电磁法在深部地热中的研究与应用

李贵栋 刘 巍

河北省地球物理勘查院

电磁法在深部地热中的研究与应用

李贵栋 刘 巍

河北省地球物理勘查院

地热资源是一种综合资源。改革开放以来，随着地热资源的不断开采，其可采储量下降。我国经济发展的步伐严重受制于这种不合理的能源结构。目前，在全国范围内，已开发的地热资源共计约 4000 余处而且还处于逐年上涨的态势中。鉴于以上原因，本文简单分析、对比几种勘查地热的地球物理方法，以电法为重点，着重研究激发极化法、可控源音频大地电磁测深法和电阻率测深法来寻找地热资源。通过对比上述三种方法的成果进行了综合分析，并以东北实验区作为试点进行验证。

电法；磁法；深部；地热资源

1、电法在地热勘查中的应用

1.1 地热与地球物理方法

地下热水是识别地热资源的重要特征，它具有低阻异常、电阻率低等特点。有多种方式来勘查地下热水，例如：①电法勘探；②重磁勘探；③地震勘探等。但是探测手段的不同，会获取不同的效果。

(1)电法勘探。电法勘查主要是根据不同的矿石、岩石的导电性特点，通过研究天然或者人工的电磁场空间分布规律进行矿产资源、地热资源勘测的一种重要手法。该方法是一种方便、快捷的方法，也因此得到了广泛的应用。应用此方法可以检测地下热水储存量、分布范围及热源位置，除此之外，还可以断定岩石断裂构造位置等。

(2)重磁勘探。重磁勘探可以在地热勘查、地热田储量、分布评价等方面具有重要的作用。重磁勘探在探测构造断裂带、岩石凸起凸起构造和地下热水具有明显的优势，其主要利用了重力场、磁力场的变化规律特征。

(3)地震勘探。地震勘探是一种用来解决地质问题的重要手段。它主要研究地震波的动力学特征和运动学特征。在岩层断裂位置以及成因方面，二维地震剖面具有良好的效果，特别是在已获取了明确的层位信息和标准反射信息时，利用这种方法进行推断将更为准确。

在地热资源的勘探方面，应该根据不同的实际情况选择不同的物探方法。这样既可以降低成本，还可以提高探测效率。自由电异常和电阻率异常等情况，可能是因为地热的存在而导致的。在外电场下引起的极化过程可能会因为热水蚀变粘土化等因素导致。这些异常特征为地热的电法、磁法勘查提供了非常重要的理论支撑。

1.2 电法在地热勘查中的应用实例

早在1991年，在黑龙江滨东地区某镇发现两处具备多项火山存在特征以及岩石构造分带特征，因为多方面原因，后续并未对进行深一步的勘察。近年来，在该地区发生了多处大小不一的塌陷坑。这些塌陷坑虽然毫无排列规则，但是相互连接，直径范围在1～10m之间。塌陷坑中的互切割，存在明显的断层特征，并呈现出呈现片砾状、叠瓦状。有关气象信息表示，该地区寒冷的冬季，夜间气温达零下 20℃左右时，也不曾出现霜冻，植物依然呈雾凇景，并且该地区的草提前10～20天进行发芽。该地区在 被大雪覆盖之后，地表出现多个蜂窝状小洞，而且其中无积雪。

该地区划属兴凯湖—布列亚山地层块区，该区域内水系较多，都属于松花江水系，主要有：牤牛河、拉林河、蚂蚁河、阿什河等。

(1)第四系松散堆积层孔隙潜水。在上述的水系两岸分布着一阶地和低漫滩。这也就提供了较厚而稳定含水层。同时，这些水系附近地下水蕴藏丰富，能提供大量的水供给。这些含水层厚度大约在15～40m左右，岩性大部分为砂砾石层，而且单井涌水量 100～200t/d；大气降水为主要的水补给来源。

(2)低山丘陵基岩裂隙水。在区域内，二叠系变质岩和侏罗系火山碎屑岩产生了断裂构造和风化裂隙。这也为大气降水的渗入提供了良好的条件，非常有利于形成基岩裂隙水。但是，由于裂隙大小不一，也导致了含水量各不相同。被风化强烈的火山岩，花岗岩为地下水循环提供了良好的条件，而且也会地下径流方式提供水补给。区域内火山岩是区内产生地热的原因之一。由于岩浆中的水分含量增加，蒸汽也就提供了更大的压力。一部分热量传递给了岩石，并间接的提供给了地下循环水，使其变热。另外，部分岩浆蒸汽空隙上升至地下循环水中，使水的温度增高，构成了地热田。

图1 测区水温地质图

2、岩层电阻率与深部地热温度关系的研究

2.1 岩层电阻率和温度的关系

电阻率法不仅是一种切实可行的物探勘查方法，也是地热田勘探的常用方法之一。在断裂构造位置、地层埋深等多个领用，可以采用利用率异常方法。热储构造电阻率和孔隙度、地下水矿物化等多个指标相关。

随着温度的不断升高， 地下水溶剂矿物质的能力增强，密度和粘滞性减少，水的矿化程度增高，导电 离子增加，电阻率降低。由含水岩层标本电阻率和岩矿化度及温度变化关系曲线可以看出：在相同压力下，相同温度的水矿物质化程度越高，其电阻率越低。除此之外，在水矿化度不变的情况下，温度约升高，其电阻率降低。当温度和矿物化程度达到一定值后，其电阻率不在发生变化。

2.2 电阻率推断深部地热温度的前提条件

岩层岩性、岩层所含液体的导电性和岩层破碎的走向等多个因素都对岩层的电阻率产生影响。在小的范围内，岩层的电阻率和岩层孔隙度随温度温度变化不会发生较大的变化，而在大范围内，就会变化的非常明显。这一特征为寻找热田打下了良好的基础。

在计算时，第一：需要先对地质分布进行分析，如果缺失地质剖面信息缺失，则需使用电阻率断面图进行推理；第二：需要将不同岩性的地层划分成不同的小区，按照分布情况，结合物性参数，并依据实测电阻率电阻率温度计算；最后：用温度异常进行地质解释。

3、电法在东北实验区的使用

3.1 工区地质和地球物理特征

根据采集的材料进行分析，虽然各个区内在导电性方面存在一定差异，但是在理论上可以明显的区分出地质界线。一般情况下，第四系和第三系地层在一定程度上存在电阻率差异，但是由于第三系地层情况非常复杂，还包含有半成岩的特征，一些地段有部分热水填充到了第三系砂砾层内，所以难以利用电阻率变化准确刻画出出第三系地层厚度。

3.2 电性断层推断和地质解释

从整体反演试验中上，一条电阻率分布在大约深度100米左右，高于100米区域的电阻率较低， 而100米以下区域随深度而电阻率明显上升。导致出现这一现象的原因可能由于岩石结构和地质构造发生变化导致。在试验中，很难利用电阻率准确计算出第三系的真实厚度，所以在解释断面工作中，将电阻率高的界面推断为花岗岩。