[科普中国]-地热数据处理

地热数据处理是指利用现有的温度测量手段对地热数据进行分析处理。例如，海底热流数据的获取主要有两种途径：一种是石油钻井的温度测量，另一种是利用海底地热探针进行探测。前者主要适于水深小于300m的大陆架区域，后者则适于水深大于1500～2000m的区域，两者具有很强的互补性。

概念大地热流是了解地球内部热状态的一个重要参数，不仅可以提供地壳和上地幔的热结构、块体的活动性以及水热活动等信息，而且是了解沉积盆地有机质成熟史以及气水合物稳定存在深度的关键参数。深海钻探计划(ODP)也提供了少数深水区的热流数据。近年来随着气水合物的勘探，出现了利用反射地震剖面的似海底反射BSR来估算热流密度的方法。总体而言，中国边缘海热流观测站位数量少而且分布严重不均，其中多数为位于陆架环境的油气钻井，在大陆坡以及深海等区域的热流站位稀少，因此，在深水油气和天然气水合物的资源调查中，大力开展海底地热探测具有十分重要的意义。

南海北部海底地热测量的数据处理方法研究背景由于海底地热探针是非常精致、昂贵的仪器，要求有高水平的技术维护和经过良好训练的操作人员，国际上可以开展海底地热探测的研究机构还不是很多。国内相关单位在 20世纪80年代曾经从加拿大购买了海底地热探针，但是仅获少数数据后因仪器故障而没能继续使用。2003年年底，适逢天然气水合物调查的需要，广州海洋地质调查局从德国引进了包括 TK04型热导率仪在内的海底地热探测设备，并于 2004年在南海北部成功取得一批地热流数据。笔者曾报导过有关海上热流探测实验的初步结果和海上作业方法。近年来随着工作积累，我们对获得的地热数据进行了整理和分析，并建立了一套系统的处理方法。以位于南海北部东沙海域的HD343、神狐海域的HS82以及西沙海槽的HX129 3个测站为例，对海底地热测量的数据处理方法进行探讨。

海底地热探测及数据采集根据傅立叶定理，海底热流密度等于表层沉积物的地温梯度与相应热导率的乘积。地热探针按功能大体可分为两大类：一类是根据水下数据记录直接推导地温梯度和热导率，如Bu lland型或Lister型探针；另一类是由水下记录仅能获得地温梯度，热导率需要通过室内测量得到，如EW ING 型探针。本次使用的地热探针属于EW-ING型。该类探针由多个微型自容式温度传感器微型温度记录器 (miniature temperature data logger，下文简称MTL)按不同角度和一定间距外挂固定安装在重力柱状采样管、重力活塞柱状取样管或钢矛外壁上(图1)，组合成海底地热探针。柱状采样管作为载体的优点是可以同时获得供室内热导率测量所用的沉积物样品，缺点是每测量一次都需把探针回收到甲板上，效率比较低；钢矛为载体的优点是可以以POGO方式在水下多次下插测量地温梯度，缺点是热导率样品需要另外采集。

海底地热探测主要有以下几个步骤：(1)航次开始前，通常需要对温度传感器进行标定，以校正因漂移引起的误差；(2)仪器下放前，需要量好各MTL与同一参照点的距离；(3)入水后离海底约100m处停止下放，这样可以让探针与船体保持垂直，并且使得MTL稳定，约3min后，高速下放(如1.5m/s)并插入沉积物中，探针插入时因与沉积物间的摩擦生热，温度记录显示有突然升高现象；(4)插入后需保持探针不受扰动；(5)大约7～ 8min后，拔出探针，如果载体为取样管，例如，神狐海域HS82站位和西沙海域HX129站位的作业方式，则需要把探针收回到甲
板上以便回收MTL和沉积物样品；如果载体为钢矛，例如，东沙海域HD343站位的作业方式，则收到离海底一定高度后，慢速移动到下个站位继续下放测量；(6)在每次收回探针时需再次测量各MTL与参照点的距离，确认探针在插入和起拔过程中相互之间没有发生位移，若出现MTL移动，该设备的测量数据无效。插入后记录的温度变化取决于摩擦热引起的温度变化是否高于原来未受扰动的环境温度，如果高于环境温度，则记录温度逐渐衰减，否则逐渐增高到环境温度。MTL的采样率可编程修改，但数据采样率均为每秒一次，数据记录在MTL内置的存储单元中。

结果与讨论通过对南海北部陆坡HD343、HS82和HX129测站的海底热流测量数据的处理方法进行研究，取得如下认识：

(1)EW ING 型探针需要对原始温度记录进行偏移量的校正和平衡温度的计算。直接从温度记录中读出的平衡温度与根据实测数据拟合得到的平衡温度有一定差别，会影响地温梯度的计算。如果MTL基本按等距排列，这两种计算地温梯度的方法得到的地温梯度基本一致。当探针自重较大时，探针倾斜角较小，倾斜校正对地温梯度的影响可以忽略。

(2)不同MTL间的相对温度偏移量是基本固定的，取决于记录器本身的性质，与测站位置无关。根据这一特点，可以应用深水区获得的温度偏移量，对水温梯度不能忽略的区域测量的温度曲线进行校正，以获取可靠的温度记录曲线。

(3)插入海底后，EW ING型探针记录的温度随时间的变化取决于摩擦生热的大小。如果摩擦引起的温度变化小于环境温度，温度将随时间缓慢上升，否则随时间缓慢降低，渐近到环境温度。一般数据记录达到7～8min时，可以根据该段的记录推导出平衡温度。

(4)室内测量的热导率通过温度和压力校正后，一般降低4%～5%。

(5)计算热流密度的方法一般采用Bu llard方法。热阻的计算方式需要根据实测热导率随深度的分布特征而定。

(6)HD343、HS82和HX129 3个站位的热流密度分别为79mW/m2、86mW/m2和83mW/m2。1

CSAMT数据处理在大川地热勘查中的应用通过对大川地热进行的可控源大地音频测量获得的CSAMT进行数据处理，采用VOXLER软件建立三维等值面模型，从三度空间对区内地质体电性特征进行解译，通过三维模型区分不同电阻率地质体的空间分布，根据xy面上的切片解译出深剖断裂构造，在xz面上解译出深部存在承压水层，并指出本区高温地热水的寻找方向。

区域地质特征大川地热位于太子河—浑江台陷之桓仁凸起的北部边缘，中生代火山盆地边缘内陷部位，庄河—桓仁深大断裂从区内通过。区内基底主要地层为辽河群大石桥组，岩性为大理岩夹透闪石大理岩；盖层为中生代早白垩纪小岭组及梨树沟组，小岭组为安山岩和流纹岩及安山质火山碎屑岩。梨树沟组为长石石英砂岩夹火山碎屑岩。

区内岩浆岩不发育，主要为混合岩，与其上覆的大理岩多以断裂接触。脉岩有闪长岩及煌斑岩脉。

区内的断裂构造有二户来子-拐磨子断裂，该断裂宽30-45米，贯穿全区，是区域性的深大断裂，倾向南东， 倾角65°；哈达河断裂，为张性断裂宽50多米，产状为倾向北东，倾角 65°，其分布与三处地热的出露点及地热带相吻合。

地热分布特征大川地热沿哈达河有三个溢出点，西部位于驴圈沟民井，水温常年在20℃。1986年12月出现喷水，喷出的水温在40℃以上，喷水持续半个多月。东部位于养鱼池，水温为35℃；中部位于大川村南汤池，在600m2的范围内有多个出水点，涌水常伴有气泡溢出，在海城地震前汤池水温可以煮熟鸡蛋。以后水温24-26℃。

本区出露地表的温水及分布较大的浅部地温异常带基本上都是这一含水层通过小裂隙出露地表所造成，施工的两个钻孔说明层压水为水温在26℃的低温热水，水量大，水质好，可以被利用，在东部1号线ZK1孔打出37℃ 的热水，位于高阻地质体附近。高阻地质体对层压水起到了隔水层的作用，深部热水没能与凉水充分混合。所以本区具备高温地热流体(温泉)形成的条件，地热勘查的工作中要充分利用有效手段，扩大范围及深度，在深度上寻找层压水层以下的大断裂；在地表向东(高阻地质体东部)寻找深大断裂的东部延长部位进行地热勘查，探获高温热泉会有重大突破。

通过利用Voxler软件对CSAMT数据进行三维处理，可以有效建立三维等值面模型，在各个方向上对勘查区的地质构造进行解译，在地热勘查是起到重要作用。2

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学