臨清坳陷西部任縣凸起基底電性結構研究及地熱開發建議

胥博文 劉志龍 張敏

摘? 要：河北省任縣地區地熱資源具有儲量豐富、埋深適宜、開發潛力大等優點。本文應用大地電磁測深法（MT法）對臨清坳陷西部任縣凸起深部地層結構進行探測研究，共布設了5條MT剖面，獲得了216個測深點。通過對大地電磁測深點的處理及反演，獲得了任縣周邊區域4km以淺電性結構模型。阻抗張量分解結果表明任縣凸起淺部一維特征明顯，深部二維特征增強，主構造方向以近南北向為主。任縣凸起4km以淺電性結構差異明顯，從淺到深電阻率逐漸升高，具有縱向分層結構，據此將研究區地層從上到下劃分為第四系、第三系、石炭系-二疊系、寒武系-奧陶系，并勾畫出各層頂、底面起伏情況。結合區域地質資料，認為任縣地區地熱開發有利區域位于研究區南東側，目的層位以基巖裂隙巖溶熱儲為佳。

關鍵詞：大地電磁測深;二維反演;地熱勘查;河北省任縣

中圖分類號：P314.4;P631.325? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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

地熱資源作為一種新型能源，開發利用過程具有低成本、可持續利用以及環保等優點，這對于改善能源結構，解決日趨嚴重的全球環境問題具有重要意義。臨清坳陷是中-新生代渤海灣盆地的一部分，位于渤海灣盆地西南端，屬于平原沉降區，總面積18000km2，呈北北東向展布，油氣資源豐富（姜慧超等，2008;呂大煒等，2012）。該區開展了多項地質、地球物理勘查工作（徐守余等，2005;呂希學，2006;周建勛等，2006），闡明了臨清坳陷的構造發展史、構造樣式以及地球物理場特征等，但研究內容多集中在臨清坳陷東部地區，主要用來評價油氣資源，對地熱資源涉及較少。目前任縣地區面臨節能減排的艱巨任務，尋找清潔、可持續的替代能源成為當務之急，任縣地區地熱開發利用尚屬空白區，因此有必要對任縣所處區域地熱資源賦存情況進行摸底排查，以期為地熱開發利用提供有效支撐。但是現有的地質、地球物理認識，并不足以對小范圍的任縣區域地熱資源開發利用提供有效支撐，如需開發利用任縣地區地熱資源，需進行大比例尺的勘探工作。

大地電磁測深法作為天然源電磁法，在查明基底電性結構特征、劃分斷裂構造、評價地熱資源等方面具有獨特優勢。由于方法理論和計算機技術的發展，二維大地電磁反演已經非常成熟（李焱等，2010;陳小斌等，2014;霍光譜等，2015）。本次工作將根據在任縣周邊采集的216個MT測點為基礎，經過系統處理及反演，獲得研究區域4km以淺導電性結構模型，并進行地質解釋，為地熱資源開發提供依據。

1 區域地質背景

任縣凸起位于臨清坳陷西部，是臨清坳陷的次級構造單元，北以隆堯斷層為界與隆堯凸起相鄰，西以邢臺-安陽斷裂為界與太行山隆起區相鄰，東以邢家灣斷裂帶為界與巨鹿凹陷相接，南以臨漳-魏縣斷裂為界與邯鄲凹陷相鄰（圖1）。任縣凸起形成于印支-燕山早期，新近紀活動強烈，整體下沉與華北平原連為一體。該區基底以石炭—二疊系為主，靠近山前斷裂帶見少量三疊系殘留，缺失侏羅—白堊系沉積，古近系沉積不發育，新近系及第四系遍布全區。任縣凸起地溫分布主要受地質構造格局的控制，地溫高低與下伏基底構造的起伏基本一致，凸起部位地溫梯度大，凹陷部位地溫梯度小，新生界地溫與基巖埋深關系密切。

研究區自上而下主要有3個熱儲層，即新近系明化鎮組孔隙型熱儲層、新近系館陶組孔隙型熱儲層以及寒武—奧陶系巖溶裂隙型熱儲層（河北省環境地質勘察院，2003）。明化鎮組以棕黃、淺棕黃、淺棕、棕紅色泥巖、砂質泥巖與淺棕色砂巖、含礫砂巖交互沉積為主，巖性具有上粗下細的特征;館陶組上部為淺棕、黃綠色泥巖與黃棕、淺棕色泥質粉砂巖、粉砂巖互層，中部以棕、黃綠色泥巖、粉砂質泥巖為主，夾灰白、灰綠色粉砂巖、細砂巖及含礫砂巖;下部以棕色泥巖、粉砂質泥巖與淺棕、灰綠、灰白色泥質粉砂巖、細砂巖互層為主;寒武—奧陶系以灰色、深灰色灰巖、灰質白云巖、白云巖為主（河北省地質礦產局，1996）。

2 大地電磁數據采集、處理與分析

2.1 數據采集與處理

此次MT工作共布設5條MT測線，其中RX_L1及RX_L2測線方位為北西西向，RX_L3及RX_L4測線方位為北北東向，RX_L5為近南北向。測點間距為300m，共完成測點216個，實測點位如圖1。數據采集使用加拿大鳳凰公司的MTU-5A系統，配備MTC-80H磁傳感器。同時對電場和磁場進行測量，共有6套儀器同時采集，采集頻段0.01～320Hz。每個測點數據采集時間不小于3h，利用高精度RTK測量電極距，控制精度為厘米級。依據DZ/T 0173-1997以及SY/T5820-2014標準對MT數據進行質量評價。在所有頻點都參與評級的情況下，其中一級點176個，占測點總數81.5%，二級點40個，占測點總數18.5%，數據質量符合規范要求，可以進行后續處理解釋。經過處理后典型數據如圖2所示。

2.2 維性分析

在進行二維反演之前，需對數據進行阻抗張量分解，獲得一些維性參數及電性主軸參數等。MT阻抗張量分解方法多種多樣，主要有Swift分解（Swift，1967）、Bahr分解（Bahr，1991）、GB分解（Groom et al，1989）和相位張量分解（Caldwell et al，2004）等。不同的阻抗張量分解手段得到的參數不同，但都可以獲得二維偏離度和主軸方位角，二維偏離度是判斷研究區構造二維性的參數，主軸方位角結合區域地質情況可以判斷區域構造的走向，通常以玫瑰圖形式給出。

圖3為任縣地區5條測線0.1～320Hz Swift及Bahr法分解的二維偏離度值。通常認為二維偏離度值小于0.3，則區域構造可以近似為二維構造。從圖3可見：整體上說兩種阻抗張量分解方法獲得的二維偏離度值在頻率大于1Hz時幾乎都小于0.2，在0.01～0.1Hz時多介于0.2～0.4之間。表明研究區構造較簡單，可以近似看作二維模型從而進行二維反演。研究區在任縣凸起內部，淺表沉積較厚的第四系及新近系，局部可能受到內丘-任縣斷裂及邢臺-安陽斷裂影響，因此高頻部分（>1Hz）一維特征明顯，低頻部分（<1Hz）二維特征增強。

3 二維反演

根據阻抗張量分解結果及區域構造地質特征，對5條線分別進行了二維反演，反演采用基于非線性共軛梯度算法（Rodi et al，2001）的winglink軟件。反演過程中試算了不同模式、不同參數的多個模型，最終選取的模型設置參數為：100Ω·m的均勻半空間;TM模式;頻率范圍0.1～320Hz;正則化因子tau=5。RX_L1反演擬合差為2.0056，RX_L2反演擬合差為2.1814。RX_L3反演擬合差為2.3510，RX_L4反演擬合差為2.4313，RX_L5反演擬合差為1.7303，反演結果如圖4。

以RX_L2線為例，該剖面的視電阻率最小值約1Ω·m，最大值約956Ω·m，整個剖面呈現的是高—低—高3層結構。地面以下400m左右為第一電性層，視電阻率在1～956Ω·m之間，此層不穩定，中間夾有高阻圈閉。深度400～1700m之間為第二電性層，從整體趨勢看，此層呈較穩定的層狀結構，視電阻率在3～36Ω·m之間。深度1700m以下為第三電性層，此層較穩定，整體呈層狀展布，視電阻率隨深度穩定增加，視電阻率在20～190Ω·m之間。

評價反演結果是否可靠，除了反演擬合差不能太大外，反演后的擬斷面圖與原始觀測數據擬斷面圖的對比也是重要的參考資料，如果兩者相一致，反演模型從至少從數學上來說是可靠的。以RX_L2為例，做了二維反演前后視電阻率及頻率擬斷面圖。如圖5，視電阻率及阻抗相位擬斷面圖的色標各保持一致。通過對比可以看出，無論是視電阻率還是阻抗相位，反演模型響應數據均與原始觀測數據高度一致，僅個別頻點有差別，這充分說明了本次二維反演結果可靠。

4 地電結構模型討論及地熱開發建議

從反演得到的電性結構模型（圖4）可以看出，研究區4km以淺電性結構具有明顯的分層性，淺部以低阻為特征，往深處電阻率值逐漸升高，電阻率變化范圍從幾Ω·m到幾百Ω·m。圖5的擬斷面圖也顯示了研究區電性結構的成層性及上部低阻、下部高阻特征。根據其他地質、地球物理資料并結合本次二維反演得到的電性結構模型，把研究區4km以淺地層劃分為4層結構（圖6），從上到下分別是第四系（Q）、第三系（N+E）、石炭系—二疊系（C-P）、寒武系—奧陶系（?+O）。各層劃分依據及電性特征分述如下：

第四系（Q）巖性主要為亞粘土、亞砂土等，在反演圖上表現為低阻特征，電阻率值小于10Ω·m，底面埋深400m左右，區域上厚度變化不大。第三系包括新近系（N）和古近系（E）兩部分，主要巖性為泥巖、粉砂巖及細砂巖等。電阻率值變化較大，反演圖上表現為低阻—高阻的過渡，底板埋深在2000m左右，研究區內該面有一定的起伏，RX_L1線較RX_L2線第三系厚度小，底板埋深小，RX_L4線較RX_L3線第三系厚度小，底板埋深小，因此第三系底面可以看作是東南往西北方向的單傾面。晚古生界包括石炭系（C）和二疊系（P）兩套地層，巖性主要為碎屑巖、粘土巖、炭質頁巖夾煤層等。電阻率值較高，一般大于100Ω·m，厚度800m左右，研究區內厚度變化不大，頂面與上覆第三系不整合接觸。早古生界包括寒武系（?）和奧陶系（O）兩套地層，巖性主要為灰巖、白云巖及頁巖等。在反演圖上表現為高阻特征電阻率值較晚古生界地層更高，頂面與上覆晚古生界平行不整合接觸。

新近系熱儲層分為明化鎮組和館陶組上下兩層，主要熱儲層為館陶組。根據區域地熱地質資料分析，該層為本區熱儲的主要開采層，出水溫度可達50℃，水量一般大于1000m3/d，水化學類型屬HCO3·Cl-Na或Cl-Na型水。大地電磁測深推斷結果顯示，館陶組熱儲層具有分布面積廣、層位穩定、連續型好的特點，適宜進行規模性開發。

研究區寒武—奧陶系為厚層灰巖及白云質灰巖層，頂面埋深均在2700m以上，厚度一般大于1000m，上覆地層為石炭—二疊系。任縣凸起早古生代經歷了兩次沉降和兩次抬升運動，沉降時期形成了以碳酸鹽巖為主的地層，抬升時期則使碳酸鹽巖地層發生一定剝蝕。一般來說沉積間斷持續的時間越長，遭受風化淋蝕越強，碳酸鹽巖層孔、縫、洞就越發育。因此，研究區寒武—奧陶系具備一定形成良好熱儲層的潛力。根據本次大地電磁測深結果可知，研究區東南部寒武—奧陶系埋深較淺，基底高阻特征明顯，電阻率較為穩定，因此，建議在下一步地熱鉆探過程中，應根據勘探實際需求，選擇合理的熱儲目的層，將會取得較好的效果。

5 結論

（1）任縣凸起任縣地區電性結構分層特征明顯，從上到下電阻率值逐漸升高，4km深度范圍地層可劃分4層：從上到下分別是第四系（底面埋深400m左右）、第三系（底面埋深1200～1500m之間）、石炭系—二疊系（底面埋深2700～2900m之間）和寒武系—奧陶系。

（2）任縣地區地層成層狀分部，第三系底面埋深南東淺、北西深，早古生代寒武系—奧陶系頂面埋深南東淺、北西深。

（3）任縣地區地熱開發有利區域位于研究區南東側，目的層位以基巖裂隙巖溶熱儲為首選。

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