太行山前徐水斷裂深部電性特征及地熱賦存條件分析

張偉 ，籍增賢 ，謝明宏

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點實驗室，河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050002）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，資源和環(huán)境的矛盾日益突出，地熱作為一種綠色、清潔、高效的可再生能源，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)人民生活中得到了廣泛應(yīng)用。無論哪種類型的地熱系統(tǒng)，都包括熱源、熱儲、蓋層和通道四個要素（陳墨香，1988；王貴玲等，2017），依據(jù)大地電磁測深資料可以反演得到地下電性結(jié)構(gòu)剖面，了解地下不同深度介質(zhì)的電阻率分布和變化特征，推斷地熱孕育、發(fā)生、發(fā)展和儲藏等控制因素，確定地熱異常區(qū)蓋層和熱儲層厚度以及控熱構(gòu)造展布特征（韓再生等，2007；胡寧等，2011；王建新，2013）。

在眾多地球物理勘探方法中，大地電磁測深法（magnetotellurics，簡稱MT）具有探測深度大、對低阻層分辨能力強等優(yōu)點，在探測深部儲熱斷裂構(gòu)造、圈定地熱異常分布范圍和延展方向等方面效果顯著（李平平和陳海龍，2019；任鴻飛等，2019；皮偉等，2019；朱懷亮等，2019；陳懷玉等，2020）。

研究區(qū)位于保定北部、徐水以西的太行山東麓淺山丘陵區(qū)與華北平原的交接過渡地帶。前人在研究區(qū)鄰區(qū)通過專門性的地熱勘查及綜合研究，探明了有利熱儲層位的大致厚度和埋深，圈定了地熱田和地熱異常區(qū)（許德樹和馮創(chuàng)業(yè)，2007；焦尚斌等，2017；任磊等，2020）。因技術(shù)條件所限，前人對研究區(qū)地熱勘查探測深度較淺，工作程度也相對較低。為進一步查明研究區(qū)中深部地熱資源賦存條件，本文選擇大地電磁測深法，查明了徐水斷裂深部展布特征，依據(jù)徐水斷裂與石家莊—定興深斷裂交匯部位低阻異常帶展布特征對深部地熱地質(zhì)條件進行了分析，指出了地熱資源賦存的有利部位。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地形以半丘陵為主，地表為第四系砂礫石層所覆蓋，西部為基巖山丘，出露巖性主要有太古代片麻巖，中上元古界長城系石英砂巖、薊縣系白云巖，古生界寒武系碳酸鹽巖等（胡丁然等，2019①）。

斷裂構(gòu)造主要有北東向和北西向，其中北東向為主干斷裂，北西向次之（圖1）。紫荊關(guān)—靈山深斷裂走向20°～30°，傾向東南，傾角55°～75°，為正斷層，長約280 km。定興—石家莊深斷裂大體走向北東，長約200 km，為中—新生代的繼承性正斷層，斷裂向東南陡傾，斷裂西盤基巖為太古界及中—上元古界地層，在平面上多處被北西向斷層水平錯移，并均為左行扭動性質(zhì)，水平錯距20 km以內(nèi)。徐水斷裂走向北西，傾向北，傾角60°，長度約20 km，斷裂向西延伸，切穿燕山期巖漿巖，向東延伸，切斷定興—石家莊深大斷裂，并使之左行扭斷2 km左右。

圖1 石家莊—定興地區(qū)主要斷裂構(gòu)造分布圖（據(jù)胡丁然，2019①）

巖漿巖出露較少，據(jù)《軍都山巖漿巖帶地熱資源勘查報告》（胡丁然等，2019①），僅發(fā)現(xiàn)一處隱伏的燕山期閃長巖體，分布面積約170 km2，巖體最淺埋深約46 m。

1.2 地熱地質(zhì)特征

太行山前為基巖出露區(qū)，主要有太古界、中上元古界（長城系、薊縣系、青白口系）、古生界（寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系）等。薊縣系白云巖巖溶裂隙發(fā)育，連通性好。北東—北西向深大斷裂及次級構(gòu)造發(fā)育，形成了熱流體的循環(huán)通道和賦存空間，有利于構(gòu)造裂隙型和裂隙巖溶型熱儲的形成。熱儲層主要由上元古界薊縣系碳酸鹽巖地層構(gòu)成，主要巖性為白云巖、泥質(zhì)白云巖，總厚度達1000 m以上（陸遠昭，1957；宋洪偉等，2012；隋少強等，2020）。

2 大地電磁測量

2.1 電阻率特征

（1）主要巖性電阻率特征

根據(jù)《軍都山巖漿巖帶地熱資源勘查報告》（胡丁然等，2019①）相關(guān)內(nèi)容，太行山前主要地層（巖性）電阻率值差異很大（表1），可分成上低、下高兩部分：上部低阻巖層電阻率均值在n×10～532 Ω·m，包括第四系松散砂礫石堆積層、新近系及古近系，表現(xiàn)為明顯的低阻特征；下部高阻巖層電阻率值多為2000 Ω·m以上，青白口系、薊縣系白云巖電阻率值最高達8814 Ω·m，長城系砂巖、頁巖電阻率較低為2119 Ω·m。

表1 徐水地區(qū)主要地層及巖漿巖電阻率統(tǒng)計表

（2）實測電阻率特征

根據(jù)主要巖石實測電阻率參數(shù)統(tǒng)計，礫巖、頁巖、片巖電阻率明顯比其他巖石偏低；灰?guī)r、白云巖電阻率值明顯偏高（表2）。

表2 徐水地區(qū)主要巖石實測電阻率統(tǒng)計表

統(tǒng)計結(jié)果顯示，主要熱儲層薊縣系白云巖表現(xiàn)為相對高阻特征，與其上覆、下伏地層均存在明顯的電阻率差異。

2.2 探測方法

大地電磁測量野外數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5A電磁系統(tǒng)，每個測點同時記錄3個磁信號（Hx、Hy、Hz）和2個水平電場信號（Ex、Ey），采集頻率范圍為320～0.01 Hz，測點布設(shè)采用“十”字形布極方式，測點及電極定位均采用南方測繪公司生產(chǎn)的高精度RTK現(xiàn)場測量，定位精度及點位誤差均不超過10 cm，布極方向由森林羅盤精確定位，偏差不超過1°，水平磁探頭入土深度大于30 cm，共布置4條剖面（L1、L2、L3、L4，圖1），測點92個，點距1000 m，總長度90 km，每個測點數(shù)據(jù)記錄時間超過24小時，有效探測深度約4000 m。為了保證大地電磁野外數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在100 km以外布置了遠參考站，使用遠參考站記錄的磁場分量參與阻抗張量元素計算，采用Robust方法對原始數(shù)據(jù)進行了處理。

通過數(shù)據(jù)編輯、曲線圓滑、極化模式識別及靜態(tài)效應(yīng)等環(huán)節(jié)，采用二維非線性共軛梯度法（NLCG）進行了反演處理（湯井田等，2007；陳向斌等，2011；梁宏達，2012；仇根根等，2015），獲得了能夠客觀反映深部地質(zhì)體電性特征的反演電阻率斷面圖。

3 測量結(jié)果

完整的巖石電阻率相對較高，由于斷裂構(gòu)造造成地層破碎、充水、溶蝕，導(dǎo)致電阻率發(fā)生明顯降低，在垂向上形成傾斜的低阻異常帶，橫向上發(fā)生電性層錯斷、形成等值線梯度密集帶，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造單元劃分、斷裂位置等資料，結(jié)合低阻帶特征可以對斷裂帶深部展布情況進行推斷（湯井田等，2007；李富等，2009；祁曉雨等，2011；黃力軍，2020）。

3.1 L2剖面斷裂特征

剖面水平距離24000 m 處是徐水斷裂通過的位置（圖2），表現(xiàn)為高低阻分界線，相對穩(wěn)定、連續(xù)的反演電阻率高阻電性層在此被錯斷，低阻帶寬度接近2000 m，受斷裂改造，斷面圖底部低阻異常帶出現(xiàn)明顯的錯位。低阻帶左側(cè)呈穩(wěn)定的相對高阻特征，反演電阻率值一般大于250 Ω·m，右側(cè)為厚度較大的相對低阻電性層，反演電阻率值一般為90～250 Ω·m，近地表低阻層為第四系，其下奧陶—寒武系灰?guī)r電阻率值明顯增高，低阻電性層厚度及推斷地層界面與鉆孔23揭露結(jié)果吻合較好。根據(jù)反演電阻率等值線形態(tài)判斷，斷層傾向北東，視傾角約為63°，為上盤下降、下盤上升的正斷層。

圖2 L2剖面徐水斷裂電性特征示意圖

3.2 L4剖面斷裂特征

從斷面圖高低阻面貌特征和反演電阻率等值線圈閉形態(tài)分析，由于徐水斷裂的改造作用，將原本連續(xù)、穩(wěn)定的高阻電性層錯斷。斷裂向下切穿低阻異常帶后，形成寬度大于3000 m的低阻帶，且低阻帶出現(xiàn)明顯的向上凸起（圖3）。根據(jù)反演電阻率等值線形態(tài)判斷，斷層傾向北東，視傾角約為61°，為上盤下降、下盤上升的正斷層。

圖3 L4剖面徐水斷裂電性特征示意圖

4 地熱賦存條件分析

4.1 深部地層電性特征

剖面下方薊縣系白云巖總體表現(xiàn)為穩(wěn)定的相對高阻特征（圖4），反演電阻率值一般為300～3000 Ω·m，反演電阻率等值線連續(xù)、寬緩，表明地層穩(wěn)定性好。埋深2000～3500 m之間存在一個厚度近1000 m的低阻異常帶，其埋深起伏變化較為明顯，自西向東低阻異常帶出現(xiàn)明顯的抬升、變淺趨勢。受徐水斷裂控制和改造，深部低阻異常帶發(fā)生膨大、外凸。

圖4 徐水斷裂深部地層電性特征及地熱賦存有利區(qū)示意圖

4.2 地熱地質(zhì)條件分析

受北東向深大斷裂的夾持以及北西向徐水斷裂的改造作用，研究區(qū)地層自北西至南東向呈階梯狀分布，近地表薊縣系白云巖形態(tài)完整、厚度較大，但其深部存在厚層的破碎帶，且埋深由西向東逐漸降低，既為地下水運移提供了通道，同時也有斷裂構(gòu)造溝通深部熱源，表明研究區(qū)具備了良好的地熱資源成藏條件。

（1）深部熱源穩(wěn)定。前人資料表明，太行山前每次較大的構(gòu)造運動均伴有巖漿活動，特別是燕山期巖漿活動劇烈、頻繁（胡丁然等，2019①）。鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)一條隱伏的閃長巖體（燕山期），最淺埋深約46 m。

（2）熱儲層厚度大。4條剖面反演電阻率斷面圖（圖4）顯示，深部出現(xiàn)厚度較大的低阻異常帶，表明地層（巖石）破碎程度高。已知地熱井揭露顯示薊縣系霧迷山組白云巖破碎層厚度近2000 m（圖5），底部巖溶裂隙發(fā)育、連通性好，熱水來自基巖裂隙巖溶水（胡丁然等，2019①）。

圖5 地熱井S1柱狀圖（據(jù)胡丁然，2019①）

（3）蓋層巖石完整。第四系及其下伏地層厚度自西向東逐漸增大，最大厚度超過了1000 m。L2、L4反演電阻率斷裂電性特征圖（圖2～3）表明，中淺部厚度較大的高阻電性層阻值穩(wěn)定、等值線光滑連續(xù)。鉆孔資料顯示，薊縣系霧迷山組白云巖上覆蓋層厚度超過1160 m，表明深部地熱資源具有較好的隔熱和保溫層（胡丁然等，2019①）。

（4）通道連續(xù)性好。圖4為4條剖面反演電阻率特征立體示意圖，從圖中可以看出，剖面L2西段整體電阻率值偏低，推斷為太行山前裂隙發(fā)育、白云巖溶蝕程度高等因素的綜合反映，形成了大面積的匯水區(qū)，深部巖溶裂隙或破碎帶形成導(dǎo)水通道，具有良好的導(dǎo)水連通性。另外，L4線電性特征顯示，低阻異常帶在橫向（南西-北東方向）上亦有較好的連通性。地下水沿破碎裂隙帶向南東徑流，至徐水斷裂與定興—石家莊深斷裂下切交匯區(qū)域時，遇深部熱源形成熱水。

4.3 與已知地熱井對比分析

根據(jù)徐水縣高林村附近地熱井S1資料（圖1），成井深度約為3003 m，揭露到不同地層底界面埋深分別為：第四系230 m，新近系明化鎮(zhèn)組598 m，古近系1160 m，薊縣系鐵嶺組1325 m，薊縣系洪水莊組1385 m，揭露至3003 m仍未穿透薊縣系霧迷山組白云巖。鉆孔揭露顯示薊縣系霧迷山組底部巖溶裂隙發(fā)育、連通性好，熱水來自基巖裂隙巖溶水，薊縣系霧迷山組底部存在一個厚度接近1000 m、埋深在2000～3500 m之間的巖溶裂隙層，目前已發(fā)現(xiàn)井口水溫為56℃、涌水量達50 m3/h、地溫梯度為2.69 ℃/100 m的地熱井（胡丁然等，2019①）。

電磁測量資料顯示，徐水斷裂深部存在寬度大、厚度穩(wěn)定的低阻異常區(qū)，分析是由于石家莊—定興深大斷裂與徐水斷裂的交匯夾持，造成巖石破碎程度較高、富水性好，導(dǎo)致其反演電阻率值降低，具備了地熱資源形成和賦存、運移的有利條件。

5 結(jié)論

（1）大地電磁測深資料表明，徐水斷裂是一條走向北西、傾向北東的高角度陡傾正斷層，其視傾角一般大于60°。從反演電阻率斷面圖面貌和等值線圈閉形態(tài)分析，無論是在北東向剖面上、還是在北西向剖面上，徐水斷裂都表現(xiàn)為顯著的高低阻分界線，薊縣系白云巖形成的高阻電性層等值線在這里出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象，形成寬度大于2000 m、向下延伸的低阻異常帶。

（2）反演電阻率斷面圖深部低阻帶反映了薊縣系霧迷山組底部存在一個厚度接近1000 m、埋深在2000～3500 m之間的巖溶裂隙層。徐水斷裂形成的低阻帶陡傾斜、且自上而下逐漸變寬，在深部與巖溶裂隙層交匯后，低阻異常帶規(guī)模明顯增大，是地熱資源賦存的良好空間，斷裂深部低阻異常交匯區(qū)是布置鉆孔的有利位置。

（3）通過大地電磁測深法對地表無異常顯示的深部地熱資源賦存有利區(qū)進行勘查，建立低電阻率異常帶與斷裂構(gòu)造、巖石裂隙帶的對應(yīng)關(guān)系，為查明熱儲構(gòu)造、地熱資源開發(fā)利用提供了重要的借鑒和參考。

注 釋

①胡丁然,路亞飛,梁波.2019.軍都山巖漿巖帶地熱資源勘查報告[R].石家莊:河北省地礦局第六地質(zhì)大隊.