综合地物化方法在张家口北部地热资源调查中的应用

韩冀春， 李祥新, 于建文

(河北省地球物理勘查院，廊坊 065000)

0 引言

地热资源作为新兴的清洁能源，具有高回报、长期受益、符合低碳经济的发展战略等优势。随着在生态旅游业长足发展，寻找与当地经济特色相配套的绿色经济增长点，是实现当地可持续性发展的必然要求[1-4]。张家口地区地热资源较为丰富，发现了大量的热泉、地热田，但主要集中于南部山区(如赤城热田、后郝窑地热田等)。很多学者认为，张家口南北具不同构造运动，北部地区不具有地热条件。北部地区地表多为第四系覆盖，其下大面积层状玄武岩分布，地热勘查工作难度相对较大。以往工作多为区域地质、区域地球化学及区域重磁和遥感工作，尚未进行过系统的地热资源调查评价工作，潜在资源优势尚未得到发挥。本次采用“地温调查+CSAMT+地面高精度磁测+地球化学测量”综合方法对地热资源进行系统的调查工作，了解与地热资源相关的构造、隐伏岩体、盖层及水文等地质条件，多种方法的应用避免了单一工作方法的多解性。通过上述工作分析该区的具有地热异常显示，地热前景较好。

1 地质构造背景

区内及周边线性构造纵横交错，西北部、中部，分别有北东向二级线性构造和两条近南北向转北东向的三级线性构造通过。主要断裂构造多呈张性、张扭性，具有规模较大，切割深的特点。新生代的新构造活动以继承性差异升降为主，产生新的活动性构造，与上述断裂构造交汇部位形成大量裂隙破碎带和裂隙带，为基岩裂隙型热储的形成和地下热水的运移上涌提供了有利条件。

区内划分为两个构造层：①太古界—古元古界构成的变质岩基底；②由中元古界—新生界地层构成的盖层。变质岩做为基底在区内广泛发育，由新太古界红旗营子群(Ar3h)以及侵入其中的中元古界变质岩(Pt2)构成。新太古界红旗营子群(Ar3h)岩性主要以片麻岩、变粒岩、石英岩及大理岩为主；中元古界变质岩(Pt2)岩性多为中细粒二长花岗岩、中细粒闪长岩。调查区上部的盖层主要由新近系始—中新统开地坊组(N1k)、汉诺坝组(N1h)和广泛覆盖全区的第四系(Q)地层构成。开地坊组(N1k)岩性主要有紫红色砾岩、砂砾岩、泥岩、灰绿色泥岩、页岩、灰白色泥岩、局部夹玄武岩块体；汉诺坝组(N1h)岩性以灰、灰黑色拉斑玄武岩，橄榄玄武岩为主；第四系松散堆积层(Q)，堆积层以残坡积物，冲洪积物和风积物为主。

图1 研究区构造位置图Fig.1 The structural location map of the research area

区内岩浆活动较频繁，调查区东北、东南、西北侧侵入岩见中元古代蒙古营子单元变质中细粒二长花岗岩(Pt2M)和霍素太下山岔变质中细粒闪长岩出露，推断调查区深部大面积岩浆岩分布，地热热源条件有利。

张家口地区已发现的地热资源，多出现于山区及山间盆地断裂构造交汇处，地热类型以断裂开放性为主，最高水温为88.6℃，水化学类型主要为SO4-Na型，矿化度在0.27g/L～1.15g/L之间[8]。北部地热异常线索较少，仅发现张北、尚义两处发现的异常，水温在25℃～40℃。

2 研究区地热调查特征

2.1 物性特征

本次工作采集物性标本测定，本区主要岩石电性、磁性统计如表1所示。

2.2 地温调查

地温调查方法是地热调查中的基础工作，是了解地下热状态，分析热异常形成机理的重要手段。温度场是热水资源存在最直接、也是最明显的标志。本次水文地质工作主要是对农用机井、民用饮水井进行调查。为取能客观反映全区地温异常的温度数据，地温测量首先了解本区恒温带温度，以避开浅层变温层的干扰。王贵玲[5]认为恒温带温度的确定采用多年平均地面温度略高于多年平均气温1℃～3℃的方法，研究区当地多年平均气温为2.6℃，所以确定本区恒温带温度为6℃。

研究区以6℃以下为背景场，以7.5℃为异常下限圈定地温异常范围(图2)。地温场是热水存在最直接、最明显的标志，地温异常分布的范围反应了断裂构造的特征，当断裂构造中有热水通道或构造交汇、破碎裂隙带中存在流动的热水时，就会引起温度场的变化，出现地温场的异常。图2中反应研究区存在五个地温场异常区，位于研究区的中部及西部地区。

图2 地热异常分布图Fig.2 The distribution of geothermal anomaly

由表1可知，本区电阻率值在n×10Ω·m～n×104Ω·m之间，由低到高为第四系松散层―第三系地层―中元古界蒙古营子组。

表1 研究区岩石标本物性统计表Tab.1 Statistical table of rock specimens in the study area

表2 研究区物性界面关系表

汉诺坝组致密玄武岩具有高磁、强变化磁异常特征，花岗闪长岩次之，其他则具弱磁性。具河北省物性研究成果，中生代花岗岩的磁化率均值为675 (4π*10-6SI)，剩余磁化强度均值为177(10-3A/m)，为具有较明显的磁性的地质体，当具有一定规模侵入时可形成明显的高值磁异常。上述磁性特征对地层圈定、隐伏侵入体和地质构造的发现具指示作用。

从表2可知：研究区存在一个明显的电性标志层—中新统开地坊组，其电阻率值为n×101Ω·m～n×102Ω·m；当中新统汉诺坝组地层含有气孔时也可作为第二个电性标志层，其电阻率值为n×101Ω·m～n×102Ω·m。

磁性体主要由火山岩层和侵入岩体组成，沉积地层一般呈弱磁或无磁性。

2.3 CSAMT测量

在地温异常圈定的重点区段开展CSAMT测量工作，目的是搞清楚研究区的断裂分布情况。数据采集过程中尽量避免人为电磁干扰，所得曲线出现严重畸变，经过处理后仍不能使用的物理点剔除，对静态位移效应进行校正。根据解释工作需要，对过渡区数据进行校正，从而提取出过渡区数据中“隐藏”的有用频率测深信息，使其得到有效利用。

从图3可以看出，断面异常纵向分层清楚，由浅到深总体为“高低高”的变化特征。结合地质资料及物性分析结果推断：浅部似层状高阻及以上薄层状低阻层为汉诺坝组玄武岩及上覆第四系，总厚度在100 m～110 m之间，在3.7 km处附近消失。其下伏厚层状低阻层为开地坊组，该组为水平低阻层，厚度在250 m～500 m之间。层状低阻层下的深部反演电阻率值明显增大，二者之间为近水平展布的梯级带，反映了中元古代变质侵入岩的分布，其厚度大于1 000 m。

依据本次CSAMT勘查共有20条测线。依据明显电性层的终断、垂向错动或纵向延伸的梯级带、纵向延伸低阻异常，推断了主要隐伏断裂构造(图7)，认为断裂以北东向、北西向、近南北向展布为主。各条剖面的电性总体表现为低阻+高阻层-低阻层-高阻层纵向变化特征，根据物性分析结果，各电性层分别对应汉诺坝组-开地坊组-中元古界变质侵入岩。为了探明断裂在深部的特征，通过深部(800 m)电性构造图(图4)清楚地反映了东南部基岩抬升区、北东向断陷构造带、西北部基岩区的基底隐伏构造特征。结合深部电性结构与地热异常分布，地温异常的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ异常区区位于F1-F6断裂处或交汇处，且断裂延伸较大，为地温异常场提供了深部来源。

图3 CSAMT反演及推断解释剖面Fig.3 CSAMT inversion and inference interpretation section

图4 研究区深部电性构造图Fig.4 Deep electrical structure diagarm of the study area

图5 磁测平剖图Fig.5 Magnetic flat profile

图6 深层土壤异常分布图Fig.6 The distribution of deep soil anomaly(a)As;(b)Hg;(c)Sb;(d)Bi

图7 研究区地热形成有利地段分布图Fig.7 The geothermal formation favorable location distribution map of the study area

2.4 高精度磁测剖面

侵入岩体是地热形成的决定因素，是热能之源。为了解研究区侵入岩体的情况，部署了与CSAMT同剖面高精度磁测勘查工作。

研究区内磁异常(△T)变化一般在-1 000 nT～500 nT之间。在研究范围内磁异常分为两个区域：西、中部磁异常值表现为负的磁异常高；东部磁异常表现为正磁异常特征。结合该区的地质资料、CSAMT资料、物性资料分析得出：西、中部地段表面被第四系覆盖，强变化的负磁异常是由玄武岩引起；东部地段正磁异常可能由深部具有较强磁性的中生代侵入体引起。

为了消除地面磁异常影响得到磁性的范围，将剖面数据做了延拓处理(上延50 m)，得到了△T平面剖面图(图5)，圈定了研究区内侵入体范围。由异常低缓特征推断侵入体埋深较大。研究区内热异常多分布于推断侵入体边缘及附近，其形成可能与之有关。

2.5 土壤地球化学测量

在土壤地球化学测量中可以普遍使用As、Bi、Hg、Sb 等这些元素来进行地热田异常调查，尤其是深层土壤元素的地球化学异常分布。研究区内系统采集了耕植层以下原状土壤样品，分析了深层土壤组合样品，获得了大量土壤元素含量资料。

编制了研究区内的As、Bi、Hg、Sb元素的深层土壤异常分布图(图6)，从图6可以看出：As、Sb异常主要分布在工区的中西部及东部附近，二者套和较好，局部区域As、Sb高浓度异常特征明显; 研究区内Hg、Bi 异常相对较弱，局部高值异常叠加于As、Sb异常之上，这些土壤地球化学指示元素反应了地热的存在[6-7]。

3 结论

1)采用“地温调查+CSAMT+地面高精度磁测+地球化学测量”综合方法，对地热资源进行系统的调查工作，分析地热异常显示是有效的：地温调查圈定地热异常区，CSAMT勘探划分构造、地层，地面高精度磁测圈定侵入岩的范围，地球化学测量指示元素异常圈定热田范围。多种方法相互约束，避免资料处理解释的多解性。

2)圈定了4处地热异常区段(图7)，最为有利区块出现于基地抬升区与断陷构造带接触面附近。

3)综合物化探方法得到了研究区地热形成有利区块，为下一步地热详查提供借鉴。

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