西藏羊八井地热田是世界上著名的高温地热田，历经四十多年的开发利用，浅部地热资源日趋萎缩，亟需开发深部高温地热资源来维持地热发电或新增装机容量。深刻了解深部热源位置和形态、断裂分布特征、地热流体的升流通道以及深层热储结构，对于开发深部高温地热资源具有十分重要的意义。以往地球物理工作探测深度一般不超过1km，且多以二维处理解释为主，未能给出地热田精细的深部电性结构。地热田深部熔融体的位置和埋藏深度，以及地热流体升流通道等关键地质问题长期存有争议，现有地热田模型的部分关键地质要素缺少充足的地球物理证据。
为解决上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所薛国强、陈卫营等人与青藏高原研究所赵平合作，在羊八井地热田实施了电性源短偏移距瞬变电磁法（SOTEM）和大地电磁法（MT）两种不同尺度的电磁法探测，获得了地热田16km深度范围内的精细电性结构。SOTEM方法是近些年发展起来的一种大深度人工源电磁探测方法。由于采用接地线源发射信号，SOTEM相较于回线源瞬变电磁法具有探测深度大、可观测场量多、复杂地形适用性好等优点；由于采用近源区观测信号，SOTEM相较于传统的长偏移距瞬变电磁法（LOTEM）具有信号能量强、带宽大、探测精度高、施工成本低等优点；由于观测垂直感应电动势分量，SOTEM相较于频率域可控源电磁法具有垂向分辨率高、无静态效应、施工高效等特点。MT方法采集天然电磁场信号，探测深度可达10 km以上，可以对局部熔融体及深层地热流体的升流通道进行揭示，但该方法对浅层电性结构的分辨率不高，而且微弱的天然场信号易受到空间环境的电磁干扰。将这两种方法综合应用，可以兼顾地热勘查工作对探测精度和深度的要求。
本次工作在羊八井地热电站停产改造期间，利用项目团队自主研发的SOTEM探测系统获得了6条线剖面共366个测点的SOTEM数据；利用研究所底青云团队自主研发的地面电磁探测（SEP）系统，获得了4条剖面共54个测点的MT数据（图1）。然后分别利用SOTEMsoft和ModEM软件对SOTEM数据和MT数据进行反演处理，得到了地热田不同深度范围内的三维电性结构（图2和图3）。
图1 SOTEM和MT测点布设图
图2 不同深度电阻率等值线平面图及断裂分布（SOTEM结果）
图3沿MT测线的剖面图(红色箭头表示热流通道)
(a)MT测线分布图, 红线表示MT测线, 黑线表示断层, 黑圆圈和倒三角形表示测点, 黑圆点表示地热井. (b)L1线, (c)L2线, (d)L3线, (e)L4线.
羊八井地热田至今没有发现第四纪火山岩，热源性质、深部热储特征、地热流体升流通道等问题曾经争论了许多年。Hochstein和Yang(1995)提出了羊八井深循环地热水成因模式。但随着ZK4002、ZK4001井先后成功揭露出超过250℃的地热流体，国内外同行对该地热田具有岩浆热源的属性已达成共识。氦同位素测定表明，地热气体中来自地幔的组分约为3%。据此可以推断局部熔融体主要是地壳物质组分，通过深大断裂混入了少量的来自青藏高原地幔楔的流体组分，与同属亚东-古露裂谷的羊易、古露等高温地热田类似。国际合作项目(INDEPTH)研究发现, 在羊八井等地15~20km深度存在着含水的花岗质岩浆层，而这次在地热田中部6.2~14km深度范围内探测到的局部熔融体很可能是来自该岩浆层的上涌，局部熔融体的平均深度是10.1km。
综合前人在地热地质、地球物理、地球化学和钻孔测温等资料, 提出了羊八井地热田的地质成因模型(图4)。大气降水和冰雪融水沿念青唐古拉南缘山前断裂带向下渗透，随深度增加而逐步升温，沿途从围岩中吸取热量，并淋滤出矿物组分。经局部熔融体烘烤加热后，地热流体的密度逐渐下降。当地热流体循环到一定深度时，在冷、热水密度差和地势差的共同驱动下开始沿裂隙向上折返。在上升过程中，减压气化导致大量气体组分(主要是CO2和H2S)和地热蒸气从地热流体逃逸，在升流通道顶部硫磺沟附近形成了大面积的酸性蚀变带，明矾石、高岭土、蛋白石和玉髓等是热储盖层的主要矿物成分，同时释放出高通量的CO2。地热流体在升流过程中遇到盖层阻挡后，受深部压力和浅层冷水顺流的共同驱动，开始向地热田的东南方向做水平流动，在北区浅层蚀变花岗岩和南区第四系砂砾岩层内形成浅层热储，地热流体埋藏深度逐渐减小，最终在南区形成大面积的溢流区。羊八井地热田深部三维电性结构揭示，南区既没有地热流体升流通道，也不存在深层热储。在北区喇叭状升流通道2km深度以下，尚未发现富水性良好的层状热储，这表明羊八井深部岩层的裂隙不够发育，渗透性较差，与北区深部热储勘探井的钻探资料比较吻合。前人的地热流体化学组分研究表明，浅层地热流体是深层地热流体与地下冷水相混合的产物，冷水混合比例为30~35%。开发利用深层高温地热流体将加快浅层地热资源的萎缩。由于羊八井北区在1km深度的岩层温度已超过200℃，菱块状断裂发育，因此在地热尾水回灌过程中，可以借鉴美国Geysers地热电站的成功经验，应用水力压裂等多种方法(EGS)在深部高温岩体人工扩大热储的规模，通过增加地热水深循环范围和流量进一步扩大产能, 实现地热能的高效开发利用。
图3（a）羊八井地热田地质成因模型。图例中1表示断层，2表示温水运移方向，3表示热水运移方向，4岩浆热能传导方向，5表示岩浆热源，6表示裂隙型热储，7表示富水区,推测其温度低于浅层热储，8表示第四系孔隙型热储，9表示花岗岩，10表示前寒武纪变质岩，11表示白垩系，12表示新生代火山岩. (b)念青唐古拉花岗岩侵位与伸展构造图
研究成果发表于《中国科学: 地球科学》和《地球物理学报》。研究受第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0804)和国家自然科学基金项目（U21A2015，42274192，42010306）共同资助。
- 薛国强, 陈卫营*, 赵平*, 任旺奇, 吕鹏飞, 雷康信, 赵炀. 西藏羊八井地热田三维电性结构模型—来自大地电磁的证据[J]. 中国科学: 地球科学, 2023. 53(8): 1859-1871. DOI: 10.1360/SSTe-2022-0148）
- 陈卫营，薛国强*，赵平，任旺奇，何一鸣，吕鹏飞，雷康信，赵炀. 西藏羊八井地热田SOTEM探测及热储结构分析[J]. 地球物理学报，2023. DOI: 10.6038/cjg2023Q0848）。
