地熱數據處理

地熱數據處理是指利用現有的溫度測量手段對地熱數據進行分析處理。例如，海底熱流數據的獲取主要有兩種途徑：一種是石油鑽井的溫度測量，另一種是利用海底地熱探針進行探測。前者主要適於水深小於300m的大陸架區域，後者則適於水深大於1500～2000m的區域，兩者具有很強的互補性。

基本介紹

• 中文名：地熱數據處理
• 外文名：Geothermal data processing
• 描述：溫度測量手段
• 來源：地殼內部的溫度產生的熱量
• 學科：熱力學

概念

大地熱流是了解地球內部熱狀態的一個重要參數，不僅可以提供地殼和上地幔的熱結構、塊體的活動性以及水熱活動等信息，而且是了解沉積盆地有機質成熟史以及氣水合物穩定存在深度的關鍵參數。深海鑽探計畫(ODP)也提供了少數深水區的熱流數據。近年來隨著氣水合物的勘探，出現了利用反射地震剖面的似海底反射BSR來估算熱流密度的方法。總體而言，中國邊緣海熱流觀測站位數量少而且分布嚴重不均，其中多數為位於陸架環境的油氣鑽井，在大陸坡以及深海等區域的熱流站位稀少，因此，在深水油氣和天然氣水合物的資源調查中，大力開展海底地熱探測具有十分重要的意義。

南海北部海底地熱測量的數據處理方法

研究背景

由於海底地熱探針是非常精緻、昂貴的儀器，要求有高水平的技術維護和經過良好訓練的操作人員，國際上可以開展海底地熱探測的研究機構還不是很多。國內相關單位在 20世紀80年代曾經從加拿大購買了海底地熱探針，但是僅獲少數數據後因儀器故障而沒能繼續使用。2003年年底，適逢天然氣水合物調查的需要，廣州海洋地質調查局從德國引進了包括 TK04型熱導率儀在內的海底地熱探測設備，並於 2004年在南海北部成功取得一批地熱流數據。筆者曾報導過有關海上熱流探測實驗的初步結果和海上作業方法。近年來隨著工作積累，我們對獲得的地熱數據進行了整理和分析，並建立了一套系統的處理方法。以位於南海北部東沙海域的HD343、神狐海域的HS82以及西沙海槽的HX129 3個測站為例，對海底地熱測量的數據處理方法進行探討。

海底地熱探測及數據採集

根據傅立葉定理，海底熱流密度等於表層沉積物的地溫梯度與相應熱導率的乘積。地熱探針按功能大體可分為兩大類：一類是根據水下數據記錄直接推導地溫梯度和熱導率，如Bu lland型或Lister型探針；另一類是由水下記錄僅能獲得地溫梯度，熱導率需要通過室內測量得到，如EW ING 型探針。本次使用的地熱探針屬於EW-ING型。該類探針由多個微型自容式溫度感測器微型溫度記錄器 (miniature temperature data logger，下文簡稱MTL)按不同角度和一定間距外掛固定安裝在重力柱狀採樣管、重力活塞柱狀取樣管或鋼矛外壁上(圖1)，組合成海底地熱探針。柱狀採樣管作為載體的優點是可以同時獲得供室內熱導率測量所用的沉積物樣品，缺點是每測量一次都需把探針回收到甲板上，效率比較低；鋼矛為載體的優點是可以以POGO方式在水下多次下插測量地溫梯度，缺點是熱導率樣品需要另外採集。

海底地熱探測主要有以下幾個步驟：(1)航次開始前，通常需要對溫度感測器進行標定，以校正因漂移引起的誤差；(2)儀器下放前，需要量好各MTL與同一參照點的距離；(3)入水後離海底約100m處停止下放，這樣可以讓探針與船體保持垂直，並且使得MTL穩定，約3min後，高速下放(如1.5m/s)並插入沉積物中，探針插入時因與沉積物間的摩擦生熱，溫度記錄顯示有突然升高現象；(4)插入後需保持探針不受擾動；(5)大約7～ 8min後，拔出探針，如果載體為取樣管，例如，神狐海域HS82站位和西沙海域HX129站位的作業方式，則需要把探針收回到甲
板上以便回收MTL和沉積物樣品；如果載體為鋼矛，例如，東沙海域HD343站位的作業方式，則收到離海底一定高度後，慢速移動到下個站位繼續下放測量；(6)在每次收回探針時需再次測量各MTL與參照點的距離，確認探針在插入和起拔過程中相互之間沒有發生位移，若出現MTL移動，該設備的測量數據無效。插入後記錄的溫度變化取決於摩擦熱引起的溫度變化是否高於原來未受擾動的環境溫度，如果高於環境溫度，則記錄溫度逐漸衰減，否則逐漸增高到環境溫度。MTL的採樣率可程式修改，但數據採樣率均為每秒一次，數據記錄在MTL內置的存儲單元中。

圖 1 EW ING型海底地熱探針示意圖

結果與討論

通過對南海北部陸坡HD343、HS82和HX129測站的海底熱流測量數據的處理方法進行研究，取得如下認識：

(1)EW ING 型探針需要對原始溫度記錄進行偏移量的校正和平衡溫度的計算。直接從溫度記錄中讀出的平衡溫度與根據實測數據擬合得到的平衡溫度有一定差別，會影響地溫梯度的計算。如果MTL基本按等距排列，這兩種計算地溫梯度的方法得到的地溫梯度基本一致。當探針自重較大時，探針傾斜角較小，傾斜校正對地溫梯度的影響可以忽略。

(2)不同MTL間的相對溫度偏移量是基本固定的，取決於記錄器本身的性質，與測站位置無關。根據這一特點，可以套用深水區獲得的溫度偏移量，對水溫梯度不能忽略的區域測量的溫度曲線進行校正，以獲取可靠的溫度記錄曲線。

(3)插入海底後，EW ING型探針記錄的溫度隨時間的變化取決於摩擦生熱的大小。如果摩擦引起的溫度變化小於環境溫度，溫度將隨時間緩慢上升，否則隨時間緩慢降低，漸近到環境溫度。一般數據記錄達到7～8min時，可以根據該段的記錄推導出平衡溫度。

(4)室內測量的熱導率通過溫度和壓力校正後，一般降低4%～5%。

(5)計算熱流密度的方法一般採用Bu llard方法。熱阻的計算方式需要根據實測熱導率隨深度的分布特徵而定。

(6)HD343、HS82和HX129 3個站位的熱流密度分別為79mW/m²、86mW/m²和83mW/m²。

CSAMT數據處理在大川地熱勘查中的套用

通過對大川地熱進行的可控源大地音頻測量獲得的CSAMT進行數據處理，採用VOXLER軟體建立三維等值面模型，從三度空間對區內地質體電性特徵進行解譯，通過三維模型區分不同電阻率地質體的空間分布，根據xy面上的切片解譯出深剖斷裂構造，在xz面上解譯出深部存在承壓水層，並指出本區高溫地熱水的尋找方向。

區域地質特徵

大川地熱位於太子河—渾江台陷之桓仁凸起的北部邊緣，中生代火山盆地邊緣內陷部位，莊河—桓仁深大斷裂從區內通過。區內基底主要地層為遼河群大石橋組，岩性為大理岩夾透閃石大理岩；蓋層為中生代早白堊紀小嶺組及梨樹溝組，小嶺組為安山岩和流紋岩及安山質火山碎屑岩。梨樹溝組為長石石英砂岩夾火山碎屑岩。

區內岩漿岩不發育，主要為混合岩，與其上覆的大理岩多以斷裂接觸。脈岩有閃長岩及煌斑岩脈。

區內的斷裂構造有二戶來子-拐磨子斷裂，該斷裂寬30-45米，貫穿全區，是區域性的深大斷裂，傾向南東， 傾角65°；哈達河斷裂，為張性斷裂寬50多米，產狀為傾向北東，傾角 65°，其分布與三處地熱的出露點及地熱帶相吻合。

地熱分布特徵

大川地熱沿哈達河有三個溢出點，西部位於驢圈溝民井，水溫常年在20℃。1986年12月出現噴水，噴出的水溫在40℃以上，噴水持續半個多月。東部位於養魚池，水溫為35℃；中部位於大川村南湯池，在600m²的範圍內有多個出水點，湧水常伴有氣泡溢出，在海城地震前湯池水溫可以煮熟雞蛋。以後水溫24-26℃。

圖2 桓仁縣大川區 1 線 CSAMT 視電阻率斷面圖

本區出露地表的溫水及分布較大的淺部地溫異常帶基本上都是這一含水層通過小裂隙出露地表所造成，施工的兩個鑽孔說明層壓水為水溫在26℃的低溫熱水，水量大，水質好，可以被利用，在東部1號線ZK1孔打出37℃ 的熱水，位於高阻地質體附近。高阻地質體對層壓水起到了隔水層的作用，深部熱水沒能與涼水充分混合。所以本區具備高溫地熱流體(溫泉)形成的條件，地熱勘查的工作中要充分利用有效手段，擴大範圍及深度，在深度上尋找層壓水層以下的大斷裂；在地表向東(高阻地質體東部)尋找深大斷裂的東部延長部位進行地熱勘查，探獲高溫熱泉會有重大突破。

通過利用Voxler軟體對CSAMT數據進行三維處理，可以有效建立三維等值面模型，在各個方向上對勘查區的地質構造進行解譯，在地熱勘查是起到重要作用。