雄安新区深部雾迷山组热储层时频电磁法探测研究

程正璞,连晟,魏强,胡文广,雷鸣,李戍

(1. 中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071000; 2. 中国科学技术大学 地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026)

0 引言

雄安新区位于华北平原冀中坳陷中部,水热型地热资源丰富,也是我国中东部地区地热资源开发利用条件最好的地区之一,包括牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田。

依托多个地热地质调查项目,专家学者在雄安新区及周边开展了一系列的水文地质调查、地球物理探测、水化学分析、钻井工程和钻孔测温工作,在区域构造、岩石圈热结构、热源机制、热储特征、储集空间类型、地热资源储量、水源补给等方面形成了一定的认识和成果[1-11]。

蓟县系热储是雄安新区的主力热储层,分为雾迷山组和高于庄组,全区均有分布,岩性主要为白云岩、燧石条带白云岩、泥质白云岩等,岩溶裂隙发育、连通性好。其中雾迷山组是雄安新区目前地热开发的主要地热储层,其顶面构造埋深为600～4 000 m,区内被牛东断层、容城断层和牛南断层分割为雄县断块、容城断块和安新断块3个主要的热储断块。蓟县系雾迷山组,经历了多期构造运动(蓟县、加里东、燕山、喜马拉雅等),其地层经历过多期隆升剥蚀作用,雾迷山组残余厚度为600～1 400 m,南部残余厚度大,北部残余厚度薄[12-17]。

近年来,在雄安新区开展了一系列地球物理勘探工作,包括不同比例尺重力、航磁、地面磁测、电法及二维地震工作。李弘等[18]通过对牛驼镇凸起区的布格重力异常与化极航磁异常进行反演,获得了牛驼镇凸起区的断裂、潜山构造以及磁性地质体的半定量分布特征;于长春等[19]通过对航磁资料的处理,分析了雄安新区基底构造及岩性特征;何登发等[20]利用地震资料对徐水凹陷、容城凸起及牛驼镇凸起等周边进行精细解释,识别了研究区域的不整合面,并划分了构造—地层层序和断裂系统;商世杰等[21]利用可控源音频大地电磁法探测了雄安新区附近1.5 km以浅的地层结构及隐伏断裂;张龙飞等[22]通过分析重力资料,得出牛驼镇凸起和容城凸起表现重力高,高阳低凸起则表现为较低缓的重力高,且凸起与凹陷交界处可见明显的重力异常梯度带,代表着断裂构造位置及走向;2020年中国自然资源航空物探遥感中心利用航空物探综合站(磁、电、放)测量和时间域航空电磁测量数据,得到了白洋淀淀区下第一套砂层三维空间分布特征,划分了全区地下咸淡水分界线,查清了全区航空伽马能谱低背景特征;王凯等[23]利用深反射地震探测、长周期大地电磁等深部地球物理探测方法对新区内深部地热机制进行了解释,提出了“二元生热”模型,认为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%;龙慧等[24]利用二维地震和高密度电阻率测深揭示了雄安新区200 m以浅的三维地质结构特征,并总结了城镇化高干扰环境下地球物理方法的探测深度、横纵向分辨率、目标体响应特征和适用性等;岳航羽等[25]通过对深反射地震数据的精细处理,提高了深反射地震资料的信噪比、分辨率及保真,有效探测了雄安新区浅中深部地质结构与构造。

地球物理方法各有特点,在一定程度上解决了某些地质任务,但也存在不足之处。如表1所示,大地电磁法(MT)虽探测深度大,但一般测点距较大、抗干扰能力差,浅部勘探盲区大,多用于热源机制的研究;可控源音频大地电磁法(CSAMT)勘探深度1～2 km,虽能在一定程度上揭示地层结构和断裂构造,但不能探查到更深部热储层的形态,且靠近城镇周边抗干扰能力弱,导致原始资料品质下降,分辨率下降;人工地震勘查虽能较精细查明地下深部地质结构及构造特征,但存在能量不均衡、深层信号弱、干扰波复杂多变等问题,且勘探成本高;航空物探和高密度电磁法施工效率高,但勘探深度有限,一般仅能查明200 m以浅的地质结构。

表1 多种地球物理勘探方法对比Table 1 List of comparison of various geophysical exploration methods

为解决常规电磁法抗干扰能力差、浅部勘探盲区大、勘探深度不足、分辨率不足及人工地震深部反射信号弱、潜山内幕反射杂乱、勘探成本较高的问题,本文利用中石油东方地球物理勘探有限责公司研发的TFEM-T3型大功率(200 kW)恒流时频电磁仪和WL2C-B型组网式采集站在雄安新区开展时频电磁法地热勘查工作,在前人研究基础上,查明研究区隆凹构造和6 km以浅的地层分布特征,重点查明雾迷山组、高于庄组深部热储层空间分布及形态结构特征,探明隐伏断裂及其次级断裂的位置、走向、规模及性质,建立研究区三维地质模型,圈定地热有利区,为深部地热资源评价、钻探提供地质依据。

1 研究区地质概况

雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷的中部[26],构造单元上包括牛驼镇凸起南部、牛北斜坡南部、容城凸起、高阳低凸起北部、霸县凹陷、保定凹陷和白洋淀洼陷;其西北部为徐水凹陷,东南部为文安斜坡,北部为廊固凹陷,南部为饶阳凹陷(图1)。

图1 雄安新区前中生界顶面主要构造分布(据文献[13]修编)Fig.1 Main structural distribution on the top surface of the pre Mesozoic in Xiong′an New Area(revised by reference[13])

冀中坳陷在中生代燕山运动挤压和新生代太平洋板块俯冲弧后拉张伸展的构造作用下形成的一系列正断层,研究区内规模较大、对区域构造起控制作用的隐伏基岩断裂主要为保定—石家庄断裂、容西断裂、容城断裂、牛东断裂和徐水断裂[27-29]。新生代断裂活动主要集中在古近系沙河街组四段(Es4)和新近系馆陶组(N2g)、明化镇组(N2m)沉积时期,地表未见构造活动迹象。

研究区位于雄安新区的起步区内,其沉积地层序列由下而上依次为太古宇变质岩、元古宇青白口系(Qb)、蓟县系(Jx)和长城系(Ch)、新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)地层,而古生界和中生界地层缺失[30-32]。

通过对前人研究资料的收集与分析[18-19],结合研究区内电测井资料,整理得到区内各地层岩性、电阻率、平均密度、平均磁化率(表2),由表2可知,研究区地层电阻率总体上随地层时代由新到老表现为:新生界第四系次高阻层、新生界新近系低阻层、元古界次高阻层、太古界高阻层,为电磁法勘探提供了物理基础。

表2 研究区地层物性统计Table 2 Statistics of physical properties of strata in the study area

2 工作方法

时频电磁法(TFEM)是在可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)和长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)的基础上发展起来的电磁勘探法,实现了时间域电磁法和频率域电磁法的统一[33-35]。

图2是 TFEM 勘探野外施工示意,施工时由发射和接收两个部分组成。图中A、B是发射源接地电极,与主测线基本平行,其长度在 5～10 km 之间,布置地点一般选择在潮湿且远离强电力干扰的地方,通过多根电缆并联到TFEM-T3型大功率(200 kW)恒流时频电磁仪向地下供电;接收端多台WL2C-B型组网式采集站[36]排列接收,布设在离发射源5～15 km的地方,通过接地电极M、N测量横向电场分量Ex和垂向磁场分量Hz,信号接收系统通过GPS与发射同步接收每个频率重复激发的所有信号,探测深度与激发的最大周期有关,激发周期越长探测深度越大。

图2 时频电磁法野外施工示意Fig.2 Schematic of TFEM exploration field construction

研究区临近雄县县城,区内人文干扰众多,如公路、光伏电场、高压线、村庄、工厂等,考虑到地热勘查有别于油气勘查,时间域极化率在油气勘探中对油水界面更加敏感[37],但对碳酸岩界面的反映不如频率域电阻率敏感,故本文仅研究时频电磁法抗干扰能力更强的横向电场分量Ex,利用求取的频率域振幅和相位数据,开展电阻率反演工作。

3 数据采集与处理

3.1 数据采集

笔者依托中国地质调查项目在雄安新区布设了3条时频电磁法剖面,总长度67.4 km,点距200 m,测线部署图见图1。

为确保采集到高品质的原始数据,施工过程中除严格执行《陆上可控源电磁法勘探采集技术规程》(SY/T 6589—2016)外,结合研究区实际情况,科学设计施工参数、强化施工质量控制,重点如下:

1)开工前,对所有参与施工的接收仪器和测量仪器进行一致性试验,均方误差均小于2%;对发射设备开展内噪声测试(<0.5 μV)、谐波测试(<0.007%)、正弦波测试(波形完好),确保设备性能正常;

2)提前踏勘了解区内干扰源位置及类型,利用高清卫星软件对测点进行展绘,尽量避开干扰源,选择地势平坦开阔位置放样;测点要均匀分布,不得出现突拐现象,做好测量标识且严禁挪动;

3)根据室内模拟结果及开工前收发距试验结果,确定本研究区收发距范围为7～11 km;选择构造简单且较潮湿的地点作为A、B供电电极,确保接地电阻不大于15 Ω,实发电流不小于80 A;

4)Ex方向为测线方向,MN距和方位采用RTK实测,两极的定位误差小于1%,方位误差小于1°;

5)接收端采用不极化电极,定期进行配对,确保电极差小于2 mV;实测时,电极要与泥浆接触良好,确保接地电阻不大于2 000 Ω、自然电位不大于20 mV,埋设且静置20 min后,方可采集数据;

6)当日及时处理、评价,对异常点或不合格点要结合测点周围环境进行复核并制定质量改进措施,及时返工。

3.2 数据处理与解释

时频资料处理与解释有一套比较完善的流程[38-39](图3),结合勘查目标,主要包括数据预处理、求取电性参数、电阻率约束反演、层位标定、综合地质解释等方面。

图3 时频电磁数据综合处理解释流程Fig.3 Flow chart of comprehensive processing and interpretation of time-frequency electromagnetic data

1)数据预处理:包括原始时序信号核查、数据品质和噪声水平评价、50 Hz工业噪声估计和删除干扰大的某一个周期信号、同步叠加等;同时对数据进行格式转换,建立测区数据库;

2)求取电性参数:在数据库的基础上,利用激发电流文件对数据进行归一化处理,去除干扰频点和畸变点,求取各点振幅和相位数据;

3)利用研究区已知物性、电测井等资料进行电阻率约束反演,并对电阻率反演剖面进行地层标定,建立电性异常层与地质层位之间的对应关系;

4)结合以往的地质、钻井和其他地球物理资料进行综合地质解释,分析研究区6 km以浅的热储层空间分布、断裂特征;并结合地热构造演化和盖层厚度等,预测地热有利区。

4 综合解释

4.1 典型单线地层划分

利用研究区已知物性、电测井等资料进行电阻率约束反演后,得到电阻率反演剖面,如图4a所示,元古界及太古界地层整体显示为高阻特征,电性差异较小,分层信息不明显,针对此特点,文中采用电阻率数据拟地震成像技术增强层间电性差异信息,结合区内钻井资料,对太古宇与元古宇之间、元古宇内部层位进行精细划分(图4b)。

图4 A2-A2′测线电阻率反演剖面(a)、拟地震成像(b)、地质解释剖面(c)Fig.4 Resistivity inversion profile(a), pseudo-seismic imaging map(b) and geological interpretation profile(c) of A2-A2′ survey line

拟地震成像是在综合研究区内密度、速度和电阻率等岩石地球物理属性的基础上,对速度和密度进行相互转换,转换后的属性一定程度上包含了岩石内部固有地层界面或岩性岩相、断层等物性体的差异特征,将这些差异性以类似地震波同相轴的形式表示出来。

由图4b、4c可见,第四系(Q)地层在电阻率剖面上显示为表层连续次高阻层,在拟地震剖面上显示为强振幅特征,整条剖面均有分布,厚度相对平稳,厚度200～300 m。

新近系(N)地层在电阻率剖面上显示为浅层连续低阻层,在拟地震剖面上显示为弱振幅特征,整条剖面均有分布,F4断层上盘方向厚度有所增大,厚度范围700～1 200 m。

古近系(E)地层在电阻率剖面上显示为低阻层,剖面西段(1～6 km)地层分布相对局限,在拟地震剖面上显示较强振幅特征,具有一定的层状特征,F2与F3断层之间厚度较大,约1 000 m,F2断层下盘方向厚度约为300 m,F3断层下盘方向厚度由西向东减薄,厚度范围0～400 m之间;剖面东段(16～25 km)在拟地震剖面上显示为连续的弱振幅特征,与上覆新近系(N)地层由空白振幅区相隔;F4断层上盘方向古近系厚度急剧增大,185～210号测点范围厚度约为2 500 m,F8断层以东厚度再次增加,最大可达约4 000 m。

蓟县系雾迷山组—杨庄组(Jxw-y)地层电阻率显示为低阻向高阻过渡的特征,由浅到深电阻率逐渐升高,拟地震显示为强振幅特征,底界处振幅减弱或消失。容城凸起区地层顶界面埋深约1 600 m,厚度约1 200 m;中间次凹区地层顶界面埋深约2 000～2 200 m,厚度由西向东逐渐减薄,范围约600～1 100 m;牛驼镇凸起区地层顶界面埋深约900～1 600 m,厚度相对平稳,约500～600 m。

蓟县系高于庄组(Jxg)地层整体显示为高阻层,由连续分布的高阻异常团块组合而成,拟地震剖面中0～8 km范围显示为弱振幅特征,8～16 km范围内振幅极弱,为空白反射区。

容城凸起区地层顶界面埋深约2 800 m,厚度约1 000 m;中间次凹区地层顶界面西深东浅,约3 300～2 600 m,厚度西厚东薄,约1 000～1 200 m;牛驼镇凸起区地层顶界面埋深两侧深中间薄,约2 200～1 400 m,厚度相对平稳,约800～1 000 m。长城系(Ch)地层电阻率显示为高于庄组高电阻率向下逐渐降低的过渡带特征,拟地震资料显示为弱—中等振幅特征;因其与太古界上部次高阻特征较难区分,由区内高深1井预测本套地层厚度约为400 m,其顶界面埋深规律与高于庄组一致。

太古界地层(Ar)整体显示为高阻异常特征,尤其是剖面中段8～16 km范围,高阻相对稳定,拟地震资料显示为稳定的弱振幅异常带,深部低阻发育推测与太古界内部岩性变化及局部断裂作用相关,也可能与深部地幔物质上涌有关,推测对深部热源具有一定的导通作用。

4.2 断层展布特征

本文搜集了研究区及周边1∶5万重力资料,采用归一化标准偏差法(NSTD)提取与断裂构造相关的异常信息,等值线极大值处推断为断裂位置[40],结合3条时频电磁法剖面电阻率反演结果,共解释8条断层,主体为NNE走向的正断层,控制了研究区隆凹格局和地层分布(图5)。其中F1为徐水—安新—文安转换断层的西段,倾向由S向转为SW向的Ⅰ级断层,具有正断兼左行走滑性质,是区域上冀中坳陷北段与中段的分界;F1断层以北,由西向东分别为近SN向容城凸起、近NNE向中间次凹(亦称牛北斜坡)、近NNE向牛驼镇凸起及霸县凹陷;F1断层以南为保定凹陷范围。F2为容城东断裂,控制了容城凸起的东部边界和中间次凹(又称牛北斜坡)的西侧边界,是走向近NNE向、倾向SEE的Ⅱ级正断层;F3为牛驼镇凸起西部边界断层,同时控制了中间次凹的东侧边界,是走向近NNE向、倾向SEE的Ⅱ级正断层;F4为牛东断裂,控制了牛驼镇凸起东部边界,其上盘方向为霸县凹陷,是走向近NNE向、倾向SEE的Ⅱ级正断裂;F2、F3、F4断层均穿过A2-A2′与B-B′两条测线,南端交于断裂F1;F5、F6、F7为容城凸起内部断裂,F8为霸县凹陷内部断裂,走向均近NNE向。

图5 研究区断裂与重力归一化标准偏差叠合Fig.5 Overlapping map of faults and gravity normalized standard deviation in the study area

4.3 蓟县系雾迷山组热储层顶界面构造特征

由于研究区整体为新生界覆盖层,因此本文的重点研究目标地层为元古界蓟县系雾迷山组,也是目前雄安新区开发利用的主力热储层位。

利用已知钻孔资料,结合3条时频电磁电阻率反演剖面,本文推断并绘制了研究区蓟县系雾迷山组顶界面构造,如图6所示,断裂F2以西为容城凸起,以F7、F6为边界,分为3个构造条带。其中断层F2、F7之间顶界面埋深北浅南深,范围约1 000～1 800 m,北部发育有2处构造高点,一处位于B-B′的125～129号点南侧,另一处位于113～126号点北侧;断层F6、F7之间顶界面埋深北浅南深,范围约1 400～2 600 m,南部发育有1处构造低点,位于A1-A1′东段140～153号点,推测为局部次一级凹陷;断层F6以西顶界面埋深西深东浅,范围约1 000～1 700 m,在F5、F6之间发育有1处构造高点,位于A1-A1′的122～127号点的北侧。

图6 蓟县系雾迷山组顶界面构造Fig.6 Structural of top boundary of Wumishan Formation of Jixian System

中间次凹发育在断层F2～F3之间,为次一级的箕状断陷,雾迷山组顶界面埋深西深东浅,顶界面埋深范围约1 400～2 400 m,发育一近NNE向的构造低条带,穿越B-B′线141～145号点和A1-A1′线110～112号点。

牛驼镇凸起区发育在断层F3～F4之间,基底顶面构造整体NNE向,雾迷山组顶界面埋深北浅南深,范围约600～1 400 m,整体发育南、北两处构造高点,分别位于A2-A2′测线的146～172号点与B-B′测线的178～190号点处,钻孔D2揭示顶界面埋深最浅约600 m;断层F4以东霸县凹陷区域古近系地层厚度大,未揭示雾迷山组顶界面。

综上,研究区蓟县系雾迷山组顶界面埋深范围约600～2 600 m,牛驼镇凸起区顶界埋深最浅。

4.4 预测地热有利区

雄安新区属于中低温地热系统,热源、通道、储层、盖层、流体等是中低温对流型地热资源聚集的要素[41],本文通过对研究区地层结构、断裂构造的分析,构建了研究区三维地质模型(图7),直观反映了研究区内隆凹格局和断层发育情况;同时结合前人研究成果,从热源、通道、储层、盖层、流体等方面分析预测了研究区地热有利区。

图7 研究区三维地质模型Fig.7 3D geological model of the study area

王凯等[23]利用深反射地震和长周期大地电磁探测资料构建了雄安新区深部 “二元”生热模型,认为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%;同时认为牛驼镇地热田和容城地热田存在深部热源,以区域断裂为热通道,大地热流由深部向上传导、扩散到牛驼镇凸起和容城凸起顶部(图7),对碳酸盐岩储水层进行加热,形成地热储层;上覆新近系沉积地层是良好的热盖层。

运移通道是指连接水源和储层的通道,其中张性正断裂是地热资源运移重要的通道条件。雄安新区内的地热田都处于多条断裂交汇部位(图6),这些断裂与地热田的形成有不同程度的联系。牛东断裂(F4)处于牛驼镇凸起与霸县凹陷两个构造单元之间,是一条延伸长、落差大、活动强的高角度张性正断层;在牛东断层下盘发育了底辟构造,可能是由深部地幔物质上涌引起浅层抬升所致[41],另外在断裂附近有新近系的玄武岩呈串珠状展布[18],说明牛东断裂(F4)既是研究区的导热断裂,也是导水断裂。容城东断裂(F2)位于容城凸起东侧,走向近NNE向,剖面上表现为典型的犁式正断裂的特征,该断裂控制了容城凸起内新近纪地层的发育,并且容城东断裂断面发育了大量的裂缝带、溶蚀带,说明该断裂是牛驼镇凸起基岩热水的上涌出口[41]。

雾迷山组热储层是目前雄安新区开发利用的主力层位,是典型的碳酸盐岩型热储,主要分布在研究区牛驼镇凸起、容城凸起及中间次凹,岩性为灰白色、灰褐色泥质白云岩。新生界盖层直接覆盖于蓟县系雾迷山组白云岩之上,雾迷山组储层埋深浅、厚度大,顶深多分布在700～2 400 m,由于经历长期的淋滤作用,具有高孔高渗的特点。牛驼镇凸起和容城凸起热储层顶面温度为40～90 ℃,地表热流通量为70～106.5 mW/m2,为高异常区[41];中间次凹热储埋深大,在1 900～2 300 m,地表热流分布在48.9～66.6 mW/m2,因此要想达到相同的地温,凹陷区的深度要远大于凸起区,说明凸起区具有良好的地热地质条件、更易聚集高温的地下水。

由上述内容可知,牛驼镇凸起和容城凸起都具有良好的地热前景,牛驼镇凸起区雾迷山组顶界面埋深较容城凸起区浅,厚度也较为稳定,且牛东断裂(F4)作为导热导水断裂,更有利于深部热流向浅部汇集。因此本文认为牛驼镇凸起区为最优的地热有利区,特别是靠近F4下盘附近。

5 结论

通过对时频电磁测线的电阻率约束反演,并结合研究区重、磁和钻井资料进行了综合地质解释,得到以下结论:

1)研究区元古界雾迷山组、高于庄组、太古界地层均显示为高电阻率,地层之间电性差异较小,笔者采用拟地震成像处理手段增强了界面差异信息,并结合钻井资料,对地层层位进行标定,有效提高了解释结果的可靠性。

2)结合重力资料,本文解释了8条隐伏断层,主体为NNE走向的正断层,控制了研究区隆凹格局和地层分布,由西向东依次发育了容城凸起、牛驼镇凸起和霸县凹陷3个主体构造单元,容城凸起与牛驼镇凸起之间发育中间次凹;牛驼镇凸起整体方向以NNE向为主,分为南、北两处构造高点;容城凸起分为3个构造条带,东、西部规模较大,为凸起区;中间规模小,为次一级的局部凹陷。

3)基本查明了研究区地层分布情况。第四系和新近系地层全区发育,厚度相对稳定;古近系地层主要分布于中间次凹和霸县凹陷内;蓟县系地层在容城凸起、中间次凹、牛驼镇凸起区均有分布,顶界面埋深范围约600～2 600 m。

4)构建研究区三维地质模型,直观反映了研究区内隆凹格局和断层发育情况;从热源、通道、储层、盖层、流体等方面分析认为牛驼镇凸起区为最优的地热有利区,特别是靠近F4下盘附近。