利用电磁法勘探地热资源

地热能是一种富有魅力的可再生能源。电磁法是一种重要的地热资源的勘探与开发方法。高焓值地热系统在构造活动区最为常见,如板块边界、断裂带及年轻火山地区。电磁法勘探高焓值地热资源已在国外拥有许多成功案例,如新西兰、冰岛、美国、意大利。EGS和低焓值等非火山型地热系统多需要额外改造流体路径,保加利亚、菲律宾、葡萄牙、巴西、法国等国对此进行了大量的研究。

1 概况??

地热能是一种富有魅力的可再生能源,正成为能源结构的重要部分。本文作为综述性文章会尽量更新EM方法用于地热勘查的最新进展。

2 概念模型

地热资源,被认为是岩石和地球内部流体存储天然热力的系统,可根据温度和储层性质分成不同的类型。

图1  a. 简单的水热环境下地热系统的概念模型。b. 一般地热系统的概念模型。

3 高焓值地热系统

高焓值地热系统(定义为温度高于150~200℃的地热系统)在构造活动区最为常见。高焓值地热系统可用前文引入的概念模型(图1)予以描述。在世界上许多地区这种电阻率分布类型。

3.1 陶波火山带(新西兰)

陶波火山带(TVZ)属于伸展带,和新西兰北岛下方太平洋板块产生的流纹岩火山区域。有20多个高温地热系统与活火山活动有关,总热力输出超过4000兆瓦。

图2  陶波火山带(TVZ)DC视电阻率测绘中的示范性电磁研究汇总

3.2 Hengill火山带(冰岛)

Hengill火山杂岩体位于冰岛西部火山带的南端,被认为是该国最大的高温地热区之一。图3显示横穿Hengill山的12千米长的剖面拼接的一维联合反演而获得的电阻率分布横截面。

图3  调查区域MT(红点)和TEM(黑点)测点位置图(右下图)

3.3 美国西部

美国西部包括盆岭(Basin and Range,B&R)等省和黄石地区,拥有一批高焓地热系统,其中许多用于发电。几种电磁方法已成功地应用于发现和表征地热田(一些典型的电法模型参见图4)。

图4

图4中: a. 科索和玻璃山地热田的位置图。b. MT数据三维反演获得的科索地热田三维电阻率模型。c. 玻璃山地热区TEM测量校正后的MT数据Zxy成分反演得到的三维模型。

3.4 Tuscany(意大利)

Larderello-Travale(图5)系统是一个蒸汽为主的地热系统,深部储层被变质岩内的裂隙所控制,深达4000米。

图5

图5中:a. Tuscany地热系统(Larderello-Travale地区Amiata山)和Travale MT剖面(蓝线)方位图。b. Travale地热区MT数据二维反演求得的电阻率剖面。

4 非火山型地热系统

4.1 Llucmajor 含水层系统(西班牙)

Llucmajor含水层系统位于马略卡岛(西班牙)岛的南部。一些井孔显示出地热异常,表现为50℃的异常高水温(图6)。

图6

图6中:a. Llucmajor含水层系统方位图。黑点为MT测点位置,红色椭圆为具有热显示的区域。b. 通过试算法正演模拟拟合观测数据得到的三维电阻率分布。

4.2 Gro? Sch?nebeck地热试验场(德国)

Gro? Sch?nebeck现场地热实验室,位于德国东北部柏林以北40千米,是一个重要的测试深层沉积盆地地热潜力地点。目标层位于下二叠统砂岩和火山岩地层中,其中主要的深部含水层贯穿德国的东北盆地。

图7  沿Gro? Sch?nebeck地热试验场(德国)附近测量得到的40千米剖面经过MT数据二维反演获得的电阻率横截面

4.3 Puga地热区(印度)

Puga温泉区,位于喜马拉雅西北部印度河缝合带的南部,被认为是印度最有前景的地热场。

图8

图8中:a. Puga地热区位置图和MT剖面(红线)。b. 前1.6千米MT数据的二维反演获得的电阻率剖面。低电阻区(A)出现在Kiagor Tatso断层东侧,该地区有地热表现。c. 深达40千米的电阻率剖面。两个低电阻区(B和C)显示位于更深处。

5 EGS监测工具

30个MT测点(图9)构成的一个星形阵列,被当作在注入液体之前的测量基准线,在注液之后再重复测量。

图9  注液前和注热后不同时期的相位张量行列式残差分布图黑色三角形表示MT测点的位置。

6 地热系统电阻率数据的误读

如前文所述,电磁方法已被证明在圈定地热系统方面非常成功,并已成为地热资源勘探的行业标准。不过,这一成功有时却会导致不细致和不准确的解释。

图10  沿曼德列斯地块(土耳其西部)MT数据二维反演的剖面(上图)电阻率横截面。

图11

图11中:a. 一个假想的电阻率调查结果与一些已知的地质特征。b. 地热系统的可能概念模型。概念模型的发展详见文字叙述。

7 结论

地热区的EM方法为地热勘探和开发做出了有益的贡献。地热系统的电磁勘探大多是成功的案例,但低电阻率异常和地热靶区之间的相关关系不应外延过远,而导致无法避免的错误解释并造成代价昂贵的钻井操作。当涉及到勘探的终极目标:了解系统时,基于电阻率数据并结合地质、地球化学、温度等地球物理数据的概念模型的发展将成为必然。

资料来源:Gerard Mu?oz. Exploring for geothermal resources with electromagnetic methods. Surv Geophys. 2013.

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