临清坳陷西部任县凸起基底电性结构研究及地热开发建议

胥博文 刘志龙 张敏

摘  要：河北省任县地区地热资源具有储量丰富、埋深适宜、开发潜力大等优点。本文应用大地电磁测深法（MT法）对临清坳陷西部任县凸起深部地层结构进行探测研究，共布设了5条MT剖面，获得了216个测深点。通过对大地电磁测深点的处理及反演，获得了任县周边区域4km以浅电性结构模型。阻抗张量分解结果表明任县凸起浅部一维特征明显，深部二维特征增强，主构造方向以近南北向为主。任县凸起4km以浅电性结构差异明显，从浅到深电阻率逐渐升高，具有纵向分层结构，据此将研究区地层从上到下划分为第四系、第三系、石炭系-二叠系、寒武系-奥陶系，并勾画出各层顶、底面起伏情况。结合区域地质资料，认为任县地区地热开发有利区域位于研究区南东侧，目的层位以基岩裂隙岩溶热储为佳。

关键词：大地电磁测深;二维反演;地热勘查;河北省任县

中图分类号：P314.4;P631.325    文献标识码：A    文章编号：1007-1903（2019）02-0036-06

Abstract：Geothermal resources in Renxian area of Hebei Province have the advantages of abundant reserves， suitable burial depth and great potential for development. In this paper， magnetotelluric sounding （MT） method is applied to detect and study the deep stratum structure of Renxian uplift in western Linqing depression. Five MT profiles are laid out and 216 sounding points are obtained. Through processing and inversion of MT points， a shallow electrical structure model of 4 km in the surrounding area of Renxian County is obtained. The results of impedance tensor decomposition show that the shallow part of Renxian uplift has obvious one-dimensional characteristics， while the deep part has enhanced two-dimensional characteristics. The main structural direction is nearly north-south. Renxian uplift has obvious difference in shallow electrical structure with increasing resistivity from shallow to deep， and has a vertical stratified structure. According to this， the strata in the study area are divided into four layers： Quaternary， Neogene， Carboniferous-Permian and Cambrian-Ordovician， and the top and bottom undulations of each layer are delineated. Combining with regional geological data， it is considered that the favorable geothermal development area in Renxian is located on the southeastern side of the study area， and the target horizon is the bedrock fissure karst thermal reservoir.

Keywords： Magnetotelluric sounding; Two-dimensional inversion; Geothermal exploration; Renxian area of Hebei Province

0 引言

地热资源作为一种新型能源，开发利用过程具有低成本、可持续利用以及环保等优点，这对于改善能源结构，解决日趋严重的全球环境问题具有重要意义。临清坳陷是中-新生代渤海湾盆地的一部分，位于渤海湾盆地西南端，属于平原沉降区，总面积18000km2，呈北北东向展布，油气资源丰富（姜慧超等，2008;吕大炜等，2012）。该区开展了多项地质、地球物理勘查工作（徐守余等，2005;吕希学，2006;周建勋等，2006），阐明了临清坳陷的构造发展史、构造样式以及地球物理场特征等，但研究内容多集中在临清坳陷东部地区，主要用来评价油气资源，对地热资源涉及较少。目前任县地区面临节能减排的艰巨任务，寻找清洁、可持续的替代能源成为当务之急，任县地区地热开发利用尚属空白区，因此有必要对任县所处区域地热资源赋存情况进行摸底排查，以期为地热开发利用提供有效支撑。但是现有的地质、地球物理认识，并不足以对小范围的任县区域地热资源开发利用提供有效支撑，如需开发利用任县地区地热资源，需进行大比例尺的勘探工作。

大地电磁測深法作为天然源电磁法，在查明基底电性结构特征、划分断裂构造、评价地热资源等方面具有独特优势。由于方法理论和计算机技术的发展，二维大地电磁反演已经非常成熟（李焱等，2010;陈小斌等，2014;霍光谱等，2015）。本次工作将根据在任县周边采集的216个MT测点为基础，经过系统处理及反演，获得研究区域4km以浅导电性结构模型，并进行地质解释，为地热资源开发提供依据。

1 区域地质背景

任县凸起位于临清坳陷西部，是临清坳陷的次级构造单元，北以隆尧断层为界与隆尧凸起相邻，西以邢台-安阳断裂为界与太行山隆起区相邻，东以邢家湾断裂带为界与巨鹿凹陷相接，南以临漳-魏县断裂为界与邯郸凹陷相邻（图1）。任县凸起形成于印支-燕山早期，新近纪活动强烈，整体下沉与华北平原连为一体。该区基底以石炭—二叠系为主，靠近山前断裂带见少量三叠系残留，缺失侏罗—白垩系沉积，古近系沉积不发育，新近系及第四系遍布全区。任县凸起地温分布主要受地质构造格局的控制，地温高低与下伏基底构造的起伏基本一致，凸起部位地温梯度大，凹陷部位地温梯度小，新生界地温与基岩埋深关系密切。

研究区自上而下主要有3个热储层，即新近系明化镇组孔隙型热储层、新近系馆陶组孔隙型热储层以及寒武—奥陶系岩溶裂隙型热储层（河北省环境地质勘察院，2003）。明化镇组以棕黄、浅棕黄、浅棕、棕红色泥岩、砂质泥岩与浅棕色砂岩、含砾砂岩交互沉积为主，岩性具有上粗下细的特征;馆陶组上部为浅棕、黄绿色泥岩与黄棕、浅棕色泥质粉砂岩、粉砂岩互层，中部以棕、黄绿色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹灰白、灰绿色粉砂岩、细砂岩及含砾砂岩;下部以棕色泥岩、粉砂质泥岩与浅棕、灰绿、灰白色泥质粉砂岩、细砂岩互层为主;寒武—奥陶系以灰色、深灰色灰岩、灰质白云岩、白云岩为主（河北省地质矿产局，1996）。

2 大地电磁数据采集、处理与分析

2.1 数据采集与处理

此次MT工作共布设5条MT测线，其中RX_L1及RX_L2测线方位为北西西向，RX_L3及RX_L4测线方位为北北东向，RX_L5为近南北向。测点间距为300m，共完成测点216个，实测点位如图1。数据采集使用加拿大凤凰公司的MTU-5A系统，配备MTC-80H磁传感器。同时对电场和磁场进行测量，共有6套仪器同时采集，采集频段0.01～320Hz。每个测点数据采集时间不小于3h，利用高精度RTK测量电极距，控制精度为厘米级。依据DZ/T 0173-1997以及SY/T5820-2014标准对MT数据进行质量评价。在所有频点都参与评级的情况下，其中一级点176个，占测点总数81.5%，二级点40个，占测点总数18.5%，数据质量符合规范要求，可以进行后续处理解释。经过处理后典型数据如图2所示。

2.2 维性分析

在进行二维反演之前，需对数据进行阻抗张量分解，获得一些维性参数及电性主轴参数等。MT阻抗张量分解方法多种多样，主要有Swift分解（Swift，1967）、Bahr分解（Bahr，1991）、GB分解（Groom et al，1989）和相位张量分解（Caldwell et al，2004）等。不同的阻抗张量分解手段得到的参数不同，但都可以获得二维偏离度和主轴方位角，二维偏离度是判断研究区构造二维性的参数，主轴方位角结合区域地质情况可以判断区域构造的走向，通常以玫瑰图形式给出。

图3为任县地区5条测线0.1～320Hz Swift及Bahr法分解的二维偏离度值。通常认为二维偏离度值小于0.3，则区域构造可以近似为二维构造。从图3可见：整体上说两种阻抗张量分解方法获得的二维偏离度值在频率大于1Hz时几乎都小于0.2，在0.01～0.1Hz时多介于0.2～0.4之间。表明研究区构造较简单，可以近似看作二维模型从而进行二维反演。研究區在任县凸起内部，浅表沉积较厚的第四系及新近系，局部可能受到内丘-任县断裂及邢台-安阳断裂影响，因此高频部分（>1Hz）一维特征明显，低频部分（<1Hz）二维特征增强。

3 二维反演

根据阻抗张量分解结果及区域构造地质特征，对5条线分别进行了二维反演，反演采用基于非线性共轭梯度算法（Rodi et al，2001）的winglink软件。反演过程中试算了不同模式、不同参数的多个模型，最终选取的模型设置参数为：100Ω·m的均匀半空间;TM模式;频率范围0.1～320Hz;正则化因子tau=5。RX_L1反演拟合差为2.0056，RX_L2反演拟合差为2.1814。RX_L3反演拟合差为2.3510，RX_L4反演拟合差为2.4313，RX_L5反演拟合差为1.7303，反演结果如图4。

以RX_L2线为例，该剖面的视电阻率最小值约1Ω·m，最大值约956Ω·m，整个剖面呈现的是高—低—高3层结构。地面以下400m左右为第一电性层，视电阻率在1～956Ω·m之间，此层不稳定，中间夹有高阻圈闭。深度400～1700m之间为第二电性层，从整体趋势看，此层呈较稳定的层状结构，视电阻率在3～36Ω·m之间。深度1700m以下为第三电性层，此层较稳定，整体呈层状展布，视电阻率随深度稳定增加，视电阻率在20～190Ω·m之间。

评价反演结果是否可靠，除了反演拟合差不能太大外，反演后的拟断面图与原始观测数据拟断面图的对比也是重要的参考资料，如果两者相一致，反演模型从至少从数学上来说是可靠的。以RX_L2为例，做了二维反演前后视电阻率及频率拟断面图。如图5，视电阻率及阻抗相位拟断面图的色标各保持一致。通过对比可以看出，无论是视电阻率还是阻抗相位，反演模型响应数据均与原始观测数据高度一致，仅个别频点有差别，这充分说明了本次二维反演结果可靠。

4 地电结构模型讨论及地热开发建议

从反演得到的电性结构模型（图4）可以看出，研究区4km以浅电性结构具有明显的分层性，浅部以低阻为特征，往深处电阻率值逐渐升高，电阻率变化范围从几Ω·m到几百Ω·m。图5的拟断面图也显示了研究区电性结构的成层性及上部低阻、下部高阻特征。根据其他地质、地球物理资料并结合本次二维反演得到的电性结构模型，把研究区4km以浅地层划分为4层结构（图6），从上到下分别是第四系（Q）、第三系（N+E）、石炭系—二叠系（C-P）、寒武系—奥陶系（Є+O）。各层划分依据及电性特征分述如下：

第四系（Q）岩性主要为亚粘土、亚砂土等，在反演图上表现为低阻特征，电阻率值小于10Ω·m，底面埋深400m左右，区域上厚度变化不大。第三系包括新近系（N）和古近系（E）两部分，主要岩性为泥岩、粉砂岩及细砂岩等。电阻率值变化较大，反演图上表现为低阻—高阻的过渡，底板埋深在2000m左右，研究区内该面有一定的起伏，RX_L1线较RX_L2线第三系厚度小，底板埋深小，RX_L4线较RX_L3线第三系厚度小，底板埋深小，因此第三系底面可以看作是东南往西北方向的单倾面。晚古生界包括石炭系（C）和二叠系（P）两套地层，岩性主要为碎屑岩、粘土岩、炭质页岩夹煤层等。电阻率值较高，一般大于100Ω·m，厚度800m左右，研究区内厚度变化不大，顶面与上覆第三系不整合接触。早古生界包括寒武系（Є）和奥陶系（O）两套地层，岩性主要为灰岩、白云岩及页岩等。在反演图上表现为高阻特征电阻率值较晚古生界地层更高，顶面与上覆晚古生界平行不整合接触。

新近系热储层分为明化镇组和馆陶组上下两层，主要热储层为馆陶组。根据区域地热地质资料分析，该层为本区热储的主要开采层，出水温度可达50℃，水量一般大于1000m3/d，水化学类型属HCO3·Cl-Na或Cl-Na型水。大地电磁测深推断结果显示，馆陶组热储层具有分布面积广、层位稳定、连续型好的特点，适宜进行规模性开发。

研究区寒武—奥陶系为厚层灰岩及白云质灰岩层，顶面埋深均在2700m以上，厚度一般大于1000m，上覆地层为石炭—二叠系。任县凸起早古生代经历了两次沉降和两次抬升运动，沉降时期形成了以碳酸盐岩为主的地层，抬升时期则使碳酸盐岩地层发生一定剥蚀。一般来说沉积间断持续的时间越长，遭受风化淋蚀越强，碳酸盐岩层孔、缝、洞就越发育。因此，研究区寒武—奥陶系具备一定形成良好热储层的潜力。根据本次大地电磁测深结果可知，研究区东南部寒武—奥陶系埋深较浅，基底高阻特征明显，电阻率较为稳定，因此，建议在下一步地热钻探过程中，应根据勘探实际需求，选择合理的热储目的层，将会取得较好的效果。

5 结论

（1）任县凸起任县地区电性结构分层特征明显，从上到下电阻率值逐渐升高，4km深度范围地层可划分4层：从上到下分别是第四系（底面埋深400m左右）、第三系（底面埋深1200～1500m之间）、石炭系—二叠系（底面埋深2700～2900m之间）和寒武系—奥陶系。

（2）任县地区地层成层状分部，第三系底面埋深南东浅、北西深，早古生代寒武系—奥陶系顶面埋深南东浅、北西深。

（3）任县地区地热开发有利区域位于研究区南东侧，目的层位以基岩裂隙岩溶热储为首选。

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