二维地震勘探在北京城市副中心地热资源勘查中的应用

赵玉 雷晓东 赵旭辰 孙明国

摘 要：二维地震勘探具有分辨能力强、勘探深度大等优点，但因施工成本高、城区场地受限等因素在地热勘查领域应用不多。为研究北京城市副中心地热资源赋存条件，沿通州运潮减河完成了1条剖面长度8.5km的二维地震勘探，采用夯击震源激发、10m道距接收，获得了1200m深度范围内的地层结构与断裂构造信息。研究表明：二维地震勘探结果与其他地球物理方法及钻探成果一致，北京城市副中心地区发育燕郊断裂及其支断裂，断裂倾向SE，主断裂上盘第四系盖层厚度约500～700m，其下发育新近系;支断裂下盘第四系下伏青白口系。新生界和青白口系两套地层构成了地热系统的良好盖层。

关键词：二维地震;地热;燕郊断裂;北京城市副中心

Abstract： 2D seismic exploration has the advantages of strong resolution and large exploration depth. However， due to high construction cost， limited urban sites and other factors， it is not widely used in geothermal exploration. In order to study the occurrence conditions of geothermal resources in the Beijing municipal administrative center， a section 2D seismic exploration （8.5km long） along the Yunchaojian River was completed in Tongzhou District. The stratum and fault information within 1200-m depth range were obtained by pound seismic sources and 10-m group interval. The research shows that the 2D seismic exploration results are consistent with other geophysical methods and drilling results. The Yanjiao fault and its branch faults are developed in the Beijing municipal administrative center. The fault trend is SE direction. The Quaternary cap layer on the upper wall of the main fault is about 500-700m thick and Neogene is developed below it. The Quaternary System underlying the footwall of the branch fault is Qingbaikou System. The Cenozoic strata and Qingbaikou Systems are formed as a good cover for geothermal system.

Keywords： 2D seismic exploration; Geothermal; Yanjiao fault; Beijing municipal administrative center

0 前言

在北京城市副中心建設过程中，加强地热资源的开发利用是优化首都能源结构、推动能源绿色智能高效转型的重要战略举措（李宁波等，2017;;2018;2020）。地热资源勘查开发首先应开展地球物理调查，查明地热系统结构特征，降低后期钻探风险。北京地区地热资源勘探已有近50年的历史（杨亚军等，2017），应用的传统物探方法有重力勘探、磁法勘探、直流电测深、CSAMT、微动测深、氡气测量等，已经成功地为多个地热田的勘探开展了前期论证工作（雷晓东等，2017;刘凯等，2018;徐光辉等，2007）。

地震勘探技术因其勘探精度高，在资源、活动断裂、水文地质、环境地质调查等领域已经得到了广泛应用，但在地热勘查中应用并不多，这是因为地震勘探技术施工组织复杂，成本较高，但副中心地区人文活动强，传统的地热物探方法受严重干扰，又因该地区地质构造复杂，研究程度不高，因此需高分辨率地震勘探手段来探测地热构造、地热储层埋深和盖层结构等。本次在地热重点勘查区布置了8.5km二维地震勘探剖面，进一步查清了断裂构造几何特征及盖层厚度问题。

1 区域地质及地热地质背景

研究区位于通州区潞城镇一带，属于双桥地热田外围区域，新生代以来主要受印度洋板块向北挤压应力影响和太平洋板块向北北西俯冲的影响，华北地块内中生代以来形成了NE-NNE和NW向两组断裂体系，为本区地热资源赋存运移提供了基本构造前提。燕郊断裂位于张辛庄—黎辛庄—七级村—沙窝一带，呈NE向（图1），属于张性正断层，具有一定的导热导水作用，深部热水侧向径流在断层面受阻后，可沿断裂形成的径流通道上涌补给顶部裂隙带，使断裂带两侧具有较高的温度和丰富的水量。

钻孔揭露区内地层为第四系、新近系，青白口系景儿峪组、长龙山组和下马岭组，蓟县系铁岭组、洪水庄组和雾迷山组（何等，2019;吕金波等，2016;高林志等，2010）。在北京平原区，热储层以蓟县系碳酸岩盐为主，而第四系松散沉积物、砂黏土层，青白口系泥灰岩、砂质页岩以及蓟县系洪水庄组炭质页岩等地层渗透率小，热导率低，不利于地层之间热传导或对流，从而为深部的白云岩热储层形成了良好的盖层（雷晓东等，2018）。

2 数据采集

野外施工前，根据已有的地质资料及地热预测有利区段，在垂直燕郊断裂、燕郊支断裂位置布置了1条高分辨率地震勘探长剖面，该测线沿运潮减河展布（图1），长度为8.5km。由于研究区第四纪沉积物较厚，会造成地震波衰减，使得深层地震能量不足，因此合理选择采集参数，可以有效地抑制干扰，突出有效波，提高对小构造的分辨能力。为分析区内影响地震资料品质的主要因素及提高地震资料信噪比和分辨率的施工方法与技术，在正式采集之前进行了野外试验。综合考虑此次地震勘探的地质任务和实际施工场地的限制，试验中用的观测系统参数为道距10m、排列长度为1800m，采样间隔1ms，记录长度3s。

考虑到北京市区的安全因素，本次地震震源选择为夯击震源，冲击次数是影响震源能量的关键因素，也是影响单炮记录信噪比的关键因素。如果冲击次数不足，会导致地震资料信噪比低，但过多的冲击次数会耦合不好，反而会降低信噪比，同时会降低工作效率。为选择合适的次数，保证足够的下传能量，进行了4次，6次，8次，10次，12次，14次试验（图2），当次数为10次时，环境噪音能量相对于有效波更小。同时考虑到整个工区内环境复杂，为了保证资料信噪比，整体考虑选择冲击次数为10次。

经波场特征分析，区内干扰波有环境噪声形成的干扰波，面波和折射波干扰，浅层信噪比较高;施工过程中，检波器按照要求安置以保证良好的接收条件，同时，尽可能的减少环境噪声的影响，进一步提高单炮记录信噪比。

本次地震勘探采用Aries2.66数字地震仪，记录参数为：1ms采样，记录长度3s，选用10m道距，20m炮距，最大45次覆盖，180道接收，中间激发的工作方法，检波器采用20DX-10Hz检波器，3个1串点组合接收，采取夯击震源单点10次激发，以提高单炮记录信噪比（表1）。

3 资料处理

资料处理的重点是提高数据的信噪比，从而达到对浅、深层地质构造的准确识别。通过对原始资料特点的分析，结合地质任务要求，经过认真全面的试验对比，确定本次数据处理采用的处理流程系统的处理包括：解编、弯线观测系统定义、编辑、振幅补偿、叠前去噪、静校正、速度分析、动校正、偏移等。通过对地震数据处理技术的试验分析，发现静校正、去噪技术、弯线处理及偏移技术是此次数据处理流程中的关键步骤。

3.1 野外静校正

野外静校是地震资料处理中的关键环节之一，研究区内表层低、高速层速度横向都相对稳定，但低、高速间差值较大，不大的低速层厚度差却带来了较大的静校正量差，使得由此产生的地震波旅行时差对信号的叠加效果产生了较大的不利影响。为解决野外静校正问题，在正确拾取原始单炮初至的基础上，通过试验对比最终选择采用折射静校正方法完成本区的野外静校正，试验确定静校正统一基准面为25m，替换速度1700m/s 取得了较好的应用效果（图3）。

3.2 去噪处理

原始资料的干扰波类型主要有面波、多次折射、50HZ干扰、随机噪声等。针对上述情况，处理过程中进行了叠前去噪试验。采用多域、多种去噪方法联合应用，有针对性、逐步到位的原则，根椐去噪前后的单炮与叠加剖面差异检查去噪效果，有效地压制了噪声，提高了地震记录的信噪比。本次叠前组合去噪主要采用在炮集记录上进行地表一致性區域异常噪声衰减，压制部分强能量低频面波和高频干扰，再进行减去法分频预测滤波压制倾斜规则干扰，获得了较好的应用效果（图4）。

3.3 弯线处理及偏移处理

由于地形的影响，本次观测测线是弯曲测线，在处理过程中采取面元叠加的三维处理方法，适当调整共中心线的位置、适当限制面元宽度，以减小共中心点分布发散和由于地层倾斜造成的叠加混波效应，提高对地下地层的叠加成像精度。

偏移归位是实现最终落实地下构造形态这一目标最为关键的环节。理想的偏移方法应该既能实现大倾角地震波同相轴的空间归位，又能适应速度场的横向变化，且不改变资料的频率特征。叠前时间偏移首先将叠加速度作为初始偏移速度，因叠前速度受地层倾角影响较大，且受绕射波、回转波及断面波等因素的影响而变得横向上很不稳定，因此，需要对作为初始偏移速度的叠加速度进行一定的平滑或加权处理，使之更适合偏移处理要求。实际处理中在将叠加速度转换为初始均方根速度后，为了保证速度趋势的合理性，又对其进行了较大的趋势平滑处理。处理中共进行了3次的迭代优化速度，并最终完成叠前时间偏移处理如图5a所示。

4 地震剖面解释与讨论

经过以上资料处理之后得到的叠前时间偏移剖面（图5a），经过时深转换后得到深度剖面（图5b），根据同相轴的连续性和速度特征确定了波形比较稳定的同向轴作为辅助层连续追踪，并结合收集的区域地质与地球物理资料和勘探区内的已有钻孔资料，确定主要反射波所对应的地层分布与地层结构，而通过反射波同相轴错断、强相位转换等特点来推断剖面上的断裂构造。

从图5可以看出，浅层同相轴较为清晰连续，结合钻孔信息划分为4个反射层位：T1反射层贯穿整条剖面，时间在300～600ms，时深转换对应深度剖面的界面为260～700m，在距离测线北部1km处、垂直于测线650号点的“勘3井”揭露的第四系底界深度为276m，而距离剖面起始位置500m的TJ-9井揭露第四系深度为307m，且两井均揭示第四系下伏基岩为青白口系，因此推断T1为第四系的底界，且在1100点之前下伏地层为青白口系。T2反射层位于1100～1700点，叠前时间偏移剖面上500～900ms，而在深度剖面上600～1000m处，其同相轴振幅强度和频率特征与1100点之前的同相轴有明显差异，根据距离测线南部1.8km处、垂直投影于测线1250号点的“东勘2井”所揭露的第四系底界为301.7m，下伏地层为新近系泥岩、粉砂岩及砾岩，而T2反射层面之下没有明显的波阻抗界面，推断其下伏蓟县系的白云质灰岩或白云岩，因此T2层为基岩顶界面，是新近系与蓟县系的分界面。T3反射层上下的同相轴特征有明显不同，推断其为青白口系页岩和砂岩的分界面。在深度700m处T4层在速度剖面上此处的速度达到3000m/s，推测其为青白口系的底界，下伏地层为蓟县系白云岩夹少量页岩。