【摘要】：當(dāng)前,能源危機(jī)和環(huán)境污染是制約社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。對儲量大、環(huán)境友好型可再生新能源的研究受到了各國政府與研究機(jī)構(gòu)的重視。干熱巖(Hot Dry Rcok,簡稱HDR)型地?zé)豳Y源作為一種新型的地?zé)豳Y源形式,其賦存狀態(tài)表現(xiàn)為不含水或含少量水的高溫巖體,是一種穩(wěn)定的、發(fā)展前景廣闊的新型清潔能源。干熱巖的開發(fā)系統(tǒng)稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems,簡稱EGSs)。干熱巖資源的開發(fā)利用離不開前期的勘查與潛力評估。地球物理方法是干熱巖資源勘查的主要手段之一。但是干熱巖資源埋藏深度較大(3 km-10km),其物性差異往往只由溫度引起,溫度變化引起的電阻率差異成為干熱巖體的重要物性指標(biāo),這對地球物理方法選取與數(shù)據(jù)處理解釋都是全新的挑戰(zhàn)。大地電磁測深法(Magnetotelluric,簡稱MT)是一種以天然電磁場為場源的頻率域電磁測深方法,該方法勘探深度大,對低阻體敏感,不僅可以探測與熱異常有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造,還能直接定位高溫引起的低電阻率異常位置,在干熱巖勘查中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。本文針對干熱巖勘查中大地電磁測深正反演方法進(jìn)行研究。研究并實(shí)現(xiàn)了基于非結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有限元方法的MT二維正演算法與高斯-牛頓法反演計(jì)算。采用基于Delaunay算法的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分對復(fù)雜地質(zhì)體的幾何外形進(jìn)行擬合。在有限元分析中,通過建立規(guī)則參考三角形與局部不規(guī)則三角形的映射關(guān)系,只需對參考單元剛度矩陣與質(zhì)量矩陣映射變換即可獲得任意單元的剛度矩陣與質(zhì)量矩陣,提高了編程效率。采用頻率域頻點(diǎn)與矩陣計(jì)算雙并行的辦法,提高了大地電磁正反演的運(yùn)算效率。在三維MT正反演方面,由于節(jié)點(diǎn)有限元方法在擴(kuò)展到三維模型時會因?yàn)闊o法滿足散度條件而出現(xiàn)偽解,本文研究并實(shí)現(xiàn)了基于矢量有限元方法的MT三維正演算法。將電磁總場分解為一次場(背景場)和二次場(散射場)的方法進(jìn)行求解。一次場采用各項(xiàng)同性的水平層狀介質(zhì)解析計(jì)算,二次場采用基于非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格的矢量有限元法計(jì)算。在矢量有限元正演算法的基礎(chǔ)上,利用高斯-牛頓法實(shí)現(xiàn)了MT三維反演計(jì)算。靈敏度矩陣的求取通過“擬正演”的方法與正演計(jì)算結(jié)合在一起,減少計(jì)算量。三維理論模型的反演試算證明了該正反演算法的有效性。較高的溫度是干熱巖最重要的標(biāo)志。本文研究并實(shí)現(xiàn)了基于節(jié)點(diǎn)有限元方法的穩(wěn)態(tài)溫度場和非穩(wěn)態(tài)溫度場三維正演模擬。比照常見干熱巖類型設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)干熱巖概念模型與非穩(wěn)態(tài)干熱巖概念模型并計(jì)算了其溫度場分布。穩(wěn)態(tài)干熱巖模型中,因?yàn)闇囟葘﹄娮杪实挠绊?盆地沉積層與基底的電阻率界面弱化,干熱巖體表現(xiàn)為向深部延伸的低阻體。非穩(wěn)態(tài)干熱巖模型模擬了半徑為1.5 km的巖漿囊散熱過程,結(jié)果顯示0.5 Ma后巖漿囊溫度趨于穩(wěn)定,說明第四紀(jì)之前的孤立巖漿囊如果沒有穩(wěn)定熱源供熱并不能形成干熱巖。青海省共和盆地地?zé)豳Y源豐富,是我國重要的干熱巖勘探與開發(fā)示范研究區(qū)。本文通過共和盆地內(nèi)MT數(shù)據(jù)處理與解釋,對共和盆地干熱巖資源的成因機(jī)理進(jìn)行研究。對實(shí)測MT數(shù)據(jù)的處理可以得到共和盆地內(nèi)二維電性結(jié)構(gòu);使用電性結(jié)構(gòu)約束的重力數(shù)據(jù)反演可以提供地下的密度結(jié)構(gòu);結(jié)合區(qū)域航磁資料,認(rèn)定狼山-武威-共和斷裂帶是共和熱異常的控?zé)針?gòu)造,該斷裂帶為隱伏的深大斷裂。結(jié)合地質(zhì)信息給出共和干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型:干熱巖熱儲為高溫花崗巖;地?zé)嵘w層為古近系、新近系和第四系沉積地層;熱能補(bǔ)給來源為深部地殼中的地?zé)崮?狼山-武威-共和斷裂帶是熱能向上傳導(dǎo)的通道。地下熱流值是分析地?zé)崽锍梢驒C(jī)理的重要參數(shù)。本文研究并實(shí)現(xiàn)了基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ图s束的地溫場貝葉斯反演。對實(shí)測DR3號鉆孔的溫度測井?dāng)?shù)據(jù)做反演后獲得了共和盆地地溫場并計(jì)算了地下熱流值。結(jié)果表明,共和盆地基底最大熱流值超過110 mW/m~2。以溫度大于150℃、深度小于5 km為靶區(qū)判定原則,可以在共和附近圈定沿MT測線方向?qū)挾葹?0 km的干熱巖靶區(qū)。靶區(qū)內(nèi)熱流值超過100 mW/m~2,其中75%來自深部向上傳導(dǎo)的熱能,25%來自花崗巖自身放射性生熱。共和盆地干熱巖熱儲為傳導(dǎo)型熱儲,熱補(bǔ)給主要來自深大斷裂導(dǎo)熱,花崗巖生熱是次要的因素;干熱巖熱儲位于深部熱流上升通道附近,熱流值高,熱補(bǔ)給穩(wěn)定,開發(fā)潛力巨大,可持續(xù)利用前景廣闊。綜上所述,本文系統(tǒng)的對基于非結(jié)構(gòu)有限元方法的MT二、三維正反演與溫度場正反演方法進(jìn)行研究,通過算法的改進(jìn)在保持精度的前提下提高了運(yùn)算效率。以共和盆地內(nèi)MT探測為基礎(chǔ),圍繞干熱巖成因機(jī)理開展研究,對共和干熱巖的地?zé)犷愋�、熱源�?gòu)成等地?zé)嵋孬@得了比較清晰的認(rèn)識。在研究過程中,MT方法展現(xiàn)了其在干熱巖勘查中良好的實(shí)用性,本文的研究對提高和完善干熱巖資源勘查解釋水平具有現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

圖 1.1 大地電磁場頻譜分布圖(韓松，2017)為全球大地電磁場平均振幅譜分布圖，它包括了雷電干擾(EPi)和灣擾等大地電磁場源所覆蓋的頻率范圍。在 1 Hz 附近，稱為死頻帶。前人測定的死頻帶范圍為 0.2-7.8 Hz(Vozoff， Bahr，2005；韓松，2017)。在這個頻帶內(nèi)，觀測信號信噪比差。但是，對于死頻帶不能一概而論，從作者實(shí)測的 MT 視電物理研究人員公開數(shù)據(jù)來看(湯吉等，2005；Liang 等，2015

圖 3.1 本論文采用的坐標(biāo)系示意圖將公式(2.01)的 Maxwell 方程前兩項(xiàng)展開后( ( yx zxx yx zxx E EEEj k i H i Hz x x yH HHH j k E i Ez x x y 標(biāo)軸的單位矢量。由于對應(yīng)的矢量分量應(yīng)相等
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P314;P631.325

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本文編號：2667638