通过高密度AMT（大地电磁）调查揭示的地热区详细电阻率结构：以日本云仙火山附近地区为例

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Detailed resistivity structure by high-density AMT surveys in the geothermal area: A case study near Unzen volcanoes, Japan

日本温泉区地热流体循环与断层关系研究通过高密度音频频率磁电测深（AMT）发现，浅层导电体（地热蚀变层）分布与温泉、喷气孔位置一致，断层（OF）北侧无浅层导电体，暗示断层影响地下温度场和流体补给。

　　在地球科学领域，了解地热系统的结构和演化对于资源开发与地质灾害预测具有重要意义。近年来，随着地球物理勘探技术的进步，尤其是磁电测深（Magnetotelluric, MT）方法的应用，研究者们能够更深入地探索地表以下的地质结构。本研究聚焦于日本宇奈月温泉地区，通过高密度音频频率磁电测深（AMT）技术，对地表以下约1公里深度的三维电阻率结构进行了详细分析。这一研究不仅揭示了地热流体循环与不透水黏土层之间的关系，还对断层活动与流体流动路径的相互作用提供了新的见解。

地热流体在地热区的循环通常通过断层带和裂缝区进行。这些地质构造不仅为流体提供了通道，还在一定程度上影响了地下岩层的物理性质。其中，不透水的黏土层在地热系统中扮演着关键角色，它们通常作为盖层，防止地热流体向上逸散。黏土矿物的含量较高，使得这些层具有较高的导电性，同时其水力渗透性较低。因此，通过电阻率结构的分析，可以识别出这些导电层的存在，并进一步推断其对地热系统的影响。

传统的磁电测深方法由于观测点的分布较为稀疏，导致其空间分辨率有限，难以准确描绘地热系统中细微的结构变化。为了克服这一限制，本研究采用了高密度AMT技术，通过在宇奈月温泉地区布设83个观测点，间距约为50至150米，以提高数据的空间分辨率。这种方法不仅能够更清晰地捕捉到浅层地下电阻率的变化，还能帮助识别与地热活动相关的流体流动路径。AMT技术的优势在于其能够在较短的基线长度下完成测量，通常为0.6米，从而适用于山地等复杂地形的勘探。

在宇奈月温泉地区，研究团队发现了一些导电体，这些导电体被认为是地热流体改造层，即由于高温地热流体的作用，使得岩石中的黏土矿物含量增加，从而形成高导电性区域。这些区域与温泉和喷气孔的分布密切相关，表明地热流体在地表附近存在明显的活动。然而，在北侧的一条活跃断层（Oshidori-no-ike断层，简称OF）附近，未发现浅层导电体。这一现象可能意味着断层附近的地表温度存在显著的差异，可能是由于降水的重新补给作用导致的。降水的补给可能会改变断层带的水文条件，从而影响其导电性。

研究团队还发现，断层带的电阻率结构通常具有清晰的边界，这可能与断层本身所代表的地质边界或水文结构边界有关。地热流体的流动不仅影响了地热系统的分布，还改变了地下岩层的电阻率。在温度较高的区域，如沸石-蒙脱石过渡带，电阻率通常较低，因为高温促进了黏土矿物的形成，而这些矿物具有较高的导电性。相反，在温度较低的区域，电阻率较高，这可能与地热流体的冷却作用有关。

此外，研究团队还利用高密度AMT数据与地表温度、喷气孔分布、温泉分类以及断层分布等信息进行了对比分析。这种多源数据的综合应用有助于更全面地理解地热系统的结构和演化过程。例如，通过对比地表温度和电阻率结构，可以推断出地下流体流动的路径。如果流体沿断层向上流动，可能会导致地表温度升高，从而形成导电性较高的区域。而如果流体沿断层向下流动，可能会因降水的冷却作用而形成导电性较低的区域。

在进行AMT测量时，研究团队采用了超短基线AMT（USB-AMT）方法，该方法由Tsutsumi等人（2015）和Yamada等人（2019）提出。这种方法特别适用于复杂地形的测量，因为其能够有效减少局部电磁噪声的影响。通过在远离测量区域的4公里北侧设置参考点，研究团队进一步提高了数据的准确性。数据分析过程中，采用了快速傅里叶变换（FFT）技术，以获取宽频电磁场谱，并对不同频率范围内的数据进行了处理。

三维电阻率结构的反演分析是本研究的关键环节。研究团队使用了一种最初为可控源电磁（CSEM）调查设计的反演程序，并对其进行修改以适应MT调查的需求。修改主要包括对正演分析代码中的源项进行调整，从电流偶极子变为平面波磁场，并对边界条件进行优化，使其符合二维MT解的要求。通过这些改进，研究团队能够更准确地重建地下电阻率结构，从而揭示地热系统中不同层位之间的相互作用。

研究结果表明，高密度AMT调查在揭示浅层地热系统方面具有显著优势。通过这种方法，研究团队能够识别出地热流体改造层的分布，并进一步分析其与断层活动之间的关系。特别是在活跃断层附近，电阻率结构的变化可能反映了流体流动的路径和模式。例如，在某些区域，由于流体的持续补给，可能形成了明显的电阻率边界，而这些边界与断层的位置相吻合。

本研究还强调了高密度AMT调查在地热区应用的潜力。通过提高观测点的密度，可以更精确地描绘地下电阻率的变化，从而为地热资源的勘探和开发提供重要的地质依据。此外，这种技术还可以用于监测地热系统的动态变化，例如流体流动的路径变化或温度场的演变。这对于理解和预测地热活动具有重要意义，特别是在地震活动频繁的地区，地热系统的稳定性可能与断层活动密切相关。

研究团队在分析过程中，还考虑了多种因素对电阻率结构的影响。例如，温度的变化、流体的补给、矿物的分布等都可能对电阻率产生显著影响。因此，通过结合不同类型的地质和地球物理数据，可以更全面地理解地热系统的复杂性。同时，研究团队也指出了未来研究的方向，例如进一步提高测量精度、扩展观测范围以及结合其他地球物理方法进行综合分析。

总的来说，本研究通过高密度AMT调查，成功揭示了宇奈月温泉地区浅层地热系统的结构特征，并为理解地热流体循环与断层活动之间的关系提供了新的视角。研究结果表明，高密度AMT技术在地热区的应用具有广阔前景，不仅能够提高空间分辨率，还能为地热资源的开发和地质灾害的预测提供重要的数据支持。此外，研究团队的工作也为其他类似地热区的勘探提供了参考，展示了地球物理方法在现代地质研究中的重要价值。