摘 要：地熱能作為一種綠色、可持續再生的可替代清潔能源，因其分布范圍廣，資源儲量巨大的特點受到全世界的廣泛關注。開發地熱能在調整能源結構、緩解能源資源壓力、促進消費轉型升級和推進生態文明建設方面具有重大現實及倡議意義。經過幾十年勘探與開發，淺層高溫地熱能幾乎已經勘查完畢。目前，地熱能勘探受儲層埋深大、溫度較低和手段單一等的影響勘查難度較大。

　　《質量天地》堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。

　　為了解決這些難題，提高地熱能勘查效率，需要引入勘探深度大、方法手段多等特點的地球物理勘探方法。為指導地熱勘探，本文按照物性測量差異分為直接測量和間接測量闡述國內外地熱能勘探實例，并對主流地球物理地熱能勘探特點進行了對比。認為在實際地熱勘探工作中某一種物性參數并不能很好的反映地質背景及地質體的空間狀態，需要將多種地球物理勘探手段融合，相互補充及驗證，提高地熱地球物理勘探效率。關鍵詞：地熱能; 地球物理勘探; 直接測量; 間接測量;

　　引言當代社會發展嚴重依賴石油、天然氣及煤炭非可再生化石能源，化石燃料的燃燒過程是不可逆的，化石能源的過度使用對自然環境以及生態系統的破壞也是不可逆的，這并不是一種可持續發展的道路。地熱能作為一種綠色、可持續再生和可替代化石燃料的新能源受到全世界的廣泛關注。世界范圍內，有大約20個國家利用地熱能發電保障居民的衣食起居，有大約60個國家直接使用地熱產生的能量從事生產娛樂等(Gupta et al., 2006;曾昭發等，2012)。

　　地熱能是由地球內部的放射性物質在衰變過程中產生的熱能，在地球內部相對富集區域以及在地質構造活動相對強烈地區，能達到人類在生活中開發利用的熱能(圖1)(韓子夜，2007)。上地殼范圍內現有數據的平均地溫梯度大約為30℃/km，按照這一理論在地球10km深度處的溫度大約為300℃。如果某一區域地溫梯度高于平均值，則這一地區開發地熱能耗費的代價則要降低。

　　有以下幾個方面會造成地溫梯度高于平均值;(1)深部巖漿上涌帶來大量的能量;(2)地殼構造減薄作用，導致區域熱流值較高;(3)在平均地溫地熱梯度區域地下水循環上涌也可以造成局部熱異常;(4)構造活動產生熱量被上覆熱傳導能力較差致密巖石隔絕;(5)淺部放射性元素產生熱量引起局部熱異常，如果有上覆巖層的隔絕即可較好保存這一熱異常(Wright, 1998)。地熱能資源有不同的分類標準，現行主流的分類原則是根據地熱能中是不是有巖漿侵位帶來熱量把地熱能分為兩大類，巖漿地熱和非巖漿地熱。

　　巖漿地熱的主要形式有熱水或蒸汽熱循環對流，干熱巖和部分熔融地熱能;非巖漿地熱常常與沉積盆地熱流傳遞和盆地地應力改變相關(Meju, 2002)。地熱資源地球物理勘探以測量地球物理屬性為手段，重點關注對巖石溫度及流體比較敏感的地球物理參數或者可以揭示整個地熱系統結構構造的某些參數。溫度、孔隙度、滲透率、流體鹽度以及壓力這幾個指標可以用來表征地熱系統。然而這些參數并不是都能依靠傳統地球物理方法在地球表面直接測量得到，但是有一些可以直接測量的地物參數可以提供給以上某些參數重要的相關性信息，這些參數有溫度、電阻率、磁化強度、密度、波速、導熱系數和滲透電位。

　　根據這些物性測量可以把地球物理地熱勘探分為直接測量方法和間接測量方法或者結構測量方法：直接測量方法可以得到地熱活動相關信息;間接測量方法則揭示了地質構造及地質體空間關系以及其隱含的地熱信息。直接測量法大體上包含熱力學方法、電阻率法、自然電位法等方法;間接測量法則主要是磁法測量、重力測量、地震方法測量。在實際工作中某一種參數并不能很好的反應地質背景及地質體的空間狀態，因此需要聯合幾個物性參數獲得更好的解譯結果(David et al., 2006; 周厚芳等，2003)。1 直接法直接法地熱能勘探方法通過測量與地熱系統直接相關的參數來實現對地熱異常分布進行評估、區分以及圈定的工作方法。

　　主要有以下幾個方面:1.1熱方法(熱梯度法)熱方法和別的物性特征相比可以直接用來表征地熱系統，因此熱方法是一種可以通過直接測量溫度和熱的地球物理方法進行地熱勘察。但是這一方法有其短板所在，僅僅適合在淺地表進行測量，在測量深度方面受到制約，因此通常和打井作業相關聯，可以在地面布設30-100m深鉆孔。通過鉆孔直接獲得地溫梯度資料，簡單處理即可獲得地溫異常區域。地球的熱量傳遞機制分為以下三種：傳導，由原子級別的震動在地殼內傳遞熱量;對流，地球內部構造運動帶動熱量的運移;放射性，在地熱系統中沒有顯著影響。

　　在這里我們將闡述傳導和對流兩類異常區域使用熱方法尋找勘察地熱異常(Pálmason, 1975)。在傳導過程中有以下關系式(Ayling et al., 2007)：Qcond−z=−k?T?zQcond-z=-k?T?z常數k：熱傳導率(W/(m·℃))，變化區間1 W/(m·℃)-5 W/(m·℃)，在沉積盆地以及結晶巖區域數值較小;?T/?z?T/?z: 溫度梯度，線性表示溫度和深度之間的關系。若Q數值在80-100之間甚至更高，則表明地熱傳導發生在近地表，即地熱異常區(Saemundsson, 2013)。對流作用是一種重力密度流引起大范圍廣區域帶動能量流動的熱傳遞，與巖石的滲透性有關系，熱流體在對流循環中傳遞能量。

　　高溫地熱系統依靠熱對流作用為主傳遞熱量，然而在沉積盆地地區以熱傳導為主，地熱系統熱傳遞是一個混合作用傳遞熱量的系統。盡管熱方法受限于鉆井方式進行地熱系統勘察，仍不影響熱方法是地熱勘察中重要的要一極。

　　這一方法主要包含以下幾個方面：(1)劃分地表熱分布地圖;(2)劃分20-100m深度內地熱梯度變化區域以及局部異常圖;(3)評估區域以及局部熱流值異常情況，劃分可能的熱流輸出區。1.2地電法地電法是地熱勘探中很重要的一種方法，通過不同方式方法測得區域中電阻率分布差異進行地熱能潛在評估及熱源分布。電阻率會因為溫度以及蝕變作用而改變(Árnason, 2000)。我們可以利用這一特性在野外對電阻率進行測量。原理是電流在傳導過程中會產生磁環繞在地球表面。

　　Ohm’s 法則是地電法的基本理論基礎(Kana et al., 2015)。E=?jE=?jE是電場強度(V/m)，jj是電流密度(A/m2)，??是電阻率，且??=V/I。電阻率的倒數是電導率(S/m)，因此也可以利用電導率測量進行地熱勘探。根據能量來源不同，電阻率法又可以分為主動源測量法和被動源測量法。

　　在主動測量法中，斯倫貝謝排列(Schlumberger) 以及溫納排列(Wenner array) 直流/交流(DC/AC) 垂直測深(the vertical electrical sounding，VES)，偶極-偶極陣列和雙極-偶極陣列就是實際的例子;瞬變電磁法(TEM)、可控源電磁法(CSEM)以及Sirotem methods是典型的主動源測量法。使用地球電磁場為場源的測量方法稱為被動源測量，主要包括長周期的電磁法(MT)以及音頻大地電磁法(AMT)(Kana et al., 2015)。

　　1.2.1直流電法直流電法是最早用來進行地熱勘探的方法之一，其理論基礎是測量電勢場求得視電阻率：ρα=K?VIρα=K?VIραρα：視電阻率，K：跟排列相關的幾何因子，?V?V：測量電勢差，I：電流(Castañeda et al.,2009)。上世紀50-80年代，直流電法成為地熱勘探的常規手段，隨著時間的發展，這一方法的在地熱勘探中的應用也越來越廣泛。電法中重要的裝置為兩對不同的電極，用來記錄電流轉移和場強差異。在電測深和電法剖面中兩對電極有顯著差別。在電測深工作中，電極中心位置固定，電極間距離變化;在電法剖面測量中電極距離固定，整個排列移動。直流電法設備組成有發射器，高精度電壓表，導線，電極以及電源。在某些地地形高差較大地區，為便利施工，可以利用汽車電瓶做為電流發射器，精簡儀器設備。地球內部并不是均一層狀介質，我們測得的視電阻率是某一深度范圍內平均電阻率。

　　在電測深中，視電阻率圖中縱軸以AB/2為單位的雙對數坐標，隨著電極距離的增加而增大，在實際生產中，電極距的增加會給施工帶來難度。直流電法測量中1維數據解釋相對2維以及3維而言較簡單，獲得的信息也較少，2維以及3維數據解釋難度越來越大，但也帶來相對更加豐富的信息。

　　1.2.2頻率域電磁法在頻率域電磁法中常規地熱勘探方法有大地電磁法(MT)以和大地音頻電磁法(AMT)(Strangway et al, 1973)。大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)使用地球電磁場作為測量的場源，地面觀測采集的天然交變電磁場數據受到地下不同深度和不同成分巖體的影響，可以用來反演地下巖體的埋藏狀況和空間分布信息(柳建新，2012)。Hoover DB(1974)給出了標量視電阻率以及趨膚深度的相關關系：f:頻率，單位Hz;Ex是X方向電場水平分量;Hy是y方向磁場分量，δδ：趨膚深度，單位m。根據以上公式，我們可以得出兩個結論：1，勘探深度與電阻率平方根成正比;2，勘探深度與頻率平方根成反比。不同周期自然電磁場可以用來勘探地下地質體不同電阻率分布(Vozoff, 1991)。

　　1.2.3瞬變電磁法上世紀80年代，瞬變電磁法(Transient Electro-Magnetic method，TEM)因為在地表1-1.5km內勘探深度具有較高精度，逐步取代了斯倫貝謝電測深(Schlumberger sounding)。瞬變電磁法工作特征為利用接地線源或者不接地回線方式向地面發射電磁脈沖，一次場間斷會引起感應二次場，因為二次場典型特征受到地下不同深度以及不同類型地質體影響會發生變化，通過觀測二次場的變化特征對地下地質體進行勘探。由于高頻成分波長短，在傳播過程中衰減相對較快，可勘探深度也相對較淺，低頻成分電磁場波長較長，在地下傳播過程中衰減較慢，勘探深度也隨著頻率的降低而增大。

　　因此測量所得不同時間二次場信息即為不同深度地下電信號特征。(張寶祥等，2004)。瞬變電磁法儀器與直流地電法相比要昂貴且更加復雜，由數據記錄采集站，發射系統和發射線圈組成。為了加大測量深度，大線圈邊長一般為150-300 m之間，當線圈邊長達到300 m時，瞬變電磁法可獲得1-1.5 km深度電阻率變化數據。與斯倫貝謝電測深法相比，瞬變電磁法的有優勢有以下四個方面：1. 施工受地形起伏影響較小;2. 低阻體效果好且施工便捷;3. 信息豐富，一次測量包含剖面和測深信息;4. 組合觀測，形態簡單，異常響應明顯。1.2.4大地電流法(Telluric current method)大地電流法(Telluric current method) 是以水平方向電阻線性變化假設為前提，測量不同構造作用影響的大地電流變化。在遠端建立參考觀測站，一般使用兩個不同的場來提高數據精度。自然電位法(Self-potential) 與以上方法有極大差別，電動力和熱電現象引起鹽水循環斷裂區電極化效應。通過對測量地表電位場數據的差異，識別有極化區斷層引起的電位場正異常，負異常和偶極異常。在有液體作用的地熱異常區有較好的應用前景(Munoz, 2014)。