地热资源电磁法勘探现状及展望

吴佳文, 胡祥云, 黄国疏, 彭荣华, 周文龙

中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院, 湖北武汉 430074

地热资源勘探是地热开发利用的重要前提, 其聚焦于对表征地热环境的相关参数指标进行直接或间接测量, 以反映各地热要素物理性质及空间分布特征, 进而对潜在地热资源进行探查与评估。随着地热勘探目标深度的不断增大, 地热系统地质结构和构造更加复杂, 地热资源的勘探难度也在不断增加。地球物理探测作为地热资源开发利用重要手段,在地热勘探、资源评价、地热开发监测等方面均起着十分重要的作用。其中, 地震勘探方法是一种高分辨率物探手段, 多年来广泛用于石油、天然气和地热资源热储层构造的高精度成像, 但在反映地热系统深层结构性质与组成方面存在不足, 且成本高昂。与地震成像技术相比, 电磁探测技术具有成本低、绿色环保、设备便携等特点, 近年来随着电磁勘探设备的改进与数据反演解释方法的进步, 电磁探测准度和精度均有提高, 已广泛应用于地热资源勘探, 并在许多国家已成为地热系统勘探的行业标准(Muñoz, 2014)。本文旨在梳理电磁法在地热资源勘探中的发展与应用现状, 阐述电磁法在解决地热核心问题中的适应性与有效性, 讨论地热电磁探测的不足与未来技术发展方向, 为利用电磁法精准探测地热资源提供方向性指导。

电磁法在高温地热资源的探测过程中具有独特优势, 它能够揭示地下介质的电性结构特征。电阻率是地下介质电性特征的主要表征参数之一。一方面, 地下介质的电阻率与表征地热环境的重要参数如温度、含盐浓度、孔隙度、渗透率等相关(Archie,1942; Berktold, 1983; Flóvenz et al., 1985; Anderson et al., 2000); 另一方面, 地下构造带、地热资源的热源、热储层和盖层等不同部位的电阻率也具有明显差异(Spichak and Manzella, 2009; Muñoz, 2014), 这不仅为利用电磁法实现地热资源有效探测奠定了基础, 也对热源、导热通道和热储层的精准识别与圈定创造了有利条件(唐显春等, 2023)。

表1 不同类型地热资源常用电磁勘探方法Table 1 General electromagnetic method used in different types of geothermal resources

人工源电磁法具有浅层分辨率高、抗干扰能力强等特点, 但其所激励的场源为中高频电磁场, 导致在探测深度方面存在一定局限性; 天然源电磁法(尤其是 MT)可对低频电磁场进行观测, 具有勘探深度大的特点, 但其对浅层电性结构分辨率不高,且天然电磁场信号微弱, 极易受到电磁干扰, 导致数据质量降低。两种类型电磁方法各有所长, 各有所短, 二者可互为补充。在地热资源勘探中, 应根据探测目标特征和工区实际条件选择合适勘探方法,方能实现对地热资源的有效探测。

目前, 地热资源电磁探测技术正由单一方法向多方法组合探测方向发展, 综合地球物理方法可弥补单一方法的探测缺陷, 并对探测结果进行相互验证, 提高地热资源勘探广度与精度。He et al.(2016)结合MT和AMT方法对西藏Mapamyum地热田进行电磁成像, AMT探测结果对浅层电性结构进行了补充, 探测结果很好地揭示了研究区深部热源位置、导热通道及浅部热储分布范围。Marwan et al.(2019)在MT二维反演过程中加入TEM数据, 对MT静态效应进行校正, 展示了印度尼西亚Seulawah Agam火山地热系统中可能存在的热源以及热储层等地热要素的位置。裴发根等(2021)以MT和 CSAMT综合地球物理方法为手段, 查明了齐齐哈尔龙安桥地区低温地热资源的热源、通道、热储及盖层的空间配置关系, 确定了该区地热系统成因模式。此外, 诸多研究人员结合电磁法与重力、磁法及地震等物探方法对地热系统进行研究与评价(Jousset et al., 2011; Soengkono and Reeves, 2016;Yadav and Sircar, 2019)。综合物探方法提供了多种不同物性参数, 能够帮助研究人员更清楚地了解地热系统, 建立更为准确的地热地质模型以及圈定地热开发潜力区域(唐显春等, 2020, 2023)。

由于地下地热资源结构与构造的复杂性, 传统单一物性反演方法对地热系统的反映具有模糊性和不确定性。近年来, 针对地热资源的多物性联合反演算法得到不断发展并逐步应用于地热资源探测。AMT和直流电法(DC)非线性联合反演(Santos et al., 2007)、TEM 和 MT的 OCCAM 一维联合反演(Árnason et al., 2010; Lichoro et al., 2017)、重磁电交叉梯度联合反演(Yadav and Sircar, 2019)等方法已成功应用于地热资源电磁成像, 在反演过程中表现出良好的有效性与准确性。

2.1 地热系统各要素电性结构特征

热源、导热通道、热储层和地热盖层统称为地热系统四要素, 在地热资源形成过程中具有重要作用。地热资源的热量来源通常由深部高温部分熔融体、未冷却的岩浆房、地幔热及花岗岩放射性生热组成(Han et al., 2021)。其中, 部分熔融体和未冷却岩浆房是多数水热型地热资源与干热岩的热源, 在电性上表现为低阻特征; 少部分干热岩热源以放射性生热与地幔热为主, 其中放射性生热多以花岗岩为载体, 在电性上表现为高阻特征(图1)。

图1 地热系统概念简化模型Fig. 1 Conceptual simplified model of geothermal system

作为地热资源的导热通道, 深大断裂通常将热储层与热源相连通, 其对热量传递的控制作用主要表现在两方面: 做为深部热源的部分熔融或岩浆侵入深大断裂向上运移至浅部, 加热地下水形成高温地热异常; 地下水在深大断裂中被加热发生深部水热循环, 沿断裂向上运移并与浅部冷水混合, 形成地热资源。因此, 地热系统断裂破碎带中常富含地热流体或地下水, 呈现出低阻特征。

水热型地热资源热储层通常是由充满地热流体的断裂或裂缝系统组成, 由于地热流体中通常含有高浓度溶解盐, 且温度的升高会导致岩石体电阻率的降低, 电性上表现为明显低阻特征, 这为利用电磁法进行热储层探测提供了有利条件。干热岩热储层多以花岗岩体为主, 温度明显高于围岩, 电磁探测结果中表现为高阻异常。

水热型地热系统盖层多为一些水热蚀变形成的“黏土帽”、新生代碎屑沉积物和第四系松散沉积物。其中“黏土帽”是由于热储层中地热流体与岩石长期相互作用发生水热蚀变, 在热储层上方形成黏土盖层。不同温度下形成的黏土矿物种类不同,但总体上均表现为低阻特征, 其电阻率低于热储层,这是识别地热系统的另一标识。干热岩盖层以第四系松散沉积物为主, 部分包含砂岩、泥岩和火山岩等, 电性上多表现为低阻异常。此外, 由于干热岩具有低孔隙度、低渗透率及流体含量少等特征, 因此黏土层基本不发育。综上, 大部分地热资源盖层呈现出低阻特征, 只有少数以火山岩为主的盖层表现为高阻特征。

MSBR工艺中除磷关键的一步是防止NO x-N进入厌氧环境中，主要是为了保护厌氧环境的状态。系统中的回流污泥泵以及污泥回流状态都会影响到硝酸盐的含量，从而影响出水TP。通过对实时检测出的硝酸盐含量数据以及出水TP值来对回流泵进行调整。系统中硝酸盐含量较高时，降低回流量，并且调低回流污泥泵的频率，使得污泥浓度处于较高的水平。这样通过污泥中的内源反硝化作用，能够有效去除超过标准的硝酸盐，从而控制好硝酸盐的浓度，也就控制了TP值，达到污水排放标准的要求。实际系统运行的过程中，污泥浓度较高虽然能够控制硝酸盐的浓度，但是会出现污泥老化的现象，并且在表面形成板结，影响到了美观。

此外, 地热系统各要素在空间上呈现出一定的分布规律。地热资源的形成模式通常表现为深部热源散发热量, 热量沿导热通道向上传递, 在浅部保温盖层的作用下, 减少热量散失, 在盖层下方形成地热储层。总体来看, 水热型地热资源各地热要素均具有良好的导电性, 与围岩之间具有明显电性差异。然而, 在电磁探测结果中, 并不是所有低阻异常都与地热系统有关(Kuyumcu et al., 2012), 为避免电阻率模型的错误解释, 应结合尽可能多的物性参数与地质资料对电阻率模型进行综合解释。综上,根据各地热要素的电性特征、空间分布特征及利用多物性参数综合解释, 可对热源、导热通道和热储层进行有效识别。

2.2 地热资源电磁反演成像方法

对实测电磁数据进行反演成像是获取地热系统电性结构的关键环节, 高精度、高效率的正反演方法是获取地热系统可靠电磁成像结果的基础, 也是建立准确地热地质模型的前提。

近年来, 电磁法正演模拟与反演算法飞速发展,使得正反演速度、精度不断提高。积分方程法、有限差分法、有限单元法、谱元法以及有限体积法是频域电磁法数值模拟的主要方法。其中, 有限单元法对地电模型采用非结构化网格剖分, 在处理复杂异常体以及起伏地形的数值模拟中具有较好的适应性与灵活性, 本节将重点介绍有限单元法在电磁数值模拟中的进步。目前, 有限单元法在电磁场正演模拟中的进步主要体现在微分控制方程、有限元空间、网格离散化技术和线性求解器等方面。电磁场模拟可基于电场方程、磁场方程和势场方程。由于空气层电导率为零, 电场方程和磁场方程均不能有效解决低频电磁场模拟问题, 而势场方程产生的离散系统矩阵条件数通常较低, 其对求解器的要求低于电场方程。在有限元空间中, 节点基函数在电性不连续界面强加了法向连续性条件, 导致容易产生伪解, 为提高电磁场求解效率与精度, 通常使用矢量基函数替代节点基函数。网格离散化技术正由结构化网格剖分向非结构化网格剖分方向发展(Key and Weiss, 2006), 非结构化网格可很好地模拟地下复杂地质结构与地形起伏, 并且可对目标体网格实现自适应加密, 提高数值模拟精度。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规模电磁问题时更具鲁棒性。

电磁反演算法主要分为两种: 线性迭代反演算法和非线性反演算法。常用的线性迭代算法包括高斯-牛顿法及其变种、共轭梯度法及其变种。高斯-牛顿法广泛应用于可控源电磁法的反演问题, 而共轭梯度法相比其具有稳定、计算效率高等特点。随着参数的增多, 线性迭代算法严重依赖于初始模型,且迭代过程中容易陷入局部极小值, 造成计算结果震荡和无法收敛。为克服线性迭代反演算法的多种缺陷, 国内外学者提出了模拟退火法、贝叶斯反演和遗传算法等多种非线性反演算法, 非线性反演算法在全局搜索极大值或极小值, 保证了反演模型的全局最优性。目前, 线性迭代算法常用于二维和三维电磁反演问题, 而非线性反演算仅用于一维或小规模二维电磁反演问题(汤井田等, 2015)。电磁法正演模拟与反演计算密不可分, 反演本质上也是一种正演的过程, 提高正演精度与计算效率, 反演速度和计算精度也将得到相应提升。

大同盆地是新生代断陷盆地位于华北克拉通中部造山带北侧(图2), 该地为大陆岩石圈伸展破裂区,盆地具有裂谷构造特点(Zhang et al., 1998)。大同盆地的形成对应于华北克拉通中西部岩石圈破坏和持续的伸展减薄运动, 其动力来源可能为印度—欧亚板块和太平洋—欧亚板块的碰撞作用(Kusky and Li,2003; 李三忠等, 2011; Li et al., 2012)。大同盆地内构造活动强烈, 区内发育有一系列活动断裂, 且伴随有火山活动和地震活动(岑敏等, 2015)。新生代晚更新世以来, 大同盆地在深部岩石圈持续减薄作用下,地壳在伸展应力作用下发生破裂, 岩石圈被贯通,深部岩浆物质沿断裂上涌并喷出至地面, 形成大同火山群。喷发后的岩浆通道迅速冷却, 未喷发的岩浆沿构造裂隙运移形成岩浆房, 由于大同盆地内断裂构造走向均为NE向, 因此岩浆沿断裂多向盆地东北部汇聚, 为该地地热资源的形成提供热量来源。大同盆地地震活动频繁, 但整体震级偏小, 且多集中于大同盆地东北部靠近阳高—天镇一带, 表明该地区构造活动强烈, 为地热资源的形成创造了有利条件。大同盆地内共有五处地热区, 其中位于盆地东北部的天镇—阳高地热区温度最高, 热储层以太古代变质岩为主, 实测大地热流值为 75.3～79.5 mW/m2(王贵玲等, 2017), 明显高于平均大地热流值, 具有地热资源形成与赋存的良好地热地质条件。结合大同盆地地质构造背景、构造活动及地热地质特征, 表明大同盆地东北部具有地热资源赋存的可能性, 将其作为地热勘探开发的优势靶区。

图2 大同盆地构造略图(Zhou et al., 2020)Fig. 2 Simplified tectonic map of Datong Basin (Zhou et al., 2020)

MT对深部低阻体具有良好的分辨能力, 既可用于解释与地热相关的深部岩浆的底侵作用和板块俯冲导致的岩石圈水化过程(Xu et al., 2019; Zhang et al., 2020), 又可用于揭示地热系统的深部热源机制、识别地热储层与反映地热地质结构等(Gao et al.,2018; Ars et al., 2019; Maithya and Fujimitsu, 2019)。为了解大同盆地东北部地热资源的赋存状态与分布特征, 利用MT和AMT对天阳盆地地热区进行了探查, 区内布置了10条MT测线, 靠近阳高—天镇一带布设了两个MT测点加密区和两条AMT测线, 以研究地热区区域电性结构和阳高—天镇重点区精细化电性结构(图3c)。数据于 2018年通过 MTU-5A大地电磁测深仪采集, 平均采集时长 24 h左右,MT采集频率为 320～0.001 Hz, AMT采集频率为10 400～0.35 Hz。天阳盆地部分地区存在较多电磁干扰, 为保证数据质量布设了远参考站, 通过测站与远参考站数据进行互功率谱计算可有效提高MT数据质量。利用傅里叶变换将时间域信号转换为频率域数据, 经过功率谱挑选、Robust技术(Egbert and Booker, 1986)、远参考技术(Gamble et al., 1979)等处理获得了高质量的阻抗张量信息。

图3 天阳盆地地热区电性结构Fig. 3 Electrical structure in Tianyang Basin geothermal field

非线性共轭梯度(NLCG)算法具有计算效率高且算法稳定等特点, 此次MT/AMT数据二维、三维反演均采用非线性共轭梯度算法进行计算。图3b为天镇加密区内跨过D1地热钻孔的A1线AMT二维反演剖面, 剖面中显示有Fm1次级控热断裂发育, 深部低阻体沿断裂上涌, 在海拔为800～1000 m处形成低阻层。AMT在浅部反映的电性结构大致可分为四种电性层, 结合D1孔钻井资料对比分析, 每种电性层对应不同的沉积地层。如表2所示, 基底面以上电性层整体电阻率较低, 且岩性以黏土为主, 包含部分亚砂土、粗砂和砾石, 是地热系统的盖层。盖层以下电阻率明显增高, 岩性以太古代变质岩为主, 是地热系统的热储层。图3a、d为阳高、天镇两地MT加密区三维电阻率模型, 二者结构具有相似性, 主要表现为浅部低阻体与深部低阻体相连通, 作为热源的部分熔融体或岩浆通过深大断裂上涌至近地表,加热地下水, 浅部岩石与地热流体长期作用发生水热蚀变, 在浅层形成具有“黏土帽”特征的低阻层,这是水热型高温地热储层的经典MT响应。

表2 AMT电性结构与钻孔地层岩性对比Table 2 AMT electrical structure and stratum lithology

根据MT二维反演结果(图4a)显示有F1和F2两条控热断裂, 结合地质资料以及现场岩石出露情况, 推断F1为云门山断裂, F2为熊耳山北缘断裂。从电性结构来看, 天阳盆地北部主要表现为深部低阻异常体通过电阻率稍高的通道向上运移,在浅部形成相对低阻层和低阻层, 分别对应于热源、导热断裂、热储层和覆盖层, 其电性结构与对流型地热资源结构模型相似度极高; 天阳盆地南侧山区(图4b)主要表现为深部低阻异常体整体侵入上部高阻岩体, 整体上表现出一种隆起的层状电性结构, 其电性结构对应于典型传导型地热资源结构模型。总体来看, 地热系统各地热要素在电性上既有相似性又有差异性。热源、控热断裂、热储层及盖层导电性均强于围岩, 但各自之间电阻率存在一定差异, 分别表现为低阻、相对高阻、相对低阻、低阻特征。

图4 MT二维反演电性结构模型Fig. 4 MT two-dimensional inversion electrical structure model

4.1 混场源宽频电磁数据采集方法

地热系统在空间上存在一定分布规律, 且各地热要素埋藏深度不同。目前常用电磁法只对人工电磁场和天然电磁场其中一种进行观测, 且采集方式都是分频段采集, 无法同时准确反映整个地热系统(尤其是深部热源和浅层电性结构)的特征。因此, 考虑对人工场和天然场进行同时观测, 可获取更宽频带范围的电磁信号, 实现浅层与深部电性信息互补,从而更准确地反映整个地热系统地下电性结构。

4.2 多尺度联合反演成像方法

地下地热资源的存在会引起地热系统与周围围岩产生密度、磁化率、电阻率以及波速等物理性质上的不均匀性, 这为从多角度研究地热资源奠定了基础。地热勘探阶段, 可考虑利用多种物探手段对地热资源进行研究, 结合同一探测目标的不同响应特征, 对地热系统相关信息进行相互验证与补充。在地热电磁成像阶段, 将波速、密度及磁化率等物性参数纳入综合考量, 实现多物性参数联合反演, 可有效降低数据反演多解性、克服单方法局限性和提高模型分辨率, 为建立更为准确的地热地质模型提供强有力支撑。

在进行多物性参数联合反演时, 反演参数的增多势必导致计算量增大、计算效率降低。机器学习能够快速处理海量数据, 通过不断优化网络结构提升计算速度, 将其与联合反演相结合, 有望提高正演计算速度和反演计算效率。

4.3 电磁法探测识别关键地热属性技术探索

电磁法在地热资源勘探过程中的应用包括但不局限于对地下电性结构进行成像, 还可通过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。

影响岩石电导率的因素很多, 但其对温度的变化较为敏感, 二者之间具有一定联系。Campbell(1949)和 Keller and Frischknecht(1966)使用经验公式反映了岩石电阻率和温度之间的关系,这为利用电磁数据进行地下温度预测创造了条件。Huang et al.(2022)提出了一种最优温度系数校正方法, 改进了温度与电阻率间的传统经验公式, 使其更符合地下真实情况, 并利用 MT电阻率模型对地下温度分布进行了预测, 效果显著。此外, 神经网络和贝叶斯方法也应用于电阻率数据对地温场的估算, 均得到较为准确的地温估计(Spichak and Zakharova, 2012; Hokstad and Tanavsuu-Milkeviciene,2017; Ishitsuka et al., 2021)。

增强型地热系统(EGS)是一种对地下低渗透性干热岩体进行水力压裂形成裂缝的人工热储层, 其热储的产能很大程度上取决于储层裂缝的渗透性。微地震方法可以反映储层裂缝的位置以及大小, 但不能提供裂缝连通性以及裂缝流体的信息。电磁法对电导率的变化比较灵敏, 能够监控注入流体后裂缝电阻率的变化, 从而反映注入流体在地下的流动位置以及裂缝间的连通性。同时, 大规模的水力压裂会引起区域相位张量的变化, 对注水前后的 MT数据相位张量进行分析, 能够反映水力压裂形成裂缝的方向性(Peacock et al., 2012; Didana et al., 2017;Abdelfettah et al., 2018)。地热能开发是一个动态的过程, 对地热储层进行长期三维电磁观测, 可实现地热资源开发的动态监测。

干热岩地热资源潜力评估是干热岩开发利用的基础, 电磁探测技术或将成为干热岩地热资源评价的有力工具。对实测电磁数据进行三维反演可获得地热区三维电性结构模型, 根据干热岩热储电性特征可对热储层进行圈定并计算出其体积, 最后通过体积法对地热田干热岩地热资源总量进行评估(汪集旸等, 2012; Chang et al., 2014)。干热岩温度是利用体积法进行干热岩资源总量评估的关键参数,由于深部干热岩温度不能完全直接进行测量, 可考虑通过电磁数据预测干热岩温度分布特征, 从而计算得到干热岩地热资源储量。

本文讨论了不同类型地热资源的常用电磁探测方法, 分析了地热系统“源通储盖”在电磁成像中的电性差异, 这是利用电磁法进行地热资源勘探的基础。利用电磁法对大同盆地东北部高温地热资源进行探测, 识别并验证了热源、热储、盖层以及控热构造等地热关键要素, 总结了各地热要素的不同电性特征。探测实例表明, 电磁法在地热资源探查过程中表现出良好的适应性与有效性, 可有效应用于地热资源的勘探与开发。同时, 为进一步提高地热勘探精度, 可利用多种地球物理手段对地热目标进行探测并相互验证, 结合区域地质资料进行综合地热解释, 从多方法、多角度对地热资源进行研究。

回顾电磁勘探方法在地热勘探中的应用现状,高质量电磁数据和可靠电磁成像结果的获取仍是需要进一步解决的难题, 需要在以下几个方面加强研究: 1)地热电磁数据采集方面可考虑人工场与天然场信号进行同时观测, 以获取更宽频带范围的电磁场数据, 从而更全面地了解地热系统浅部盖层、中深部热储层及导热通道、深部热源结构信息; 2)地热电磁成像方面, 应结合多物性参数进行联合反演,并积极探索机器学习在提升联合反演计算效率方面的方法, 以便快速获取高精度电磁成像结果和建立可靠的地热地质模型; 3)地热电磁探测不止于反映地热田的电性结构, 还可用于地热田温度场预测、地热开发监测以及地热资源评价等, 研发各种关键地热属性识别技术势在必行。

Acknowledgements:

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

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