谷露地熱田熱結構初探及高溫異常區預測

王聞文，巴桑元旦，吳儒杰

1 核工業北京地質研究院，北京 100029

2 西藏自治區土地礦權交易和資源儲量評審中心，西藏 拉薩 850011

溫度作為7 個基本物理量之一，是極其重要的物理參數，地球內部的溫度結構不僅影響大陸變形和構造演化過程［1-2］，而且決定了淺地表地熱資源的分布。地熱能作為綠色清潔能源，尤其是高溫地熱，具有穩定連續輸出的發電優勢，近年來在全球范圍內得到了廣泛的利用［3-4］。地熱田地下1～2 km 深度內，地下介質的溫度及其分布規律直接決定了高溫熱儲的界定、利用與開發［5］。因此，揭示地下溫度結構特征對于地熱田的研究、勘探和開發至關重要。

目前，地球內部溫度數據的獲取一般包括直接和間接兩種方法［6］。直接的方法是鉆孔測溫法，即通過測溫儀來對井液的溫度進行測量，當鉆孔經過相對較長的靜井恢復時間后，井液溫度與地層溫度達到熱平衡狀態［7］，此時的地溫數據，可以較為真實地代表對應地層的溫度。鉆孔測溫也是地熱田的勘查過程中使用最為廣泛且最為首要的方法。然而，由于受到鉆孔施工的成本、時間周期和技術難度等因素的限制，鉆孔測溫法往往難于批量地投入生產。

相比于直接法，采用間接方法來估算地溫數據往往具有更低的經濟成本、更好的空間分布連續性和更大的地層深度。常用的地溫間接測量法，主要可分為兩類［8］：1）熱傳導建模［9-11］； 2）間接地溫計［12］。第1 類方法構建溫度模型，首先需要確定傳熱機制（即確定傳熱是通過傳導、對流還是兩者結合），其次是定義邊界條件，最后是準確定義各種介質的熱物性參數；其中，熱物性參數和邊界條件（特別是下邊界條件）只能進行粗略估算。第2 類方法是在地表收集地質、地球化學、同位素或氣體成分數據的基礎上加以分析，如典型的地熱溫標法［13］，其雖然可以評估某些特征深度的溫度，但是卻很難獲得地下空間區域范圍內溫度場的分布規律。

近年來的研究認為［6，8］，要認識地溫場的空間分布特征，可以通過建立溫度和與其相關的巖石物性參數之間的經驗公式來實現。巖石的物性參數中，電阻率是對溫度反應最敏感的參數，這是因為地熱系統通常含有含鹽流體，而水熱蝕變過程導致系統發育的巖石電阻率發生普遍變化。具體而言，含鹽流體在水熱蝕變或高溫作用下，往往會導致地熱系統的電阻率降低，與圍巖形成明顯的電性差異，易于被電阻率測深法成像［14］。由此，基于電阻率數據約束的溫度預測法，被廣泛應用于地熱資源的勘探［15-19］。

本文充分利用了電阻率法在溫度預測中的優勢以及音頻大地電磁測深法（Audiofrequency Magnetotellurics，簡稱AMT）在探測地熱田地電結構中的有效性，采用Campbell、Keller 和Chermensky 等建立的經驗公式［20-22］來定義巖土電阻率與溫度的關系，并基于谷露地熱田的鉆孔測溫數據，通過回歸分析建立了溫度與深度的線性函數關系，隨即對溫度相關系數根據不同深度進行了分層計算，構建了不同空間坐標下的溫度預測模型，通過逐層計算地下溫度，建立了谷露地熱田L1、L2 兩條AMT 反演電阻率剖面的溫度結構模型。在此基礎上，通過兩個驗證鉆孔YZ01、YZ02 處的溫度預測值與鉆孔測溫實際值的對比，結合谷露地熱田地質特征及前人研究成果，初步證實了采用溫度估算方法的準確性和開展高溫異常區預測的有效性。將電阻率勘探方法及鉆孔測溫法在地熱田勘查過程中深度融合，形成具有優勢互補的特點，并充分挖掘兩者之間的內在聯系，對于深入揭示類似于谷露地熱地質背景的其他地熱田的熱結構具有重要的啟示意義。

1 地質背景

西藏谷露地熱田位于亞東—谷露裂谷的北部（圖1a）、谷露盆地中部，隸屬于那曲—尼木地熱帶，帶內分布有續邁、羊易、羊八井、谷露和玉寨等26 個中高溫地熱顯示區［23-24］（圖1b），這些地熱顯示區均出露于山前“串珠”狀斷陷盆地內，整體受念青唐古拉東南麓活動斷裂控制［25］。熱田成因受地球深部熱動力學過程、地表斷裂活動等因素的控制，地熱帶內在18.3～11.1 Ma 期間發生大規模巖漿侵入，形成了念青唐古拉巨大花崗巖巖基［26］。

圖1 那曲—尼木地熱帶大地構造及地熱顯示區分布（據參考文獻 ［23］ 修改）Fig. 1 Tectonic of Naqu-Nimu geothermal belt and distribution of geothermal field

谷露地熱田（圖2）兩側為中低山區：西側為花崗閃長巖體、馬里組（J2m）灰巖與砂巖互層的變質巖；東側地勢較為平坦，主要為第四系（Q4）松散堆積物［27-30］?；◢忛W長巖體侵入至馬里組中，局部出露規模較小的花崗斑巖體和酸性巖脈，侵入巖時代均為新生代［24］，并構成區內第四系沉積地層的基底［31］。

圖2 谷露地熱田斷裂構造與地熱形跡（據參考文獻 ［24］ 修改）Fig. 2 Structure and geothermal traces of Gulu Geothermal Field

谷露地熱田內主要發育EW 向、NE 向和SN向3 組斷裂（圖2）。EW 向F1-1和F1-3斷裂屬區域性斷裂，其中F1-1斷裂全長約5 km，貫穿整個谷露盆地；F1-3斷裂從泉華臺地北側通過，同樣貫穿盆地，向西一直延伸至念青唐古拉山，在盆地西側表現為寬緩的斷層谷地，南北最寬處約900 m，谷地內大面積分布中上更新統沖洪積地層［24］。NE 向斷裂（F2-1～F2-9）出露于熱田基底花崗巖中［23］，自西南往東北，連通念青唐古拉山；結合野外地質調查及大地電磁測深反演結果，認為NE 向斷裂是谷露地熱田地下水補給與熱水運移的重要通道［24］。SN 向斷裂主要發育3 條（F4-1～F4-3），為區域張性斷裂，其中F4-1斷裂位于盆地西側花崗巖中，在地表呈SN向斷層陡坎地貌；F4-2斷裂在地表特征最為明顯，沿桑曲河西岸發育，斷層傾向E，傾角介于60°～70°之間，熱水活動皆分布于F4-2斷裂上盤；F4-3斷裂位于桑曲河東岸，長約2 km，走向介于10°～15°之間，在地表斷層傾角近陡立，以西傾為主，錯斷泉膠礫巖層，沿斷層熱水泉眼線狀出露；地表地熱顯示區集中分布于F4-2和F4-3斷裂的夾持區域，認為SN 向斷裂F4-2導通深部熱源，是深部熱流體上移的重要通道［23-24］。

2 研究方法

2.1 電阻率與溫度轉換關系的建立

電阻率是巖石非常重要的物理性質，已被證明是尋找地熱資源時最有用的地球物理參數之一，在地熱資源的勘探過程中被廣泛利用。如何在地熱田建立溫度與電阻率之間的轉換關系，就顯得尤為重要。

溫度對電阻率的影響，源于溫度會改變巖石本身內在的物理性質，從而對其導電性能產生影響。巖石的電阻率與其物理性質這二者之間的經驗公式中，Archie 公式［32］影響深遠，在石油測井中被廣泛使用。地層因素的Archie公式［33］為：

式（1）中：R0—100%飽含地層水時的地層電阻率，Ω·m；Rw—地層水的電阻率，Ω·m；Φ—孔隙度，無量綱；m—巖石的膠結指數，無量綱；a—與巖石有關的比例系數，無量綱。

實質上，Archie 利用巖石電阻率與孔隙水電阻率的比值來反映地層因素，建立了巖石物性和電性之間的聯系［34］。借鑒電阻率比值這一思想，Campbell、Keller 和Cheremensk 等眾多學者先后建立了不同的經驗公式［20-22］來反映溫度變化對巖石電阻率的影響，但總體可以用公式（2） 來表達：

式（2）中：RT— 給定溫度下巖石的電阻率，Ω·m；Ts—給定的溫度值，℃；αs—Ts溫度值下的溫度系數，無量綱；Rs—Ts溫度值下的巖石標準電阻率，Ω·m。

通過李艷華等［35］對深約1.8 km 的六塊砂巖巖心進行的巖石物理實驗，可以直觀地了解溫度對巖石電阻率的影響程度。圖3 中展示了6 條呈冪指數衰減的曲線，反映了這六塊砂巖巖心的電阻率隨著溫度升高而呈現降低的變化趨勢。此外，Caldwell 等人［36］也早在1986 年研究了東南亞地區地熱鉆孔巖心的電阻率與溫度間的關系，并通過回歸分析得到了相關系數的值。Anderson 等人［14］在Caldwell 等人的基礎上進一步研究了熱儲層中巖石電阻率與溫度間的關系。通過上述學者的研究表明，一般在200 ℃以內［14，18］，電阻率隨著溫度的升高而降低，電阻率與溫度呈現負相關的變化關系。

圖3 六塊砂巖巖芯電阻率隨溫度變化（據參考文獻 ［35］ 修改）Fig. 3 Variation of resistivity vs. temperature in six sandstone cores samples

直接利用曲線擬合出來的經驗系數或者公式（2） 進行電阻率至溫度的轉換，來指導不同地質區地熱資源的勘探，顯然是不可行的。因為巖性、地層等因素的改變必然帶來公式中經驗系數的改變，使得特定的研究區域必須建立對小區塊適用的經驗系數。電阻率勘探方法及鉆孔測溫法在地熱田勘查過程中是大量使用的方法，充分挖掘兩者之間的內在聯系，利用鉆孔測溫數據和電阻率數據對最終的溫度預測結果形成有效的約束，是建立合理的經驗系數的重點與難點。

國內相關學者基于可控源音頻大地電磁測深的反演電阻率值，利用公式（2） 成功建立了有效的地下熱儲溫度結構［16-17］。Huang 等人在此公式的基礎上，充分結合鉆孔測井電阻率、鉆孔測溫結果，以大地電磁測深的反演電阻率為基礎，提出了通過深度進行分層約束的概念，并對電阻率進行歸一化，建立了名為CCMOT 法（coefficient correction method of the optimal temperature，簡稱CCMOT）的電阻率和溫度間轉換的經驗公式（3），在雄安新區地下熱儲溫度結構預測模型的建立上取得了良好的效果［8］。隨后其他學者利用CCMOT 法在雄安新區的其他大地電磁測量剖面上，進行了電阻率與溫度間關系的轉換，亦取得了較好的應用效果［19］。

式（3）中：T(x，z)—地下空間節點坐標A(x，z) 處的預測溫度值，℃；RNT0(z)—不同深度巖石本身電阻率的歸一化值，無量綱；αT0(z)—對應深度下的溫度系數，無量綱；T0(z)—對應深度下的溫度，℃；RNinv(x，z)—地下空間節點坐標A(x，z) 處電磁剖面上的電阻率歸一化值，無量綱。

2.2 谷露地熱田電阻率與溫度的轉換關系

借鑒經驗公式（2）和（3）中的思路，通過電阻率比值和深度分層約束，建立了適用于谷露地熱田的電阻率與溫度轉換公式，具體步驟如下：

1）根據音頻大地電磁數據反演時剖分的不同深度的網格節點，對深度分層，并獲得坐標A(x，Zi)。i即代表不同深度層的編號，Zi為第i個深度層對應的深度值。

2）選取BZ01 號鉆孔（圖2）作為此次經驗公式建立時的標準孔，對鉆孔的測溫曲線進行線性回歸分析（圖4），得到深度大于1 100 m（標準鉆孔最大深度）時溫度估算的一元線性方程。即：

圖4 BZ01 號鉆孔測溫曲線線性回歸分析Fig. 4 Linear regression analysis of temperature measurement curve of borehole BZ01

式（4）中：TZi—正常背景下不同深度的溫度估算值。

T(Zi)值的擬合，是為了獲得無鉆孔測溫數據的深部地層在正常背景下的地溫梯度。對整個鉆孔的測溫曲線進行擬合，因其包含熱儲層以及淺部蓋層的高溫數據，無法代表正常背景下的地溫梯度，從而導致預測的深部地層的地溫梯度誤差變大。因此選取BZ01 鉆孔測溫曲線呈現典型線性變化特征的深度段進行曲線擬合。

（3）通過對公式（2）進行簡單變形可得：

式（5）中：i—不同深度層的編號，無量綱；Zi—該深度層網格節點對應于地表的深度，m；αZ i—Zi處的溫度系數，無量綱；Ts—給定的標準溫度，℃；Rs—Ts溫度下花崗巖本身電阻率，Ω·m；RZ i— 標準鉆孔處AMT 反演電阻率，Ω·m；TZi—該深度所對應的鉆孔測溫值或估算值，℃。

需要注意的是，αZ i的計算中，如果對應深度有鉆孔測溫的實際值，則取實際值TZi，如果深度大于鉆孔測溫深度，溫度值即取公式（4）中計算得到的TZi值。隨后聯合公式（2）、（4）和（5）得到：

式（6）中：R(x，zi)—地下不同位置在Zi深度處的AMT 反演電阻率，Ω·m；T(x，zi)—該位置對應的溫度估算值，℃。

依據公式（6），即可由大地電磁反演得到的地下電阻率結構計算出同一剖面下的溫度結構。

2.3 經驗公式的驗算及討論

選取兩條大地電磁剖面L1 線和L2 線（圖2），其中L1 線穿過標準孔BZ01、驗證孔YZ01，L2 線穿過驗證孔YZ02。以標準孔BZ01 的鉆孔測溫和AMT 反演電阻率結果為基準，根據公式（6）計算驗證鉆孔處的溫度值，并與實測鉆孔測溫曲線對比（圖5）。

圖5 實測溫度與預測溫度對比曲線Fig. 5 Comparison curve between measured temperature and predicted temperature

由圖5 中的實測溫度曲線與預測溫度曲線可見，預測曲線的整體形態與實測曲線基本一致，且驗證鉆孔YZ01 的吻合度要優于YZ02。但在曲線中間段預測溫度與實測溫度均存在差別，分析其原因為溫度值估算主要受電阻率比值這一因子影響，而AMT 反演電阻率無法完全等同于對應深度的巖石真實電阻率，仍然會受到上覆地層電阻率的影響，體現出一定的漸變性，因此當實測溫度曲線在中間段波動較大時，溫度預測值的誤差變大。為了進一步對預測結果的準確性進行評價，引入擬合優度R2，從統計學的角度評價此次預測的準確程度。

式（7）中：TP—預測溫度值，℃；TA—實測溫度值，℃—實測溫度平均值，℃。

R2的取值范圍介于0～1之間，值越接近1，意味著預測值與實測值的擬合程度越好。經計算，圖5a（YZ01）曲線與圖5b（YZ02）曲線的R2值分別為0.823、0.710，表明此次溫度預測值的精度相對較高，且驗證鉆孔YZ01 處的溫度預測精度要高于YZ02，這亦與從曲線形態上的直觀判斷吻合。

3 剖面的電阻率結構

由電阻率結構導出溫度結構，電阻率值是非?；A的數據。因此進行溫度轉換時，應先對電阻率的反演結果進行評價，以確保選用的電阻率值的有效性。

谷露地熱田的基巖為高阻的花崗巖，低阻主要反映淺部第四系覆蓋及斷裂破碎帶（圖6）。在高程4 km 以淺，熱田區主要的SN 向控熱構造F4-1、F4-2和F4-3均能根據電阻率結構較為清晰的刻畫，且F4-2斷層有往深部下切花崗巖體的趨勢，這一趨勢在L1 線中反映得更為明顯。這些特征與斷裂帶在地表的位置對應關系較好，且與該區之前的AMT 勘探成果［23-24，28］是一致的。因此選取的兩條剖面的電阻率結果，可以用于進行溫度換算。

圖6 L1 和L2 線AMT 電阻率反演剖面Fig. 6 AMT reversely deducted resistivity profiles of L1 and L2 lines

4 剖面的溫度結構及高溫異常區預測

宏觀上分析兩條剖面的溫度結構（圖7），在高程4.3～3.9 km 這一深度帶，均呈現西部高，東部低的特征；南北方向上來看，靠北的L1剖面上的溫度值也大于靠南的L2 剖面。據此推斷地下熱流體在這一深度帶有從北向南、自西向東的運移趨勢。這一判斷與谷露地熱田實施的百米鉆孔測溫結果吻合［30］。

L1 剖面的預測溫度結構中，在高程約4.3～4.0 km 范圍內，可見明顯的五處高溫異常凸起，這五處異常，均與電阻率結果中的低電阻率異常一一對應，符合溫度與電阻率呈現負相關性的特征；其亦與斷裂構造的對應關系良好，符合該區深部熱儲主要沿斷裂構造向上運移的主要特征［23-24］；YZ01 鉆孔的熱儲層主要分布于高程4.3～4.05 km 范圍，視厚度約250 m，而 Ⅲ 號高溫異常凸起正對應于該深度范圍，與實際的鉆探成果吻合度很高；此次的溫度預測結果與電阻率反演結果比較，溫度預測結果也更為清晰地刻畫出了這一熱儲層的位置及深度。據此推斷，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ號異常在高程4 km 以淺，存在熱儲的可能性較大，但其儲層的厚度及最高溫度均應小于Ⅲ號異常。高程4～3.5 km 范圍分布的Ⅵ～Ⅸ號高溫異常區，在深部熱儲的定位及探尋方向上，亦存在一定的指示意義：其中Ⅵ號異常已有鉆孔BZ01揭露，深部溫度高，空間分布的關系上與F4-1斷裂更為緊密；Ⅶ號異常與F4-2斷裂的空間分布密切相關，且有一定的由深部向上運移的趨勢，推斷該處溫度異常存在較大可能為深部熱儲的反映；Ⅷ號異常深度較深，但溫度較高，尚需結合地質資料進一步分析。

L2 剖面的溫度結構中，高溫異常位置亦對應于低電阻率異常，符合兩者呈現負相關性變化的規律。在高程4.3～3.5 km 深度范圍內，可見一明顯的高溫異常區 Ⅸ，空間分布上對應于F4-1、F4-2斷裂，并具有往深部延伸的趨勢。YZ02號鉆孔揭露的熱儲層在高程4.35～4.13 km 范圍，厚約220 m，位于 Ⅸ 號異常的邊緣處120 ℃等溫線的突變位置。L2 剖面對已知的溫度異常反映較弱，整體對應情況不如L1 剖面，這從兩個驗證鉆孔的擬合優度值上亦能說明。但從另一個方面來說，規模更大且溫度更高的 Ⅸ號異常中心及深部，可能也具有更大的高溫異常區，尚需進一步結合地質情況進行分析。

另外需要引起注意的是，雖然此次估算的剖面溫度與已知的情況符合較好，并據此做出了有價值的預測，其主要基于谷露地熱田地下巖性較為單一，主要為花崗巖，低電阻率與熱儲構造之間的相關性很強。但是目前仍然存在以下問題： 1）L2 剖面溫度估算的結果差于L1 剖面，其原因可能是相關經驗系數建立的標準鉆孔BZ01 位于L1 剖面，離L2 剖面距離更遠，不可避免地造成了地質因素及巖石物性因素差異上的增大，導致最終的預測結果精度下降，這意味著同樣的經驗系數值在空間的推廣上存在較大的局限性。2）缺失了對應深度的鉆孔測溫數據約束，TZi也同時成為預測值，再來進行深部溫度數據的估算，會進一步造成溫度值誤差的增大，尤其是在傳熱機制以對流為主的地熱田中，甚至會出現深部溫度值與常識相悖的現象。3）有效的電阻率數據的獲得與標準鉆孔的精細選取，對溫度估算起到了決定性的作用，因此在不同的勘探區進行溫度預測時，必須依據公式建立相應的經驗系數，并應充分結合已知地質、鉆探和地球物理成果，再來開展熱異常區預測。

5 結 論

通過對已有地質資料的深入研究和分析，在結合前人研究成果的基礎上，本文建立了適用于西藏谷露地熱田的電阻率與溫度轉換經驗公式，并進行了熱異常區預測，得出以下結論：

1）電阻率比值及深度分層約束的理念，是此次建立電阻率與溫度轉換經驗公式的基礎。在以往研究中，電阻率比值主要采用鉆孔測井電阻率作為比值項分子，而本文以鉆孔處AMT 反演電阻率作為分子，具有一定的創新性和推廣價值。

2）驗證鉆孔處的溫度預測曲線與實際測溫曲線形態基本一致，L1 和L2 兩條剖面的溫度結構具備由北向南、自西向東的運移趨勢也與百米鉆孔測溫結果吻合［30］，基本證明此次溫度預測結果的有效性。

3）在熱異常區預測方面，3 號高溫異常區與鉆探揭露的熱儲層高度吻合，據此在兩條剖面上圈定了四個淺部（Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ）高溫異常區和三個（Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ）深部高溫異常區；其中Ⅶ 號異常與F4-2斷裂的空間分布密切相關，且存在由深部向上運移的趨勢，推斷該處溫度異常存在較大可能為深部熱儲的反映；而 Ⅵ號和 Ⅸ 號異常均與F4-1斷裂密切相關，為下一步勘探提供了新目標。此外，本次溫度估算所采用的相關經驗系數值是在地下巖層主要為花崗巖的基礎上建立的，理論上在不同勘探區域使用時，需要根據實際巖性和鉆孔測溫結果重新確定轉換公式中所需的參數值。

致謝：感謝匿名審稿專家提出的建議。