*本文转载自地热科学前沿公众号
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文章来源
Samrock, F., Grayver, A., Dambly, M.L.T., Müller, M.R., Saar, M.O., 2023. Geophysically guided well siting at the Aluto-Langano geothermal reservoir. Geophysics 88, WB105–WB114.
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全文导读
火山高温地热储层是绿色发电的重要资源。在有这种资源的地区，地热能往往占一个国家总发电能力的很大一部分。地热能的可持续利用取决于地热井的成功选址，而地热井的成功选址又取决于事先的地球物理地下成像和储层表征。电磁电阻率成像方法已被证明是表征岩浆驱动型地热系统的关键工具，因为电阻率对热液蚀变形成的熔体和粘土的存在很敏感。特别强调的是“粘土盖层”，它沿着地热流体对流的流动路径形成于热液储层顶部。例如，埃塞俄比亚的Aluto-Langano火山地热田覆盖着178个密集分布的大地电磁(MT)站。由大地电磁数据导出的三维电导率模型描绘了作为地热系统热源的岩浆体，它控制着地热储层顶部的地热对流和蚀变带(通常称为粘土盖层)的形成。粘土盖层地形的详细三维成像可以直接了解热液流动模式，并有助于识别潜在的“上行”带。在Aluto，所有地热生产井都位于粘土盖层变薄和隆起的区域，这表明地下存在热液上升带。相比之下，生产效率低的地热井则位于粘土盖层变厚和降低的区域，这是潜在“流出”区域和冷却的象征。这一观测结果与火山承载系统的基本特征有关，可能适用于其他有足够详细大地电磁调查数据的地热田。因此，热液蚀变产物(粘土盖层)的高分辨率三维电磁成像可以用来推断地热储层中的热液流动模式，有助于降低地热钻井项目的风险。
图1 地图显示Aluto的位置：(a)在全球背景下，(b)在东非裂谷的背景下，裂谷以黑线标出，火山为红色三角形(取自全球火山活动计划(2023))。(c) MER中部火山体的位置及其相交断层和提出的火山口边缘。黄色星星表示由Hutchison 等人(2016)确定的喷气孔。地热井的位置用青色三角形标出。本研究分析的178个MT站点(红色圆圈)密集分布在整个火山复合体上;它们是由埃塞俄比亚地质调查局和ETH Zürich在独立调查中测量的。AJFZ为热液上行带的主要断层，沿该断层已钻有地热生产井。WAFZ是另一个断层，与Aluto断层相交，沿着这条断层还没有钻过井。
图 2 岩浆驱动地热系统的概念模型。浅层岩浆侵入驱动岩浆流体热液对流和大气补给。由此产生的温度分布控制着热液蚀变矿物和蒙脱石粘土盖层的形成。这种蚀变反过来又控制着地热储层内的电导率分布。储层内部构造破坏带控制着热液流体循环模式。集中的上升流可能会导致强烈的井间梯度，在上升流区的生产井(W2)与遇到温度逆转的非生产井(W1)之间通常只有几百米的距离。该草图建立在Berktold(1983)、Pellerin等人(1992)和Wallis等人(2018)介绍的储层概念模型的基础上。
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结果讨论
通过所得模型的垂直切片如图3所示。与图2中概念储层模型的对比表明，MT模型很好地恢复了岩浆驱动地热系统的关键特征。C3是Samrock等人(2021)已经成像并详细描述的岩浆热源。计算C3内的最大熔体含量为10-15 vol%。熔体分数是通过综合MT和岩石学分析得出的，包括熔体演化的热力学建模和考虑固体、熔体和岩浆挥发物组成的三相系统的多相混合规律(详见Samrock 等人， 2021)。另外，C3中存在大量岩浆挥发物，含量超过5 vol%。在火山复合体中央下方约2km b.s.的上部，非常导电的C2层是突出的粘土盖层和泥质热液蚀变带，在这一层，测井发现了高岭石、蒙脱石和伊利石粘土，导致电导率的强烈增强(例如，Teklemariam et al.，1996;Sisay, 2016)。在火山杂岩周围的平原西部和南部，在大约2 km b.s以上的厚层中绘制了>0.1 S/m的高电导率值。Aluto火山西部LA-2井周围的火山活动以及粘土帽状电导率特征导致决定钻探LA-2井，结果发现该井是非生产性的。LA-2下的高导电性是由导电湖沉积物和蒙脱土粘土的混合造成的(Hochstein等人，2017)。LA-2的最高温度为105 °C，深度为1.4 km，与较冷岩石下的平流热流出有关。
图 3 通过恢复的三维模型沿东-西方向的垂直切片，和延与Aluto火山相交的AJFZ的垂直切片(见图1)。C1表示z<2 km a.s.l.的电导体。在火山体的西面和南面，C2是位于火山中心下方z<2 km a.s.l.的电导体，C2是位于Aluto火山下方z<4 km a.s.l.的更深处的电导体。地表的黑线是断层。灰色球体表示MT测量地点位置，青色球体表示井位，井轨迹以垂直黑线表示。
为了了解热液流动模式，识别上、侧向流出带，需要对粘土盖层进行地形图绘制。由于泥质蚀变矿物受温度分布的控制，粘土盖层底部在热液上升流带上向上抬升，在流出带上向下抬升。如图4所示，粘土盖层沿着AJFZ向上隆起和变薄，在AJFZ以西的清晰粘土盖层下降和变厚，井在那里遇到流出区和温度反转。
图 4 使用电导率着色的粘土帽地形和井眼轨迹。生产井在粘土盖明显上隆、上流变薄的区域沿AJFZ钻，位于出流区的井在粘土盖增厚的区域。前景定向井也在粘土盖变薄、上流区钻；然而，目前还没有关于它们的生产数据。
在满足以下条件的情况下，岩浆驱动地热系统的MT勘探可以通过降低探井钻探的风险来提供高价值的信息。首先，绘制粘土盖层下方的热源是区分地热储层非生产带和生产带的关键。其次，我们观察到上升流带与地质不连续之间存在明显的相关性。通过对粘土盖层减薄和上覆区域的映射，可以推断出上流带。为了实现上述目标并促进生产井的成功定位，对MT数据进行物理连续的3D电导率建模以及覆盖整个地热勘探范围的密集MT站点分布是至关重要的。Aluto火山的案例研究可能不仅与欧洲大陆其他火山地热场有关，而且还应该对其他高温勘探进行测试，其中许多勘探显示了地质环境的相似性。
文本 | 郑桂煜
编辑 | 张振雯
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