濟(jì)源-開(kāi)封坳陷西南部電性結(jié)構(gòu)研究及地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

邵炳松，朱懷亮，胡志明，胥博文，劉志龍，石 峰，王興元，趙 超，王憲法

(天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250)

0 引言

地下熱水作為一種新興清潔能源，具有再生可持續(xù)，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值高、經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于供暖、洗浴、養(yǎng)殖、發(fā)電等領(lǐng)域。鄭州地區(qū)蘊(yùn)藏較為豐富的地?zé)豳Y源，開(kāi)發(fā)利用較早(李清林，1999)。但目前的開(kāi)采層位主要集中在新近系熱儲(chǔ)層，開(kāi)采層位單一、水溫不高、利用開(kāi)發(fā)規(guī)模小，對(duì)深部基巖熱儲(chǔ)探查不明。研究區(qū)區(qū)域大地構(gòu)造位置屬于南華北盆地的次級(jí)構(gòu)造濟(jì)源-開(kāi)封坳陷，區(qū)域內(nèi)深部地?zé)豳Y源的地球物理勘查較少，且多限于地震勘探方法，缺少其他地球物理勘探方法的對(duì)比研究，這就需要一種既可以和地震勘探方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證，又能夠在地?zé)峥辈榉矫嫒〉昧己脩?yīng)用效果的地球物理勘探方法來(lái)做進(jìn)一步探究。大地電磁測(cè)深方法因其具有探測(cè)深度大、不受高阻屏蔽的影響、對(duì)高導(dǎo)層敏感等特性，已廣泛應(yīng)用于地?zé)崽镎{(diào)查、水工環(huán)勘查等地勘領(lǐng)域(肖騎彬等，2004；趙國(guó)澤等，2004；張炯等，2007；葉益信等，2011；李爾頔等，2017；胥博文等，2019)。本文利用MT法對(duì)研究區(qū)深部地層結(jié)構(gòu)和隱伏構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、地震勘探資料對(duì)反演剖面進(jìn)行綜合解譯，進(jìn)而推斷地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置(a)及MT實(shí)測(cè)點(diǎn)位圖(b)

2 大地電磁數(shù)據(jù)采集、處理與分析

2.1 測(cè)線布置與數(shù)據(jù)采集

如圖1b所示，共部署寬頻大地電磁測(cè)深剖面4條，共計(jì)測(cè)深點(diǎn)84個(gè)(含檢查點(diǎn)3個(gè))，剖面總長(zhǎng)度為39.85 km，其中L01～L03各相鄰測(cè)線之間的距離為4000 m左右，各測(cè)線的平均點(diǎn)距為500 m左右。因?qū)嶋H地形、地理?xiàng)l件、人文干擾等因素的限制，根據(jù)勘查目的要求，部分測(cè)點(diǎn)相對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)位在合理范圍內(nèi)進(jìn)行了調(diào)整。大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)及檢查點(diǎn)均方相對(duì)誤差均符合規(guī)范要求(如表1、表2)，表明野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 大地電磁測(cè)深點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況表

表2 大地電磁測(cè)深檢查點(diǎn)均方相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表

大地電磁測(cè)深資料的數(shù)據(jù)處理、分析與反演解釋流程如圖2所示。野外數(shù)據(jù)采集采用的是3套加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5A型寬頻大地電磁測(cè)深儀，配備MTC-50H型磁探頭和Pb-Pbcl2不極化電極，采用四分量張量觀測(cè)方式(Ex、Ey、Hx、Hy)，“十”字型布極方式，平均電極距為100 m。單點(diǎn)采集時(shí)間在3 h以上，采集頻率有效范圍為320～0.01 Hz，工頻濾波設(shè)置為50 Hz，以真北向?yàn)閤軸，正東向?yàn)閥軸，水平磁探頭布設(shè)方位以校準(zhǔn)后的森林羅盤(pán)測(cè)定，電極放點(diǎn)均采用南方測(cè)繪生產(chǎn)的高精度RTK測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行放樣，精度可達(dá)厘米級(jí)。

圖2 大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)處理解釋流程

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括：(1)頻譜分析，原始時(shí)間序列經(jīng)快速傅里葉變換由時(shí)間域轉(zhuǎn)換為頻率域；(2)Robust估計(jì)(Egbet and Book，1986)，Robust估算可以給不同誤差級(jí)數(shù)的數(shù)據(jù)以不同的權(quán)重，從而得到更加真實(shí)的阻抗張量信息；(3)遠(yuǎn)參考道技術(shù)(Gamble et al.，1978)，同步采集的MT測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間可以互為磁道參考，能夠明顯改善干擾較為嚴(yán)重測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量；(4)功率譜挑選，剔除功率譜異常點(diǎn)，校正“飛點(diǎn)”，保證視電阻率和相位曲線光滑。經(jīng)一系列處理流程后的MT數(shù)據(jù)如圖3b所示。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理前后視電阻率、相位曲線對(duì)比圖

2.3 維性分析

為了選擇合適的反演方法(二維/三維)，需要分析剖面的維性特征，本文采用Bahr二維偏離度方法(Bahr，1991)來(lái)判別數(shù)據(jù)維性，Bahr分解法是Swift判別法(Swift，1967)的改進(jìn)，不易受各類(lèi)畸變效應(yīng)的影響，分析結(jié)果也更為可靠(張樂(lè)天等，2012)。一般情況下，二維偏離度值越小，表明地下介質(zhì)越接近于二維情況，通常認(rèn)為若二維偏離度值小于0.3，則可近似為二維構(gòu)造。圖4給出了四條剖面全部測(cè)點(diǎn)的Bahr二維偏離度擬斷面圖，從中可以看出各剖面大多數(shù)測(cè)點(diǎn)在0.01 Hz頻段以上的二維偏離度值小于0.3，基本滿(mǎn)足二維條件假設(shè)，適合做二維反演。

2.4 構(gòu)造走向分析

當(dāng)?shù)叵码娦越Y(jié)構(gòu)滿(mǎn)足二維假設(shè)時(shí)，通過(guò)基于GB分解方法的多點(diǎn)、多頻段阻抗張量分解技術(shù)(Groom and Bailey，1989；McNeice and Jones，2001)，可將MT數(shù)據(jù)分解為兩組相互垂直且獨(dú)立的極化模式(TE模式、TM模式)。圖4顯示了所有測(cè)點(diǎn)不同頻段的GB分解結(jié)果，從圖5中可以看出，研究區(qū)電性主軸方向由高頻到低頻具有高度一致性，有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)方向：NW向和與之垂直的NE向。研究區(qū)內(nèi)控制性斷裂走向以NW向?yàn)橹?，因此，研究區(qū)的主要構(gòu)造走向應(yīng)為NW向(330°)，在進(jìn)行二維反演之前需要將各剖面所有MT數(shù)據(jù)分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)330°。

圖5 研究區(qū)所有測(cè)點(diǎn)不同頻段G-B分解結(jié)果

3 數(shù)據(jù)反演和電性分析

3.1 二維反演

二維反演采用非線性共軛梯度法(NLCG)(Rodi and Mackie，2001)，該方法是基于MT-pioneer軟件實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)比分析不同模式、不同參數(shù)的多種反演模型，最終選定模型的反演參數(shù)為：TM +TE模式，門(mén)限誤差分別為2%和5%，正則化因子tau=10；初始均勻半空間模型電阻率為100 Ω·m；反演頻段為320～0.01Hz，迭代次數(shù)為100。L01～L04剖面最終反演擬合差分別為3.41、3.32、3.45、2.73。

3.2 反演模型電性分析

圖6為四條剖面的二維電性結(jié)構(gòu)模型圖，為了能夠完整地展示整個(gè)研究區(qū)的電性結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)所得剖面的二維反演結(jié)果制作不同深度模型的電阻率等值線圖，截取深度分別為500 m、1000 m、1500 m、2000 m、2500 m、3000 m、3500 m、4000 m、4500 m、5000 m(如圖7)。

從圖6可以看出，研究區(qū)6 km以淺電性結(jié)構(gòu)在縱向上具有明顯的分層特征，淺部呈低阻特征，隨著深度的增加電阻率逐漸增大。整體而言，研究區(qū)電性結(jié)構(gòu)模型縱向上可分為四層：第一電性層為低阻層，電阻率值為20 Ω·m左右；第二電性層為中低阻層，電阻率值一般小于100 Ω·m；第三電性層為中高阻層，由淺至深電阻率值逐漸增大，電阻率值介于100～300 Ω·m之間；第四電性層為高阻層，電阻率值大于300 Ω·m。

圖6 MT二維反演電性結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)不同深度模型的電阻率等值線圖(如圖 7)可以看出，研究區(qū)1000 m以淺的電性結(jié)構(gòu)基本呈低阻分布，電阻率值約為20 Ω·m。自深度1000 m開(kāi)始，研究區(qū)的整體電性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為西、南部為相對(duì)高阻，東、北部為相對(duì)低阻；并且開(kāi)始出現(xiàn)有規(guī)律的電性梯度帶，存在兩處比較明顯的電阻率等值線異常區(qū)，延伸方向分別為NNW和NEE向。結(jié)合電性梯度帶特征可依次劃分出F1和F2兩條斷裂，其中，F(xiàn)1斷裂位于研究區(qū)中東部，走向NNW，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度近10 km。F1斷裂南段兩側(cè)為相對(duì)高阻區(qū)；北段兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)差異較大，其西側(cè)為相對(duì)高阻區(qū)，東側(cè)為相對(duì)低阻區(qū)，在1000～3000 m深度范圍內(nèi)這種電性差異逐漸增加，自3000 m深度之后又逐漸減小，此電性特征可連續(xù)追蹤。F2斷裂位于研究區(qū)中北部，走向NEE，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)約6 km，其兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)也存在較大差異，其北部為相對(duì)低阻區(qū)，南部為相對(duì)高阻區(qū)。從2000 m深處開(kāi)始，F(xiàn)2斷裂南北兩側(cè)的電性差異隨深度的增加逐漸減小，該電性特征具有連續(xù)性。上述電性結(jié)構(gòu)說(shuō)明F1、F2斷裂可能同屬研究區(qū)周邊控制性斷裂。

圖7 二維反演不同深度模型電阻率等值線圖

4 綜合地質(zhì)解譯

大地電磁測(cè)深方法和地震反射波勘探方法都是判定斷裂構(gòu)造和劃分地層的有效地球物理勘探手段。此次研究工作中，結(jié)合中國(guó)地震局地球物理勘探中心于2007年在老鴉陳附近開(kāi)展的地震勘探工作，其布設(shè)的一條NEE向地震剖面DZ1與大地電磁測(cè)深剖面L02測(cè)線近乎平行，該地震結(jié)果在地質(zhì)解譯方面對(duì)MT反演結(jié)果起到了很好的約束、驗(yàn)證作用。將L01～L03剖面反演結(jié)果垂直投影到地震反射波疊加剖面上(如圖8)，可見(jiàn)二者在地層劃分和斷裂判定方面具有較好的一致性。

根據(jù)研究區(qū)地層電性特征，綜合地震及區(qū)域地質(zhì)資料，劃分地層如圖8所示。研究區(qū)6 km以淺深度范圍內(nèi)地層由新到老發(fā)育有新生界第四系和新近系、古近系，中生界三疊系，上古生界二疊系、石炭系，下古生界奧陶系、寒武系及元古界嵩山群(如表3)，同時(shí)判定出兩條斷裂F1、F2(張勝業(yè)和潘玉玲，2004；林玉祥等，2015；康敏等，2018)。

圖8 地質(zhì)地球物理綜合解釋成果圖(由上至下分別為：L03、L02、L01、DZ1(據(jù)劉保金等，2007修改)、L04剖面綜合解釋結(jié)果)

表3 地層綜合解釋

4.1 地層劃分

4.2 斷裂構(gòu)造解釋

利用大地電磁測(cè)深資料判定斷裂的依據(jù)有：(1)因地層破碎充填低阻介質(zhì)，導(dǎo)致形成低阻異常帶；(2)電性層系列具有明顯差異或電性層埋深存在明顯的位移錯(cuò)動(dòng)；(3)電阻率等值線圖出現(xiàn)密集帶或畸變帶(趙建良等，2010)。根據(jù)判斷原則，結(jié)合地震及區(qū)域地質(zhì)資料，對(duì)研究區(qū)內(nèi)斷裂F1、F2作了詳細(xì)的解譯分析。

從圖8所示的地質(zhì)地球物理綜合解釋圖可以看出，在L01～L03剖面均存在一組向NE傾斜的電性畸變帶(F1斷裂)。F1斷裂兩側(cè)的電性層特征存在明顯差異，電性層埋深錯(cuò)動(dòng)明顯。綜合判斷，F(xiàn)1斷裂走向NNW，傾向NEE，傾角可達(dá)70°，上陡下緩，為正斷層。其向下延深超過(guò)5000 m，錯(cuò)斷了新近紀(jì)以前的地層，在N-Q地層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)，說(shuō)明該斷裂是一條新近紀(jì)以前的斷層，同時(shí)其控制了古近系的沉積。綜合資料表明F1斷裂位置與老鴉陳斷裂經(jīng)過(guò)的地方相吻合，因此推斷F1斷裂即為老鴉陳斷裂。

在L04剖面存在一組向北傾斜的電性畸變帶(F2斷裂)，其兩側(cè)的電性層埋深發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)該剖面的二維地電結(jié)構(gòu)和不同深度模型的電阻率等值線圖可知，F(xiàn)2斷裂走向NEE，傾向NNW，傾角近80°，上陡下緩，為正斷層，它可能并沒(méi)有延伸至F1斷裂東側(cè)。在新生界(N-Q)地層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)斷現(xiàn)象，表明該斷層僅錯(cuò)斷了新近紀(jì)(N)以前的地層。根據(jù)斷層錯(cuò)斷地層情況分析，F(xiàn)2斷裂可能切割了寒武-奧陶系地層。

4.3 地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

以研究區(qū)大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果與反射地震資料的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系為依據(jù)，進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，總結(jié)以下認(rèn)識(shí)：

(1)研究區(qū)二維電性結(jié)構(gòu)模型具有橫向分塊、縱向分層特征，由淺至深電性層表現(xiàn)為低阻-中低阻-中高阻-高阻特征，對(duì)應(yīng)劃分的地層依次為第四系-新近系、古近系、三疊系、二疊系-石炭系、下古生界-元古界。

(2)老鴉陳斷裂F1和推斷斷裂F2均為新近紀(jì)之前的斷層，二者在基巖層可能是相交匯的，同屬區(qū)域控制性斷裂，控制著新生代地層的沉積，其沉積厚度由西南向東北呈遞增趨勢(shì)，老鴉陳斷裂西側(cè)區(qū)域缺失古近系沉積。

(3)研究區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的有利熱儲(chǔ)層位為新近系館陶組及斷裂交匯處附近的三疊系地層，深度較大，水溫較高，在斷裂帶附近或穿過(guò)斷裂帶鉆井可保證較高的涌水量。

優(yōu)勢(shì)與不足：地?zé)豳Y源與深部地質(zhì)構(gòu)造條件緊密相關(guān)，而大地電磁測(cè)深方法是解決深部地質(zhì)問(wèn)題的有效地球物理手段之一，甚至獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，可以為地?zé)豳Y源勘探工作部署提供重要的電性參數(shù)，因此在地?zé)豳Y源的勘探工作中采用大地電磁測(cè)深方法是適宜且有效的。但是由于地球物理勘探方法的多解性問(wèn)題，加之地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的高投入性和高風(fēng)險(xiǎn)性特點(diǎn)，單一的大地電磁測(cè)深方法難以滿(mǎn)足實(shí)際勘探需求。因此，在地?zé)豳Y源勘查的不同階段應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際地?zé)岬刭|(zhì)情況，采用不同的技術(shù)方法進(jìn)行有效的選擇和組合，結(jié)合其他區(qū)域地質(zhì)資料等綜合分析研究，從而達(dá)到合理投入、降低風(fēng)險(xiǎn)、提高精度的目的。

致謝：感謝審稿專(zhuān)家在論文評(píng)審過(guò)程中提出的諸多寶貴意見(jiàn)和建議。此外，天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院物探室人員參與了MT野外數(shù)據(jù)采集工作，在此一并致謝！