综合地球物理在雄安新区三维地质结构探测中的应用与成果

张 杰, 杨 毅, 王 凯, 白大为, 刘东明,欧 洋, 吴新刚, 王兴春, 丁卫忠

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000；2.国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 065000；3.自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，廊坊 065000)

0 引言

2017年4月1日，党中央国务院宣布设立河北雄安新区，中国地质调查局迅速行动，组织编制了支撑服务雄安新区规划建设地质调查报告，确立了地质支撑雄安新区规划建设工作思路和目标任务。物化探所充分发挥综合地球物理技术在雄安新区综合地质调查中的基础性、先导性作用，开展了包括深地震反射剖面、大地电磁测深剖面、1:25 000重力、三维大地电磁测深、三维可控源电磁测深和三维瞬变电磁测深及综合测井等综合地球物理调查，在新区大规模工程建设前获取了重震电结合、点线面结合的海量基础地球物理数据，基本查明雄安新区深部三维地质结构，为构建世界一流“透明雄安”提供了技术支撑，为新区规划建设提供了服务。

基本查明了雄安新区主要岩石物性特征，建立了雄安新区地层物性柱；基本查明主要地层结构和构造格架，构建了雄安新区三维地质结构模型、编制了构造单元分布图、基岩界面埋深等值线图；分析研究了雄安新区及周边壳幔速度与电性结构，刻画了太行山山前断裂几何特征、区域莫霍面空间展布特征；圈定了深部综合地球物理异常，推断为壳内热源，构建了雄安新区地热地质模型。

1 工区概况

雄安新区地处北京、天津、保定腹地，距北京、天津均为105 km。新区规划范围包括雄县、容城、安新三县行政辖区，规划面积约1 770 km2。雄安新区位于冀中坳陷中区，冀中坳陷为渤海湾盆地的Ⅲ级构造单元，是发育在华北克拉通基底之上近南北向的中新生代断陷-坳陷盆地[1]。雄安新区内主要涉及牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起、保定凹陷、徐水凹陷及牛北斜坡等次级构造。

雄安新区地层系统自下至上依次包括太古界、元古界(长城系和蓟县系)、古生界、中生界、古近系(孔店组、沙河街组、东营组)、新近系(馆陶组和明化镇组)和第四系[2-4]。地表都是第四系覆盖，岩性由灰黄、黄棕、棕红色粘土、亚粘土、亚砂土与灰黄、灰白色细砂、粉细砂、粉砂组成，不等厚互层，呈上粗下细的沉积韵律，结构松散。雄安新区第四系底界埋深自西向东，由150 m增厚到200 m。从前新生代基岩分布上看，中生界主要分布在新区东部和安新县，古生界寒武-奥陶系主要分布在新区的东西两翼，新区中部大范围分布元古界蓟县-长城系。基岩顶界面埋深分布不均，牛驼镇凸起和容城凸起区最浅，约800 m，高阳低凸起区约3 000 m，东部的霸县凹陷最深达6 000 m以上。

2 综合地球物理技术

在雄安新区及外围，先后部署实施了多种地球物理调查方法，包括深反射地震、大地电磁测深、重力、可控源电磁测深、瞬变电磁测深及综合测井等，其中大地电磁测深、重力、可控源电磁测深、瞬变电磁测深进行了面积性测量，深反射地震、大地电磁测深开展了剖面测量。

2.1 深反射地震

在雄安新区部署深反射地震剖面，主要目标是探测雄安新区及外围地层结构和断裂构造空间分布，获取莫霍面以浅地层速度结构，利用综合测井资料合成地震记录进行深度标定，精细划分重要地层界面，识别馆陶组、雾迷山组和高于庄组地热储层。利用断裂在地震剖面上的典型特征标志，精确刻画断裂构造的空间展布，重点探测太行山山前断裂、容城断裂、牛东断裂、高阳断裂、徐水断裂和牛南断裂，以及未知的隐伏断裂。结合钻孔、测井资料，为电磁法、重力提供约束条件，实现由点线到线再到面、由二维到三维的综合解释。

数据采集采用Sercel-428系统，使用10 Hz检波器串，组合形式为6串2并，组内距1 m，在正式地震数据采集前，对仪器设备进行了检测，确保各工作环节正常，进行了检波器一致性试验，保证所有检波器波形一致。并根据雄安新区深反射地震探测目标，现场试验结果等，优选了采集参数，采用井炮炸药震源激发，炮间距为120 m、道间距为20 m、接收道数1 440道、覆盖次数120次。

2.2 大地电磁测深

大地电磁测深法具有装备轻便、成本低、效率高等特点，部署了二维及三维大地电磁测深，主要目标是建立雄安新区及外围主要构造单元的二维电性结构、以及雄安新区三维电性结构，以新生代松散地层与下伏基岩地层之间明显的电阻率差异为物性前提，结合钻孔、测井、深反射地震等资料，探测基岩界面、深部高导体等，分析研究雄安地热地质条件。

完成了3条大地电磁测深剖面，开展了宽频及长周期大地电磁测量，宽频点距为1 km、设计探测深度为10 km，长周期点距为4 km、设计探测深度为100 km，剖面穿过了雄安新区主要构造单元，其中有2条剖面与深反射地震剖面重合。三维大地电磁测量采用宽频带仪器记录，在容城、雄县、安新等地区按照1 km×2 km菱形网格部署，在其他地区采用2 km～5 km点距不规则网格部署，在构造单元边界、断裂两侧位置加密测点，在构造单元中心区抽稀测点，总体使三维大地电磁测深点覆盖了整个雄安新区。

2.3 可控源电磁测深

可控源电磁测深法(CSEM)，是在可控源音频大地电磁测深(CSAMT)基础上发展的人工源频率域电磁勘探方法，通过测量电磁场一个分量或多个分量并进行反演计算，提取全区视电阻率，获得地下地质体的电性结构，继承了CSAMT使用人工场源的特点，克服了远区信号微弱的问题，同时采用多分量联合反演技术，观测精度具有明显优势。设计探测深度为1 000 m，主要探测凸起区基岩界面和主要含水层(组)。

根据技术特点以及雄安新区地质结构特征，将可控源电磁测深主要布置在容城凸起、牛驼镇凸起等基岩埋深较浅的区域。垂直于主构造方向部署测线，线距为2 km，点距为200 m。每条测线划分为多段进行测量，每个发射源控制3条剖面，相邻发射源控制的测线接头部位进行了多点重复测量。采用自主研制的60 kW大功率、多功能、分布式电磁测深系统，包括1台大功率电磁法发射系统(EM-T60)、多台多功能电磁法接收系统(EM-R07)和系列磁传感器。采取的主要技术参数为：垂直收发距为5.4 km～11.2 km、发射极距为1.9 km～2.4 km、发射频率为0.069 Hz～11 636 Hz、接收极距为200 m、供电电流为35 A～45 A，测量参数为视电阻率与阻抗相位。

2.4 瞬变电磁测量

瞬变电磁法(TEM)是时间域电磁法，具有纵向分辨率高、不受一次场影响、穿透低阻覆盖能力强、不受地表接地条件限制等特点。主要针对雄安新区600 m以浅地质结构、含水层(组)探测目标，部署快速扫面测量，获取雄安新区600 m以浅三维电性结构，利用该区隔水层具有低电阻、含水层具有相对高电阻率特征，结合综合测井资料，划分第四系主要含水层(组)空间分布，为雄安新区地下水资源潜力评价提供基础地球物理资料。

数据采集工作打破了以往瞬变电磁连续测量方式，按照2 km×2 km网格设计测点，在实际工作中根据测点周围情况布置测点及发射回线，采用中心回线装置，对采集参数进行了优选试验，包括发射电流强度、时基、下降沿、叠加次数等。针对雄安新区电磁干扰大的特点，采取适当偏移测点，主动避开干扰源，和增大叠加次数压制干扰等措施，确保采集数据的可靠。主要技术参数为：发射回线边长100 m×100 m、发射基频为12.5 Hz、发射电流为16 A、固定下降沿0.5 ms、叠加次数大于512次，正、反向供电分别采集2次，以有效地消除地表顺磁效应。

2.5 重力

重力是较成熟的方法，针对雄安区域构造格架、基岩起伏和深部岩体，收集了大范围的区域重力资料，重新解释了雄安新区区域构造格架、主要断裂分布，为高精度控制性综合地球物理剖面工作的部署提供了依据。结合深反射地震与大地电磁测深综合剖面，进一步划分了Ⅳ级构造单元，识别了构造单元边界断裂，反演解释了前生代基岩界面、莫霍面起伏特征。

重点针对容城凸起及周围深部精细地质结构，部署了1:25 000高精度重力调查，通过重力场特征解释容城凸起、隐伏断裂的平面位置及构造走向，为构建雄安新区三维地质结构提供重力场数据。

2.6 综合测井

在雄安新区施工的工程地质勘查孔及地热勘查孔中部署综合测井工作，目标是获取测区0 m～4 000 m完整地层物性参数，为综合地球物理解释提供基础物性资料，利用综合测井曲线划分有利含水层位和热储层层位，结合钻探、地面地球物理和地质成果资料，评价建筑场地类型，为工程地质调查提供支撑；进行地热田地热资源潜力评价，为地热资源开发利用提供依据。

在雄安新区的工程地质勘查孔、地热勘查孔中开展了综合测井工作，工程地质勘察孔以50 m、100 m、200 m深度为主，部署了自然伽马、自然电位、视电阻率、声波速度、井温、井斜等六种参数的综合测井工作，并在100 m以浅的钻孔中开展了剪切波测井工作，获取第四系地层物性数据，研究第四纪地层划分、含水层分布等问题，判断地基土类型，评价测区工程建设场地适宜性。在容城地热田、雄县地热田、高阳地热田，针对钻孔岩性划分、地层划分、地热储层评价等地质问题，完成了5口地热孔综合测井，采用的测井方法组合为：自然伽马、自然电位、视电阻率、双侧向、补偿声波、井温、井液压力、井斜、井径9种。

3 取得的主要成果

3.1 厘清了雄安新区构造格架

以往资料对研究区构造单元的边界断裂定位存在较大差异，以石油系统构造单元划分为基础[5-8]，利用综合地球物理工作成果，在对新区及周边主要构造单元边界断裂进行精确定位和精细刻画基础上，将研究区Ⅳ级构造单元进一步划分为“三凸三凹一斜坡”，即牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起、徐水凹陷、霸县凹陷、保定凹陷、牛北斜坡。在雄安新区及周边共划分主要断裂13条，其中一级断裂1条，即：太行山山前断裂；二级断裂6条，包括：容西断裂、容东断裂、牛东断裂、徐水断裂、任西断裂、马西断裂等；三级断裂6条，即容城断裂、牛北断裂、老河头断裂、高阳北断裂、高阳-博野断裂、龙化断裂。以主要断裂分布、基岩界面起伏特征为主要依据，重新厘定了雄安新区及周边主要构造单元，修编了雄安新区构造单元分布图(图1)。

图1 雄安新区主要断裂与Ⅳ级构造单元分布图Fig.1 Distribution map of main faults and class Ⅳ structural units in Xiong'an new area

在容城地区通过1:25 000高精度重力测量，发现一条新的近南北向三级断裂-容城断裂，将容城凸起区划分为2个次级构造。采用高精度重力与深反射地震综合解释，厘清了徐水-牛南断裂的精确位置。由断裂属性可以看出，雄安新区及外围断层全部为正断层，显示了该区整体处于拉伸应力环境中，区域内徐水凹陷、保定凹陷、饶阳凹陷、霸县凹陷皆为伸展断裂控制的裂馅，所有主要断裂均没有切穿第四系，表明雄安新区及外围区域第四系以来整体处于构造稳定时期。

3.2 编制了雄安新区基岩界面埋深图

通过井震标定实现井-地联合，构建了雄安新区二维地质结构模型，精细刻画了太行山隆起、徐水凹陷、容城凸起、牛驼镇凸起、高阳低凸起、霸县凹陷等构造单元地层分布结构与断裂空间展布。通过地震剖面为三维大地电磁、面积性重力反演提供约束条件实现重电震联合，对基岩起伏界面实现了由点到线再到面的综合解释，基本查明了雄安新区基岩起伏形态，编制了基岩埋深图(图2)。

图2 雄安新区前新生界基岩埋深图Fig.2 Depth of pre-cenozoic bedrock in Xiong'an new area

受容东断裂、牛东断裂和徐水断裂等主要断裂构造控制，雄安新区基底呈“三凸三凹一斜坡”的基本构造格架，即容城凸起、牛驼镇凸起、高阳低凸起、徐水凹陷、保定凹陷及霸县凹陷。容城凸起区基岩埋深约700 m～1 800 m，最浅处位于八于乡西南，埋深约700 m～800 m；牛驼镇凸基岩埋深约600 m～2 400 m，最浅处位于大营镇西北部，埋深约600 m～700 m；高阳低凸起基岩埋深平均约3 500 m；安新县西南地区位于保定凹陷区，基岩埋深大，澡窄淀区最深超过6 000 m；雄县昝岗镇-龙湾镇-赵北口镇以东位于霸县凹陷区，基岩埋深大，最深超过8 000 m。

3.3 揭示了区域壳幔结构特征和研究了新区地热地质条件

通过深反射地震与长周期大地电磁综合探测，获取了雄安新区及外围壳幔电性及速度结构(图3)，建立了万米地质结构框架，揭示了雄安新区壳幔结构特征[9-11]。由图3可见，太行山隆起带自地表到50 km深度左右均表现为高电阻体，电阻率值达到上千欧姆米，无壳内高导层发育，冀中坳陷总体为低电阻特性，但其浅部(10 km以上)为明显的一维层状结构，深部(10 km以下)整体表现为高阻，但中间存在3个较大的低阻异常。深反射地震清晰显示了11 s左右存在一组强反射层，推测为莫霍面，虽有起伏，但整体较平缓。6 s左右存在一不连续反射界面，推测为上、下地壳的分界面，是该区域普遍存在的滑脱面，太行山山前断裂和牛东断裂向下延伸到该滑脱面。

图3 深反射地震与大地电磁综合解释图Fig.3 Comprehensive interpretation map of deep reflection seismic and MT(a)易县-大城深反射地震剖面线条解释图;(b)易县-大城剖面MT电阻率反演断面解释图

在牛驼镇凸起下方，从地震双程时6 s左右一直到延伸到莫霍面(TWT 11s)显示一组穹窿状强反射同相轴，对应着大地电磁剖面上10 km以下存在一明显低阻异常体，在剖面上表现为向西北陡倾形态，在5 km～10 km深度显示一局部低电阻率异常中心，该异常向深部没有圈闭，底部延深约40 km，电阻率值约为几欧姆米。根据该深部地球物理穹隆状强反射、高导电异常特征，结合前人研究结果[12-15]，推断为上地幔热物质上涌至下地壳，形成的壳内热源。结合岩石圈热结构演化和大地热流平面分布[16-19]，以及计算的牛驼镇凸起地壳热流和地幔热流分布，构建了雄安新区地热地质模型[20](图4)，该模型为“二元”生热模型，其热源包含两个部分，深部地幔热源和地壳放射性元素衰变生热。放射性元素衰变生热占地表热流的接近30%，而幔源热流在地表热流中的占比可达约70%，因此推断地幔热源为雄安新区热异常的主导因素，推断的壳内热源，位于雄县地区，近东西向宽约12 km，其顶部埋深最浅约15 km，牛东断裂、容东断裂及徐水断裂为热通道，可为新区雄县地热田、容城地热田及高阳地热田提供可持续的热量供应，为雄安新区地热资源可持续开发利用提供有力支撑和服务。

图4 雄安新区地热地质模型Fig.4 Geothermal geological model of Xiong'an new area

3.4 划分了浅部有利含水层(组)

雄安新区600 m以浅均为新生界松散沉积地层，主要有第四系、新近系明化镇组、馆陶组等，发育多层含水层，地下水资源丰富[21]。第四系沉积地层厚度约150 m～200 m，沉积环境主要为冲积扇相、曲流河相、湖沼相等，岩性组成以粘土、粉土、砂为主。根据以往水文地质、区域地质资料，该区第四系由浅至深主要分布4套有利含水组，含水层以粉砂、细砂、中砂、粗砂为主，主要特征是含砂质成分多、孔隙度大，具有高电阻率、低自然伽马特征；隔水层以亚粘土、粘土为主，主要特征是含泥质成分多、孔隙度小，具有低电阻率、高自然伽马特征。采用综合测井与瞬变电磁扫面结合，划分了第四系4套含水组的空间展布，为新区地下水资源调查、开发利用与保护提供重要支撑。

瞬变电磁测深资料揭示了600 m以浅电性结构，所有反演电阻率剖面由上至下的变化规律均为“HKH”型，即“高-低-高-低-高”的近似水平层状特征。大部分电阻率剖面上均显示0 m～50 m、100 m～200 m有两个高阻层、200 m～300 m有一层较厚的低阻层，横向有局部尖灭，与测井资料对比认为：100 m～200 m显示的高阻层主要为III、IV含水组的综合反映，瞬变电磁难以进一步将两层划分开。

总体而言，瞬变电磁反演电阻率基本能够反映地下含水层、隔水层的分布规律，首先用测井曲线进行标定并提取含水层、隔水层特征电阻率，在通过阈值提取，利用三维电性结构模型划分含水层、隔水层空间展布。考虑到瞬变电磁法浅部盲区和深部信噪比小的问题，重点识别100 m～200 m的第III、IV含水组及其下伏隔水层的空间展布(图5)。第三含水组厚度大部分在20 m～160 m范围内，较厚的含水层主要分布在容城县西北地区，平均厚度约80 m，呈北东向条带状分布，该区域地表分布的是白沟河、南拒马河及其支流，在电性上表现为高阻且有一定连续性，属于具有较好地下水赋存空间的砂质地层，可作为应急水源地加以保护利用。

图5 瞬变电磁解释雄安新区主要含水组空间分布图Fig.5 Spatial distribution map of main water bearing formations in Xiong'an New Area interpreted by TEM

4 结语

1)雄安新区属于深覆盖区，在大规模建设前开展综合地球物理调查，获取重震电结合、点线面结合的高质量基础数据，探测深部地质结构、热源与热通道，查明主要断裂、地热储层、含水层特征及空间分布规律，是自然资源调查及其潜力评价最关键的基础性、先行性工作，为建立不同空间尺度的三维地质结构模型、构建世界一流“透明雄安”、查明地热地下水自然资源家底等奠定了坚实基础。

2)在地球物理方法选择和工作部署中，深入了解各方法的特点，做到取长补短、相互结合。部署区域重磁解释，建立构造格架；部署深反射地震剖面，构建二维精细地质结构；部署三维电磁和高精度重力，建立三维地质结构模型。在综合研究中，进一步发挥综合地球物理的作用，以钻孔、综合测井资料标定反射地震剖面，再以地震剖面对重磁电解释进行约束，实现重震电联合、由点到线再到面的综合解释。

3)通过综合地球物理调查，基本查明了雄安新区主要地层结构和构造格架，构建了雄安新区三维地质结构模型、编制了构造单元分布图、基岩界面埋深等值线图；分析研究了雄安新区及周边壳幔速度与电性结构，圈定了深部综合地球物理异常，推断为壳内热源，构建了雄安新区地热地质模型。