佳文, 胡祥云, 黃國疏, 彭榮華, 周文龍

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院, 湖北武漢 430074

地?zé)豳Y源勘探是地?zé)衢_發(fā)利用的重要前提, 其聚焦于對表征地?zé)岘h(huán)境的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進行直接或間接測量, 以反映各地?zé)嵋匚锢硇再|(zhì)及空間分布特征, 進而對潛在地?zé)豳Y源進行探查與評估。隨著地?zé)峥碧侥繕?biāo)深度的不斷增大, 地?zé)嵯到y(tǒng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造更加復(fù)雜, 地?zé)豳Y源的勘探難度也在不斷增加。地球物理探測作為地?zé)豳Y源開發(fā)利用重要手段,在地?zé)峥碧健①Y源評價、地?zé)衢_發(fā)監(jiān)測等方面均起著十分重要的作用。其中, 地震勘探方法是一種高分辨率物探手段, 多年來廣泛用于石油、天然氣和地?zé)豳Y源熱儲層構(gòu)造的高精度成像, 但在反映地?zé)嵯到y(tǒng)深層結(jié)構(gòu)性質(zhì)與組成方面存在不足, 且成本高昂。與地震成像技術(shù)相比, 電磁探測技術(shù)具有成本低、綠色環(huán)保、設(shè)備便攜等特點, 近年來隨著電磁勘探設(shè)備的改進與數(shù)據(jù)反演解釋方法的進步, 電磁探測準(zhǔn)度和精度均有提高, 已廣泛應(yīng)用于地?zé)豳Y源勘探, 并在許多國家已成為地?zé)嵯到y(tǒng)勘探的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Mu?oz, 2014)。本文旨在梳理電磁法在地?zé)豳Y源勘探中的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀, 闡述電磁法在解決地?zé)岷诵膯栴}中的適應(yīng)性與有效性, 討論地?zé)犭姶盘綔y的不足與未來技術(shù)發(fā)展方向, 為利用電磁法精準(zhǔn)探測地?zé)豳Y源提供方向性指導(dǎo)。

1 地?zé)豳Y源電磁探測現(xiàn)狀

電磁法在高溫地?zé)豳Y源的探測過程中具有獨特優(yōu)勢, 它能夠揭示地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)特征。電阻率是地下介質(zhì)電性特征的主要表征參數(shù)之一。一方面, 地下介質(zhì)的電阻率與表征地?zé)岘h(huán)境的重要參數(shù)如溫度、含鹽濃度、孔隙度、滲透率等相關(guān)(Archie,1942; Berktold, 1983; Flóvenz et al., 1985; Anderson et al., 2000); 另一方面, 地下構(gòu)造帶、地?zé)豳Y源的熱源、熱儲層和蓋層等不同部位的電阻率也具有明顯差異(Spichak and Manzella, 2009; Mu?oz, 2014), 這不僅為利用電磁法實現(xiàn)地?zé)豳Y源有效探測奠定了基礎(chǔ), 也對熱源、導(dǎo)熱通道和熱儲層的精準(zhǔn)識別與圈定創(chuàng)造了有利條件(唐顯春等, 2023)。

表1 不同類型地?zé)豳Y源常用電磁勘探方法Table 1 General electromagnetic method used in different types of geothermal resources

人工源電磁法具有淺層分辨率高、抗干擾能力強等特點, 但其所激勵的場源為中高頻電磁場, 導(dǎo)致在探測深度方面存在一定局限性; 天然源電磁法(尤其是 MT)可對低頻電磁場進行觀測, 具有勘探深度大的特點, 但其對淺層電性結(jié)構(gòu)分辨率不高,且天然電磁場信號微弱, 極易受到電磁干擾, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量降低。兩種類型電磁方法各有所長, 各有所短, 二者可互為補充。在地?zé)豳Y源勘探中, 應(yīng)根據(jù)探測目標(biāo)特征和工區(qū)實際條件選擇合適勘探方法,方能實現(xiàn)對地?zé)豳Y源的有效探測。

目前, 地?zé)豳Y源電磁探測技術(shù)正由單一方法向多方法組合探測方向發(fā)展, 綜合地球物理方法可彌補單一方法的探測缺陷, 并對探測結(jié)果進行相互驗證, 提高地?zé)豳Y源勘探廣度與精度。He et al.(2016)結(jié)合MT和AMT方法對西藏Mapamyum地?zé)崽镞M行電磁成像, AMT探測結(jié)果對淺層電性結(jié)構(gòu)進行了補充, 探測結(jié)果很好地揭示了研究區(qū)深部熱源位置、導(dǎo)熱通道及淺部熱儲分布范圍。Marwan et al.(2019)在MT二維反演過程中加入TEM數(shù)據(jù), 對MT靜態(tài)效應(yīng)進行校正, 展示了印度尼西亞Seulawah Agam火山地?zé)嵯到y(tǒng)中可能存在的熱源以及熱儲層等地?zé)嵋氐奈恢谩Ｅ岚l(fā)根等(2021)以MT和 CSAMT綜合地球物理方法為手段, 查明了齊齊哈爾龍安橋地區(qū)低溫地?zé)豳Y源的熱源、通道、熱儲及蓋層的空間配置關(guān)系, 確定了該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式。此外, 諸多研究人員結(jié)合電磁法與重力、磁法及地震等物探方法對地?zé)嵯到y(tǒng)進行研究與評價(Jousset et al., 2011; Soengkono and Reeves, 2016;Yadav and Sircar, 2019)。綜合物探方法提供了多種不同物性參數(shù), 能夠幫助研究人員更清楚地了解地?zé)嵯到y(tǒng), 建立更為準(zhǔn)確的地?zé)岬刭|(zhì)模型以及圈定地?zé)衢_發(fā)潛力區(qū)域(唐顯春等, 2020, 2023)。

由于地下地?zé)豳Y源結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的復(fù)雜性, 傳統(tǒng)單一物性反演方法對地?zé)嵯到y(tǒng)的反映具有模糊性和不確定性。近年來, 針對地?zé)豳Y源的多物性聯(lián)合反演算法得到不斷發(fā)展并逐步應(yīng)用于地?zé)豳Y源探測。AMT和直流電法(DC)非線性聯(lián)合反演(Santos et al., 2007)、TEM 和 MT的 OCCAM 一維聯(lián)合反演(árnason et al., 2010; Lichoro et al., 2017)、重磁電交叉梯度聯(lián)合反演(Yadav and Sircar, 2019)等方法已成功應(yīng)用于地?zé)豳Y源電磁成像, 在反演過程中表現(xiàn)出良好的有效性與準(zhǔn)確性。

2 地?zé)豳Y源電磁成像方法

2.1 地?zé)嵯到y(tǒng)各要素電性結(jié)構(gòu)特征

熱源、導(dǎo)熱通道、熱儲層和地?zé)嵘w層統(tǒng)稱為地?zé)嵯到y(tǒng)四要素, 在地?zé)豳Y源形成過程中具有重要作用。地?zé)豳Y源的熱量來源通常由深部高溫部分熔融體、未冷卻的巖漿房、地幔熱及花崗巖放射性生熱組成(Han et al., 2021)。其中, 部分熔融體和未冷卻巖漿房是多數(shù)水熱型地?zé)豳Y源與干熱巖的熱源, 在電性上表現(xiàn)為低阻特征; 少部分干熱巖熱源以放射性生熱與地幔熱為主, 其中放射性生熱多以花崗巖為載體, 在電性上表現(xiàn)為高阻特征(圖1)。

圖1 地?zé)嵯到y(tǒng)概念簡化模型Fig. 1 Conceptual simplified model of geothermal system

作為地?zé)豳Y源的導(dǎo)熱通道, 深大斷裂通常將熱儲層與熱源相連通, 其對熱量傳遞的控制作用主要表現(xiàn)在兩方面: 做為深部熱源的部分熔融或巖漿侵入深大斷裂向上運移至淺部, 加熱地下水形成高溫地?zé)岙惓? 地下水在深大斷裂中被加熱發(fā)生深部水熱循環(huán), 沿斷裂向上運移并與淺部冷水混合, 形成地?zé)豳Y源。因此, 地?zé)嵯到y(tǒng)斷裂破碎帶中常富含地?zé)崃黧w或地下水, 呈現(xiàn)出低阻特征。

水熱型地?zé)豳Y源熱儲層通常是由充滿地?zé)崃黧w的斷裂或裂縫系統(tǒng)組成, 由于地?zé)崃黧w中通常含有高濃度溶解鹽, 且溫度的升高會導(dǎo)致巖石體電阻率的降低, 電性上表現(xiàn)為明顯低阻特征, 這為利用電磁法進行熱儲層探測提供了有利條件。干熱巖熱儲層多以花崗巖體為主, 溫度明顯高于圍巖, 電磁探測結(jié)果中表現(xiàn)為高阻異常。

水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)蓋層多為一些水熱蝕變形成的“黏土帽”、新生代碎屑沉積物和第四系松散沉積物。其中“黏土帽”是由于熱儲層中地?zé)崃黧w與巖石長期相互作用發(fā)生水熱蝕變, 在熱儲層上方形成黏土蓋層。不同溫度下形成的黏土礦物種類不同,但總體上均表現(xiàn)為低阻特征, 其電阻率低于熱儲層,這是識別地?zé)嵯到y(tǒng)的另一標(biāo)識。干熱巖蓋層以第四系松散沉積物為主, 部分包含砂巖、泥巖和火山巖等, 電性上多表現(xiàn)為低阻異常。此外, 由于干熱巖具有低孔隙度、低滲透率及流體含量少等特征, 因此黏土層基本不發(fā)育。綜上, 大部分地?zé)豳Y源蓋層呈現(xiàn)出低阻特征, 只有少數(shù)以火山巖為主的蓋層表現(xiàn)為高阻特征。

MSBR工藝中除磷關(guān)鍵的一步是防止NO x-N進入?yún)捬醐h(huán)境中，主要是為了保護厭氧環(huán)境的狀態(tài)。系統(tǒng)中的回流污泥泵以及污泥回流狀態(tài)都會影響到硝酸鹽的含量，從而影響出水TP。通過對實時檢測出的硝酸鹽含量數(shù)據(jù)以及出水TP值來對回流泵進行調(diào)整。系統(tǒng)中硝酸鹽含量較高時，降低回流量，并且調(diào)低回流污泥泵的頻率，使得污泥濃度處于較高的水平。這樣通過污泥中的內(nèi)源反硝化作用，能夠有效去除超過標(biāo)準(zhǔn)的硝酸鹽，從而控制好硝酸鹽的濃度，也就控制了TP值，達到污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。實際系統(tǒng)運行的過程中，污泥濃度較高雖然能夠控制硝酸鹽的濃度，但是會出現(xiàn)污泥老化的現(xiàn)象，并且在表面形成板結(jié)，影響到了美觀。

此外, 地?zé)嵯到y(tǒng)各要素在空間上呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。地?zé)豳Y源的形成模式通常表現(xiàn)為深部熱源散發(fā)熱量, 熱量沿導(dǎo)熱通道向上傳遞, 在淺部保溫蓋層的作用下, 減少熱量散失, 在蓋層下方形成地?zé)醿印？傮w來看, 水熱型地?zé)豳Y源各地?zé)嵋鼐哂辛己玫膶?dǎo)電性, 與圍巖之間具有明顯電性差異。然而, 在電磁探測結(jié)果中, 并不是所有低阻異常都與地?zé)嵯到y(tǒng)有關(guān)(Kuyumcu et al., 2012), 為避免電阻率模型的錯誤解釋, 應(yīng)結(jié)合盡可能多的物性參數(shù)與地質(zhì)資料對電阻率模型進行綜合解釋。綜上,根據(jù)各地?zé)嵋氐碾娦蕴卣鳌⒖臻g分布特征及利用多物性參數(shù)綜合解釋, 可對熱源、導(dǎo)熱通道和熱儲層進行有效識別。

2.2 地?zé)豳Y源電磁反演成像方法

對實測電磁數(shù)據(jù)進行反演成像是獲取地?zé)嵯到y(tǒng)電性結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 高精度、高效率的正反演方法是獲取地?zé)嵯到y(tǒng)可靠電磁成像結(jié)果的基礎(chǔ), 也是建立準(zhǔn)確地?zé)岬刭|(zhì)模型的前提。

近年來, 電磁法正演模擬與反演算法飛速發(fā)展,使得正反演速度、精度不斷提高。積分方程法、有限差分法、有限單元法、譜元法以及有限體積法是頻域電磁法數(shù)值模擬的主要方法。其中, 有限單元法對地電模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分, 在處理復(fù)雜異常體以及起伏地形的數(shù)值模擬中具有較好的適應(yīng)性與靈活性, 本節(jié)將重點介紹有限單元法在電磁數(shù)值模擬中的進步。目前, 有限單元法在電磁場正演模擬中的進步主要體現(xiàn)在微分控制方程、有限元空間、網(wǎng)格離散化技術(shù)和線性求解器等方面。電磁場模擬可基于電場方程、磁場方程和勢場方程。由于空氣層電導(dǎo)率為零, 電場方程和磁場方程均不能有效解決低頻電磁場模擬問題, 而勢場方程產(chǎn)生的離散系統(tǒng)矩陣條件數(shù)通常較低, 其對求解器的要求低于電場方程。在有限元空間中, 節(jié)點基函數(shù)在電性不連續(xù)界面強加了法向連續(xù)性條件, 導(dǎo)致容易產(chǎn)生偽解, 為提高電磁場求解效率與精度, 通常使用矢量基函數(shù)替代節(jié)點基函數(shù)。網(wǎng)格離散化技術(shù)正由結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分向非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分方向發(fā)展(Key and Weiss, 2006), 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可很好地模擬地下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地形起伏, 并且可對目標(biāo)體網(wǎng)格實現(xiàn)自適應(yīng)加密, 提高數(shù)值模擬精度。求解器方面,相比于迭代求解器, 基于MPI并行的直接求解器在求解超大規(guī)模電磁問題時更具魯棒性。

電磁反演算法主要分為兩種: 線性迭代反演算法和非線性反演算法。常用的線性迭代算法包括高斯-牛頓法及其變種、共軛梯度法及其變種。高斯-牛頓法廣泛應(yīng)用于可控源電磁法的反演問題, 而共軛梯度法相比其具有穩(wěn)定、計算效率高等特點。隨著參數(shù)的增多, 線性迭代算法嚴(yán)重依賴于初始模型,且迭代過程中容易陷入局部極小值, 造成計算結(jié)果震蕩和無法收斂。為克服線性迭代反演算法的多種缺陷, 國內(nèi)外學(xué)者提出了模擬退火法、貝葉斯反演和遺傳算法等多種非線性反演算法, 非線性反演算法在全局搜索極大值或極小值, 保證了反演模型的全局最優(yōu)性。目前, 線性迭代算法常用于二維和三維電磁反演問題, 而非線性反演算僅用于一維或小規(guī)模二維電磁反演問題(湯井田等, 2015)。電磁法正演模擬與反演計算密不可分, 反演本質(zhì)上也是一種正演的過程, 提高正演精度與計算效率, 反演速度和計算精度也將得到相應(yīng)提升。

3 地?zé)豳Y源電磁探測實例: 大同盆地東北部地?zé)崽綔y

大同盆地是新生代斷陷盆地位于華北克拉通中部造山帶北側(cè)(圖2), 該地為大陸巖石圈伸展破裂區(qū),盆地具有裂谷構(gòu)造特點(Zhang et al., 1998)。大同盆地的形成對應(yīng)于華北克拉通中西部巖石圈破壞和持續(xù)的伸展減薄運動, 其動力來源可能為印度—歐亞板塊和太平洋—歐亞板塊的碰撞作用(Kusky and Li,2003; 李三忠等, 2011; Li et al., 2012)。大同盆地內(nèi)構(gòu)造活動強烈, 區(qū)內(nèi)發(fā)育有一系列活動斷裂, 且伴隨有火山活動和地震活動(岑敏等, 2015)。新生代晚更新世以來, 大同盆地在深部巖石圈持續(xù)減薄作用下,地殼在伸展應(yīng)力作用下發(fā)生破裂, 巖石圈被貫通,深部巖漿物質(zhì)沿斷裂上涌并噴出至地面, 形成大同火山群。噴發(fā)后的巖漿通道迅速冷卻, 未噴發(fā)的巖漿沿構(gòu)造裂隙運移形成巖漿房, 由于大同盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造走向均為NE向, 因此巖漿沿斷裂多向盆地東北部匯聚, 為該地地?zé)豳Y源的形成提供熱量來源。大同盆地地震活動頻繁, 但整體震級偏小, 且多集中于大同盆地東北部靠近陽高—天鎮(zhèn)一帶, 表明該地區(qū)構(gòu)造活動強烈, 為地?zé)豳Y源的形成創(chuàng)造了有利條件。大同盆地內(nèi)共有五處地?zé)釁^(qū), 其中位于盆地東北部的天鎮(zhèn)—陽高地?zé)釁^(qū)溫度最高, 熱儲層以太古代變質(zhì)巖為主, 實測大地?zé)崃髦禐?75.3～79.5 mW/m2(王貴玲等, 2017), 明顯高于平均大地?zé)崃髦? 具有地?zé)豳Y源形成與賦存的良好地?zé)岬刭|(zhì)條件。結(jié)合大同盆地地質(zhì)構(gòu)造背景、構(gòu)造活動及地?zé)岬刭|(zhì)特征, 表明大同盆地東北部具有地?zé)豳Y源賦存的可能性, 將其作為地?zé)峥碧介_發(fā)的優(yōu)勢靶區(qū)。

圖2 大同盆地構(gòu)造略圖(Zhou et al., 2020)Fig. 2 Simplified tectonic map of Datong Basin (Zhou et al., 2020)

MT對深部低阻體具有良好的分辨能力, 既可用于解釋與地?zé)嵯嚓P(guān)的深部巖漿的底侵作用和板塊俯沖導(dǎo)致的巖石圈水化過程(Xu et al., 2019; Zhang et al., 2020), 又可用于揭示地?zé)嵯到y(tǒng)的深部熱源機制、識別地?zé)醿优c反映地?zé)岬刭|(zhì)結(jié)構(gòu)等(Gao et al.,2018; Ars et al., 2019; Maithya and Fujimitsu, 2019)。為了解大同盆地東北部地?zé)豳Y源的賦存狀態(tài)與分布特征, 利用MT和AMT對天陽盆地地?zé)釁^(qū)進行了探查, 區(qū)內(nèi)布置了10條MT測線, 靠近陽高—天鎮(zhèn)一帶布設(shè)了兩個MT測點加密區(qū)和兩條AMT測線, 以研究地?zé)釁^(qū)區(qū)域電性結(jié)構(gòu)和陽高—天鎮(zhèn)重點區(qū)精細(xì)化電性結(jié)構(gòu)(圖3c)。數(shù)據(jù)于 2018年通過 MTU-5A大地電磁測深儀采集, 平均采集時長 24 h左右,MT采集頻率為 320～0.001 Hz, AMT采集頻率為10 400～0.35 Hz。天陽盆地部分地區(qū)存在較多電磁干擾, 為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量布設(shè)了遠(yuǎn)參考站, 通過測站與遠(yuǎn)參考站數(shù)據(jù)進行互功率譜計算可有效提高MT數(shù)據(jù)質(zhì)量。利用傅里葉變換將時間域信號轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù), 經(jīng)過功率譜挑選、Robust技術(shù)(Egbert and Booker, 1986)、遠(yuǎn)參考技術(shù)(Gamble et al., 1979)等處理獲得了高質(zhì)量的阻抗張量信息。

圖3 天陽盆地地?zé)釁^(qū)電性結(jié)構(gòu)Fig. 3 Electrical structure in Tianyang Basin geothermal field

非線性共軛梯度(NLCG)算法具有計算效率高且算法穩(wěn)定等特點, 此次MT/AMT數(shù)據(jù)二維、三維反演均采用非線性共軛梯度算法進行計算。圖3b為天鎮(zhèn)加密區(qū)內(nèi)跨過D1地?zé)徙@孔的A1線AMT二維反演剖面, 剖面中顯示有Fm1次級控?zé)釘嗔寻l(fā)育, 深部低阻體沿斷裂上涌, 在海拔為800～1000 m處形成低阻層。AMT在淺部反映的電性結(jié)構(gòu)大致可分為四種電性層, 結(jié)合D1孔鉆井資料對比分析, 每種電性層對應(yīng)不同的沉積地層。如表2所示, 基底面以上電性層整體電阻率較低, 且?guī)r性以黏土為主, 包含部分亞砂土、粗砂和礫石, 是地?zé)嵯到y(tǒng)的蓋層。蓋層以下電阻率明顯增高, 巖性以太古代變質(zhì)巖為主, 是地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲層。圖3a、d為陽高、天鎮(zhèn)兩地MT加密區(qū)三維電阻率模型, 二者結(jié)構(gòu)具有相似性, 主要表現(xiàn)為淺部低阻體與深部低阻體相連通, 作為熱源的部分熔融體或巖漿通過深大斷裂上涌至近地表,加熱地下水, 淺部巖石與地?zé)崃黧w長期作用發(fā)生水熱蝕變, 在淺層形成具有“黏土帽”特征的低阻層,這是水熱型高溫地?zé)醿拥慕?jīng)典MT響應(yīng)。

表2 AMT電性結(jié)構(gòu)與鉆孔地層巖性對比Table 2 AMT electrical structure and stratum lithology

根據(jù)MT二維反演結(jié)果(圖4a)顯示有F1和F2兩條控?zé)釘嗔? 結(jié)合地質(zhì)資料以及現(xiàn)場巖石出露情況, 推斷F1為云門山斷裂, F2為熊耳山北緣斷裂。從電性結(jié)構(gòu)來看, 天陽盆地北部主要表現(xiàn)為深部低阻異常體通過電阻率稍高的通道向上運移,在淺部形成相對低阻層和低阻層, 分別對應(yīng)于熱源、導(dǎo)熱斷裂、熱儲層和覆蓋層, 其電性結(jié)構(gòu)與對流型地?zé)豳Y源結(jié)構(gòu)模型相似度極高; 天陽盆地南側(cè)山區(qū)(圖4b)主要表現(xiàn)為深部低阻異常體整體侵入上部高阻巖體, 整體上表現(xiàn)出一種隆起的層狀電性結(jié)構(gòu), 其電性結(jié)構(gòu)對應(yīng)于典型傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源結(jié)構(gòu)模型。總體來看, 地?zé)嵯到y(tǒng)各地?zé)嵋卦陔娦陨霞扔邢嗨菩杂钟胁町愋浴嵩础⒖責(zé)釘嗔选醿蛹吧w層導(dǎo)電性均強于圍巖, 但各自之間電阻率存在一定差異, 分別表現(xiàn)為低阻、相對高阻、相對低阻、低阻特征。

圖4 MT二維反演電性結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 MT two-dimensional inversion electrical structure model

4 地?zé)犭姶盘綔y技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 混場源寬頻電磁數(shù)據(jù)采集方法

地?zé)嵯到y(tǒng)在空間上存在一定分布規(guī)律, 且各地?zé)嵋芈癫厣疃炔煌Ｄ壳俺Ｓ秒姶欧ㄖ粚θ斯る姶艌龊吞烊浑姶艌銎渲幸环N進行觀測, 且采集方式都是分頻段采集, 無法同時準(zhǔn)確反映整個地?zé)嵯到y(tǒng)(尤其是深部熱源和淺層電性結(jié)構(gòu))的特征。因此, 考慮對人工場和天然場進行同時觀測, 可獲取更寬頻帶范圍的電磁信號, 實現(xiàn)淺層與深部電性信息互補,從而更準(zhǔn)確地反映整個地?zé)嵯到y(tǒng)地下電性結(jié)構(gòu)。

4.2 多尺度聯(lián)合反演成像方法

地下地?zé)豳Y源的存在會引起地?zé)嵯到y(tǒng)與周圍圍巖產(chǎn)生密度、磁化率、電阻率以及波速等物理性質(zhì)上的不均勻性, 這為從多角度研究地?zé)豳Y源奠定了基礎(chǔ)。地?zé)峥碧诫A段, 可考慮利用多種物探手段對地?zé)豳Y源進行研究, 結(jié)合同一探測目標(biāo)的不同響應(yīng)特征, 對地?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)信息進行相互驗證與補充。在地?zé)犭姶懦上耠A段, 將波速、密度及磁化率等物性參數(shù)納入綜合考量, 實現(xiàn)多物性參數(shù)聯(lián)合反演, 可有效降低數(shù)據(jù)反演多解性、克服單方法局限性和提高模型分辨率, 為建立更為準(zhǔn)確的地?zé)岬刭|(zhì)模型提供強有力支撐。

在進行多物性參數(shù)聯(lián)合反演時, 反演參數(shù)的增多勢必導(dǎo)致計算量增大、計算效率降低。機器學(xué)習(xí)能夠快速處理海量數(shù)據(jù), 通過不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提升計算速度, 將其與聯(lián)合反演相結(jié)合, 有望提高正演計算速度和反演計算效率。

4.3 電磁法探測識別關(guān)鍵地?zé)釋傩约夹g(shù)探索

電磁法在地?zé)豳Y源勘探過程中的應(yīng)用包括但不局限于對地下電性結(jié)構(gòu)進行成像, 還可通過電磁數(shù)據(jù)進行地溫場預(yù)測、地?zé)衢_發(fā)監(jiān)測以及地?zé)豳Y源評價等。

影響巖石電導(dǎo)率的因素很多, 但其對溫度的變化較為敏感, 二者之間具有一定聯(lián)系。Campbell(1949)和 Keller and Frischknecht(1966)使用經(jīng)驗公式反映了巖石電阻率和溫度之間的關(guān)系,這為利用電磁數(shù)據(jù)進行地下溫度預(yù)測創(chuàng)造了條件。Huang et al.(2022)提出了一種最優(yōu)溫度系數(shù)校正方法, 改進了溫度與電阻率間的傳統(tǒng)經(jīng)驗公式, 使其更符合地下真實情況, 并利用 MT電阻率模型對地下溫度分布進行了預(yù)測, 效果顯著。此外, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯方法也應(yīng)用于電阻率數(shù)據(jù)對地溫場的估算, 均得到較為準(zhǔn)確的地溫估計(Spichak and Zakharova, 2012; Hokstad and Tanavsuu-Milkeviciene,2017; Ishitsuka et al., 2021)。

增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)是一種對地下低滲透性干熱巖體進行水力壓裂形成裂縫的人工熱儲層, 其熱儲的產(chǎn)能很大程度上取決于儲層裂縫的滲透性。微地震方法可以反映儲層裂縫的位置以及大小, 但不能提供裂縫連通性以及裂縫流體的信息。電磁法對電導(dǎo)率的變化比較靈敏, 能夠監(jiān)控注入流體后裂縫電阻率的變化, 從而反映注入流體在地下的流動位置以及裂縫間的連通性。同時, 大規(guī)模的水力壓裂會引起區(qū)域相位張量的變化, 對注水前后的 MT數(shù)據(jù)相位張量進行分析, 能夠反映水力壓裂形成裂縫的方向性(Peacock et al., 2012; Didana et al., 2017;Abdelfettah et al., 2018)。地?zé)崮荛_發(fā)是一個動態(tài)的過程, 對地?zé)醿舆M行長期三維電磁觀測, 可實現(xiàn)地?zé)豳Y源開發(fā)的動態(tài)監(jiān)測。

干熱巖地?zé)豳Y源潛力評估是干熱巖開發(fā)利用的基礎(chǔ), 電磁探測技術(shù)或?qū)⒊蔀楦蔁釒r地?zé)豳Y源評價的有力工具。對實測電磁數(shù)據(jù)進行三維反演可獲得地?zé)釁^(qū)三維電性結(jié)構(gòu)模型, 根據(jù)干熱巖熱儲電性特征可對熱儲層進行圈定并計算出其體積, 最后通過體積法對地?zé)崽锔蔁釒r地?zé)豳Y源總量進行評估(汪集旸等, 2012; Chang et al., 2014)。干熱巖溫度是利用體積法進行干熱巖資源總量評估的關(guān)鍵參數(shù),由于深部干熱巖溫度不能完全直接進行測量, 可考慮通過電磁數(shù)據(jù)預(yù)測干熱巖溫度分布特征, 從而計算得到干熱巖地?zé)豳Y源儲量。

5 結(jié)論及展望

本文討論了不同類型地?zé)豳Y源的常用電磁探測方法, 分析了地?zé)嵯到y(tǒng)“源通儲蓋”在電磁成像中的電性差異, 這是利用電磁法進行地?zé)豳Y源勘探的基礎(chǔ)。利用電磁法對大同盆地東北部高溫地?zé)豳Y源進行探測, 識別并驗證了熱源、熱儲、蓋層以及控?zé)針?gòu)造等地?zé)彡P(guān)鍵要素, 總結(jié)了各地?zé)嵋氐牟煌娦蕴卣鳌Ｌ綔y實例表明, 電磁法在地?zé)豳Y源探查過程中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性與有效性, 可有效應(yīng)用于地?zé)豳Y源的勘探與開發(fā)。同時, 為進一步提高地?zé)峥碧骄? 可利用多種地球物理手段對地?zé)崮繕?biāo)進行探測并相互驗證, 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料進行綜合地?zé)峤忉? 從多方法、多角度對地?zé)豳Y源進行研究。

回顧電磁勘探方法在地?zé)峥碧街械膽?yīng)用現(xiàn)狀,高質(zhì)量電磁數(shù)據(jù)和可靠電磁成像結(jié)果的獲取仍是需要進一步解決的難題, 需要在以下幾個方面加強研究: 1)地?zé)犭姶艛?shù)據(jù)采集方面可考慮人工場與天然場信號進行同時觀測, 以獲取更寬頻帶范圍的電磁場數(shù)據(jù), 從而更全面地了解地?zé)嵯到y(tǒng)淺部蓋層、中深部熱儲層及導(dǎo)熱通道、深部熱源結(jié)構(gòu)信息; 2)地?zé)犭姶懦上穹矫? 應(yīng)結(jié)合多物性參數(shù)進行聯(lián)合反演,并積極探索機器學(xué)習(xí)在提升聯(lián)合反演計算效率方面的方法, 以便快速獲取高精度電磁成像結(jié)果和建立可靠的地?zé)岬刭|(zhì)模型; 3)地?zé)犭姶盘綔y不止于反映地?zé)崽锏碾娦越Y(jié)構(gòu), 還可用于地?zé)崽餃囟葓鲱A(yù)測、地?zé)衢_發(fā)監(jiān)測以及地?zé)豳Y源評價等, 研發(fā)各種關(guān)鍵地?zé)釋傩宰R別技術(shù)勢在必行。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. DD20190128).