綜合地物化方法在張家口北部地熱資源調查中的應用

韓冀春， 李祥新, 于建文

(河北省地球物理勘查院，廊坊 065000)

0 引言

地熱資源作為新興的清潔能源，具有高回報、長期受益、符合低碳經濟的發展戰略等優勢。隨著在生態旅游業長足發展，尋找與當地經濟特色相配套的綠色經濟增長點，是實現當地可持續性發展的必然要求[1-4]。張家口地區地熱資源較為豐富，發現了大量的熱泉、地熱田，但主要集中于南部山區(如赤城熱田、后郝窯地熱田等)。很多學者認為，張家口南北具不同構造運動，北部地區不具有地熱條件。北部地區地表多為第四系覆蓋，其下大面積層狀玄武巖分布，地熱勘查工作難度相對較大。以往工作多為區域地質、區域地球化學及區域重磁和遙感工作，尚未進行過系統的地熱資源調查評價工作，潛在資源優勢尚未得到發揮。本次采用“地溫調查+CSAMT+地面高精度磁測+地球化學測量”綜合方法對地熱資源進行系統的調查工作，了解與地熱資源相關的構造、隱伏巖體、蓋層及水文等地質條件，多種方法的應用避免了單一工作方法的多解性。通過上述工作分析該區的具有地熱異常顯示，地熱前景較好。

1 地質構造背景

區內及周邊線性構造縱橫交錯，西北部、中部，分別有北東向二級線性構造和兩條近南北向轉北東向的三級線性構造通過。主要斷裂構造多呈張性、張扭性，具有規模較大，切割深的特點。新生代的新構造活動以繼承性差異升降為主，產生新的活動性構造，與上述斷裂構造交匯部位形成大量裂隙破碎帶和裂隙帶，為基巖裂隙型熱儲的形成和地下熱水的運移上涌提供了有利條件。

區內劃分為兩個構造層：①太古界—古元古界構成的變質巖基底；②由中元古界—新生界地層構成的蓋層。變質巖做為基底在區內廣泛發育，由新太古界紅旗營子群(Ar3h)以及侵入其中的中元古界變質巖(Pt2)構成。新太古界紅旗營子群(Ar3h)巖性主要以片麻巖、變粒巖、石英巖及大理巖為主；中元古界變質巖(Pt2)巖性多為中細粒二長花崗巖、中細粒閃長巖。調查區上部的蓋層主要由新近系始—中新統開地坊組(N1k)、漢諾壩組(N1h)和廣泛覆蓋全區的第四系(Q)地層構成。開地坊組(N1k)巖性主要有紫紅色礫巖、砂礫巖、泥巖、灰綠色泥巖、頁巖、灰白色泥巖、局部夾玄武巖塊體；漢諾壩組(N1h)巖性以灰、灰黑色拉斑玄武巖，橄欖玄武巖為主；第四系松散堆積層(Q)，堆積層以殘坡積物，沖洪積物和風積物為主。

圖1 研究區構造位置圖Fig.1 The structural location map of the research area

區內巖漿活動較頻繁，調查區東北、東南、西北側侵入巖見中元古代蒙古營子單元變質中細粒二長花崗巖(Pt2M)和霍素太下山岔變質中細粒閃長巖出露，推斷調查區深部大面積巖漿巖分布，地熱熱源條件有利。

張家口地區已發現的地熱資源，多出現于山區及山間盆地斷裂構造交匯處，地熱類型以斷裂開放性為主，最高水溫為88.6℃，水化學類型主要為SO4-Na型，礦化度在0.27g/L～1.15g/L之間[8]。北部地熱異常線索較少，僅發現張北、尚義兩處發現的異常，水溫在25℃～40℃。

2 研究區地熱調查特征

2.1 物性特征

本次工作采集物性標本測定，本區主要巖石電性、磁性統計如表1所示。

2.2 地溫調查

地溫調查方法是地熱調查中的基礎工作，是了解地下熱狀態，分析熱異常形成機理的重要手段。溫度場是熱水資源存在最直接、也是最明顯的標志。本次水文地質工作主要是對農用機井、民用飲水井進行調查。為取能客觀反映全區地溫異常的溫度數據，地溫測量首先了解本區恒溫帶溫度，以避開淺層變溫層的干擾。王貴玲[5]認為恒溫帶溫度的確定采用多年平均地面溫度略高于多年平均氣溫1℃～3℃的方法，研究區當地多年平均氣溫為2.6℃，所以確定本區恒溫帶溫度為6℃。

研究區以6℃以下為背景場，以7.5℃為異常下限圈定地溫異常范圍(圖2)。地溫場是熱水存在最直接、最明顯的標志，地溫異常分布的范圍反應了斷裂構造的特征，當斷裂構造中有熱水通道或構造交匯、破碎裂隙帶中存在流動的熱水時，就會引起溫度場的變化，出現地溫場的異常。圖2中反應研究區存在五個地溫場異常區，位于研究區的中部及西部地區。

圖2 地熱異常分布圖Fig.2 The distribution of geothermal anomaly

由表1可知，本區電阻率值在n×10Ω·m～n×104Ω·m之間，由低到高為第四系松散層―第三系地層―中元古界蒙古營子組。

表1 研究區巖石標本物性統計表Tab.1 Statistical table of rock specimens in the study area

表2 研究區物性界面關系表

漢諾壩組致密玄武巖具有高磁、強變化磁異常特征，花崗閃長巖次之，其他則具弱磁性。具河北省物性研究成果，中生代花崗巖的磁化率均值為675 (4π*10-6SI)，剩余磁化強度均值為177(10-3A/m)，為具有較明顯的磁性的地質體，當具有一定規模侵入時可形成明顯的高值磁異常。上述磁性特征對地層圈定、隱伏侵入體和地質構造的發現具指示作用。

從表2可知：研究區存在一個明顯的電性標志層—中新統開地坊組，其電阻率值為n×101Ω·m～n×102Ω·m；當中新統漢諾壩組地層含有氣孔時也可作為第二個電性標志層，其電阻率值為n×101Ω·m～n×102Ω·m。

磁性體主要由火山巖層和侵入巖體組成，沉積地層一般呈弱磁或無磁性。

2.3 CSAMT測量

在地溫異常圈定的重點區段開展CSAMT測量工作，目的是搞清楚研究區的斷裂分布情況。數據采集過程中盡量避免人為電磁干擾，所得曲線出現嚴重畸變，經過處理后仍不能使用的物理點剔除，對靜態位移效應進行校正。根據解釋工作需要，對過渡區數據進行校正，從而提取出過渡區數據中“隱藏”的有用頻率測深信息，使其得到有效利用。

從圖3可以看出，斷面異常縱向分層清楚，由淺到深總體為“高低高”的變化特征。結合地質資料及物性分析結果推斷：淺部似層狀高阻及以上薄層狀低阻層為漢諾壩組玄武巖及上覆第四系，總厚度在100 m～110 m之間，在3.7 km處附近消失。其下伏厚層狀低阻層為開地坊組，該組為水平低阻層，厚度在250 m～500 m之間。層狀低阻層下的深部反演電阻率值明顯增大，二者之間為近水平展布的梯級帶，反映了中元古代變質侵入巖的分布，其厚度大于1 000 m。

依據本次CSAMT勘查共有20條測線。依據明顯電性層的終斷、垂向錯動或縱向延伸的梯級帶、縱向延伸低阻異常，推斷了主要隱伏斷裂構造(圖7)，認為斷裂以北東向、北西向、近南北向展布為主。各條剖面的電性總體表現為低阻+高阻層-低阻層-高阻層縱向變化特征，根據物性分析結果，各電性層分別對應漢諾壩組-開地坊組-中元古界變質侵入巖。為了探明斷裂在深部的特征，通過深部(800 m)電性構造圖(圖4)清楚地反映了東南部基巖抬升區、北東向斷陷構造帶、西北部基巖區的基底隱伏構造特征。結合深部電性結構與地熱異常分布，地溫異常的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ異常區區位于F1-F6斷裂處或交匯處，且斷裂延伸較大，為地溫異常場提供了深部來源。

圖3 CSAMT反演及推斷解釋剖面Fig.3 CSAMT inversion and inference interpretation section

圖4 研究區深部電性構造圖Fig.4 Deep electrical structure diagarm of the study area

圖5 磁測平剖圖Fig.5 Magnetic flat profile

圖6 深層土壤異常分布圖Fig.6 The distribution of deep soil anomaly(a)As;(b)Hg;(c)Sb;(d)Bi

圖7 研究區地熱形成有利地段分布圖Fig.7 The geothermal formation favorable location distribution map of the study area

2.4 高精度磁測剖面

侵入巖體是地熱形成的決定因素，是熱能之源。為了解研究區侵入巖體的情況，部署了與CSAMT同剖面高精度磁測勘查工作。

研究區內磁異常(△T)變化一般在-1 000 nT～500 nT之間。在研究范圍內磁異常分為兩個區域：西、中部磁異常值表現為負的磁異常高；東部磁異常表現為正磁異常特征。結合該區的地質資料、CSAMT資料、物性資料分析得出：西、中部地段表面被第四系覆蓋，強變化的負磁異常是由玄武巖引起；東部地段正磁異常可能由深部具有較強磁性的中生代侵入體引起。

為了消除地面磁異常影響得到磁性的范圍，將剖面數據做了延拓處理(上延50 m)，得到了△T平面剖面圖(圖5)，圈定了研究區內侵入體范圍。由異常低緩特征推斷侵入體埋深較大。研究區內熱異常多分布于推斷侵入體邊緣及附近，其形成可能與之有關。

2.5 土壤地球化學測量

在土壤地球化學測量中可以普遍使用As、Bi、Hg、Sb 等這些元素來進行地熱田異常調查，尤其是深層土壤元素的地球化學異常分布。研究區內系統采集了耕植層以下原狀土壤樣品，分析了深層土壤組合樣品，獲得了大量土壤元素含量資料。

編制了研究區內的As、Bi、Hg、Sb元素的深層土壤異常分布圖(圖6)，從圖6可以看出：As、Sb異常主要分布在工區的中西部及東部附近，二者套和較好，局部區域As、Sb高濃度異常特征明顯; 研究區內Hg、Bi 異常相對較弱，局部高值異常疊加于As、Sb異常之上，這些土壤地球化學指示元素反應了地熱的存在[6-7]。

3 結論

1)采用“地溫調查+CSAMT+地面高精度磁測+地球化學測量”綜合方法，對地熱資源進行系統的調查工作，分析地熱異常顯示是有效的：地溫調查圈定地熱異常區，CSAMT勘探劃分構造、地層，地面高精度磁測圈定侵入巖的范圍，地球化學測量指示元素異常圈定熱田范圍。多種方法相互約束，避免資料處理解釋的多解性。

2)圈定了4處地熱異常區段(圖7)，最為有利區塊出現于基地抬升區與斷陷構造帶接觸面附近。

3)綜合物化探方法得到了研究區地熱形成有利區塊，為下一步地熱詳查提供借鑒。

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