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2025 , Vol. 40 >Issue 1: 54 - 69

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2025HH0524

Research status of geothermal energy detection technology in middle-deep depths in China

  • Kuan CHANG , 1 ,
  • QianJiang ZHANG , 1, 2, 3, * ,
  • QiYun JIANG 3 ,
  • Tao GUO 4 ,
  • WenBin YIN 3 ,
  • Jie LI 1, 3 ,
  • Hui TAN 3 ,
  • YuanNing PAN 1 ,
  • Xin MA 1
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  • 1 College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541000, China
  • 2 Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin 541000, China
  • 3 Institute of Urban Underground Space and Energy Studies, The Chinese University of Hong Kong(Shenzhen), Shenzhen 518172, China
  • 4 Exploration and Development Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying 257015, China

Received date: 2024-03-28

  Online published: 2025-03-13

Copyright

Copyright ©2025 Progress in Geophysics. All rights reserved.
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Abstract

As a green, low-carbon, safe, high-quality and recyclable renewable energy, geothermal energy is of great significance to the adjustment of China's energy structure and the realization of the goal of "double carbon". As an environmentally friendly and non-destructive method, geophysical methods are widely used in the exploration of middle-deep geothermal resources, which can effectively detect deep hidden fault structures and obtain important information such as strata and buried depth. This paper systematically investigates the research and application status of common geophysical methods and exploration equipment at home and abroad in the detection of geothermal energy in medium and deep layers, analyzes the advantages of each geophysical detection method under its applicable conditions, and summarizes the research ideas of the detection of geothermal resources in medium and deep layers. According to the application examples of geophysical detection methods in geothermal areas, the adaptability, effectiveness and accuracy of geophysical detection methods in the detection of geothermal energy in medium and deep layers are expounded.

Key words： Medium and deep geothermal energy; Comprehensive geophysical prospecting method; Exploration equipment; Research status

Cite this article

Kuan CHANG , QianJiang ZHANG , QiYun JIANG , Tao GUO , WenBin YIN , Jie LI , Hui TAN , YuanNing PAN , Xin MA . Research status of geothermal energy detection technology in middle-deep depths in China[J]. Progress in Geophysics, 2025 , 40(1) : 54 -69 . DOI: 10.6038/pg2025HH0524

0 引言

地热能资源储量大、分布广，是地球上最为清洁的绿色低碳、安全优质、可循环利用的可再生能源，大力推进地热能开发对我国实现“双碳”目标，推动绿色能源结构调整具有重要意义.根据我国地热能的热储特征、热量赋存及开发利用情况将地热能分为浅层地热能、水热型地热能、干热岩型地热能三大类.根据地热能的储存埋深特征，可以分为浅层地热能(温度 < 25 ℃、深度 < 200 m)、中深层地热能(温度> 25 ℃、深度 < 3 km)和超深层地热能(温度>150 ℃、深度>3 km)等.我国中深层地热资源丰富，每年可采量折合标煤18.65亿t，约为中国2021年能源消费总量的35.59%(王贵玲等, 2017).目前，随着地热资源开发利用的持续增长，可开发的出露地表地热资源逐渐减少，中深层地热能开发备受关注(裴发根等, 2021).中深层地热能主要有水热型地热能和干热岩型地热能两大类，相比浅层地热能而言，其具有储量大且利用方式多等优势(曹锐等, 2022).地热能资源的开发主要包括：探测、钻井开采和综合利用三大环节.其中探测是上游产业，是地热资源的源头.地热能探测是为了确定异常地热带的位置和地热储层的特征，地热能探测的方法主要有地球物理探测方法、地球化学探测方法、遥感技术等.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.本文旨在梳理地球物理探测方法在中深层地热能探测中的研究现状，结合国内外中深层地热能探测实例，总结地球物理探测方法在解决中深层地热探测核心问题中的适应性与有效性，讨论中深层地热探测的不足与未来技术发展方向, 为利用地球物理方法精准探测中深层地热资源提供方向性指导.

1 中深层地热能地球物理探测技术研究现状

地球物理探测技术是通过地球物理仪器，测量地球的物理场(如重力场、电场和磁场等)及其在时间和空间上的变化规律，进而推测地球内部的成分、结构和变化情况.在地热能探测中重点关注对岩石温度及流体比较敏感的地球物理参数或者可以揭示整个地热系统结构构造的某些参数，如温度、电阻率、磁化强度、密度、波速等(陈昌昕等, 2020).地球物理探测技术可以描绘地热异常的范围、地热储层的空间分布和地热田的边界；绘制隐蔽岩浆岩及其蚀变带的位置和分布范围；探测基底的波状形态和隐蔽断层的空间分布；查明探测区域地层结构、地热储层埋藏深度及可能的地热流体富集带(葛志广等, 2017).
目前中深层地热能探测中常用的地球物理方法主要有电磁法、重力测量法和地震勘探法等.在过去的几十年里，随着电子、计算机技术和数值计算的巨大进步，地球物理探测技术得到了快速发展.在实际工作中，每种探测方法各有一定的优势和缺陷，单一的探测方法，已难以解决中深层地热能精准勘查问题，因此需要联合多种地球物理方法进行探测.

1.1 电磁法在中深层地热探测中的研究现状

电磁法是地球物理电法勘探的重要分支，该方法主要利用地下介质的导电性、导磁性和介电性的差异，应用电磁感应和几何测深等原理观测和研究人工或天然形成的电磁场分布规律(频率特性和时间特性)，进而解决有关地质问题(Cagniard, 1953).近些年来，随着科学技术的进步，电磁法理论及电法仪器和数据处理软件取得了长足发展，电磁探测深度和精度均有提高，电磁法已经成为地热能探测的有力工具(Spichak and Manzella, 2009).随着中深层地热探测对深度、精度要求的不断增长，频率域电磁法(MT/AMT/CSAMT)、广域电磁法(WFEM)、瞬变电磁法(TEM)、时频电磁法(TFEM)、大功率电性源时间域电磁法(LOTEM)等电磁勘探方法得到广泛研发应用，并在中深层地热探测中取得了良好的效果(刘红卫等, 2022).王赟等(2002)采用CSAMT在北京南苑某线进行地热资源勘查，探明地下1800~2000 m范围内存在异常，经打井验证了地热异常，水温及产量较好.赵建粮等(2010)采用大地电磁法(MT)在河南省开封凹陷区进行地热资源调查，探测结果查明了区内断裂的发育情况，圈定了测区基底地热水的相对富集范围.余年和庞方(2010)采用音频大地电磁(AMT)法在西南某地区开展了深部地热资源调查研究，使用自主开发的大地电磁处理解释系统对野外资料进行处理，确定了该工区的热储地层及地质构造分布的基本情况，取得了较好的应用效果.胥博文等(2018)在天津市滨海新区宁河凸起深部地热资源薄弱区布置了大地电磁测深点，对该区域132个大地电磁测深点进行了系统的分析和处理，根据反演结果获得了宁河凸起5000 m以浅三维导电性结构模型，圈定了研究区地热资源远景区.严小丽等(2019)在鳌山卫花岗岩地区采用AMT法进行深部地热资源探测，通过对采集数据的处理与解释得出研究区地下2000 m以浅的电性结构的空间展布形态，为下一步钻孔布设提供依据.王宝琛(2022)采用瞬变电磁法(TEM)对云南省蒙自市地热井工程进行勘查，在瞬变电磁探测的相对异常区结合大地电场岩性探测方法进行相互印证，有效确定了地热井施工位置，成井深度为2300 m.相较传统电磁方法，时频电磁法在应对强电磁干扰方面具有一定优势，宋涛和刁谦(2022)在苏北盆地高邮凹陷中部电磁干扰较强的厚覆盖层盆地内利用时频电磁法(TFEM)进行地热资源勘查，通过对时频电磁数据的处理、反演、解译，分析地层展布和构造特征，并结合地热地质条件选择有利区部署地热探井并对其进行效果评估，最终经钻井验证，获得优质的地热资源.刘红卫等(2022)利用大功率电性源时间域电磁法(LOTEM)在武汉某地热区域开展中深层地热精细探测技术试验研究，通过数据采集和处理，利用地层电阻率和极化率差异，获取了勘探区域的深度-电阻率和极化率剖面图，并结合前期广域电磁法成果进行综合解译，勾画出了深部地热异常区和优势靶点位置.Zhou等(2022)采用大地电磁法对大同盆地东北部地热资源进行探测，部署了168个MT测点.通过对MT数据进行了反演，建立研究区域的三维电阻率模型，揭示了该地热系统的赋存状态与分布特征.程正璞等(2023)将时频电磁法应用于天津东丽湖深部地热能探测，通过对时频电磁测线的电阻率约束反演，并结合研究区地震和钻井资料进行了综合地质解释，查明了该地区5000 m以浅的隐伏断裂、地层结构和深部储层空间分布及结构特征，圈定地热有利区4处，为后续地热资源的开发利用提供了重要依据.薛国强等(2023)在羊八井地热田布置54个测点采集大地电磁全阻抗张量数据，其中47个测点数据经反演处理后获得了地热田的三维电性结构，揭示了局部熔融体的位置、埋藏深度和几何形态，确定了高温地热流体的升流通道及其形状.陈卫营等(2023)利用短偏移距瞬变电磁法探测西藏羊八井地热田，通过反演建立了地热田2000 m深度范围内地层的电性结构模型，结合多种地质资料综合分析，取得了新的认识.
2010年，何继善院士提出了广域电磁法(WFEM)，为主动源方法解决中深层地热能探测提供了新的选择.作为一种新兴的电磁法，广域电磁法继承了可控源音频大地电磁法场源可控的优点，克服了大地电磁法场源随机性和信号微弱的特点，也摒弃了MELOS方法的校正方法，保留了计算公式中的高次项，既不是沿用卡尼亚公式，也不是把非远区校正到远区，用电磁场的全域精确公式提取视电阻率，从而可以在“非远区”进行测量，拓展了人工源电磁法的观测范围，成倍地增加了探测深度；针对CSAMT变频发送的缺点，采用一次发送包含多个频率成分且振幅接近的伪随机信号电流，大幅度提高了观测速度、精度和野外勘探效率(何继善, 2020).
广域电磁法凭借其勘探深度大、抗干扰能力强、深部分辨率高等优势，在中深层地热能探测领域得到了广泛的应用.曹彦荣等(2017)使用广域电磁法勘查了江苏省仪征市捺山地区的深层地热资源，同时布置了与广域电磁法同点位的重力、磁力测线，用来验证广域电磁法对断裂的解释精度.通过反演推断出深部2200~2600 m附近溶蚀带发育，地下水丰富.经钻孔验证查明了工区的两处热水储层，探测深度超1500 m，结果显示广域电磁法是一种高效的深层地热能资源地球物理勘查方法.曾何胜等(2020)利用大功率广域电磁法应用在复杂电磁干扰环境下的地热资源探测中，首先对工区进行了长时间干扰电磁场幅值监测，了解复杂电磁干扰场规律特征，确定了两个干扰场幅值较小的时间段进行探测.广域反演结果清晰地反映了地下3000 m以内的地层和构造的产状及空间展布特征，符合地质模型规律，提供了两处地热资源有利区，为复杂电磁干扰环境下广域电磁法应用提供了方向.危志峰等(2020)在江西宜春某地进行地热资源勘查，该地区地质条件复杂、电磁干扰严重，通过收集和分析测区已有地质资料，确定该区地热成矿模型，采用高密度电法和广域电磁法的综合物探方法进行探测，前者用于300 m深度以浅电性结构探测，后者主要用于探测地下2000 m范围内断裂构造在深部延伸情况.测量成果显示，工作区地热条件与“温汤式”对流型地热水资源形成模式吻合，划分出了地层分界和断层等地质信息，推断出地热成矿有利部位，经钻探验证，取得较好的地热勘查效果.邵炳松等(2023)应用广域电磁法对郑州地区深部寒武-奥陶系岩溶型热储进行探测研究，通过对广域电磁测深数据的处理、分析和反演，获得了研究区内4000 m以浅的二维电性结构模型，推断主干断裂的位置、产状等信息，并且为地热资源远景区预测提供了广域电磁方面的证据.Zhu等(2023)首次使用WFEM法在雄安新区容城地热田进行中深层地热能探测，通过布置两条WFEM测线(343个测站)获得了高精度的地热田电阻率模型(图 1).该模型清晰地刻画了研究区5000 m以浅的地层结构，揭示了雄安新区容城凸起、牛驼镇凸起等构造单元的空间位置，并确定了有前景的钻探区域.随后的钻孔结果加强了该区域地层和断层结构的解释；探测结果表明容城凸起内的低电阻率地区具有较大的地热资源潜力，牛北斜坡4000 m深处存在一个由裂缝和地下水活动形成的富水区域，是未来地热资源调查和开发的有利区域.
图1 (a) WFEM优化后容城地热田结构示意图；(b)广域GY1反演模型；(c)广域GY2反演模型(Zhu et al., 2023)

Fig 1 (a)Structure diagram of Rongcheng geothermal field optimized by WFEM; (b)Inversion model and interpretation of GY1;(b)Inversion model and interpretation of GY2(Zhu et al., 2023)

每种电磁法都有其优缺点，在中深层地热探测中发挥着不同的作用.目前，中深层地热电磁探测方法正由单一向多参数、多组合发展，各电磁探测方法相互佐证、优势互补，解决了单一方法的多解性问题，可以更好地提高数据观测和解释精度.当前我国的地热勘探大部分在电磁干扰严重的城市周边开展，要求地球物理探测技术达到相当的探测深度和精度，并且要查明工区内盖、储、通地热资源特征，这对电磁法勘探技术提出了极高的要求(何继善, 2020).借助多方法、多组合的电磁探测方法可以有效地查明中深层地热的热储分布特征，解决单一方法的多解性和工区噪声干扰的问题.Wu等(2012)利用大地电磁(MT)和可控源音频大地电磁(CSAMT)在湖北省江夏区某干扰严重的工业开发区进行地热勘查，利用MT对2000 m以上深部构造和裂缝进行勘探，确定了存在热源，再利用CSAMT对MT的结果进行了验证和补充，确定了地热储层的深度及分布范围，最终通过联合解释很好地揭示了研究区的地下电性结构及热储分布范围.He等(2016)利用音频大地电磁(AMT)和大地电磁(MT)的综合物探方法对藏西南Mapamyum(QP)地热场进行成像研究，AMT结果以较高的分辨率揭示了浅层地热储层的细节，MT结果以相对较低的分辨率绘制地热系统，包括热源、地热运移路径和深层地热储层区域.探测结果很好地揭示了地热区的浅部(深度小于1500 m)和深部(深度大于5000 m)存在的两个地热储层位置.孙海川等(2019)利用可控源音频大地电磁(CSAMT)、大地电磁(MT)、伽马能谱测量等物探方法在兰州海石湾地区进行地热勘查，确定了带状热储断裂带位置及盖层、深度1800 m以内可开发利用的热储层的埋深及空间分布.经钻探验证，井孔地层、含水层与物探推断基本吻合.
随着电磁探测技术在中深层地热能探测中越来越广泛的应用，相应的数据处理及解释技术得到极大发展.在正反演方面，有限差分、自适应非结构化网格有限元、边界元、积分方程、有限体积等高精度数值模拟方法已广泛用于正反演计算；多参数互约束联合反演技术研究已经展开，并取得进展(吕庆田等, 2019).杨敏等(2022)以大地电磁、地震及重磁数据为基础，建立了耦合地震约束信息的重磁电震三维联合反演方法，有效刻画了塔里木盆地深部6~10 km储层的物性结构，解决盆地深大断裂发育情况以及现今地温梯度差异性等地质问题，为下一步勘探提供了依据.Zhang等(2022)构建了一种利用小波变换和自组织神经网络(SOM)预测地热储层分布的方法，利用小波变换将氡测量数据分解为不同的空间和尺度分量，将处理后的数据和电阻率数据输入到SOM中进行学习，得到地热储层的分类结果，根据钻井信息和断层特征预测了济南北部地热田有利勘探区域.Liao等(2022)采用三维高斯-牛顿(GN)方法联合反演并置的大地电磁(MT)和受控源电磁(CSEM)数据，以更好地表征地下电阻率结构，为了有效地整合不同数据集中的互补信息，开发了一种基于单个数据残差范数的数据梯度加权自适应联合反演算法，将三维联合反演方法应用于山西省阳高地区的MT和CSEM野外数据集，对潜在的高温地热系统进行成像，联合反演结果相比于单次反演结果有所改善，可以清晰勾勒出该地区地热系统的地热储层和传导通道.中国地质大学(武汉)胡祥云团队开发了一种基于最优温度系数校正方法(CCMOT)的地下温度预测方法，该方法能够根据电阻率-温度测井数据和电磁数据，准确确定地下空间归一化电阻率与温度的关系，从而可以计算出可视化的温度分布，并在雄安新区地下温度预测应用中取得良好的效果，准确获取了该区域三维温度场展布特征.结果表明CCMOT可用于确定储层热结构的分布并解释地热场(Huang et al., 2022).
数十年来，电磁法凭借低成本、效率高、适用性广、绿色等特点在地热能探测领域被广泛应用.尤其是近年来，随着科学技术的发展，新方法、新理论的应用，电磁法勘探技术和电磁法仪器得到了飞速发展，并日趋完善，在地热、石油、天然气和煤田等探测领域的研究取得了突破性进展.随着中深层地热探测对深度和精度要求的不断增长，电磁法也在向大功率、多参数、精细探测与解译方向发展，并在中深层地热探测中发挥着至关重要的作用.

1.2 重力测量技术在中深层地热探测中的研究现状

重力测量技术是利用岩矿石密度差异引起重力变化而进行地质勘查的一种方法，在研究地球深部构造、区域地质构造、隐伏构造以及地层分布规律方面具有重要作用.重力测量的目的是直接绘制地下结构图，为了从重力测量中获得有关地下密度的信息，有必要对测量值进行几次校正，重力异常的最终校正值称为布格异常，如公式(1)所示：
$g=g_{\text {obs }}-g_n+0.3086 h-0.04193 r h+T C, $
其中gobs是在对仪器漂移和地球潮汐进行校正后，每个重力站观测到的重力读数；0.3086h为观测点与大地水准面高度差引起的重力变化；0.04193rh是根据观测点和大地水准面之间的物质层进行的校正；gn是根据国际公式计算的正常参考重力；TC是对观测到的重力值变化的场校正，原始数据通过校正后结果通常绘制成基于布格异常的布格图.
重力测量法具有成本低、不受磁电干扰、勘探深度大等优点，在间接找水、寻找断裂构造方面具有很大优势，但其纵向分辨率相对较低，需要结合其他物探方法成果进行拟合判别深度.近些年来，以重力测量法为主，结合多种物探方法的综合探测方法已被广泛应用于中深层地热能探测工作中，取得了很好的效果.胡宁等(2011)采用综合物探方法在浙江省嘉兴地区进行地热资源勘查，首先利用重力测量法有效圈定了地层分布范围和断裂构造位置，后通过结合其他物探方法成果进行综合解释，揭示了地下2200 m热储埋深和地层构造，并成功钻井出水.刘振华等(2013)在河北省邯郸地区利用重力和CSAMT综合物探方法进行地热勘查，根据重力法成果推断出基底隆起局部构造和断裂破碎带的分布，结合CSAMT反演解释结果成功推断出工区2400 m范围内的热储分布位置，实现了对地热有利井区的预测.宋敬驰和牛作亮(2016)采用重力和CSAMT综合物探法在辽宁省某测区进行地热资源勘探，首先通过重力测量法确定了该区存在断裂构造，再通过CSAMT数据进行处理解释，确定了该研究区深部构造分布特征，推断了热储有利的赋存位置，为后期地热钻井提供了依据.Peng等(2019)以高精度重力、航磁和大地电磁数据综合分析定位东北辽吉带潜在的地热资源，通过重力和航磁资料的欧拉反卷积处理揭示了深部隐蔽断层的分布和岩体的基本特征；通过大地电磁数据反演确定了隐蔽断层的地下延伸、侵入岩的空间分布以及地下储热结构的具体位置，从而确定了有前景的地热靶区.李丛等(2021)采用重力和地震的综合物探方法在郑州市某区域进行地热勘探，通过对重力数据进行处理解释，确定了位于地下2000 m的地热储层位置，并结合地震解释成果进行验证，表明了该区存在活动性断裂构造，具备导水储热条件，后经钻探成功出水.Zhao等(2023)基于卫星重力数据，结合前期地球物理勘探资料，采用三维重力聚焦反演方法，得到了共和盆地高分辨率地下空间密度分布模型.反演结果首次从重力角度证实了该地区部分熔融层的存在，该高温熔融层可能是共和盆地干热岩地热资源的主要热源.可为下一步研究共和盆地干热岩地热体系成因提供新的依据.
综上，重力测量法在中深层地热探测中的主要作用是提取与基底起伏、隐伏断裂、局部构造等相关的地质信息，反映区域构造，对热储有利区进行定位.这对开展中深层地热探测前期工作及地热田远景评价工作均能起到重要的作用.

1.3 地震勘探法在中深层地热探测中的研究现状

中深层地热能探测的地震方法分为主动地震和被动地震两类方法.主动源地震探测技术采用人工震源激发产生弹性波，通过利用地下介质弹性和密度的差异，对接收到的弹性波进行分析和对比，从而完成对地质体形态以及物性的推断(刘天佑等, 2007).在主动源地震探测中主要有两种方法，地震折射法和反射法，前者主要用于地壳的大规模研究或用于地质工程的小规模研究，除了获得地震速度结构的粗略信息外，它与地热勘探几乎没有关系；地震反射法是油气勘探的主要方法，因为反射方法非常适合于详细探测沉积盆地内部，在某种程度上，它被用于地热系统被安置在沉积盆地中的地热勘探.在中深层地热探测中，地震法与重力测量法都属于间接探测方法，通过揭示地质构造及地层分层信息，推断出地热能源的储存位置.主动源地震法具有勘探深度大，地层岩性分辨率高、精度高等优势，但相较于其他物探方法，该探测方法成本昂贵，破坏性大、且工作方法较为复杂，并不是中深层地热能探测首选的方法.
孙党生等(2002)在山东省博兴县某工程应用不同与常规地震勘探的高分辨率地震勘探技术进行中深层地热资源勘查，该技术采用接收道距为20 m，多次覆盖观测进行工作，推断出工区地下2000 m内的热储层位置、地层划分及断层走向，证明主动源地震法在中深层地热探测的可行性.陈煊等(2008)利用主动源地震探测技术在常州地区进行地热勘探，通过对地震数据处理解释，查明了两条主要断层位置以及发育规模，为该区地热资源开发提供了依据.庄庆祥(2017)利用以人工地震源为核心的重、电、磁、震、热、放射性相结合的综合地球物理探测方法对福建省漳州地区干热岩地热资源进行高精度探测，高分辨数据采集，获取精细的密度、磁性、电性、波场速度结构，通过分析比较浅孔地质资料，综合推测深部热源交换机制，最终确定了漳州市深层地热深部钻探位置.赵玉等(2020)采用小道距、中间激发、夯击震源激发方式的二维地震勘探法在北京市副中心地区进行地热勘查，揭示了工区1200 m深度范围内的地层结构与断裂构造信息.通过其他地球物理方法及钻探验证，证实了二维地震法在中深层地热资源探测中的适用性.Wang等(2023)针对深部热储层反射信号弱的问题，提出了一系列地震采集技术，包括使用高能低频发射技术以提高地震信号的穿透能力；通过使用单点、高灵敏度地震检波器以提高微弱信号接收能力；在几何形状方面，使用了小尺寸、高倍数采集技术改善弱信号的能量和信噪比.该技术在青海共和盆地干热岩地震采集中得到应用，显示出很好的效果.
主动源地震探测方法虽然在地热勘探中相对其他物探方法应用较少，而且存在一定的局限性，但随着中深层地热资源探测深度的不断增大，主动源地震探测方法凭借其探测深度大、不受高阻屏蔽、精确度高等优势，必定会在中深层地热能探测中发挥出显著的作用.
被动源地震探测的代表方法为微动探测技术，微动探测技术是从台阵采集的地面微动信号中，通过采用数据处理与分析技术空间自相关法(SPAC)或者频率波数法(FK)提取瑞雷面波频散曲线，经反演计算获取台阵下方S波速度结构的地球物理探测方法(Aki, 1957; Capon, 1969; Okada and Suto, 2003; Okada, 2006).FK法需要大量的微动观测台站，台站布置越多，频谱精度越高，而SPAC法在现场数据采集与数据分析方面相对FK法简单，需要的观测台阵数量较少，其方法效果稳定，探测深度大，成本较低，SPAC法也是目前中深层地热能探测中常用的计算方法.20世纪90年代初，王振东与冉伟彦将微动探测技术引入我国，微动探测在国内开始逐步发展，被运用于多种领域(王振东, 1986; 冉伟彦和王振东, 1994).微动探测技术作为地震类方法之一，能够快速、高效地获取地下地层速度结构，具有无须人工源激发、抗干扰能力强、探测深度大、适用范围广的优势，是探测中深层隐伏地热构造和储水构造的有效探测技术(Xu et al., 2012; 卢川等, 2015; 高艳华等, 2018).并且微动探测方法设备简单，施工方便快捷，绿色环保且对环境无特殊要求，近年来被广泛应用在中深层地热能探测中.
微动探测技术包括微动测深技术和二维微动剖面探测技术，前者用于地层划分，实现一维S波速度结构；后者用于探测埋藏结构(Tian et al., 2022).根据不同的勘探目标，可以选择不同的技术来确定地热地层边界，微动测深技术通过采集观测站的垂直分量信号，使用空间自相关来提取瑞利波色散曲线，再利用遗传算法对某一测点的离散曲线进行反演，得到地层厚度、S波速度、密度等参数，它为盖层和储层的地热勘探提供了关键参数(图 2).对于阵列微动测量，可以生成二维视S波速度剖面.二维视S波速度剖面有助于识别热流的埋藏通道(图 3)，并跟踪储层或盖层的不规则地层形状(图 4)(Tian et al., 2022).叶太兰(2004)对微动测深技术进行了大量的现场研究，为北京的地热资源探测提供了3000 m深度范围内的地层速度结构模型，为确定地热钻孔提供了依据.Xu等(2012)在传统微动测深技术的基础上，开发了一种二维微动剖面探测技术，并首次将该技术应用在江苏吴江地区进行地热井选址工作，通过探测研究区深部隐伏断层——深层地热储水构造，成功在700~1500 m间断层破碎带成功打出热水.探测结果表明，隐伏断裂破碎带在微动视S波速度剖面上有明显的低速异常显示，这说明了二维微动剖面探测技术可以有效地用于探测深层隐伏地热断裂构造，为地热井位选址提供了重要依据.付微等(2012)在上海宝山区罗店镇采用微动探测技术进行地热井选址，探测结果揭示了工区2500 m深度内含水破裂带和热储水层的分布范围，表明了微动探测方法对深部低速层的分辨能力较高，对破碎带等低速异常体探测效果良好.陈进宝等(2014)在水文地质条件较差的江苏赤山湖地区，采用微动探测方法、CSAMT寻找地热构造，结合已有物探、地质及钻孔资料进行综合解释，探测结果揭示了工区2500 m深度内地层岩性结构、热储埋深、断裂位置，并成功钻井出水，取得了良好的应用效果.董耀等(2020)通过微动探测技术在豫北某城区开展地热探测实验，探测结果解释推断了研究区的地层划分和热储层位置，与已知的物探、地质成果基本吻合，验证了微动探测技术在城市复杂环境下中深层地热探测具有良好的效果.应恒成等(2022)利用在黑龙江省安达市松科二井布设的微动探测剖面，获取了一条长9000 m、探测深度达到地下4000 m的二维S波速度结构剖面，为松辽盆地北部清洁能源调查指明方向.万光南等(2023)采用微动探测技术对河南省汝州市某地热区进行深部地热资源勘查，探测结果查明了工区内主要控热构造位置、展布及性质，较好的反映了区内的地层以及构造发育特征.
图2 频散曲线(a)和反演S波速度结构(b)(Tian et al., 2022)

Fig 2 Dispersion curve (a) and inversion S-wave velocity structure (b)(Tian et al., 2022)

图3 所有测量点的频散曲线(a)和二维视S波速度剖面，以识别热流的埋藏通道(b)(Tian et al., 2022)

Fig 3 Dispersion curve of all the survey points (a) and 2D apparent S-wave velocity section to identify the buried channel for heat flow (b)(Tian et al., 2022)

图4 所有测点的频散曲线(a)和二维视S波速度剖面，以跟踪盖层或储层的不规则形状(b)(Tian et al., 2022)

Fig 4 Dispersion curve of all the survey points (a) and 2D apparent S-wave velocity section to track the irregular shapes of the cap layers or reservoirs (b)(Tian et al., 2022)

微动探测技术作为近些年新兴的方法，以其无需人工激发、抗干扰能力强、探测深度范围大，对环境友好等优势在中深层地热能探测中发挥着重要的作用.同时在中深层地热能探测中配合使用微动探测方法，可以更有效地验证传统物探方法的合理性，提高解释精度，从而取得更好的探测效果.

2 中深层地热探测装备研究现状

2.1 电磁法装备研究现状

电磁法探测仪器作为主要的地球物理探测仪器，被广泛应用于地热资源探测、地下水调查、地质灾害监测等众多领域.在国外，电磁法探测技术的研究起步早，且发展迅速，在理论方法和仪器研制上都处于领先地位，例如加拿大Phoenix公的V-8电磁探测系统，可以进行多物探方法数据采集，具有发射功率大、探测深度较大、抗干扰能力强的优势，在中深层地热能探测、石油及天然气勘查、金属矿产勘探等领域得到广泛应用，垄断了我国90%以上的电磁勘探市场(Yamashita and Fox, 2005; 张作宏等, 2014; 张发明, 2016; 王军成等, 2023).美国Zonge公司推出了第四代多功能电磁法探测系统核心产品GDP-32Ⅱ系统，既可进行中深部地质调查，又可应用于超浅层岩土工程地质探测，几乎具备所有电法和电磁法探测的全部功能，广泛应用于地热资源探测、矿产与工程探测等领域(郭文波等, 2004; 何俊飞, 2014; 任小庆等, 2022).EMI公司和Geometrics公司合作研发了EH- 4电磁系统，该设备轻便、探测深度大、探测速度快，对中深部的探测分辨率高，是寻找中深部裂隙、构造水的一种卓有成效的手段，在中深层地热能探测中广泛应用，并取得了较好的效果(宋洪伟等, 2012; 杨殿宝, 2016; 何平, 2023).
随着国家相关战略的实施和地球物理仪器研发资助力度的加大，我国的电磁法仪器近年来也得到了快速的发展.中南大学何继善院士团队于2010年推出广域电磁法，并研制相关仪器装备，近年来被广泛应用在中深层地热能探测中，并取得显著的效果，证明了广域电磁法在勘查中深层地热资源的优势(曹彦荣等, 2017; 田红军等, 2020; 邵炳松等, 2023).吉林大学骄鹏工程技术研究所2011年研发了“E60EM-3D三维阵列式多功能电磁法采集系统”，主要应用于深部地质构造调查、地质矿产资源勘探、和深层水资源调查等领域.E60EM主机与EM3W分布式电磁采集站系统共同构成分布式电磁采集系统，可以极大的提高工作效率及有利于背景场干扰的处理.2013年，中国科学院地质与地球物理研究所联合中国科学院电子学研究所等单位研发了SEP地面电磁探测系统，在内蒙古桃合木、山东莱州、吉林松原等深部资源勘查中得到了成功应用.CSAMT探测深度达到2000 m，MT探测深度可达10000 m，其相关性能指标整体达到并且局部超过了国际先进水平(底青云等, 2013, 2015).

2.2 重力测量装备研究现状

重力仪是通过测定重力加速度，观测和采集地球重力场及其异常数据的设备，其广泛应用于地球重力场测量、固体潮观测、地壳变形观测、重力勘探等领域.按测量原理可分为绝对重力仪和相对重力仪；按应用领域的不同，分为地面重力仪、航空重力仪、海洋重力仪、井中重力仪(耿启立, 2016).在中深层地热能探测领域大多数都是采用地面相对重力仪进行重力探测.1939年，美国的LaCoste依据“零长弹簧”思想(LaCoste, 1934)为基础设计的倾斜零长金属弹簧传感器，并基于此原理研发出LaCoste&Romberg金属弹簧重力仪(LCR-D型和LCR-G型)，其测量精度自1945年量产的200 μGal提高到20世纪末的10 μGal，产量达2000台，凭借稳定性好、精度高的优势，至今仍在重力测量领域发挥着重要作用，并在中深层地热能探测领域得到广泛地应用，取得了显著的效果(柳建新等, 2009; 胡宁等, 2011; 刘会毅等, 2018).2001年，Scintrex公司先后合并了以生产绝对重力仪著称的Micro-g Solutions公司和以生产零长弹簧著称的LaCoste & Romberg公司并成立了LRS公司，并于2002年推出了基于CG-3型重力仪的CG-5型全自动电子读数石英弹簧重力仪，具有高稳定性、高重复性、强抗冲击能力，单点测量周期短的特点，测量精度达1 μGal，是当今世界相对重力仪的主体，在国内外中深层地热能探测中得到了较好的应用(雷晓东等, 2017; Ars et al., 2019).随后LRS公司又在2016年推出了CG- 6全自动重力仪，延续并改进了CG-5的无静电整体熔凝石英弹簧传感器，读数分辨率0.1 μGal，携带及操作更加方便.LRS公司生产的CG型重力仪现在已经成为世界主流的相对重力仪，占据了全球90%以上的市场份额.
国内对重力仪的研究起步较晚，20世纪70年代初期中国地质装备集团公司北京地质仪器厂开始研发和生产的ZMS系列重力仪，采用机械调零式石英弹簧传感器，测量精度为30 μGal，各项指标较国外先进的相对重力仪还是有不足之处.2005年，经过三代相对重力仪(ZMS-3, ZMS- 4, ZMS-5)的研制，新型ZSM- 6重力仪已经实现1 μGal读数分辨率，部分指标已经接近CG-5型重力仪水平(耿启立, 2016).1986年，国家地震局地震研究所研制了DZW型重力仪，是一种用来进行长期连续观测固体潮的潮汐重力仪，分辨率为1 μGal，主要技术指标达已到国际同类先进仪器水平(朱代远, 1986; 姚植桂, 1996).2005年，经过数字化改造后的DZW-Ⅱ型连续重力仪相较上一代更加轻便，智能化程度、仪器的可靠性和稳定性有了进一步的提高，至今仍在我国地震观测中发挥着作用(李家明等, 2005).2019年，华中科技大学涂良成教授的研究团队基于微机电系统(MEMS)研发出一款MEMS相对重力仪，它的本底噪声比已知的MEMS重力仪低五倍，动态范围是已知的MEMS重力仪的八倍，达到8000 mGal，可以覆盖全球重力场的变化.Tang等(2019)将该仪器与商业超导重力仪GWR iGrav进行了共站点地球潮汐测量，结果显示相关系数为0.91，MEMS重力仪的敏感结构使用单晶硅材料制作，更容易集成、封装、量产.基于这一原型有望制作出小型化高精度MEMS重力仪，可以广泛应用在油气及地热资源勘探、重力测量等领域.
表1 ZMS-6数字重力仪与CG-5重力仪指标对比(吕庆田等, 2019)

Table 1 Comparison of indicators of ZMS-6 digital gravimeter and CG-5 gravimeter(Lü et al., 2019)

序号 技术指标 CG-5重力仪 ZSM-6重力仪
1 读数分辨率/mGal 0.001 0.001
2 最小直读范围/mGal 8000 不小于7000
3 残余长期漂移 ≤0.02 mGal/24 H ≤0.03 mGal/24 H
4 观测误差 0.005 mGal 优于±0.02 mGal
5 功耗 4.5 W(温度250 ℃) ≤10 W
6 工作温度范围/℃ －40~+50 －20~+45
7 重量/kg 8 8.6

2.3 地震勘探装备研究现状

地震仪器按照数据传输方式可分为三种：有缆遥测地震仪、节点地震仪和无缆遥测地震仪.按照震源性质分为人工源和天然源地震仪，前者更多用于勘探，后者多用于探测和监测.目前市面上并没有针对地热能勘探研制的地震采集设备，在中深层地热能地震勘探领域，多数仍使用油气勘探的有缆遥测数字地震仪.代表性产品有SN-388、IMAGE、428XL、SUMMIT、408UL、ARIES、BOX等不同国家、种类和型号的有缆遥测数字地震仪.这些仪器被国内外学者广泛地应用在中深层地热能地震探测领域，取得了良好的效果(Krawczyk et al., 2019; 沈阳等, 2011; 高卓亚, 2020; 赵玉等, 2020; 龙慧等, 2023).
虽然国内地震勘探仪器市场长期普遍使用进口的仪器，但是跟随国外先进技术并自主研发的脚步却从未停止过，在各个时期都成功研发了相应类型的地震勘探仪器(王百成, 2000).1988年，中国科学院地球物理研究所研制的CSJ-3型触发型数字地震仪，配备固有频率2 Hz的三维拾震器，整机频带0.3~30 Hz.国内学者将其成功应用于西藏羊八井高温地热田地震探测工作中，在地热田北部圈定了3处深层地热勘探有利区，为地热田深部高温热储探采提供了依据(周立功和张维平, 1996).2009年，东方地球物理公司(BGP)成功研制出有自主产权的ES109地震数据采集系统，这是一款具有万道以上的带道能力和先进的网络遥测技术的地震仪器，该仪器多项关键技术达到国际先进水平(王进军和李艳军, 2013).2010年，BGP公司与美国ION公司合作成立了INOVA公司，集成了ARIES和ES109型地震仪的优势技术，针对我国地震勘探技术的需求开发了G3i地震采集系统，带道能力超过72000道，在国内外多个地震勘探项目中得到成功应用，效果良好.2016年，吉林大学骄鹏工程技术研究所有限公司研制了SE2404NT遥测地震数据采集系统，利用先进的网络通讯技术，最大带载能力可达2048个采集站，实现分布式地震数据实时采集即实时显示功能，有野外操作简单快捷、高可靠性和高安全性等特点，国内学者将其应用在中深层地热能探测领域，取得了良好的效果(商磊磊等, 2023).至2020年，我国地震勘探仪器已加速进入“节点”时代，代表性的产品有中石油BGP公司的eSeis、中地装(重庆)公司的BLA、SmartSolo公司的IGU等节点地震仪器.

2.4 微动探测技术装备研究现状

国外的微动探测设备研究起步较早，其中日本和意大利在研发微动设备的技术相对成熟.早在20世纪90年代，日本地学数据分析研究所研发的MTKV-1C型微动探测系统，该系统由1 Hz垂直分量速度型拾震仪和Datamark LS-8800型记录仪二部分组成，具有低功耗和轻便的特点，同时保持了高动态范围和高时间同步，通过内置GPS接收模块进行时间校准.国内多名学者使用它将微动探测技术应用到中深层地热能探测领域，并取得了良好的效果(付微等, 2012; 陈进宝等, 2014).同时期意大利MOHO公司生产了TROMINO微动仪，是一款主动/被动源地震和工程监测一体化的仪器，具有非常小的体积和功耗.内置GPS模块，用于不同主机间同步和传输，可将多台仪器组成阵列使用，主要应用于场地效应测试，获得视横波速度，绘制地层结构剖面等.国内有学者将它应用于探测岩溶塌陷区覆盖层厚度领域，结合微动探测技术的优势，取得了良好的效果(张伟等, 2016).国外微动设备虽然研发早，技术及应用较为成熟，但其价格昂贵，限制了中深部地热能微动探测的布设要求，因此，开展研发国产化低成本微动探测仪器是深部资源探测的迫切需求.
自20世纪90年代微动探测技术被引入国内以来，近二十多年间微动探测均使用各型通用地震探测仪器，如各型地震仪或地震探测系统，并无其专用设备(卢川等, 2015).随着我国对深部资源探测的需求及微动探测技术在各领域的广泛应用，国内加快了研制微动探测专用设备的步伐.2015年，北京水电物探研究所研制的WD智能微动勘探仪，可以实现数据采集与处理同步进行，实时获取面波频散曲线和透视地层变化，具有4G、广域WIFI和自主采集三种工作模式，可以在不同条件下实现远程无线探测，无线覆盖距离500~600 m，能够满足大深度探测需求，在电磁干扰严重的城市地热探测和中深层地热能探测等领域得到成功应用(耿淑莹, 2022).2016年，中地装(重庆)地质仪器有限公司(重庆仪器厂)生产的EPS系列一体化数字地震仪，主要应用于天然源面波勘探及场地长时微动测量，整机使用一体化无缆式设计，体积小重量轻，支持4G、Zigbee、Ethernet等多种远程无线通讯方式.中国科学技术大学合肥国为电子有限公司于2016年研制的GN201无线微动探测仪，目前已升级到GN309版本，其性能指标得到进一步提升，可通过4G或WIFI远程无线实时传输数据和频散图像，体积小、重量轻，便携性好，极大地提高了工作效率，在工程探测、地热及油气资源探测、地质灾害实时监测等领域得到广泛应用，并在中深层地热能探测应用中取得了显著的效果(董耀等, 2020).随着科学和电子技术的进步，电子元器件朝着小型化、微型化发展，微动探测仪器也在朝着集成化、智能化、轻量化、高精度、高可靠性及低成本的方向发展，相信将来会有更加先进的国产化微动探测仪器应用到中深层地热能探测中，为我国深部资源探测提供有力支撑.

3 中深层地热能探测技术发展趋势

在未来的中深层地热资源探测开发应用中，随着探测深度的加大，开发成本及技术难度也随之增加，单一的地球物理探测技术在满足探测深度条件下探测精度相对较低，难以对中深层地热资源目标体形成有效圈闭，我们应结合地热本身的各种物性差异以及相应的地质构造环境，采用符合实际条件的地球物理探测方法，并将多种物探方法综合应用，相互验证和补充，以达到更准确合理的探测效果(曾昭发等, 2012).
电磁法是中深层地热能探测的主要手段之一，目前常用的可控源音频大地电磁法和瞬变电磁法受限于发射功率低、低频成分缺失等问题，并不能满足中深层地热能探测的需求.广域电磁法采用伪随机编码，同时发送多个频率的电磁场信号，提高了信号抗干扰能力，通过全区视电阻率定义使观测区域由远场区拓展到中场区，减小了收发距离，拓展了人工源电磁法的观测范围，成倍地增加了探测深度，随着仪器装备、软件系统的逐渐完备，广域电磁法必将在中深层地热能探测中发挥举足轻重的作用.
重力测量法经济快速，主要用于研究热储深部断裂与火成岩分布、基岩面起伏等，对地层起伏和热储结构纵向分辨率作用有限.基于人工智能、深度学习的重力数据处理与解释手段的发展势头迅速，融合多种地球物理数据来提高反演的可靠性是重力数据反演解释的发展趋势.
主动源地震探测技术精度高、深度大，它可以用来提供大多数石油、天然气和地热储层沉积和其他环境中地下结构的详细图像，是一种理想的中深层地热能地球物理探测方法.但是这种方法成本相对较高，目前并不是地热勘探中较为典型的手段.三维多波多分量地震探测技术对描述裂缝和断裂特征有显著效果，是地热地震勘探未来发展的重要方向.微动探测技术作为被动源地震类方法之一，能够快速、高效地获取地下地层速度结构，具有无须人工源激发、抗干扰能力强、探测深度大的优势，广泛应用于地热构造、地层界面、孤石等探测.二维微动剖面技术已成为探测隐伏地热断裂构造的重要物探手段，随着我国对深部资源探测的需要，微动探测技术可从目前的二维探测逐渐向三维探测方向发展，三维微动成像技术的研发有待发展；更灵活布置台阵以及满足深地探测的微动技术方法有待进一步研究；高分辨率的数据采集系统以及台阵系统精准定位等也有待一步提高.
在探测仪器研制领域，打破国外同类产品技术封锁，研制具有完全自主知识产权、具有领先地位的地球物理探测仪器是大势所趋.随着技术的进步和研发的推进，国产仪器和国外仪器的差距将越来越小，将更符合各种地球物理探测技术进一步创新的需要，也必将更适合我国中深层资源探测的需要.广域电磁法是何继善院士团队发明的大深度、高精度探测方法，该方法连同仪器于2018年获得国家技术发明一等奖，在同类产品中处于领跑地位；微动探测仪器近些年来发展较为迅速，利用面波提取频散曲线，然后对地下目标体速度结构进行成像.广域电磁和微动融合，能够充分发挥电磁和地震之间的互补作用，提升探测的效率、精度，并满足中深层地热探测的深度要求.

4 结论与展望

本文讨论了中深层地热能探测的常用地球物理探测方法，总结了这些地球物理探测方法的研究现状及应用，并总结了四种地球物理探测装备的研究现状及发展趋势，结合国内外中深层地热资源探测实例，证实了地球物理探测技术的有效性.同时, 为进一步提高地热勘探精度, 可利用更多种组合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.
回顾地球物理探测方法在中深层地热能探测中的应用现状, 需根据不同尺度地质背景条件选择合适的方法，为此，我总结了各种地球物理方法在中深层地热能探测中的适用性，并针对其发展趋势提出几点展望：
(1) 在中深层地热能探测中，以电磁法为主的多方法、多参数综合地球物理探测技术已经成为中深层地热能探测的主要手段，其中，人工源电磁法CSAMT法和WFEM法已广泛运用于中深层地热能探测，并在地热模型建立、地热要素识别及地热解释等方面表现出良好探测效果；重力测量法常用于开展中深层地热能探测前期工作及地热田远景评价工作.其作用是提取与基底起伏、隐伏断裂、局部构造等相关的地质信息，反映区域构造，对热储有利区进行定位.人工地震法与重力测量法都属于间接探测方法，通过揭示地质构造及地层分层信息，推断出地热能源的储存位置.微动探测技术作为地震类方法之一，能够快速、高效地获取地下地层速度结构，具有无须人工源激发、抗干扰能力强、探测深度大、适用范围广的优势，常用于确定地热地层边界划分，同时在中深层地热能探测中配合使用微动探测方法，可以更有效地验证传统物探方法的合理性，提高解释精度，从而取得更好的探测效果.
(2) 大探测深度地球物理仪器的研发.我国需要加快发展分布式、全三维、大深度探测仪器，如三维分布式电法和混场源电磁探测成像系统，轻便震源和无缆节点地震采集系统，智能、多类型数据的重磁测量系统，广域电磁-微动联合探测观测系统等，以满足不断增长的中深层地热资源探测的需求.
(3) 数据处理解释新方法.实测数据反演是对于地下目标体物性定量解释的必要工具，由于反演本身具有多解性，但无论细节差异多大，总体物性构造的大趋势应一致.随着地热能探测对大深度、高分辨率探测的需求的增加，发展新的方法技术已经十分迫切.为了降低地球物理解释的多解性、提高探测的分辨率，目前通用的做法是添加约束、多类型数据的联合反演，利用地下目标体不同物性之间的同构性，提升反演的精度.目前，国内外专家学者在多类型数据联合约束反演成像技术的研究都取得了重要进展.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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