地热资源电磁法勘探现状及展望

地热资源电磁法勘探现状及展望

王申屾

天津地热勘查开发设计院   天津市 300250   

摘要：地热能是一种储量丰富、环境友好、可持续、稳定的可再生能源，已引起了世界各国的高度重视。电阻率是反映地热性质最敏感的一个参量，它与地层中的孔隙率、渗透率、盐度、蚀变和温度等密切相关。电磁法是获取地热层内部电性信息的重要手段，其探测范围大、深度大、精度高、成本低，在地热资源勘查中得到了越来越多的应用。文章重点介绍了地热资源电磁勘探的发展和应用现状，地热电磁成象和地热元素的电性特性。并以地热区电磁法的实际运用为例，对其适用性、有效性和准确性进行了归纳。最后，展望了混合场源的超宽电磁数据采集、高精度反演和成像，以及讨论了关键的热物性参数辨识等领域的研究进展。

关键词：地热能；电磁法；资源勘探

一、引言

随着经济的高速发展，人们对能源的需求不断增加，同时也给人类的可持续发展带来了一系列问题。当前，随着可再生能源的发展，全球范围内越来越多的可再生能源开始被人们所重视。目前，世界上约有八十多个多个国家都在使用地热能或进行其它生产性活动。增强地热系统具有普适性好、地理位置不受限、对环境污染少等优点，但由于地质的探测深度大，因此，对探测技术提出了更高的要求。由于地热体系的特殊性，使得地层的物性呈现出明显的非均匀性，而这些非均匀性又表现出一定的地质特征。地球物理探测是直接或间接地获取地热体系中温度、电导率、波速、密度、磁化率等物性参数。在过去的几十年里，电磁法已经被证实是一种强大的地热探测手段，特别是最近几年，随着设备的改进，方法和处理技术的改进，电磁法得到了越来越多的应用，地热能的应用也被越来越广泛的被人们所接受，逐渐融入到了各行各业中。

二、电磁探测的现状

电磁方法在地热勘探领域有着特殊的优越性，可以有效地揭示地下介质的电性结构。地层中的电阻率是反映地层电性特性的重要指标。结果表明，地层中的电阻率与地层中的温度、盐分、孔隙度和渗透率等有关；另外，由于地热资源地下构造带、热源、热储层、盖层等区域的电阻率存在着显著的差别，这既是对地热资源进行高效检测的前提，又是对热源、热传导通道、热储层等热储层进行精细辨识和圈定的前提。按照热储层的温度和深度，可以将地热资源分为三种类型：浅表地热、水热型地热和干热岩。随着地下埋深的变化，采用的电磁法在地下的探测方式也各不相同。所以，要根据磁场来源的种类，来选定合适的探测方法。目前可将磁场方法划分为人造磁场和自然磁场两种。其中，以瞬变电磁法、可控源声频大地电磁法、广域电磁法为代表的人造电磁法，在浅部地热勘探中得到了广泛应用，在地热模型构建、地热要素辨识、地热解译等领域展现了较好的应用前景。自然源法主要有两种，一种是声学大地电磁法，另一种是自然源法，人造源法有较高的浅层分辨率和较好的抗干扰能力，但其激发的场源是中高频，因而会在检测深度上受到限制。自然来源的电磁波方法可以探测到较深的低频电磁场，但是在浅部的电性构造上存在着较低的分辨能力，并且自然来源的电磁波信号很弱，容易被电磁干扰而影响资料的质量。这两种方法各有优缺点，可以相互补充。在进行地热资源勘查时，要结合所要检测的对象特点及工作区域的具体情况，选用适当的检测方法，才能达到有效检测地热资源的目的。

三、电磁法应用实例

高温地热体系是指在火山、强震构造带和板块边缘及其内侧存在的一种特殊的地热体系。大部分的地热体系都可以用概念性模式来表示。本文就其中的一些特别重要的热区进行了简要的介绍。第一个，是在冰岛的亨吉尔火山带。亨吉尔火山区是冰岛最大的地热地带，在冰岛的西南方向，由三座火山区组成。亨吉尔火山带是一种新的地质体，它与地球物理、地质、地球化学、地球化学等多学科交叉，是地球物理和地球化学的重要组成部分。采用一维瞬变电磁资料与大地电磁资料的联合反演方法，求出了地震资料的静移系数，并对地震资料进行了修正。有科学研究表明，在800米深时，由于温度升高，电阻率出现上升；在深度3000米的地方，又有一条低阻层出现；到了6500米左右，其电阻率就达到了100fl-m以上，其深部的电导率被认为是一种高温固化侵入岩，为该地区的地热体系提供了热源。第二个，就是美国的地热资源。美国西部的一些天然地理形成的地区，如一些山谷和山区，以及黄石国家森林公园等一些国家保护区，都有很多的地热能，这些地热能大部分都是用来生产电力的。尽管现有的地热资源主要来自于地下温泉、喷气孔、水热蚀变岩等，但是电磁探测技术在地热资源勘查与开采中也起到了不可忽视的作用，以美国南加州科索尔地热田为例，该地区的大规模电磁探测数据显示出了典型的地热特征。科索尔山的基底主要是由断裂带组成的中生代深成岩，并有大量的岩墙和一些晚生火山岩的覆盖。流纹熔岩穹顶的侵入历史与单独的流纹油气藏的侵入历史是一致的。岩浆房越靠近地面，爆发的频率就越高，而且规模也就越大。

四、地热资源电磁成像法

高精度、高效率的正反演方法是获得高质量的地热图像的基础，是构建精确的地热地质模型的前提。在频率域电磁场计算中，常用的几种算法包括积分方程法，有限差分法，有限元法，谱元法和有限容积法。目前，对电磁波的反演方法有两大类：一类是线性迭代法，另一类是非线性的。高斯-牛顿方法及其变体，共轭梯度方法及其变体，是目前最常见的一类线性迭代法。高斯牛顿方法在可控源电磁场反演中得到了广泛的应用，与之相比，共轭梯度方法具有更高的稳定性和计算效率。当参数较多时，传统的线性迭代法对初值的依赖性较强，在迭代法中易出现局部极小，导致数值振荡而不能收敛。针对传统的线性迭代法存在的诸多不足，近年来，人们发展了一系列的非线性方法，如：模拟退火、贝叶斯法等，这些方法通过寻找最大或最小点来确保反演模型的整体最优性。当前，对于2 D、3 D的反演，大多采用线性迭代法，而对于1 D或较小尺度的2 D反演，大多采用非线性迭代法。电磁法正演与反演紧密相连，反演实质上就是一个正演过程，因此，提高电磁法正演的准确度和计算效率，将会极大地提高反演的速度和精度。电磁法在地热资源勘探过程中的应用具体内容有但不限于对地下电性结构展开成像，还可利用电磁数据进行地温场预测、地热开发监测以及地热资源评价等。

总结：随着社会不断进步，科技不断发生变革，地热能作为一种新型能源逐渐走入了人们的视野中。为此，对于地热能的开发就成为了一个研究热点。在地下数公里以下的地热资源中，寻找地下热储是一个非常重要的问题。电磁探测的方法因其所测参数的电阻率与所处环境条件的关系而被证实为一种有效的地热探测手段。通过对各类热能资源的常规电磁检测技术的探讨，对热能体系中“源通储盖”的电性进行了详细的研究，为开展热能资源的电磁检测奠定了基础。本项目拟采用电磁场方法，通过对地质的周密勘探，查明热源、热储、盖层和控制结构等关键地热因素，并对其电性特征进行分析。通过实际的探测案例可以看出，电磁法在地热资源勘查中具有很好的适用性和有效性，可以在地热资源勘查和开发中得到有效的应用。也能为我国地热资源的开发与科学研究提供一定的可信性思路，能够助推我国地热能资源的有关研究不断获得更瞩目的进展。

参考文献：

[1]地热资源电磁法勘探现状及展望.吴佳文等.地球学报.2023（1）

[2]电磁法在地热资源探测中的应用研究.武超峰.东华理工大学学报.2022（2）

[3]大地电磁测深法在地热资源 勘察中的应用 .曹江涛.世界有色金属.2016（6）