干热岩勘查中大地电磁测深正反演及其应用研究

论文摘要

当前,能源危机和环境污染是制约社会可持续发展的关键问题之一。对储量大、环境友好型可再生新能源的研究受到了各国政府与研究机构的重视。干热岩（Hot Dry Rcok,简称HDR）型地热资源作为一种新型的地热资源形式,其赋存状态表现为不含水或含少量水的高温岩体,是一种稳定的、发展前景广阔的新型清洁能源。干热岩的开发系统称为增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems,简称EGSs）。干热岩资源的开发利用离不开前期的勘查与潜力评估。地球物理方法是干热岩资源勘查的主要手段之一。但是干热岩资源埋藏深度较大（3 km-10km）,其物性差异往往只由温度引起,温度变化引起的电阻率差异成为干热岩体的重要物性指标,这对地球物理方法选取与数据处理解释都是全新的挑战。大地电磁测深法（Magnetotelluric,简称MT）是一种以天然电磁场为场源的频率域电磁测深方法,该方法勘探深度大,对低阻体敏感,不仅可以探测与热异常有关的地质构造,还能直接定位高温引起的低电阻率异常位置,在干热岩勘查中具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。本文针对干热岩勘查中大地电磁测深正反演方法进行研究。研究并实现了基于非结构节点有限元方法的MT二维正演算法与高斯-牛顿法反演计算。采用基于Delaunay算法的非结构三角形网格剖分对复杂地质体的几何外形进行拟合。在有限元分析中,通过建立规则参考三角形与局部不规则三角形的映射关系,只需对参考单元刚度矩阵与质量矩阵映射变换即可获得任意单元的刚度矩阵与质量矩阵,提高了编程效率。采用频率域频点与矩阵计算双并行的办法,提高了大地电磁正反演的运算效率。在三维MT正反演方面,由于节点有限元方法在扩展到三维模型时会因为无法满足散度条件而出现伪解,本文研究并实现了基于矢量有限元方法的MT三维正演算法。将电磁总场分解为一次场（背景场）和二次场（散射场）的方法进行求解。一次场采用各项同性的水平层状介质解析计算,二次场采用基于非结构四面体网格的矢量有限元法计算。在矢量有限元正演算法的基础上,利用高斯-牛顿法实现了MT三维反演计算。灵敏度矩阵的求取通过“拟正演”的方法与正演计算结合在一起,减少计算量。三维理论模型的反演试算证明了该正反演算法的有效性。较高的温度是干热岩最重要的标志。本文研究并实现了基于节点有限元方法的稳态温度场和非稳态温度场三维正演模拟。比照常见干热岩类型设计了稳态干热岩概念模型与非稳态干热岩概念模型并计算了其温度场分布。稳态干热岩模型中,因为温度对电阻率的影响,盆地沉积层与基底的电阻率界面弱化,干热岩体表现为向深部延伸的低阻体。非稳态干热岩模型模拟了半径为1.5 km的岩浆囊散热过程,结果显示0.5 Ma后岩浆囊温度趋于稳定,说明第四纪之前的孤立岩浆囊如果没有稳定热源供热并不能形成干热岩。青海省共和盆地地热资源丰富,是我国重要的干热岩勘探与开发示范研究区。本文通过共和盆地内MT数据处理与解释,对共和盆地干热岩资源的成因机理进行研究。对实测MT数据的处理可以得到共和盆地内二维电性结构;使用电性结构约束的重力数据反演可以提供地下的密度结构;结合区域航磁资料,认定狼山-武威-共和断裂带是共和热异常的控热构造,该断裂带为隐伏的深大断裂。结合地质信息给出共和干热岩地热系统概念模型:干热岩热储为高温花岗岩;地热盖层为古近系、新近系和第四系沉积地层;热能补给来源为深部地壳中的地热能;狼山-武威-共和断裂带是热能向上传导的通道。地下热流值是分析地热田成因机理的重要参数。本文研究并实现了基于先验模型约束的地温场贝叶斯反演。对实测DR3号钻孔的温度测井数据做反演后获得了共和盆地地温场并计算了地下热流值。结果表明,共和盆地基底最大热流值超过110 mW/m2。以温度大于150℃、深度小于5 km为靶区判定原则,可以在共和附近圈定沿MT测线方向宽度为10 km的干热岩靶区。靶区内热流值超过100 mW/m2,其中75%来自深部向上传导的热能,25%来自花岗岩自身放射性生热。共和盆地干热岩热储为传导型热储,热补给主要来自深大断裂导热,花岗岩生热是次要的因素;干热岩热储位于深部热流上升通道附近,热流值高,热补给稳定,开发潜力巨大,可持续利用前景广阔。综上所述,本文系统的对基于非结构有限元方法的MT二、三维正反演与温度场正反演方法进行研究,通过算法的改进在保持精度的前提下提高了运算效率。以共和盆地内MT探测为基础,围绕干热岩成因机理开展研究,对共和干热岩的地热类型、热源构成等地热要素获得了比较清晰的认识。在研究过程中,MT方法展现了其在干热岩勘查中良好的实用性,本文的研究对提高和完善干热岩资源勘查解释水平具有现实意义。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 选题目的及意义

1.2 研究动态及发展现状

1.2.1 地热资源的地球物理勘查现状

1.2.2 MT正演方法研究现状

1.2.3 MT反演方法研究现状

1.3 主要研究内容及创新点

1.3.1 论文主要研究内容

1.3.2 论文主要创新点

第二章大地电磁测深法基本原理

2.1 大地电磁场源

2.2 大地电磁场基本方程

2.3 电磁波在均匀介质中的传播

2.4 波阻抗与视电阻率

2.5 本章小结

第三章基于节点有限元的MT二维正反演研究

3.1 大地电磁二维边值问题

3.2 大地电磁二维有限元正演

3.2.1 区域离散

3.2.2 节点有限元方法原理

3.2.3 二维模型视电阻率和阻抗相位计算

3.2.4 并行策略

3.2.5 模型验证

3.3 二维大地电磁反演

3.3.1 高斯‐牛顿法基本原理

3.3.2 大地电磁反演的灵敏度矩阵

3.3.3 模型验证

3.4 本章小结

第四章基于矢量有限元的MT三维正反演研究

4.1 三维模型中的大地电磁边值问题

4.1.1 边值问题方程

4.1.2 水平层状模型一次场计算

4.2 大地电磁三维有限元正演

4.2.1 矢量有限元方法原理

4.2.2 矩阵计算

4.2.3 视电阻率与阻抗相位求取

4.3 并行策略与正确性验证

4.3.1 一维拟解析解对比

4.3.2 COMMEMI‐3DI模型模拟

4.4 三维大地电磁反演

4.4.1 目标函数

4.4.2 空间梯度矩阵

4.4.3 雅克比矩阵计算

4.4.4 模型验证

4.5 本章小结

第五章干热岩电阻率特征预测

5.1 岩石温度与电阻率的关系

5.2 三维模型地温场模拟

5.2.1 热传递方程

5.2.2 有限单元法分析

5.2.3 矩阵求解

5.2.4 模型验证

5.3 典型干热岩模型的电阻率特征

5.3.1 稳态地温场模型

5.3.2 非稳态地温场模拟

5.4 本章小结

第六章青海省共和盆地干热岩成因机理研究

6.1 区域地热地质概况

6.2 共和盆地MT探测

6.2.1 共和盆地构造格架MT响应模拟

6.2.2 实测数据维数特征和电性主轴旋转

6.2.3 MT数据反演与解释

6.3 共和盆地地温场概率反演

6.3.1 贝叶斯反演理论

6.3.2 地温场反演

6.4 干热岩成因机理与潜力评价

6.5 本章小结

第七章结论和展望

7.1 取得的主要研究成果

7.2 展望

参考文献

作者简介及科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王坤

导师: 曾昭发

关键词: 干热岩,大地电磁测深,有限单元法,高斯牛顿反演,贝叶斯反演,共和盆地,大地热流

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,地球物理学,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P314;P631.325

总页数: 125

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