地球物理勘探在地热勘查中的应用分析

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　　摘 要：由于我国地域广阔，各类资源和能源储量相对丰富，其中地热资源约占全球热能总量的7.9%，但是目前我国的开采量仅为地热资源的5.82%。在社会经济迅速发展和城市化进程不断加快的背景下，人们对地热资源的需求量越来越多，因此地热勘探开采工作尤为重要。本文针对物理勘查的概念以及方法，结合实际地热资源勘查案例，分析其应用和效果，为其他地区的地热勘查提供参考和借鉴。
　　关键词：物理勘探;地热勘查;应用分析
　　中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0132-03
　　0 引言
　　地热资源是一种非常宝贵的自然资源，在为人们提供热能的同时也提供了丰富的水资源和矿物资源。其本身具有用途广泛、功能多样而且使用年限较长、绿色环保等突出特点，是我国当前大力扶持和鼓励使用的新型能源之一。在供暖、洗浴、医疗、饮用矿泉水生产等领域能够发挥巨大的作用，所以地热资源的勘探开采成为了社会资源利用战略最主要的组成部分。
　　1 物理勘探概述
　　地热资源是地球上一种可以通过人为控制进行开采活动并利用的可再生自然资源，因其在社会发展的多个领域中能够发挥较大的作用而被人们所重视，地热能所具有的经济价值和社会效益逐渐被人们所认可。而且在绿色环保的发展战略要求下，地热能的使用成为了能源开发的主要方向，我国的地热能储量十分丰富，但开采量较少，所以应用合理的勘探方法对地热能进行勘察是十分必要的。
　　2 物理勘探的方法
　　对地热能进行勘察有很多的物理勘探方法，其具有效率高、成本低、适用范围广泛、深度大等优势，而且随着科学技术的进步，出现了很多种先进的仪器设备和处理技术，能够将物理勘探方法的作用发挥到最大程度。但是不同的物理勘探方法也具有不同的特点和适用条件，以下是现阶段我国对地热能勘查的主要方法：
　　（1）重力勘探。因为在自然环境中地下岩石和各种矿物的密度分布呈现不均匀的现状，因此就会引起一定程度的重力变化，或者是也可能是因为地质体育周围的岩石密度存在较大的差异而出现重力变化，这种现象就是重力差异。根据这种原理和其他相关资料能够有效的勘查处该区域的地下储热区的起伏状况和断裂构造的分许，从而判断出该地区地热流体的位置。通过野外观测获取重力数据，绘制成为重力异常图，可参照图像寻找到地热资源。
　　（2）磁法勘探。由于地热资源中含有一定量的矿物，所以利用其磁化强度能够勘查出地热流体的状况，比如空间分布、流动规律等信息。比较典型的就是在沉积岩地区，能够观察到该地区的地磁场异常，而引起异常的主要原因就是岩浆岩的流动。借助航空磁测或者是地面高精度磁测能够准确测量出地热能位置。
　　（3）电法勘探。其实地球物理勘查方法中应用最广泛、最普及的方式，是通过导热构造以及热能储备分布和热储盖层组合的特征进行分析判断，从而勘探出地热资源形态。比较常用的有电测探法，即是对探查地区的地层进行纵向的划分，目的是为了确定热储层和盖层结构。然后根据导电电阻在岩石断裂破碎带两侧的数值高低变化绘制电测深曲图，如果存在比较显著的低阻异常则说明该地区存在储热构造;其二是激发极化法，利用激发极化的效应直接向地下供直流电，保持电流不变的情况下，测量地面上两个电极之间的电位差，期间电位差会随着时间的变化而发生变化，在趋向稳定饱和值时进行断电，所得到的数据为一次场电位差。断电之后的数据为二次场电位差。通过这两项数据的变化能够判断出水热蚀变带，进而确定水热矿化现象;其三是可控源音频大地电磁测探法，其主要是利用有限长接地电偶级子作为场源，随后在距离偶极中心一定距离的地方对电和磁的参数变化进行观察，通过对电场水平的分量和磁场水平分量的观测，在利用电场振幅来计算阻抗电阻率、利用电场相位计算阻抗相位，最后综合两种计算反向演算电阻率的参数，进而能够对地质结构进行判断。这種方法的探测深度较大，而且纵向和横向的分辨率较高，同时人工场源要比自然场源稳定，所以具有相对较好的勘查效果。
　　（4）地震勘查。除了重力、电、磁以外，地震勘探也具有精度高和探测深度大的优点，因其是利用人工激发而产生的地震波在拥有不同弹性的地层之内进行传播，从而获得传播的规律以此来对地质结构进行推测。原理是地震波在地下受到岩石的弹性参数的影响而产生反射、折射以及透射的现象，借助先进仪器对地震波进行数据收集，可以推断出该地区是否存在储热区。
　　（5）遥感测控勘探技术。即是指利用现代化科技体系中的卫星或者是航空拍照等提供的影像、图片资料，按照不同的比例尺和时间对勘探区域进行监测，从而能够分析出该地区的地质条件，比如地形、地貌、地质结构、河流分布等，可以对是否存在地热资源或其他矿藏进行有效的判断。
　　3 地热勘查中物探方法的组合应用
　　3.1 地球物理勘探方法的组合应用
　　在地球物理勘查过程中对参数的勘探，所利用的方法就是一种典型的组合型勘探技术。由于地球物理勘探技术的内涵就是应用不同的参数测量方法来实现对调查区域进行数据信息收集，其主要包括平面测量和垂直测量两大方面。因此为了保障在勘探中对测量的数据进行有效的总结和分析，应该采用多种物探方法相结合的方式。特别是在地质勘查工作中首先要合理的选择测量技术，然后根据实际情况中的研究区域与其他地层地质特点的差异性进行组合。能够达到以下几个目的：（1）能够确定地热异常范围和热量储存区的分布特点;（2）能够基本确认勘查地区基底的起伏和存在隐伏断裂的空间位置;（3）可以更有效的确定勘查区域的地层结构和地热储存区的埋藏深度等。所以物探方法的组合应用可以完成地热资源储存区域的相关工作任务。
　　3.2 不同现实情况对物探方法的选择
　　在城市地热资源的勘查工作中主要采用的是可控源音频大地电磁法和地震法组合。因为可控源音频大地电磁法具有勘测范围广泛、效率高和成本低的优势，但是其勘测的深度相对较浅，具有一定的深层屏蔽性。而地震法的优势是勘测准确度高、深度大。不过具有成本费用高、效率较低，尤其是在后期处理工作中特别缓慢，由此两种方法恰好形成优势互补，通过二者的结合能够比较有效的提高信号抗干扰能力，又能够提高勘测的深度，具有良好的勘查效果。 　　而在北方平原地区一般是采用遥感测控技术和高密度电法的组合进行勘查活动。因为北方基本为平原地貌，面积相对广阔，而且地势平坦，非常适合遥感测控技术工作的开展，能够快速的圈定地热异常的范围，但是精度无法完全得到保障，此时应用高密度电法勘探技术能够弥补遥感测控技术的缺陷，实现缩小勘探区域，形成准确度高、成本费用低的地球物理勘探方法组合。
　　另一方面如果是针对裂缝型地热资源进行勘查就需要组合遥感测控技术和大地电磁或者是可控源音频大地电磁技术，因为裂缝型地热资源主要是通过地下深大裂缝和地下深处热源相连通而能够产生地热异常，因此使用这两种组合方式能够有效的勘测处地热储存区的位置和范围。相对于通过热传递产生地热异常的承压型地热资源来说，使用地震法和重力勘探法则会更加有效。
　　4 物理勘查方法的实际应用
　　4.1 地质概况
　　以我国甘肃省兰州市辖区内某地区的地热勘查为例，对地球物理勘探方法的应用展开分析。该区域位于祁连山造山带的祁连地块，地层露出岩石主要有侵入岩、奥陶系、侏罗系以及前长城系、新近系为第四系。在早古生代的地壳运动比较强烈，新生代晚期的喜马拉雅运动促使老地层褶皱成山，形成了该地区的基本构造骨架，其地质构呈紧闭褶皱状况。另一方面该地区的基底是由盆地盖层自下而上的侏罗系地层和新近系碎屑岩沉积以及元古宇变质岩组成的，其在岩性下部具有砂砾岩、砂岩等，上部有砂质泥岩和细砂岩厚度在500-600m。此外其地下水的主要有三种;类型，包括基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水等其主要是通过大气降水和沟谷河流潜水等进行补给。
　　4.2 勘探工作布置
　　本次勘查活动主要是通过可控源音频大地电磁测探法，首先是通过对浅地层的构造和岩性以及宽度、深度以及地下水情况进行勘查，然后应用大地电磁测深测量技术探测深部地热异常的范围和位置，目的是为了查明该地区基底的起伏状况和断裂带的分布情况。这种方法从纵向和横向分辨率上都有所提高，能够比较准确的反馈出浅部构造和深部构造的真实情况。该地区从西南到东北共设置五个大地电磁测量物理点，标记为L1，同时平行于L1测量线的L2同样设置五个大地电测量物理点，在其东北方向在进行五个大地电磁测量物理点的布置，形成三道横向主测线，同时连接这三条主测线形成覆盖该地区的测量网络。
　　4.3 资料解译
　　根据该地区的中新生界沉积盖层与古老变质基底之间存在的电性界面，来对基底埋深进行反演解释。可以根据现场电阻率等值线的横向梯度变化和垂直位移的特点，对断裂层的构造和断裂倾向进行推测。解译的结果说明F1断层面倾向西南方向，造成了山前盆地的总体沉积格局。而F2和F3断层面是相对方向的倾向，使其间产生了一条地堑，造成新近系沉积，并且使地堑内的构造埋深程度是从西北向东南方向逐渐递减。而F4断层只是在L1测量线的剖面上有体现，主要控制着第四系的沉积，因此可以推断出该地区呈现导水断裂。其次可控源音频大地电磁测深能够证明在西南端的埋深最最浅，而在中段位置就会受到两条断层面的影响形成小范围的地堑。在该地区的东北端基底埋深程度有所减小，与靠近城区新近系厚度就越浅。此外因为三条剖面上的电测测量点在纵向进行了连接，所以出现了第四条纵剖面，从而可以推测出有隐伏F5和F6的存在，其中一个为导热断裂，另一个为导水断裂。
　　4.4 地球物理勘查结果
　　根据可控源音频大地电磁测探法可以说明该地区的地下构造大概呈现一致，其中共勘查了六条断裂，经分析推断F1断裂为山前逆冲断裂、F2和F3为相向而倾的正断层、F4为层间次级小断裂、F5是隐伏控热断裂、F6是隐伏导水断裂，从而这六条断裂面形成了一个比较完整的地热能资源地质构造。又因为该地区的地势起伏较大，而且F2和F3之间出现了地堑构造，F5和F6又分别是地堑构造中的导热断裂和导水断裂，且流体流向与地下水方向一致，说明地下存在地热储区。而其范围是东到F3断裂、西到F2断裂、北到勘查区边界、南到勘查区的南边界。参照比例尺可以计算该地热田的长为8000m，平均宽度为1250m，总面积约为1.61km2。
　　5 地球物理勘探在地热勘查中存在的问题
　　地球物理勘探方法在地热勘查中会遇到一些阻碍，如相关业主和勘探设计部门以及当地政府对物探技术的认识和了解程度不够，就会导致对地热勘查工作不重视，由此会限制该地区的地热资源开发和使用;其次是因为地球物理问题具有多种解释的特点，所以勘探地区的物质形态和分布以及性质可能会存在比较大的差异性，对地球物理勘探技术和方法都会产生或多或少的影响。也就导致了当前通过地球物理勘探方法所获得的相关参数和数据存在局限性;其三是在我国在改革开放以后，社会经济迅猛发展，对自然资源的消耗量巨大，同时地热资源的开发和开采力度不足，尽管在现阶段我国的地热资源勘查工作已经朝向更深层次发展，但不可否认的是现有的地球物理勘探技术和方法已经不能够适应市场需求。并且受到地热资源储存区域的地形和地质条件的影响，勘探和开发难度越来越大，而且在勘测现场所建立的磁场强度也不能满足向深部开采的要求，不利于地球物理勘探技术的发展和对地热资源开发的研究。
　　6 地球物理勘探在地热勘查工作中的建议
　　由于当前地球物理勘探技术和方法在实际的地热资源勘查活动中存在一定的问题和阻碍，所以相关工作人员和部门要针对这些制约因素进行科学有效的分析，从中综合出一系列的应对措施，以提高地球物理勘探方法的应用效率和水平，其具体建议和应对措施如下：
　　（1）在应用地球物理勘探方法开展地热勘查工作时，要在解释推断的过程中充分的考虑勘查区域的地质情况、地形形态、水文分布等信息，要将涉及到地热资源勘探的所有资料进行综合整理，以此作为选择地球物理勘探方法的依据。（2）在实际的勘查工作中要能够因地制宜，在了解勘查区域的基本情况后确定所要应用的地球物理勘探方法和技术，在秉持经济、高效、简便、科学的原则上实现勘探的成本最低、人工投入最低，减少不必要的资源和能源浪费，促进地球物理勘探方法的可持续发展。（3）由于地热资源的勘查工作具有一定的復杂性，所以为保障全面了解勘探区域、更好的勘探地热资源储藏区，应该要注重地球物理勘探方法的组合，加强不同物探技术的验证和补充，能够最大限度的实现地热勘查结果的准确度。（4）要想提高地球物理勘探技术和方法的应用效率，最基本的要求就是要制定合理的勘探计划和方案，在统筹规划的基础上合理对各种资源进行优化配置、严格规范勘查工作流程、建立健全完善的监督保障体制，形成一套系统性、完整性的地球物理勘探体系，促进物探方法和技术的有序实施，更有效的提高地热勘查工作的效率和质量，降低工作风险。
　　7 结语
　　综上所述，因为地球物理勘探活动能够将调查区域的地质情况和地热储区的信息进行直接的反馈，所以可以应用在地热勘查中。而且还要根据调查区的实际地质情况和地势起伏等条件合理的选择勘探方法，以保障勘查结果的准确性。同时在应用地球物理勘探方法时要科学合理的布置相关工作，对资料解译进行仔细分析，最终才能实现为地热资源开采提供依据的目的。
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