太行山前徐水断裂深部电性特征及地热赋存条件分析

张伟 ，籍增贤 ，谢明宏

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，河北 石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，资源和环境的矛盾日益突出，地热作为一种绿色、清洁、高效的可再生能源，在工农业生产和城乡人民生活中得到了广泛应用。无论哪种类型的地热系统，都包括热源、热储、盖层和通道四个要素（陈墨香，1988；王贵玲等，2017），依据大地电磁测深资料可以反演得到地下电性结构剖面，了解地下不同深度介质的电阻率分布和变化特征，推断地热孕育、发生、发展和储藏等控制因素，确定地热异常区盖层和热储层厚度以及控热构造展布特征（韩再生等，2007；胡宁等，2011；王建新，2013）。

在众多地球物理勘探方法中，大地电磁测深法（magnetotellurics，简称MT）具有探测深度大、对低阻层分辨能力强等优点，在探测深部储热断裂构造、圈定地热异常分布范围和延展方向等方面效果显著（李平平和陈海龙，2019；任鸿飞等，2019；皮伟等，2019；朱怀亮等，2019；陈怀玉等，2020）。

研究区位于保定北部、徐水以西的太行山东麓浅山丘陵区与华北平原的交接过渡地带。前人在研究区邻区通过专门性的地热勘查及综合研究，探明了有利热储层位的大致厚度和埋深，圈定了地热田和地热异常区（许德树和冯创业，2007；焦尚斌等，2017；任磊等，2020）。因技术条件所限，前人对研究区地热勘查探测深度较浅，工作程度也相对较低。为进一步查明研究区中深部地热资源赋存条件，本文选择大地电磁测深法，查明了徐水断裂深部展布特征，依据徐水断裂与石家庄—定兴深断裂交汇部位低阻异常带展布特征对深部地热地质条件进行了分析，指出了地热资源赋存的有利部位。

1 地质概况

1.1 地质概况

研究区地形以半丘陵为主，地表为第四系砂砾石层所覆盖，西部为基岩山丘，出露岩性主要有太古代片麻岩，中上元古界长城系石英砂岩、蓟县系白云岩，古生界寒武系碳酸盐岩等（胡丁然等，2019①）。

断裂构造主要有北东向和北西向，其中北东向为主干断裂，北西向次之（图1）。紫荆关—灵山深断裂走向20°～30°，倾向东南，倾角55°～75°，为正断层，长约280 km。定兴—石家庄深断裂大体走向北东，长约200 km，为中—新生代的继承性正断层，断裂向东南陡倾，断裂西盘基岩为太古界及中—上元古界地层，在平面上多处被北西向断层水平错移，并均为左行扭动性质，水平错距20 km以内。徐水断裂走向北西，倾向北，倾角60°，长度约20 km，断裂向西延伸，切穿燕山期岩浆岩，向东延伸，切断定兴—石家庄深大断裂，并使之左行扭断2 km左右。

图1 石家庄—定兴地区主要断裂构造分布图（据胡丁然，2019①）

岩浆岩出露较少，据《军都山岩浆岩带地热资源勘查报告》（胡丁然等，2019①），仅发现一处隐伏的燕山期闪长岩体，分布面积约170 km2，岩体最浅埋深约46 m。

1.2 地热地质特征

太行山前为基岩出露区，主要有太古界、中上元古界（长城系、蓟县系、青白口系）、古生界（寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系）等。蓟县系白云岩岩溶裂隙发育，连通性好。北东—北西向深大断裂及次级构造发育，形成了热流体的循环通道和赋存空间，有利于构造裂隙型和裂隙岩溶型热储的形成。热储层主要由上元古界蓟县系碳酸盐岩地层构成，主要岩性为白云岩、泥质白云岩，总厚度达1000 m以上（陆远昭，1957；宋洪伟等，2012；隋少强等，2020）。

2 大地电磁测量

2.1 电阻率特征

（1）主要岩性电阻率特征

根据《军都山岩浆岩带地热资源勘查报告》（胡丁然等，2019①）相关内容，太行山前主要地层（岩性）电阻率值差异很大（表1），可分成上低、下高两部分：上部低阻岩层电阻率均值在n×10～532 Ω·m，包括第四系松散砂砾石堆积层、新近系及古近系，表现为明显的低阻特征；下部高阻岩层电阻率值多为2000 Ω·m以上，青白口系、蓟县系白云岩电阻率值最高达8814 Ω·m，长城系砂岩、页岩电阻率较低为2119 Ω·m。

表1 徐水地区主要地层及岩浆岩电阻率统计表

（2）实测电阻率特征

根据主要岩石实测电阻率参数统计，砾岩、页岩、片岩电阻率明显比其他岩石偏低；灰岩、白云岩电阻率值明显偏高（表2）。

表2 徐水地区主要岩石实测电阻率统计表

统计结果显示，主要热储层蓟县系白云岩表现为相对高阻特征，与其上覆、下伏地层均存在明显的电阻率差异。

2.2 探测方法

大地电磁测量野外数据采集使用加拿大凤凰公司生产的MTU-5A电磁系统，每个测点同时记录3个磁信号（Hx、Hy、Hz）和2个水平电场信号（Ex、Ey），采集频率范围为320～0.01 Hz，测点布设采用“十”字形布极方式，测点及电极定位均采用南方测绘公司生产的高精度RTK现场测量，定位精度及点位误差均不超过10 cm，布极方向由森林罗盘精确定位，偏差不超过1°，水平磁探头入土深度大于30 cm，共布置4条剖面（L1、L2、L3、L4，图1），测点92个，点距1000 m，总长度90 km，每个测点数据记录时间超过24小时，有效探测深度约4000 m。为了保证大地电磁野外数据的质量，在100 km以外布置了远参考站，使用远参考站记录的磁场分量参与阻抗张量元素计算，采用Robust方法对原始数据进行了处理。

通过数据编辑、曲线圆滑、极化模式识别及静态效应等环节，采用二维非线性共轭梯度法（NLCG）进行了反演处理（汤井田等，2007；陈向斌等，2011；梁宏达，2012；仇根根等，2015），获得了能够客观反映深部地质体电性特征的反演电阻率断面图。

3 测量结果

完整的岩石电阻率相对较高，由于断裂构造造成地层破碎、充水、溶蚀，导致电阻率发生明显降低，在垂向上形成倾斜的低阻异常带，横向上发生电性层错断、形成等值线梯度密集带，根据地质构造单元划分、断裂位置等资料，结合低阻带特征可以对断裂带深部展布情况进行推断（汤井田等，2007；李富等，2009；祁晓雨等，2011；黄力军，2020）。

3.1 L2剖面断裂特征

剖面水平距离24000 m 处是徐水断裂通过的位置（图2），表现为高低阻分界线，相对稳定、连续的反演电阻率高阻电性层在此被错断，低阻带宽度接近2000 m，受断裂改造，断面图底部低阻异常带出现明显的错位。低阻带左侧呈稳定的相对高阻特征，反演电阻率值一般大于250 Ω·m，右侧为厚度较大的相对低阻电性层，反演电阻率值一般为90～250 Ω·m，近地表低阻层为第四系，其下奥陶—寒武系灰岩电阻率值明显增高，低阻电性层厚度及推断地层界面与钻孔23揭露结果吻合较好。根据反演电阻率等值线形态判断，断层倾向北东，视倾角约为63°，为上盘下降、下盘上升的正断层。

图2 L2剖面徐水断裂电性特征示意图

3.2 L4剖面断裂特征

从断面图高低阻面貌特征和反演电阻率等值线圈闭形态分析，由于徐水断裂的改造作用，将原本连续、稳定的高阻电性层错断。断裂向下切穿低阻异常带后，形成宽度大于3000 m的低阻带，且低阻带出现明显的向上凸起（图3）。根据反演电阻率等值线形态判断，断层倾向北东，视倾角约为61°，为上盘下降、下盘上升的正断层。

图3 L4剖面徐水断裂电性特征示意图

4 地热赋存条件分析

4.1 深部地层电性特征

剖面下方蓟县系白云岩总体表现为稳定的相对高阻特征（图4），反演电阻率值一般为300～3000 Ω·m，反演电阻率等值线连续、宽缓，表明地层稳定性好。埋深2000～3500 m之间存在一个厚度近1000 m的低阻异常带，其埋深起伏变化较为明显，自西向东低阻异常带出现明显的抬升、变浅趋势。受徐水断裂控制和改造，深部低阻异常带发生膨大、外凸。

图4 徐水断裂深部地层电性特征及地热赋存有利区示意图

4.2 地热地质条件分析

受北东向深大断裂的夹持以及北西向徐水断裂的改造作用，研究区地层自北西至南东向呈阶梯状分布，近地表蓟县系白云岩形态完整、厚度较大，但其深部存在厚层的破碎带，且埋深由西向东逐渐降低，既为地下水运移提供了通道，同时也有断裂构造沟通深部热源，表明研究区具备了良好的地热资源成藏条件。

（1）深部热源稳定。前人资料表明，太行山前每次较大的构造运动均伴有岩浆活动，特别是燕山期岩浆活动剧烈、频繁（胡丁然等，2019①）。钻孔揭露发现一条隐伏的闪长岩体（燕山期），最浅埋深约46 m。

（2）热储层厚度大。4条剖面反演电阻率断面图（图4）显示，深部出现厚度较大的低阻异常带，表明地层（岩石）破碎程度高。已知地热井揭露显示蓟县系雾迷山组白云岩破碎层厚度近2000 m（图5），底部岩溶裂隙发育、连通性好，热水来自基岩裂隙岩溶水（胡丁然等，2019①）。

图5 地热井S1柱状图（据胡丁然，2019①）

（3）盖层岩石完整。第四系及其下伏地层厚度自西向东逐渐增大，最大厚度超过了1000 m。L2、L4反演电阻率断裂电性特征图（图2～3）表明，中浅部厚度较大的高阻电性层阻值稳定、等值线光滑连续。钻孔资料显示，蓟县系雾迷山组白云岩上覆盖层厚度超过1160 m，表明深部地热资源具有较好的隔热和保温层（胡丁然等，2019①）。

（4）通道连续性好。图4为4条剖面反演电阻率特征立体示意图，从图中可以看出，剖面L2西段整体电阻率值偏低，推断为太行山前裂隙发育、白云岩溶蚀程度高等因素的综合反映，形成了大面积的汇水区，深部岩溶裂隙或破碎带形成导水通道，具有良好的导水连通性。另外，L4线电性特征显示，低阻异常带在横向（南西-北东方向）上亦有较好的连通性。地下水沿破碎裂隙带向南东径流，至徐水断裂与定兴—石家庄深断裂下切交汇区域时，遇深部热源形成热水。

4.3 与已知地热井对比分析

根据徐水县高林村附近地热井S1资料（图1），成井深度约为3003 m，揭露到不同地层底界面埋深分别为：第四系230 m，新近系明化镇组598 m，古近系1160 m，蓟县系铁岭组1325 m，蓟县系洪水庄组1385 m，揭露至3003 m仍未穿透蓟县系雾迷山组白云岩。钻孔揭露显示蓟县系雾迷山组底部岩溶裂隙发育、连通性好，热水来自基岩裂隙岩溶水，蓟县系雾迷山组底部存在一个厚度接近1000 m、埋深在2000～3500 m之间的岩溶裂隙层，目前已发现井口水温为56℃、涌水量达50 m3/h、地温梯度为2.69 ℃/100 m的地热井（胡丁然等，2019①）。

电磁测量资料显示，徐水断裂深部存在宽度大、厚度稳定的低阻异常区，分析是由于石家庄—定兴深大断裂与徐水断裂的交汇夹持，造成岩石破碎程度较高、富水性好，导致其反演电阻率值降低，具备了地热资源形成和赋存、运移的有利条件。

5 结论

（1）大地电磁测深资料表明，徐水断裂是一条走向北西、倾向北东的高角度陡倾正断层，其视倾角一般大于60°。从反演电阻率断面图面貌和等值线圈闭形态分析，无论是在北东向剖面上、还是在北西向剖面上，徐水断裂都表现为显著的高低阻分界线，蓟县系白云岩形成的高阻电性层等值线在这里出现错断现象，形成宽度大于2000 m、向下延伸的低阻异常带。

（2）反演电阻率断面图深部低阻带反映了蓟县系雾迷山组底部存在一个厚度接近1000 m、埋深在2000～3500 m之间的岩溶裂隙层。徐水断裂形成的低阻带陡倾斜、且自上而下逐渐变宽，在深部与岩溶裂隙层交汇后，低阻异常带规模明显增大，是地热资源赋存的良好空间，断裂深部低阻异常交汇区是布置钻孔的有利位置。

（3）通过大地电磁测深法对地表无异常显示的深部地热资源赋存有利区进行勘查，建立低电阻率异常带与断裂构造、岩石裂隙带的对应关系，为查明热储构造、地热资源开发利用提供了重要的借鉴和参考。

注 释

①胡丁然,路亚飞,梁波.2019.军都山岩浆岩带地热资源勘查报告[R].石家庄:河北省地矿局第六地质大队.