压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)是一种利用压缩空气作为介质来储存能量和发电的技术，具有建设工期短、受地形条件限制小等优势，是目前除抽水蓄能以外规模最大的物理储能方式。相比于抽水蓄能，压缩空气储能建设周期短、站址选择相对容易、生态环境友好性高、移民拆迁问题小；相比于目前较为成熟的锂电池储能，压缩空气储能寿命长、循环次数多、安全性好、清洁无污染、系统性能不衰减；且压缩空气储能有类似于传统火电的调频调压性能及转动惯量和短路电流支撑，有利于未来高比例新能源场景下电力系统的安全稳定运行。我国对压缩空气储能系统的研究起步较晚，且大多集中在理论和小型实验层面，但随着电力储能需求的快速增加，大规模压缩空气储能相关技术的研究在我国日益受到重视。探明拟建大规模压缩空气储能电站区域的地质构造是否适合修建大型地下储气库是储气库建设的关键所在。
地球物理勘探是一种基于目标体和周围岩体介质的物性（如电阻率、电导率、磁导率、波速、密度等）差异，探测地下地层岩性、地质构造等地质条件的方法。万明忠等利用高精度三维地震探测地下盐穴形态，确定包括盐穴容积、形态、深度等参数范围。姚金等针对城镇强干扰环境，采用微动探测方法查明采空区的空间位置及其结构形态，为地下地铁线路设计提供重要依据。王玉威等在抽水蓄能电站大坝选址期间，采用微动剖面法探测地下地层及破碎、断层等不良地质体。陆云祥等[7]在地下洞室选址期间综合利用高密度电法和地震折射波法等多种物探方法，查明测区基岩起伏特征，并探明断裂、岩溶等不良地质体发育情况。陈爽爽等综合利用高密度电阻率法、可控源音频大地电磁法以及微动探测三种物探方法，实现了城市输水隧洞勘察。
本文依托某300MW级人工硐室压缩空气储能项目，根据现场地形地貌、干扰条件，综合采用高频大地电磁法、广域电磁法、微动法及钻孔物探等方法，以期查明测区内裂隙发育带及断裂构造发育情况，为后期选址施工提供地质依据。
研究区地质概况及地球物理特征
1.1 地质概况
研究区位于湖南湘乡，地处扬子板块桂湘早古生代陆缘沉降带的醴陵断隆带，区域构造运动相对稳定，新构造运动微弱，无破坏性地震及波及研究区的灾害性远震发生。周边地区地质构造较简单，有小型断层和节理裂隙发育，方向以NEE向为主。同时，研究区属于丘陵地貌，地表高程处于100～300m，植被发育茂盛，地形较为平缓，山体雄厚稳定，无大型沟谷和汇水洼地等负地形。根据前期大量实地踏勘与工程钻探等研究成果：研究区存在多期花岗岩体侵入，地表出露地层主要为印支期的细中—粗中粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩和覆盖层，出露岩体随花岗岩体中长石、黑云母含量的变化，存在明显的差异风化现象，如夹层风化等，整体多为中风化和微风化，局部分布有全风化和强风化且厚度较小；覆盖层厚度整体较大，主要为硬塑砂质黏性土，局部有松散状的素填土，在基岩出露时，覆盖层较薄。根据地质调绘成果：研究区内地下水较贫乏，地下水类型较简单；但地下水露头点较多，共发现7处泉眼，其中，5处泉眼为风化裂隙水露头，2处泉眼为构造裂隙水露头；由于地下水补、径、排途径较单一，富水性差，透水性弱，泉水流量较小。
1.2 地球物理特征
本文探测目标体主要为地下花岗岩岩体中分布的断裂及破碎带。由于地下水的影响，断裂及破碎带中孔隙、裂隙多含水或充泥，含水或充泥的断裂及破碎带表现为低电阻率、低速特征，而完整岩体表现为高电阻率、高速特征，因此，为开展基于电性和波速差异的地球物理勘探奠定了关键物性基础。
方法原理
2.1 高频大地电磁法
高频大地电磁法是融合大地电磁（magnetotelluric,MT）和可控音频大地电磁（controlled-sourse audiofrequency magnetotelluric,CSAMT）提出的一种双源型电磁探测方法[9]，即采集数据包括天然源电磁场和人工源电磁场。工作频率范围为10~100000Hz，其中，天然电磁场信号采集频率处于10~1000Hz，人工源电磁场信号采集频率在10~100000Hz，相比传统MT方法，由于其工作频率较高，因此称之为高频大地电磁法。通过采集相互正交电场、磁场分量，利用基于MT和CSAMT的数据处理技术反演地下电阻率，可实现较高分辨率的地下电阻率成像。视电阻率计算公式如下：
式中：ρai为视电阻率，又称卡尼亚视电阻率；ω为角频率；μ为磁导率；Ex为x方向电场分量；Hy为y方向磁场分量。
2.2 广域电磁法
广域电磁法（wide field electromagnetic method,WFEM）是我国著名工程院院士何继善提出的一种人工源频率域电磁勘探方法[11]，该方法既继承了CSAMT场源可控的优势，又摒弃了MT场源微弱不可控、CSAMT变频的低效率信号发射等缺点，同时采用电磁场全域的精确公式定义地下视电阻率，如式（2）所示，从而拓展了电磁法的观测区域。在野外实施过程中，该方法利用2n序列伪随机信号作为信号源，通过多频伪随机信号同步激发与接收，采集单个电场分量，有效提高信号抗干扰能力，降低采集时间。WFEM具有大深度、高精度、高效率、低成本等优势，已在矿产资源勘查、水文地质调查、工程勘察等勘探工作中获得全面推广应用。
2.3 微动法
微动法（microtremor survey method,MSM）是基于平稳随机过程理论，通过特定观测系统（台站）采集天然的地面微小振动信号，利用空间自相关等技术提取具有面波频散特征的子信号，并分析频散曲线的属性，反演地下速度结构，从而实现地下地层介质结构、构造表征[13]。该方法利用天然源振动信号，信号无须人工主动激发，具有天然的抗干扰能力，野外施工便捷，适用于城市地下空间等具有强干扰的复杂工况环境，已成为在城市地区地下勘探实施的重要物探方法。
综合物探法应用效果分析
研究区布设WT1（近南北走向）、WT2（近东西走向）2条垂直测线进行探测。地面物探完成工作量如表1所示，勘探测线长度共计3400m，测点数共计139个。其中，WT1测线设计长度为800m，点距25m，测点数33个，采用广域电磁法和微动法；WT2测线设计长度1300m，点距25m，测点数53个，采用广域电磁法、高频大地电磁法和微动法。测线布设示意图如图1所示，测区受地形影响较大，WT1线沿线地表高程为113～287m，地形坡度15°~35°；WT2线近东西走向长800m，沿线地表高程为130~291m，地形坡度15°~35°。
另外，研究区内覆盖3个钻孔，分别为ZK1、ZK2和ZK3，钻孔内完成了声波测试和数字成像，具体如表2所示。根据钻孔声波测试成果，得到ZK1、ZK2、ZK3钻孔平均波速分别为5335m/s、5536m/s、5477m/s；同时，据岩体声波测试的纵波速度与钻孔岩芯对比发现，场地内不同风化程度岩体对应不同的波速，强风化岩体声波波速为2000~4000m/s，中风化岩体声波波速为4000~5000m/s，而微风化岩体声波波速一般大于4600m/s。根据数字成像结果可清晰地识别裂隙发育情况，如图1（b）所示。本研究综合了钻孔数字电视数据得到：ZK1钻孔裂隙发育深度主要集中在7.0～42.0m、49.0～69.0m、77.0～99.0m、112.0～115.0m，发育倾角多处于30°～60°和60°～85°；ZK2钻孔裂隙发育深度主要集中在5.0～38.0m、48.0～65.0m、95.0～135.0m、160.0～182.0m，发育倾角多处于35°～60°和60°～85°；ZK3钻孔裂隙发育深度主要集中在5.0～30.0m、44.0～90.0m，且以陡倾角裂隙为主。
根据广域大地电磁法和高频大地电磁法测深反演获得电阻率等值线结果，如图2（a）、图3（a）、图3（b）所示，垂向上总体上可分为3层：1）上层。电阻率范围为0～1500，向下呈递增趋势，等值线一般随地形起伏，局部尖灭于地形线，说明局部地段电阻率较高，或向下凹陷，说明局部地段电阻率较低，推测为强风化层厚度不均引起。2）中层。电阻率范围为1500～5000，向下呈递增趋势，等值线形态与地形起伏基本一致，推断为中风化—弱风化层，局部呈半圈闭、条带状低阻，推测为相对低阻异常区。3）下层。电阻率大于5000，向下呈递增趋势，推断为基岩较完整区域，局部存在相对低阻异常，推测为相对低阻异常区。
根据微动法获得的深度-速度曲线等值线，如图2（b）和图3（c）所示，垂向上总体上可分为3层：1）上层。波速范围为0～1000m/s，向下呈递增趋势，等值线一般随地形起伏，局部尖灭于地形线，说明局部地段波速较高，或向下凹陷，说明局部地段波速较低，推测为强风化层厚度不均引起。2）中层。波速范围为1000～2000m/s，向下呈递增趋势，推断为中风化—弱风化层，局部呈半圈闭状或条带状低速带，出现相对低值凹陷，推测为低速异常区。3）下层。波速范围为2000～3500m/s，向下呈递增趋势，推断为基岩较完整区域，局部出现相对低值凹陷，推测为相对低速异常区。
根据电阻率与波速等值线形态特征，排除各种干扰和畸变点，结合地层岩性对WT1线和WT2线的异常进行推断，得出7个异常区L1~L7和1个岩性分界线J1，如图2（c）和图3（d）所示，其中，WT1线的异常包括L1~L5和J1，WT2线的异常包括L2、L6、L7。
异常区特征具体如下：1）L1。异常深度为0~270m，宽度约为270m，高程为90~﹣60m，跨度约150m，推测为低阻、低速异常区。2）L2。在WT1线中，异常深度为470~570m，影响宽度约为100m，具有上宽下窄的特征，高程为220~﹣90m，跨度约310m，推测为相对低阻、低速异常区；在WT2线中，异常深度为360~465m，影响宽度约为105m，具有上宽下窄的特征，高程为210~25m，跨度约185m，推测为相对低阻、低速异常区。3）L3。异常深度为755~805m，影响宽度约为50m，具有上宽下窄的特征，高程为200~40m，跨度约160m，推测为相对低阻、低速异常区。4）L4。异常深度为900~970m，影响宽度约为70m，具有上宽下窄的特征，高程为200~-40m，跨度约240m，推测为相对低阻、低速异常区。5）L5。异常深度为1090~1145m，影响宽度约为55 m，具有上宽下窄的特征，高程为150~0 m，跨度约150 m，推测为相对低阻、低速异常区。6）L6。异常深度为0~150 m，影响宽度约为150 m，高程为134~-100 m，跨度约234 m，推测为低阻、低速异常区。7）L7。异常深度为600~710 m，影响宽度约为110 m，高程为160~50 m，跨度约110 m，推测为低阻、低速异常区。8）岩性分界线J1。北侧岩性为细粒黑云母二长花岗岩，南侧岩性为角闪石黑云母二长花岗岩，推测为岩性界线地表投影在剖面位置的925 m附近。
根据综合物探成果，在L2和L4两个异常区分别布置ZK1和ZK2钻孔，经钻孔勘探验证，L2和L4两个异常区域岩石完整性较差、节理裂隙发育（如图1（b）所示），裂隙内含水或充泥，物探成果与钻探对应良好。
结语
针对压缩空气储能的储气库选址问题，本研究利用含水或充泥的裂隙及破碎带目标体与围岩介质存在电阻率、速度的物性差异，结合目标区域埋深较大的特点，采用高频大地电磁法、广域电磁法、微动法及钻孔物探等方法实施了综合勘探，区域内共布设了2条测线及3个钻孔，基于电阻率成像和速度成像的反演结果，查明研究区内7个异常区和1个岩性分界线的位置及范围。经钻探验证，物探成果与钻探成果对应良好，说明综合物探法在储气库选址中的应用是可行的，在预可研阶段钻孔数量有限的情况下，可为工程地质勘察提供低成本且可靠的依据。