综合地球物理方法在范县地热勘查中对比试验研究

时间：2024-07-28

张晗,卢玮，黄烜，白晨，申云飞

(1.河南省深部探矿工程技术研究中心，郑州 450053；2.河南省地矿局第二地质环境调查院，郑州 450053；3.河南省煤炭地质勘察研究总院，郑州 450052)

0 引言

范县位于河南濮阳市，属于华北地台南部(Ⅱ 级)的东明断陷区，已有钻井资料表明范县地热资源丰富，以古生界奥陶系灰岩热储层与新生界砂岩热储层为主。但该区域深层地热资源勘探开发面临地质结构不清、目标不明、钻探风险大等地质难题，需要综合多种物探方法解决地热靶区优选和地热井定井。

地热资源物探技术以测量地球物理属性为手段来表征地热系统，这些参数有温度、电阻率、磁化强度、密度、波速、导热系数和渗透电位等[1]。在实际工作中，某一种参数并不能很好地反映地质背景及地质体的空间状态，因此需要综合不同物性参数获得更准确的结果。

常用的地热资源物探方法主要有直流电法、磁法勘探、重力勘探、地震、电磁法勘探、微动观测、放射性探测等[2,3]。各种勘探方法对于复杂地形地貌条件的适应性有差异，单一的方法不能很好地反应地质背景及地质体的空间状态，而多种物性参数变化能够从不同侧面反映地质结构变化，因此需要对常用的地热资源物探方法进行优选，探索最适宜的中深层地热资源勘查的物探组合方法，为进一步选定有利靶区及为地热井定井的可靠性与精确性提供地质参考和地质依据[4,5]。

1 研究区地质及地球物理特征

1.1 地质特征

1.1.1 构造特征

范县新区位于华北地台南部，郯庐裂谷系，鲁西隆起西缘，夹于聊兰断层和戴韩断层之间。区内主要构造为聊兰断裂和白衣阁断裂。聊兰断裂为被第四系掩盖的隐伏断裂带，南起河南兰考，北至聊城以北，与齐广断裂交会，大致呈NNE向延伸，全长达270多公里，是鲁西断隆和临清坳陷的分界断裂和地质分界线，见图1。

图1 试验研究区构造位置图Fig.1 Structure and location map of the experimental study area

聊兰断裂走向NNE 20°～40°，倾向NW，倾角35°～60°，为一东升西落的正断层，切割深度大，断层两侧奥陶系顶面垂直断距可达2000～3000 m，从该断裂控制的地层来看，可能从晚侏罗世开始活动，白垩纪至早第三纪强烈活动，尤其在早第三纪时期最为活跃，从而成为控制华北平原下第三系沉积的边界；白衣阁断裂是被第四系掩盖的隐伏断裂，位于工作区的西部，走向NE，倾向NW，倾角75°，NW盘下降，SE盘抬升，为一正断层，断距大于500 m。区内断裂构造对地下热水的运移和温度传导起着重要作用，是主要的控热控水断裂，深部断裂一方面是地球深部热源向上传导的通道，另一方面断裂切割深部奥陶系灰岩，使地层破碎、岩溶发育，具有良好的富水性[6]。

1.1.2 地层特征

本区古老结晶基底由太古界泰山群花岗、片麻岩组成。早古生代时期，本区受到广泛的海侵，沉积了以碳酸盐岩为主的寒武系、中下奥陶统，在长期的抬升作用之后，华北地台整体下沉，在中奥陶统的侵蚀面之上沉积了海陆交互相的中上石炭统和陆相沉积的上下二叠统。燕山运动之后，华北盆地开始形成，沉积了巨厚的新生界地层，其中古近系为裂谷型沉积，厚约7000 m，新近系为盆地沉积，厚约1300 m。受河、湖冲洪积作用的影响，第四系平原组松散沉积十分发育，厚约300 m，广泛覆盖于新近系之上。

试验与研究区为第四系全覆盖区，根据已知区域地质成果，区内地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系和第四系。其中奥陶系为中奥陶统马家沟组(O2m)为一套浅灰色夹杂褐黄色的灰岩、白云质灰岩，厚层致密状。

1.2 地球物理特征

1.2.1 区域重力场特征

在太行山以东最明显的特点是存在太行山东麓重力梯度带，此外沿郯庐断裂存在着十分明显的线状重力异常带，在郯庐断裂和太行山山前断裂之间的华北平原区，以衡水—菏泽一线为分界，东西两侧的地壳、上地幔状态有明显的差别。东侧重力高低相间的面状分布特征，渤海湾为重力低区，莫霍面呈现下降形态，也是华北平原沉降最深的地方；而鲁西地区属于重力高区，为莫霍面隆起区。西侧重力异常主要为缓慢降低的NNE向梯度带，而太行山地区则处于地壳急剧加厚的重力异常梯度带上。工作区正处于上述地区的交汇地带，因此局部重力场及其反映的深层构造和浅层构造的格局显得比较复杂。在聊兰断裂带重力异常简图(图2)上可明显见到一系列由布格重力异常等值线密集分布表现出来的规模不等的重力异常梯度带，这些梯度带反映了其两侧异常强度的显著变化，并将其两侧强度变化平缓的面状重力异常区分隔开来。

图2 聊兰断裂带重力异常图Fig.2 The gravity anomaly map at Liaolan fault zone

1.2.2 区域磁场特征

区域磁场可能反映了早期地壳形成时构造环境的差异及演化阶段。在以正常的磁场背景值来衡量时，一般太古界结晶基底岩系厚度大、埋藏较浅时在航磁异常图上常表现为正磁异常，而古元古界浅变质岩系及沉积盖层厚度大时则常表现为程度不等的负磁异常。工作区区域航磁异常的分布轮廓与重力场表现出的东西分带、南北分块特征类似，见图3。

图3 聊兰断裂带航磁异常图Fig.3 The aeromagnetic anomalie map at Liaolan fault zone

聊兰断裂对应着磁异常梯度带，其东侧主要为近南北向延伸的较高的正异常，对应着鲁西隆起；其西侧主要为近南北向延伸的负异常，对应着东濮凹陷。东濮凹陷西侧磁异常值由负值逐渐变为正值，反映基底向西逐渐抬升；东濮凹陷基本处于负磁异常中，其南北两个负异常中心分别对应着葛岗集洼陷和前梨园洼陷。

1.2.3 电性特征

通过分析区内及周边地区地层的电性特征和波速特征，结果见表1。从表1可以看出，工作区内地层大致可划分为3个电性层和3个波速层，第1层为第四系—古近系的低阻层和低速层，第2层为三叠系—二叠系—石炭系的中阻地层和中速层，第3层为奥陶系—寒武系的高阻层和高速层。但当有断裂存在时，地层被切割后破碎且充水，使电阻率值降低，相对围岩而言，具有明显的低阻异常和低速异常，且等值线表现为梯级变化特征。区内不同的岩性地层具有明显的电性和速度差异，为地球物理勘探提供了有利的基础[7]。

表1 试验与研究区地层物性参数Table 1 The statistical table of stratigraphic physical properties at experimental study area

2 方法技术

由区域资料可知，试验研究区奥陶系灰岩、白云质灰岩历经多次构造运动及岩溶作用，溶洞溶隙发育，并受聊兰、白衣阁深大断裂切割，裂隙及溶隙发育，富水性好，但热储埋藏较深，东部顶板埋深超过2000 m，温水储层之上有巨厚的第四系和多层厚层的黏土及粉质黏土覆盖，具有良好的保温作用，是该区重点勘查的热储层。

本次对比试验研究工作选取了6种地球物理勘查方法，分别为高精度重力勘探、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、大地电磁测深(MT)、地震波频率谐振勘探、微动探测、氡气与汞气测量。

研究区测线布置见图4，垂直于聊兰断裂和白衣阁断裂布设了2条EW可控源音频大地电磁测深主测线CSAMT1、CSAMT2，1条SN联络测线CSAMT3，3条测线总长17 km；与CSAMT测线重合布设了3条大地电磁测深测线MT1、MT2、MT3；地震波频率谐振勘探、微动探测和氡气与汞气测量均布置在研究区中部的MT1测线位置，点距分别为100 m、500 m和20 m；本次工作在全区布置高精度重力剖面测量10条，测线总长100 km。研究不同物探方法在中深层地热资源勘查中的实际效果，可为地热资源勘查技术的提高提供一些参考。

3 数据分析

3.1 高精度重力成果

重力勘探是以地壳中不同岩、矿石间的密度差异为基础，通过观测和分析研究地表重力场的变化规律来查明基岩起伏及地质构造的地球物理勘探方法[8]。布伽重力异常可以直观反映基岩面起伏，重力梯度带与构造的展布形态及位置有着密切的关系。本次工作全区布设重力测深剖面10条，总长100 km，点距100 m，采用CG-5自动重力梯度仪。各条剖面方位接近，间距小，故近似采用面积性勘查工作的成图方法来研究全区的重力异常特征。原始数据在固体潮改正、零点漂移改正的基础上进行了中间层校正、高度校正、纬度校正和地形校正后得到布格重力值。该地区重力异常特征明显，东南部分异常值较低，西北部分异常值较高，整体表现为一个重力异常值由负到正逐渐增大的梯级带，结合地质情况来看，该梯度带为聊兰断裂的反映，确定本次研究区范围位于该断裂的影响范围内。

经对布格重力异常进行线性增强并进行水平导数总梯度模处理后，区内中部有一北东向高梯度带显示，较清晰地反映出聊兰断裂带中白衣阁断层的具体位置，见图5。

图5 布格重力异常水平导数总梯度模平面等值线图Fig.5 Contour map of bouguer gravity anomaly horizontal derivative gradient

基于对全区布格重力异常的分析，采用modelvision重磁软件对该3条剖面进行了2.5D反演，对各地层的埋深起伏情况进行了推测，其中MT1剖面重力反演剖面见图6。该剖面异常值由西向东总体呈现平缓增高特征，重力异常从-20 mGal逐渐增高至8.8 mGal。结合该区地质情况，剖面西侧宽缓的重力低异常反映了基底沉降较深，推测为东濮凹陷区，东侧重力高异常，反映了基底抬升较高，推测为鲁西隆起区，中部的由低到高的过渡带反映的是聊兰断裂带，该剖面完整地反映了聊兰断裂影响范围内重力异常的变化情况。

图6 MT1剖面重力反演剖面Fig.6 Gravity survey profile of MT1

3.2 电(磁)法勘探成果

本次工作完成重合的CSAMT、MT电磁法剖面各3条。CSAMT测线点距50 m，MT测线点距300～500 m。

对采集的数据进行预处理和反演成图，测线的CSAMT和MT反演电阻率剖面具有地电剖面形态相似性和反映地质构造类似的特征。以研究区MT1线CSAMT和MT反演电阻率剖面(图7)为例，可以看出，同一层电阻率横向变化大，地层层位连续性不好，横向上总体电阻率特征均为西低东高。CSAMT剖面浅地表相对高阻为地表建筑物引起的异常。

图7 MT1线反演电阻率剖面Fig.7 Electromagnetic resistivity profile of MT1

两类剖面中部陡立低阻带延伸至深部，该低阻带两侧地层电性特征发生明显变化，该处电阻率梯度带位置推断为白衣阁断层，倾向SW，倾角约80°，断距未完全控制。白衣阁断层两侧电性差异较大，作为本剖面东西的分界线。

大地电磁剖面340点处高阻带推测为聊兰断层，倾向SW，倾角约80°。剖面东部低阻带推测为F3断层，断层西倾，倾角约80°，断距约200 m。根据已知地质资料和剖面视电阻率差划分第四系、新近系地层(Q+N)，古近系地层(E)，二叠系、石炭系地层(P+C)，奥陶系、寒武系地层(O+∈)。推断标高-2100 m以深为太古界地层(Ar)。MT测线点距(300～500 m)相对于CSAMT测线点距(50 m)大，故电阻率横向控制程度不高，另外，CSAMT本身具有横向分辨率较高的特性和较强的抗干扰能力。

3.3 微动探测成果

微动探测方法也称天然源面波法，是以大自然微弱的振动为场源，从微动信号中提取瑞利面波的频散特性，最后通过对频散曲线反演来推测地下横波速度分布，从而了解地下地质结构信息的地球物理探测方法[9]。

根据地质目标，本次微动勘探探测深度要求3000 m。野外施工测量采用4重圆三角形排列形式观测台阵，每个台阵由13个数据采集点组成，观测半径由内向外依次为400 m、600 m、800 m、1000 m，如图8所示。

图8 本次微动探测采用的四重圆观测台阵Fig.8 Layout of microtremors survey

本次微动探测布设测线1条，测点60个。根据本次获得的MT1线微动横波速度剖面(图9)，剖面桩号1000、3500、7000位置附近的波速等值线呈明显扭曲下沉趋势，波速相对周边地层出现明显变低趋势，断层特征反映明显，结合区内地质资料，由西向东分别推断为东濮凹陷东边界区域断层—聊兰断层、白衣阁断层、王楼断层影响所致。

图9 MT1线微动探测横波速度剖面Fig.9 MT1 transverse wave velocity profile of microtremors survey

根据横波速度的变化趋势划分地层。其中第四系和新近系(Q+N)地层变化较平缓，为低速层，受白衣阁断层、聊兰断层影响，新近系地层厚度向西呈阶梯状变厚趋势。古近系(E)，二叠、石炭系(P+C)地层受断裂控制厚度变化大，主要为砂泥岩夹煤层和薄层灰岩沉积，表现为中速层。白衣阁断层以东地区地层整体向西倾，下部速度2000 m/s以上，地球物理特征显示为奥陶系灰岩沉积，顶面埋深约1600 m，为奥陶、寒武系地层，其下部推断为太古界基底。受王楼断层影响，断层以东煤系地层抬升剥蚀，奥陶系老地层出露。本次微动探测解释的白衣阁断层位置相对以往地质资料显示的断层位置向东有所摆动。

3.4 地震波频率谐振勘探成果

地震波频率谐振探测是通过观测地下的地震波所具有的共性—谐振现象对地质体空间与属性成像，探测深度大，抗干扰能力强，适合在城镇周边开展工作。本次工作布设地震频率谐振探测60个点，点距100～200 m。

采集到的数据通过处理，最终得到的是地层视波阻抗比值剖面图(图10)，主要反映的是地下地层视波阻抗值变化趋势。

图10 MT1线地震频率谐振勘探视波阻抗比值反演剖面Fig.10 MT1 wave impedance profile of earthquake frequency resonance exploration

3.4.1 地层分布特征

三分量频率谐振地震勘查剖面对不同速度和密度的地层分界较敏感，同一岩性不同密度层通过等值线数值的差异可以精细划分，根据MT1测线视波阻抗比值反演剖面结果，将地层分为第四系—新近系(Q+N)、新近系(E)、二叠—石炭系(P+C)、奥陶—寒武系(O+∈)和太古界(Ar)五个主要地层。三分量频率谐振波阻抗比值在剖面上的值域分布范围为0～1，该属性值为无量纲属性值，将地层由上至下主要特征描述如下：

第四系—新近系(Q+N)地层，该层埋藏深度推测自西向东逐渐变浅，西部埋深超过1500 m，最东部埋深在800 m左右。通过已知资料推测主要以砂土、黏土及砂黏土为主，该层三分量频率谐振视波阻抗值大部分低于0.14。该层整体呈层状分布，横向变化不均匀，埋藏深度变化范围较大。

新近系(E)地层，该层主要分布于白衣阁断层以西，下覆于第四系地层之下。根据已有区域资料推测该层埋藏较深，该层三分量频率谐振视波阻抗比值在剖面上部主要表现为中值，约为0.24～0.28。下部则表现为高视波阻抗比值，推测为局部火山岩引起，该层整体埋藏深度较大。

二叠—石炭系(P+C)地层，该层下覆于新近系地层之下，主要位于4000～7500号测点间，埋藏深度及厚度自西向东逐渐变浅，在西部最厚处为600 m左右，向东逐渐变薄至尖灭。该层三分量频率谐振视波阻抗比值主要表现为中低值，约为0.14～0.23，整体表现为从上至下视波阻抗值逐渐升高的层状分布。根据钻井资料推测该层从上至下主要以泥岩、砂岩地层为主，含有煤层。

奥陶—寒武系(O+∈)地层，该层下覆于二叠—石炭系(P+C)地层之下，测线最东部位于第四系—新近系(Q+N)地层之下，该层三分量频率谐振视波阻抗比值在剖面上主要表现为中高值，约为0.2～0.3，其中较破碎区域视波阻抗值显著降低。根据钻井资料推测该层主要以灰岩、白云岩为主。

太古界(Ar)地层，该层下覆于奥陶—寒武系(O+∈)地层之下，该层三分量频率谐振视波阻抗比值主要表现为高值，大部分大于0.6，其中较破碎区域视波阻抗值有所降低。根据钻井资料推测该层主要以片麻岩、白云斜长片岩及石英岩组成。

3.4.2 断裂分布特征

本次地震频率谐振勘查任务之一为查明测线地下空间范围内断裂的分布特征，根据上一节对断层以上特征，结合钻孔资料对测线断裂特征进行解译。

F1断裂带，推测位于测线1300～1800号测点下方，倾向西，倾角约70°，结合已有资料推测该断裂带为聊兰断层。

F2断裂带，推测位于测线2600～4400号测点下方，由F2-1和F2-2两条次级断裂组成，倾向西，倾角约80°，结合已有资料推测该断裂带为白衣阁断层。

F3断裂带，推测位于测线6500～7500号测点下方，倾向西，倾角约70°，结合已有资料推测该断裂带为王楼断层。

3.5 汞气与氡气测量成果

土壤汞与氡气测量作为一种勘探方法，具有经济、轻便、前瞻性的特点。

土壤汞气测量又称热释汞测量，以热释法系统地测量从天然物质(土壤、岩石、单矿物及水)中释放出来的各种赋存状态汞为研究对象的地球化学勘查工作。研究与各种勘查目标物(矿、地热田、油气田、隐伏构造等)有关各种赋存状态汞含量异常和热释曲线特征，可得出寻找矿产、地热田、油气田、隐伏构造的标志。土壤测汞法在野外取40～70 cm深度(B层土)的土壤样50 g左右，回到室内烘干，直接过100目的筛，留取5～10 g，然后称取50～100 mg样品置于石英容器再送入热解炉规定的位置即可完成测试。

氡气测量是放射性测量的一种，它是用测氡仪测量土壤空气、大气和水中氡及其子体浓度的一类方法。长期的实践证明，断裂带及其附近地区存在气体释放及气体异常现象，而且这种现象是长期的，这就意味着断裂带附近岩土体具有较高的可渗透性和孔隙度，断裂带则充当了地壳气体释放的通道[10]。因此断裂带附近的异常气体浓度值要比其他地区高，目前可研究的异常气体种类繁多，而氡气作为一种常见的放射性惰性气体，易于快速测定及观测应用。

研究区布设1条汞气测量与氡气测量，测量综合剖面图见图11。

图11 汞气测量与氡气测量综合剖面图Fig.11 The composite profile of measure Mercury vapor and Radon gas

由图11可见，测线西侧800～1200 m处汞异常和氡异常吻合较好，位置略有差异，异常幅值分别为46 ng和19 Bq/L，此处为西倾的聊兰断裂F1；测线4600 m处氡异常显示的大断裂F2′，氡异常幅值为22.18 Bq/L，5300 m处汞异常显示的大断裂F2，汞异常幅值为57 ng，汞气与氡气异常这两处异常形态相似，位置有偏差，总体位置处于工作区内白衣阁断裂位置附近，初步推测F2′与F2均为白衣阁构造带组；汞气在6700～7300 m处分布有一明显的多峰异常，呈锯齿状，异常幅值分别为21 ng，显示此处为西倾的构造F3，初步推测为一次级构造。

由于工作区属于全覆盖地区，且覆盖层较厚，西部最厚处达1500 m左右，汞气和氡气的迁移距离较大，测量曲线呈低水平变化，其均值在3.9 ng和3.8 Bq/L左右。

4 物探方法综合分析

通过6种地球物理勘查方法的对比试验研究，分别用相应的参数推断解释了区内断裂带的中心位置以及影响范围，地层分层及展布范围，并结合以往钻孔资料对深部基底起伏情况进行了验证。对聊兰断层、白衣阁断层进行了定位与分析，并发现一条F3断层。6种方法在研究区地热勘探中的应用效果与存在的问题如下：

(1)高精度重力作为一种效率高、成本相对较低的探测手段对于区内大尺度的断裂构造有着较好的应用效果，非常适用于受地形影响较小地区与构造相关的带状热储型地热的前期勘探。但由于重力勘探原理限制，对于小尺度的断裂构造反应不灵敏，且重力资料无法有效地对地层进行分层。

(2)可控源大地电磁测深方法(CSAMT)具有水平方向分辨能力高，地形影响小且易修正，同时穿透高阻层的能力较强等特点。较清晰地反映了1500 m以浅的地电结构，能有效探测与地下热水有成因关系的断裂构造位置和基底构造形态，并对于含水构造有较好的探测能力。但由于近场效应的影响，在覆盖层较厚的地质条件下，探测深度受到了一定影响。同时，在城市严重干扰环境下的数据质量也会受到较大影响。

(3)大地电磁测深方法(MT)是以天然电磁场为场源的频率域电磁勘探方法，能有效地对3000 m以浅的地电结构进行探测，同时对于低阻构造反映灵敏，水平分层能力强，较适用于本区的深部地热资源勘探工作。但大地电磁法信号易受干扰，在城区难以取得准确的资料。

(4)微动勘探由天然源信号中提取面波信号，抗干扰能力较强，适用于城区周边的深部勘测。同时微动勘探水平分层能力较好，对于大断层反应明显，适合本区的深层地热勘探。但微动对于断距较小的构造反应不灵敏，且无法评价断裂构造的含水性。

(5)地震波频率谐振具有抗干扰能力强、施工方便快捷、对于地层水平分层能力强、断层反应清晰等特点，适用于本区的深层地热勘探。

(6)土壤氡气测量能较好地反映深部的地质体，而土壤汞气测量对于近地表构造的顶端反映明显，但对于深部构造的形态和空间展布情况反映较差。土壤测氡及测汞受地表人文干扰影响较小，可做为其他物探方法的有效补充。但受本区覆盖层较厚影响，汞气测量与氡气测量曲线呈低水平变化，且由于汞气和氡气的迁移距离较大，次级断裂形成的异常不明显。