0 引言

随着社会经济的发展，石油、煤炭和天然气等化石能源过度开发利用排放了大量温室气体，导致气温增高、海平面上升、极端天气频发等环境问题，对人类生存环境和经济社会发展产生了严重影响 （王贵玲等，2017）。因此，改善严重依赖化石燃料的能源结构、扩大能源来源，是目前减少温室气体排放，解决全球气候变化问题的有效途径（蔺文静等，2013；周总瑛等，2015；王转转等，2019；王贵玲和蔺文静，2020）。地热能作为一种清洁低碳、可循环利用的稳定能源，其开发利用对于推动温室气体减排，实现碳中和、碳达峰目标具有重要意义（汪集暘等，2020；马冰等，2021；曹锐等，2022；多吉和王贵玲，2022；王贵玲和陆川，2022）。

中国地热资源直接利用量位列世界第一，但主要集中在浅层地温能利用方面，中深层地热资源开发利用相对不足。地球物理勘查技术通过测量目标物的地球物理属性解决地质问题，具有成本低、环境破坏性小、施工效率高、探测深度大、成果直观等优点，被广泛应用于探测地热系统结构、圈定热储区范围、揭示构造对地热活动的控制作用和评价地热区开发潜力等方面（曾昭发等，2012；严小丽等，2019；陈昌昕等，2020；陈怀玉等，2020）。本文结合多种类型地热系统研究文献，综述了重、磁、电、震等多种地热地球物理勘探技术的研究现状和适用条件，为今后地热勘查项目中选择合适的物探方法提供借鉴。

1 重力勘探

重力勘探主要根据不同岩矿石的密度差异进行探测，由于岩石的密度大小受孔隙度、矿物成分及颗粒大小的影响，因此，在重力数据处理及解释过程中，需结合已知地质资料进行约束以提高勘探精度。该方法测量结果以布格重力异常表示，在研究区域地质构造方面具有重要作用，已被广泛应用于水热型地热资源勘查工作中，效果明显（缪旭煌和陆大进，2019；杨明等，2020）。

虎新军等（2022）利用重力勘探方法对银川盆地地热资源进行研究，结果表明：研究区南部不具备良好的储盖组合；北部地区邻近黄河断裂，具备导热、导水通道，保温盖层、隔热盖层与储热层地层完整，可以划定为地热资源形成有利区域（图1）。刘会毅等（2018）在安徽坨湖地区地热资源勘查中利用不同岩体密度差异进行高密度重力测量，通过对布格重力异常进行位场转换，求取方向导数和剩余重力异常，划分了研究区控热构造格架及热储分布范围，为下一步地热勘查工作指明方向。

综合分析前人成果，重力测量具有勘探深度大、数据可信度高、不受电磁干扰的特点。重力异常能综合反映研究区地下岩体的分布状况及区域断裂特征，在第四系覆盖区具有较好的探测效果。

2 磁法勘探

磁法勘探主要根据不同岩矿石的磁化强度差异进行探测，由于不同磁化强度的岩矿石在地磁场中引起的磁场变化有所差别，因此，在磁法数据处理及解释过程中，需结合已知地质资料，研究这种磁场变化与地质体间的关系及其空间分布特征与变化规律（孙二虎等，2004）。该方法测量结果以磁异常表示，在研究岩体分布或断裂识别方面具有重要作用，已被广泛应用于以岩浆岩或断裂构造为控制因素的地热勘查工作中（车泽福，2022）。

张德权等（2005）采用高精度磁测与电测深相结合的物探方法对汤池河地热资源进行研究，认为汤池河低阻、负磁物探异常为热储构造引起的地热异常，是地下热水的反映，热储形态近似水平，结合钻探资料分析，物探异常的空间结构特征与揭露热储层的分布、埋深等信息基本吻合，证明所采用的物探方法可行，结果可靠。刘阳（2021）根据敦煌城区地热资源的分布规律，利用磁异常对断裂位置和侵入岩的范围做了进一步推断，并辅以可控源音频大地电磁法推断了断裂的深部发育情况，圈定了有利的热储空间，划分了研究区地热形成的有利区域。

a—重力反演异常；b—前第四纪地层分布；c—地热资源远景预测区

通过上述分析可知，磁法测量主要用于识别断裂位置及圈定岩体范围，可以为后续勘查工作提供有利靶区。该方法适用于岩浆岩分布区，在构造裂隙型地热资源勘查中具有较好的应用效果。

3 电法勘探

电法勘探是地热勘探中常用的地球物理方法，由于岩矿石的电阻率受温度和蚀变作用的影响，因此，我们可以通过探测研究区岩矿石电阻率差异进行地热资源分布预测和评价研究。根据能量来源不同，电法勘探可以分为主动源法和被动源法。常用的主动源测量方法主要有直流电法、瞬变电磁法 （TEM）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）；被动源测量方法主要有大地电磁法（MT）及音频大地电磁法（AMT）。

3.1 直流电法

直流电法是最早用来进行地热勘探的方法之一，目前，应用比较广泛的直流电法主要为电测深法和高密度电法。电测深法是利用人工向地下供电建立电流场，通过改变供电极距探测不同深度岩矿石对电流场的反应，进而得到地下介质垂向上的电阻率变化，最后通过分析垂向上的岩矿石电阻率差异达到找水、找热等地质问题的目的（王涛等， 2021）。高密度电法集电测深法和电剖面法特点于一体，其原理与普通电阻率法相同但有多种电极距排列组合方式，具有数据采集速度快、数据量大、观测精度高等优点，可用于推断地热构造分布特征及其性质，是复杂条件下地热勘探的有效手段（朱德兵，2002；胡旭等，2018；刘振夏等，2019）。

李洪嘉（2020）通过对丹东金山地区地质资料、重磁电场物探资料和地热井测井资料的综合研究分析，利用对称四极电测深法揭露了研究区的地质构造情况，并得到如下认识：研究区受鸭绿江断裂成热带控制，发育有北东向、北东东向两组断裂，电阻率等值线受断裂影响出现明显的“高—低—高” 横向不均匀特征，属于典型的对流型负花状构造地热发育模式。根据电性异常确定的验证钻孔，终孔深度 2013 m，井口取水温度 52.8℃，开采量可达 1500 m³ /d，证明了电测深法寻找深层地热水是有效的。崔玉贵等（2020）应用高密度电法在江西于都黄麟地区建立了研究区地下二维电阻率模型，直观刻画各剖面在不同深度电阻率变化特征，分析了研究区断裂地下延伸及产状变化规律，从而推测出地热水赋存有利位置。解释结果显示：研究区断裂破碎带由于赋存地下水呈现明显的低阻特征，北东向断裂与北北东向断裂相互作用带富水性良好（图2）。通过布设探采结合井进行验证，涌水量可达 900 m³ /d，井口水温大于40℃，证明了高密度电法在地热资源探测方面的有效性。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法（TEM 法）是利用不接地回线或者接地导线向地下发射一次脉冲电磁场，激励目标体感应产生二次电流，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场随时间变化响应的方法，具有勘探深度大、抗干扰能力强、分辨率高、施工效率高等优点，可以有效的控制断裂构造的空间位置（曹永安和姜海灏，2013；刘军强等，2014；刘磊等，2015；贺强，2017）。

高博涵等（2021）在山西某地地热勘查中进行瞬变电磁法探测，通过探讨瞬变电磁法的理论基础、野外工作方法和资料处理，研究表明瞬变电磁法在地表虽然存在一定深度的盲区，但是数据受低阻屏蔽干扰较小，而且 TEM 的纯 TE 场模式对低阻目标体敏感，可以较为直观地分辨断层的上下盘。根据实测结果，在图3所示剖面 3350点进行钻探验证，在 1610 m 深度钻遇地下热水，涌水量 233 m³ /d，水温58℃，证明了瞬变电磁法的探测效果。

a—TEM二次场电位多测道图；b—TEM视电阻率断面图

3.3 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是通过观测人工供电产生的音频电磁场频率、场强及方向的变化，对地下介质电性信息与人工控制形成的电磁场关系进行研究的一种电磁勘探方法（王恒等，2019；朱义坤等，2022）。该方法以观测地下电阻率差异为勘查基础，具有工作效率高、勘探深度大、垂向分辨能力较好、水平分辨能力高、高阻层屏蔽作用小等优点（汪名鹏等，2020；黄力军，2021）。近年来， CSAMT 方法广泛应用于地下热储识别及控热构造推断等方面，取得了较好的效果（龚胜平和刘瑞德， 2021；秦福锋等，2021；付荣钦等，2022；吴姗姗等， 2022）。

郭恒（2019）利用可控源音频大地电磁技术对青州五里地区地下热水资源的分布特征进行实测，结果表明测线1800点处视电阻率曲线表现为“V”型低阻凹槽，中心区域电阻率仅为 20 Ω٠m 左右（图4）。电性异常特征反映了隐伏断裂西店—苏峪寺断裂（F1）的存在，该断裂宽度约 60 m，走向约为 NE40°，倾向 SE，倾角 60°～80°，纵向上发育深度 1300～1400 m。根据钻孔揭露，CDR1 井在 1360~1380 m深度发现断裂破碎带，终孔深度1417.70 m，井口取水温度40℃，开采量可达600 m³ /d，证实了该断裂为研究区内地下水的深部循环提供了良好的通道。

3.4 大地电磁法

大地电磁法（MT）是一种利用天然电磁场来进行地球内部电性结构研究的单点测量物探方法，具有探测深度大、工作便利、低阻层分辨能力强等优点（张文科等，2019；张伟等，2021；蒋喜昆，2022；彭勇等，2022）。该方法以麦克斯韦理论为基础，通过地表测量来自地下的不同频率的电磁波，经相关数据处理和分析获取地下由浅至深的电性结构，以此判断地球深部的岩性变化，结合地质资料，推断控热构造位置及热储层位（张前等，2015；赵诚亮， 2019）。

苟万灯等（2021）利用大地电磁测深法对常德市热市镇地层岩性分布和地下电性结构特征、岩溶裂隙发育带及深大控热构造的位置和产状进行探测。由研究区大地电磁测深成果图可知（图5），在剖面浅部地层，视电阻率等值线呈横向梯度变化特征；在深部地层，视电阻率等值线呈“漏斗”状低阻特征，并且在剖面 400 m 点位两侧出现了等值线不连续现象，此为热市断裂（F3）的电性反映，该断裂为研究区导热通道。在深度 200～700 m、测线 100～300 m 处，视电阻率等值线呈低阻异常特征，推断该处岩溶裂隙发育，为热储有利部位。在测线 220 m 处进行钻探验证，主要含水层段为 395.6～407. 0 m和439. 0～440.5 m，出水段温度42.5℃，证明了大地电磁测深在地热资源勘查中的有效性。

3.5 音频大地电磁法

音频大地电磁法（AMT）是通过对地面天然电磁场的观测，来研究地下岩矿石电阻率分布规律的一种地球物理勘探方法，具有探测设备轻便、工作方法简单、施工成本低、测量深度大、高阻屏蔽层影响小等特点（吴翔等，2017；何国丽等，2019；尚彦军等，2021）。音频大地电磁测深（AMT）是大地电磁法（MT）的一个分支，AMT 采集频率范围一般为 10400～0.35 Hz，浅层分辨率高，工作效率高；MT采集频率一般为 320～0. 001 Hz，探测深度大，易于探测深部的断裂构造（朱丽丽等，2020；韩姚飞等， 2021）。近年来，AMT 方法是地热勘查的主要方法之一，广泛应用于寻找热储构造、运移通道和盖层等方面（李学云和刘百红，2017；何帅等，2018）。

王佳龙等（2021）为查明福建省三明市宁化县黄泥桥地区地热资源赋存情况，利用音频大地电磁法（AMT）在该区开展地热勘查工作，通过分析区内地层结构、岩性特征，推断了区内断裂构造分布，根据断裂展布特征圈定了 1 处优选地热异常靶区，经钻探验证，井孔含水地层与AMT二维反演低阻异常吻合较好（图6）。

4 地震勘探

地震勘探技术是地热资源勘查中最有效的物探手段之一，在地层界面和隐伏断裂的探测与识别上与其他物探方法相比具有较高的精度和可靠性 （周永波，2021）。地热资源勘探的地震方法分为主动地震和被动地震两类方法（王丹等，2015）。主动地震方法是指高分辨率的反射地震方法，该方法依据地下介质的弹性和密度差异特征，通过测量大地对人工激发地震波的响应，分析推断地下岩层的性质和形态（李德智等，2014；周永波等，2020）。被动地震方法主要是利用地球内部活动噪声来刻画地下介质构造，其中，微动探测方法就是在背景噪声成像理论基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段（田宝卿和丁志峰，2021）。

a—反演断面图；b—地质推断图

赵玉等（2020）为研究北京城市副中心地热资源赋存条件，沿通州运潮减河开展二维地震勘探，获得了研究区 1200 m 深度范围内的地层结构与断裂构造信息。研究表明：二维地震勘探结果与钻探成果一致，北京城市副中心地区发育燕郊断裂及其支断裂，断裂倾向 SE，主断裂上盘第四系盖层厚度为 500～700 m，其下发育新近系；支断裂下盘第四系下伏青白口系。新生界和青白口系两套地层构成了地热系统的良好盖层（图7）。

微动勘查利用天然源面波法进行探测，不受城镇等地区人文活动的干扰，具有仪器设备简单、施工成本低的特点（董耀等，2020）。刘杨等（2021）为查明大别山地区浅部地热资源形成条件，利用微动探测技术开展地热勘查工作，通过高分辨率频率－ 波数谱法处理数据，结果表明微动剖面上视S波低速异常明显，边界清晰，以此为依据定位的热储成功打出热水，经估算，地热资源最大开采量达 1500 m³ /d，证实了该方法的有效性和可靠性（图8）。

5 讨论

近年来，重、磁、电、震等多种地球物理方法都在地热资源勘探中得到了应用，但不同的物探方法本身具有局限性。在实际工作中，应在综合分析研究区地质特征的基础上，根据不同地球物理方法的特点，选择合适的方法进行探测，以取得理想的勘探效果。不同地球物理方法的适用条件及优劣性分析见表1。

6 结论与展望

地热资源是一种绿色低碳的清洁能源，其开发利用符合人类低碳、环保、可持续发展的理念。但由于地热资源普遍埋藏较深，勘查开发难度较大，除进行详细的地质调查之外，还需选择勘查效率高、成本低、勘探深度大的综合地球物理方法。目前，重、磁、电、震等各类地球物理方法都在地热资源勘查中得到了较好的应用，但是由于地球物理具有多解性以及方法适用的背景也不尽相同，在实际勘查工作中需要借助几种不同的地球物理手段对数据处理解释相互验证、相互补充来圈定地热能异常及靶区。

a—叠前时间偏移剖面；b—深度剖面及地质解释

（1）重力勘探和磁法勘探在地热资源调查阶段应用较广泛，主要针对区域范围进行航空或地面小比例尺的面积性测量，反演地层空间分布和区域断裂体系，圈定地热资源有利地段和地热远景区，为后期地热勘察提供较好地地球物理前提。

（2）电测深法、高密度电法等直流电法原理基本一致，都是利用地下介质的电性差异进行探测，推断地热构造分布特征。其中，高密度电法受仪器限制探测深度较浅，但对覆盖层结构变化敏感，分辨率较高；电测深法随 AB 距的增加探测深度逐渐加深，但分辨率降低。在地热资源直流电法探测工作中，可以根据热储层埋深选择合适的方法，或将二者结合起来，提高探测精度。

（3）瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法虽然都是主动源电磁类方法，但两者的探测原理有所区别。可控源音频大地电磁法对激发场源和接收场源的收发距存在一定要求，在浅层分辨率较低，横向分辨率有限。瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法，相较于可控源音频大地电磁法对低阻体和浅部地层的分辨能力更强，在探测低阻异常体及浅部地层方面更具优势。但在深度较大处，可控源音频大地电磁法抗干扰能力更强，探测效果优于瞬变电磁法。

（4）大地电磁法和音频大地电磁法均属于被动源电磁类方法，两者区别在于采集频率不同。音频大地电磁法采集频率范围一般为 10400～0.35 Hz，浅层分辨率高，工作效率高；大地电磁法采集频率一般为 320～0. 001 Hz，探测深度大，易于探测深部的断裂构造。大地电磁法和音频大地电磁法与可控源音频大地电磁法相比受高阻层屏蔽作用影响小，勘探深度较大，但由于接收的是天然场信号，存在易受人工电磁噪声的干扰，对于浅层小断裂显示不清，分辨率不够的缺点。

（5）地震勘探作为一种超深且高精度的地球物理勘探方法，在一定程度上弥补了其他物探方法的不足。地热资源勘探的地震方法分为主动地震和被动地震两类方法。主动地震成本相对高，因此在地热资源普查阶段仍然依靠被动地震，而对于评价区的地热储层，主动地震才是最可靠的资料。

综上所述，在实际的地热资源勘探过程中，应根据不同的地质背景条件与勘探阶段，选择合适的物探方法进行探测。在地热资源调查阶段，主要目的是确定地热资源重点勘查开发前景区，因此需要利用航空或地面重磁测量确定地区热储构造格架，反演深部构造和地层分布信息，圈定地热资源有利地段和地热远景区；在地热的预可行性勘查或可行性勘查阶段，需要确定地热资源的赋存条件及地热资源量的大小，因此，这一阶段需结合区域水文地质资料部署大比例尺的电法及地震勘探手段，对热储层及导水、导热通道空间分布进行精细刻画，并选择代表性地段进行地热钻探，获取热储特征参数，为地热资源开发利用提供依据。

参考文献