济源-开封坳陷西南部电性结构研究及地热资源远景区预测

邵炳松，朱怀亮，胡志明，胥博文，刘志龙，石 峰，王兴元，赵 超，王宪法

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

0 引言

地下热水作为一种新兴清洁能源，具有再生可持续，开发利用价值高、经济效益明显等优点，已广泛应用于供暖、洗浴、养殖、发电等领域。郑州地区蕴藏较为丰富的地热资源，开发利用较早(李清林，1999)。但目前的开采层位主要集中在新近系热储层，开采层位单一、水温不高、利用开发规模小，对深部基岩热储探查不明。研究区区域大地构造位置属于南华北盆地的次级构造济源-开封坳陷，区域内深部地热资源的地球物理勘查较少，且多限于地震勘探方法，缺少其他地球物理勘探方法的对比研究，这就需要一种既可以和地震勘探方法相互补充验证，又能够在地热勘查方面取得良好应用效果的地球物理勘探方法来做进一步探究。大地电磁测深方法因其具有探测深度大、不受高阻屏蔽的影响、对高导层敏感等特性，已广泛应用于地热田调查、水工环勘查等地勘领域(肖骑彬等，2004；赵国泽等，2004；张炯等，2007；叶益信等，2011；李尔頔等，2017；胥博文等，2019)。本文利用MT法对研究区深部地层结构和隐伏构造进行探测，并结合区域地质、地震勘探资料对反演剖面进行综合解译，进而推断地热远景区。

1 区域地质概况

图1 研究区构造位置(a)及MT实测点位图(b)

2 大地电磁数据采集、处理与分析

2.1 测线布置与数据采集

如图1b所示，共部署宽频大地电磁测深剖面4条，共计测深点84个(含检查点3个)，剖面总长度为39.85 km，其中L01～L03各相邻测线之间的距离为4000 m左右，各测线的平均点距为500 m左右。因实际地形、地理条件、人文干扰等因素的限制，根据勘查目的要求，部分测点相对设计点位在合理范围内进行了调整。大地电磁测深数据质量评价及检查点均方相对误差均符合规范要求(如表1、表2)，表明野外采集数据质量满足设计要求。

表1 大地电磁测深点统计情况表

表2 大地电磁测深检查点均方相对误差统计表

大地电磁测深资料的数据处理、分析与反演解释流程如图2所示。野外数据采集采用的是3套加拿大凤凰公司生产的MTU-5A型宽频大地电磁测深仪，配备MTC-50H型磁探头和Pb-Pbcl2不极化电极，采用四分量张量观测方式(Ex、Ey、Hx、Hy)，“十”字型布极方式，平均电极距为100 m。单点采集时间在3 h以上，采集频率有效范围为320～0.01 Hz，工频滤波设置为50 Hz，以真北向为x轴，正东向为y轴，水平磁探头布设方位以校准后的森林罗盘测定，电极放点均采用南方测绘生产的高精度RTK测量系统进行放样，精度可达厘米级。

图2 大地电磁测深数据处理解释流程

2.2 数据处理

数据处理过程包括：(1)频谱分析，原始时间序列经快速傅里叶变换由时间域转换为频率域；(2)Robust估计(Egbet and Book，1986)，Robust估算可以给不同误差级数的数据以不同的权重，从而得到更加真实的阻抗张量信息；(3)远参考道技术(Gamble et al.，1978)，同步采集的MT测点数据之间可以互为磁道参考，能够明显改善干扰较为严重测点的数据质量；(4)功率谱挑选，剔除功率谱异常点，校正“飞点”，保证视电阻率和相位曲线光滑。经一系列处理流程后的MT数据如图3b所示。

图3 典型测点数据处理前后视电阻率、相位曲线对比图

2.3 维性分析

为了选择合适的反演方法(二维/三维)，需要分析剖面的维性特征，本文采用Bahr二维偏离度方法(Bahr，1991)来判别数据维性，Bahr分解法是Swift判别法(Swift，1967)的改进，不易受各类畸变效应的影响，分析结果也更为可靠(张乐天等，2012)。一般情况下，二维偏离度值越小，表明地下介质越接近于二维情况，通常认为若二维偏离度值小于0.3，则可近似为二维构造。图4给出了四条剖面全部测点的Bahr二维偏离度拟断面图，从中可以看出各剖面大多数测点在0.01 Hz频段以上的二维偏离度值小于0.3，基本满足二维条件假设，适合做二维反演。

2.4 构造走向分析

当地下电性结构满足二维假设时，通过基于GB分解方法的多点、多频段阻抗张量分解技术(Groom and Bailey，1989；McNeice and Jones，2001)，可将MT数据分解为两组相互垂直且独立的极化模式(TE模式、TM模式)。图4显示了所有测点不同频段的GB分解结果，从图5中可以看出，研究区电性主轴方向由高频到低频具有高度一致性，有两个明显优势方向：NW向和与之垂直的NE向。研究区内控制性断裂走向以NW向为主，因此，研究区的主要构造走向应为NW向(330°)，在进行二维反演之前需要将各剖面所有MT数据分别顺时针旋转330°。

图5 研究区所有测点不同频段G-B分解结果

3 数据反演和电性分析

3.1 二维反演

二维反演采用非线性共轭梯度法(NLCG)(Rodi and Mackie，2001)，该方法是基于MT-pioneer软件实现的，通过对比分析不同模式、不同参数的多种反演模型，最终选定模型的反演参数为：TM +TE模式，门限误差分别为2%和5%，正则化因子tau=10；初始均匀半空间模型电阻率为100 Ω·m；反演频段为320～0.01Hz，迭代次数为100。L01～L04剖面最终反演拟合差分别为3.41、3.32、3.45、2.73。

3.2 反演模型电性分析

图6为四条剖面的二维电性结构模型图，为了能够完整地展示整个研究区的电性结构特征，通过所得剖面的二维反演结果制作不同深度模型的电阻率等值线图，截取深度分别为500 m、1000 m、1500 m、2000 m、2500 m、3000 m、3500 m、4000 m、4500 m、5000 m(如图7)。

从图6可以看出，研究区6 km以浅电性结构在纵向上具有明显的分层特征，浅部呈低阻特征，随着深度的增加电阻率逐渐增大。整体而言，研究区电性结构模型纵向上可分为四层：第一电性层为低阻层，电阻率值为20 Ω·m左右；第二电性层为中低阻层，电阻率值一般小于100 Ω·m；第三电性层为中高阻层，由浅至深电阻率值逐渐增大，电阻率值介于100～300 Ω·m之间；第四电性层为高阻层，电阻率值大于300 Ω·m。

图6 MT二维反演电性结构模型

根据不同深度模型的电阻率等值线图(如图 7)可以看出，研究区1000 m以浅的电性结构基本呈低阻分布，电阻率值约为20 Ω·m。自深度1000 m开始，研究区的整体电性结构表现为西、南部为相对高阻，东、北部为相对低阻；并且开始出现有规律的电性梯度带，存在两处比较明显的电阻率等值线异常区，延伸方向分别为NNW和NEE向。结合电性梯度带特征可依次划分出F1和F2两条断裂，其中，F1断裂位于研究区中东部，走向NNW，区内延伸长度近10 km。F1断裂南段两侧为相对高阻区；北段两侧的电性结构差异较大，其西侧为相对高阻区，东侧为相对低阻区，在1000～3000 m深度范围内这种电性差异逐渐增加，自3000 m深度之后又逐渐减小，此电性特征可连续追踪。F2断裂位于研究区中北部，走向NEE，区内延伸长约6 km，其两侧的电性结构也存在较大差异，其北部为相对低阻区，南部为相对高阻区。从2000 m深处开始，F2断裂南北两侧的电性差异随深度的增加逐渐减小，该电性特征具有连续性。上述电性结构说明F1、F2断裂可能同属研究区周边控制性断裂。

图7 二维反演不同深度模型电阻率等值线图

4 综合地质解译

大地电磁测深方法和地震反射波勘探方法都是判定断裂构造和划分地层的有效地球物理勘探手段。此次研究工作中，结合中国地震局地球物理勘探中心于2007年在老鸦陈附近开展的地震勘探工作，其布设的一条NEE向地震剖面DZ1与大地电磁测深剖面L02测线近乎平行，该地震结果在地质解译方面对MT反演结果起到了很好的约束、验证作用。将L01～L03剖面反演结果垂直投影到地震反射波叠加剖面上(如图8)，可见二者在地层划分和断裂判定方面具有较好的一致性。

根据研究区地层电性特征，综合地震及区域地质资料，划分地层如图8所示。研究区6 km以浅深度范围内地层由新到老发育有新生界第四系和新近系、古近系，中生界三叠系，上古生界二叠系、石炭系，下古生界奥陶系、寒武系及元古界嵩山群(如表3)，同时判定出两条断裂F1、F2(张胜业和潘玉玲，2004；林玉祥等，2015；康敏等，2018)。

图8 地质地球物理综合解释成果图(由上至下分别为：L03、L02、L01、DZ1(据刘保金等，2007修改)、L04剖面综合解释结果)

表3 地层综合解释

4.1 地层划分

4.2 断裂构造解释

利用大地电磁测深资料判定断裂的依据有：(1)因地层破碎充填低阻介质，导致形成低阻异常带；(2)电性层系列具有明显差异或电性层埋深存在明显的位移错动；(3)电阻率等值线图出现密集带或畸变带(赵建良等，2010)。根据判断原则，结合地震及区域地质资料，对研究区内断裂F1、F2作了详细的解译分析。

从图8所示的地质地球物理综合解释图可以看出，在L01～L03剖面均存在一组向NE倾斜的电性畸变带(F1断裂)。F1断裂两侧的电性层特征存在明显差异，电性层埋深错动明显。综合判断，F1断裂走向NNW，倾向NEE，倾角可达70°，上陡下缓，为正断层。其向下延深超过5000 m，错断了新近纪以前的地层，在N-Q地层内未发现断点，说明该断裂是一条新近纪以前的断层，同时其控制了古近系的沉积。综合资料表明F1断裂位置与老鸦陈断裂经过的地方相吻合，因此推断F1断裂即为老鸦陈断裂。

在L04剖面存在一组向北倾斜的电性畸变带(F2断裂)，其两侧的电性层埋深发生明显错动。根据该剖面的二维地电结构和不同深度模型的电阻率等值线图可知，F2断裂走向NEE，倾向NNW，倾角近80°，上陡下缓，为正断层，它可能并没有延伸至F1断裂东侧。在新生界(N-Q)地层内未发现断层错断现象，表明该断层仅错断了新近纪(N)以前的地层。根据断层错断地层情况分析，F2断裂可能切割了寒武-奥陶系地层。

4.3 地热远景区预测

5 结论

以研究区大地电磁测深数据二维反演结果与反射地震资料的良好对应关系为依据，进一步结合区域地质资料，总结以下认识：

(1)研究区二维电性结构模型具有横向分块、纵向分层特征，由浅至深电性层表现为低阻-中低阻-中高阻-高阻特征，对应划分的地层依次为第四系-新近系、古近系、三叠系、二叠系-石炭系、下古生界-元古界。

(2)老鸦陈断裂F1和推断断裂F2均为新近纪之前的断层，二者在基岩层可能是相交汇的，同属区域控制性断裂，控制着新生代地层的沉积，其沉积厚度由西南向东北呈递增趋势，老鸦陈断裂西侧区域缺失古近系沉积。

(3)研究区内地热资源的有利热储层位为新近系馆陶组及断裂交汇处附近的三叠系地层，深度较大，水温较高，在断裂带附近或穿过断裂带钻井可保证较高的涌水量。

优势与不足：地热资源与深部地质构造条件紧密相关，而大地电磁测深方法是解决深部地质问题的有效地球物理手段之一，甚至独具优势，可以为地热资源勘探工作部署提供重要的电性参数，因此在地热资源的勘探工作中采用大地电磁测深方法是适宜且有效的。但是由于地球物理勘探方法的多解性问题，加之地热资源开发的高投入性和高风险性特点，单一的大地电磁测深方法难以满足实际勘探需求。因此，在地热资源勘查的不同阶段应根据研究区的实际地热地质情况，采用不同的技术方法进行有效的选择和组合，结合其他区域地质资料等综合分析研究，从而达到合理投入、降低风险、提高精度的目的。

致谢：感谢审稿专家在论文评审过程中提出的诸多宝贵意见和建议。此外，天津地热勘查开发设计院物探室人员参与了MT野外数据采集工作，在此一并致谢！