地热资源作为一种储量大、应用广泛的绿色能源, 在当今节能环保、能源短缺的国际背景下越来越受到人们的重视 14。河北省雄县地热田作为北方的主要地热能开发区, 由于其独特的地理位置, 成功的地热开发将对京津冀节能减排产生巨大影响, 因而有众多的专家和学者对其进行了详细的研究, 积累了大量的第一手资料 59。但这些研究主要集中在地质、地球化学、水文、钻井工程等方面, 地球物理与地质相结合的研究相对较少。

综合地球物理勘探方法其有成本低、对场地等环境没有或很少破坏、探测深度大、成果直观等诸多优点, 在地热资源勘查上被广泛应用, 并取得了多个成功的例子, 表现出极强的生命力 1013。雄县地热田地热资源具备分布广、储量大、埋藏浅、温度高、水质优等特点, 近些年已被广泛开发利用。但由于缺乏足够的前期勘查, 大量的地热井缺乏合理规划而盲目钻探, 造成后续供热能力受限。笔者基于重力异常、航磁异常特征, 结合地质、钻井、测井等资料, 开展雄县地热田的综合地球物理响应及控热构造特征的针对性研究, 分析了雄县地热田基底起伏、导热通道及磁性岩体分布等特征, 为地热资源后续勘探部署提供了重要的基础资料, 对降低勘探风险有着重要的意义。

雄县地热田位于中朝准地台(Ⅰ 级)华北盆地(Ⅱ 级)冀中凹陷(Ⅲ 级)的北部^[8]。区域内新生界地层随凸起和凹陷呈披盖式分布, 第四系松散沉积层和第三系泥岩、砾岩和砂岩近乎平行接触。下伏地层依次为白垩系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、青白口系、蓟县系和长城系以及太古代变质岩系。

雄县地热田大部分区域属于牛驼镇凸起。牛驼镇凸起的边界均为断裂构造, 与廊坊固安凹陷的界线是大兴断裂, 与霸县凹陷的界线是牛东断裂, 与饶阳凹陷和高阳低凸起的界线是牛南断裂, 与容城凸起的界线是容城断裂 (图1), 断裂走向主要为NE向, 其次为EW向、NNE向和NW向3组。主要断裂形成于燕山运动晚期, 并在喜马拉雅运动早期活动加剧, 是长期活动性断裂, 根据区域地质资料, 推断NE向断裂由压性转变为张性, NE向断裂为张性。其他断裂一般规模较小, 对第三系不起控制作用。在牛东断裂和大兴断裂之间即牛驼镇凸起范围为前新生界的单斜构造, 地层倾向NW。雄县地热田具有沉积盆地型地热资源的典型热储类型, 第三系砂岩孔隙热储和基岩岩溶裂隙热储。

图1

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	图1 牛驼镇凸起主要断裂构造[14]

雄县地热系统中的断裂和次生断裂构成了地热水的主要导水通道, 第四系地层构成了地热系统的良好盖层。结合区域地层特征, 作者对雄县国际3井进行了测井测温曲线分析。第四系盖层厚约300 m, 从测温曲线上可以看出盖层的隔热效果明显, 确保了下伏两套热储的热量保存, 第三系砂岩热储埋深300~900 m, 两套热储接触界面(900 m埋深)存在明显的地层温度间断, 表明为两套独立的热储体系(图2)。

图2

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	图2 雄县国际3井测井测温曲线

岩石的密度、磁性的数值差异是开展重、磁勘探工作的前提条件, 物性参数的精度直接影响资料处理和成果的解释精度^[15]。

根据河北省区域地层物性统计成果(表1)^[16]①第四系平均密度为1 669 kg/m³, 第三系平均密度为2 588 kg/m³, 两者存在919 kg/m³的密度差, 为研究区的第一密度界面; 下伏白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系等地层岩性密度差异较小, 相邻地层岩性密度差均小于100 kg/m³, 地层密度界面不明显。由于雄县地热田第三系砂岩地层直接不整合于蓟县系白云岩地层, 两者的密度差为152 kg/m³, 构成第二密度界面, 这一差值可引起明显可分辨的重力异常, 是研究区重力勘探解释推断基岩埋深及断裂构造位置的依据。结晶基底的密度一般相对较高, 其起伏变化也影响到重力场的变化。在隆起区往往形成重力高异常, 在凹陷区则形成低缓的重力低异常。②第四系、第三系以及白垩系地层磁化率较为接近, 磁化率数值相对中等, 岩样中的磁性主要是由覆盖物及碎屑岩中的高磁性重矿物以及岩石变质化引起。同样是砂泥岩的侏罗系磁化率突然升高, 推测为燕山晚期岩浆岩侵入造成, 是进行火成岩识别的重要依据(河北地区火山熔岩平均磁化率为715.32× 10^-5SI^[17], 平均密度为2559kg/m^{3 [18]})。三叠系、古生界和元古界的地层磁化率均在30× 10^-5SI以下, 为弱磁性特征。一般新生界到中上元古界沉积岩的磁性都较弱, 区域性磁场由古老结晶基底— — 下元古界和太古界的变质岩系引起, 而发育在区域磁场背景上的局部高磁异常揭示出基底局部凸起、侵入岩体和盖层中磁性夹层或地质构造。

表1

表1

表1 河北省区域地层物性统计成果[16] 地层 岩性 密度/(103 kg/m3) 磁化率/10-5SI 界 系 新生界 第四系 粘土、冲洪积物、砂层 1.669(210) 84.1(202) 第三系 砂岩、泥岩 2.588(284) 60.7(58) 中生界 白垩系 含砾砂岩夹薄层泥岩 2.431(657) 110.6(102) 侏罗系 砂岩、泥岩 2.522(2116) 458.1(682) 三叠系 砂岩、泥岩 2.570(125) 14.2(99) 古生界 二叠系 砂岩与泥岩不等厚组成, 底部夹煤层及炭质泥岩 2.605(155) 26.9(54) 石炭系 炭质泥岩、煤层, 夹灰岩和砂岩 2.592(111) 4.6(59) 奥陶系 灰岩、白云岩 2.678(552) 1.1(82) 寒武系 灰岩、白云岩夹泥质 2.678(564) 3.5(75) 元古宇 青白口系 泥灰岩、泥岩 2.664(104) 3.7(60) 蓟县系 白云岩、泥质白云岩 2.740(748) 4.0(62) 长城系 白云岩、泥质白云岩 2.671(1004) 3.8(204) 注:括号中为样品数。

表1 河北省区域地层物性统计成果[16]

重、磁异常分别为不同深度密度与磁性不均匀地质体的综合效应, 包括深大断裂和火成岩引起的局部重、磁异常变化^{[19, 20]}。由于重、磁勘探方法本身的特点, 不能直接寻找地热, 但由于大量地热体发育在断裂尤其是深大断裂附近, 断裂作为引导聚集热流的通道或者热流体的存储空间可以是地热田至关重要的控热构造。火成岩侵入体保留的余热可以向浅层通过热传导的方式为地热田提供热量, 尤其地质年代较新的侵入岩往往是地热田稳定有效的热源。因此可以基于重、磁异常特征, 利用异常分离、反演计算等技术, 来推测基底起伏特征、识别与热流体通道有关的断裂构造和火成岩体的分布和规模, 具体研究思路如图3所示。

图3

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	图3 控热构造综合地球物理解释路线

3.1 重力异常特征

重力勘探在反映区域构造, 寻找基岩隆起、凹陷及断裂构造方面是一种十分有效和方便的物探方法^{[21, 22, 23]}。布格重力异常的高异常区反映基底隆起, 低异常区则反映盆地、坳陷、断陷等^[24]。根据河北省地质资料馆提供的1:100万华北布格重力异常等值线图(图4), 整体上以香河— 任丘为界, 东南为重力低, 西北为重力高, 且呈现高重力异常带与低重力异常带并存的特征, 走向为NE。重力异常梯级带的走向反映了地下质量分布沿着水平方向的变化, 与地壳结构与构造变形有密切关系, 牛驼镇凸起与坳陷交界处显示了明显的重力异常梯级带, 这是断层的显著标志, 但受到深部基底重力特征的叠加影响, 断层位置不明显, 需要对布格重力异常数据进一步的处理和反演计算来进行断裂位置的定位。

图4

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	图4 华北布格重力异常平面

布格重力异常可以看作背景重力异常和目标剩余异常的叠加。背景重力异常主要反映深层基底起伏和盆地级别的大构造格局。为了更精确地描述牛驼镇凸起的基底形态与两侧断裂特征, 需要分离背景重力异常。采用基于双谱信号分解与重构的方法进行异常分离^[25]。背景重力异常(图5a)由2个异常组成, 即近东西向的大兴— 香河异常和北东向的大城县异常; 图5b为将背景重力异常场移除后的目标剩余重力异常, 相比较于原始布格重力异常(图4), 总体上异常收窄能够更清晰地反映构造细节定位构造位置。其中, 变化较大的是, 大兴重力高值区在位置上有一定的南移, 使得与牛驼镇重力高基本连在了一起, 北东向构造格局更加明显; 大兴重力高向西略有收缩, 向南有一定的位移与牛驼镇重力高连在了一起。

图5

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	图5 华北布格重力异常分离

应用三维欧拉反褶积技术^[26] 对目标剩余重力异常(图5b), 取构造指数1.0进行反演计算, 得到岩体及断裂构造的位置分布, 通过数据插值使反演结果的显示更加直观形象, 类似于构造图(图6)。图6所示的深度是一个大致的深度值, 其与实际构造的深度存在一定的误差。三维欧拉反褶积反演得到的结果主要是地质体的边界, 因此地质体内部本身没有数据, 插值使其也连成了一片。由图6可以看出, 反演结果较好地显示了牛东断裂的位置。并且显示牛东断裂是一条很陡的断裂, 而牛驼镇凸起西侧的边界则是一个相对缓一些的斜坡。重力三维欧拉反褶积反演结果显示雄县地热田所在的牛驼镇凸起顶部轮廓进一步收窄, 凸起两侧断裂特征精细化, 尤其是牛驼镇凸起两侧的牛东断裂和容城断裂。牛东断裂位于牛驼镇凸起东南边缘, NE走向, 断裂两侧的基底深度差较大; 容城断裂位于凸起西北侧, NNE走向, 断裂上下盘构造差相对较小。两大断裂一方面作为控热边界, 为深部热水的对流循环提供了有利通道, 其下降盘下第三系地层沉积齐全, 最厚达万米, 深部热水受下第三系的阻挡沿断裂上涌补给牛驼镇一带, 从而形成温度较高, 富水性较好的地热田; 另一方面断裂周边的上部地层(尤其是碳酸盐地层)作为热水上涌出口, 经过长年累月的多期溶蚀, 容易形成多孔溶蚀带, 断裂作为构造应力释放区也会产生大量的裂缝带。综合分析, 重力处理解释为有利储热构造的判定提供了重要的依据。

3.2 磁异常特征

利用航磁异常来推断磁性地质体或岩体的边界与构造特征已经历了几十年 2730。通过中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心收集到1:20万的华北化极航磁异常(图7), 将其与华北布格重力异常图(图4)进行同区域对比发现, 布格重力异常基本是单一的NE走向, 航磁异常有NE、NEE 、NW向3组走向; 重力异常与化极航磁异常的正、负基本不对应; 牛驼镇凸起在化极航磁异常上处在梯级带上; 牛驼镇凸起的东北方重力异常是一个较大的负异常, 却是本地区最大的磁力高异常。由此说明, 化极航磁异常与重力异常所反映的地质构造并不一致。重力异常反映的是基岩顶部的起伏变化, 而化极航磁异常反映的是高磁性岩体^[31]。

图6

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	图6 目标剩余重力异常三维欧拉反褶积反演

图7

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	图7 华北化极航磁异常图

应用三维欧拉反褶积技术对华北化极航磁异常(图7), 取构造指数1.0进行反演计算, 得到华北雄县地区磁性地质体(岩浆岩或变质岩)分布特征, 通过数据插值使反演结果的显示更加直观形象, 类似于构造图(图8)。容城断裂靠近牛驼镇的区域和牛东断裂靠近雄县区域(图8红色线圈), 存在串珠状分布的磁性地质体, 埋深约为2.2~3.5 km。结合前人研究分析^[32], 本地区沉积地层中存在少量火成岩侵入体, 在沿容城断裂呈串珠状分布3个深层侵入岩体, 岩体长3~6 km, 埋深3~6 km, 均为燕山期花岗岩, 雄县南部淀6-2井自1 767 m钻遇花岗岩、石英二长岩、闪长岩等, 钻至2 505 m未揭穿。这些高磁性的火成岩侵入体对于雄县地热田的地热形成起到了重要的供热作用。一般而言, 岩浆活动年代新, 规模大的中、酸性侵入体, 所保留的余热较多, 对现今地温有较大的影响^[9], 是潜在的供热热源。综合分析, 航磁处理解释为潜在热源的判定提供了重要依据。

图8

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	图8 化极航磁三维欧拉反褶积反演

笔者通过华北布格重力异常处理进行了牛东断裂、容城断裂等控热性构造解释, 缩小地热资源勘查的研究范围。利用航磁资料进行高磁性地质体展布预测, 结合地质研究进行了潜在热源分析。

容城断裂与牛东断裂是牛驼镇凸起的主要纵深断裂, 既可以通过裂隙引导深层热流上涌, 也可以促进周边岩溶裂隙型热储的发育。重力异常表现为线状异常梯度带, 通过异常分离及三维欧拉反褶积反演, 可以精确地解释两大断裂位置及上下盘特征。

侵入岩主要位于牛驼镇凸起西南边缘的雄县县城以及牛坨镇以西的区域。当燕山期和海西期酸性、中酸性岩体侵入元古界地层并具备一定规模的时候, 该类岩体表现为低密度和高磁性, 地球物理特征为重力低和磁力高异常^[33]。

侵入体与两大断裂在地理位置上的重合区域具备了潜在热源, 导热通道以及缝洞型热储的发育条件, 为水热型地热资源的有利勘查区。本次研究对于雄县地热田后续的勘探远景区规划, 指导地热开发具有重要价值。重、磁异常特征分析可进行地热勘探有利区预测, 结合电磁、人工地震等其他资料, 可以对研究区的断裂产状、走向以及热储体非均质性特征进行精细的描述。