太康隆起东段地热资源远景区调查评价与研究

胥博文， 朱怀亮， 石 峰， 刘志龙， 王少辉， 王兴元， 辛玉齐

(1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250;2.河南省有色金属地质矿产局 第六地质大队，郑州 450016)

0 引言

大地电磁测深法是地热田勘查十分有效的一种物探勘查方法，其勘查效果已被各类地热田勘查结果所证实[1-2]，其原理主要是基于分析电阻率异常，推测地下地层埋深、断裂构造位置、产状及走向，进而达到勘查地下深部热储构造目的。实际上，岩石的导电率很大程度上取决于岩石孔隙或裂隙中的水溶液，因而低电阻率成为地下流体存在的一个指标，造成热储构造区电阻率比其围岩区电阻率要低的多，形成热储构造区低电阻率异常特征，这样就可以根据使电阻率异常直接预测地热田热储构造空间赋存位置成为可能。

MT法在地热调查中的应用主要是查明深部地质特征和地下流体分布，从而圈定地热异常远景区。天津地区地热MT勘查工作始于2001年，至今已经先后完成万家码头、宁河-潘庄、周良庄、天津西南部、宝坻城区以及滨海新区等地地热调查工作，其中利用剩余电阻率等值线圈定的地热异常区取得了一定效果[3]。银川盆地地热调查工作利用MT法结合地温梯度资料划定垂向电阻率20 Ω·m为热储范围，推测热储区域为低阻高导区[4]。开封坳陷地热调查过程中运用MT法对地层进行了电性分层，根据高阻基底电阻率值小于45 Ω·m等值线为界，圈出了主要异常区[5]。

笔者以太康隆起东段4条大地电测探测剖面所获得的导电性结构模型为依据，结合所研究区域重力、航磁、地震及区域地质资料，共同探讨了商丘凸起深部电性结构特征及主要断裂构造特征，同时根据基底隆起形成的高阻异常与区域地温场高值区具有较好的对应关系，圈定了地热异常远景区，以期为后续地热资源评价和目标优选提供新的证据与信息。

图1 南华北盆地现今构造格架Fig.1 Present-day structural framework of the southern north China basin

1 区域地质背景

太康隆起位于河南省中东部，是南华北盆地北部的二级构造单元[6]，西与嵩箕隆起相邻，东与淮北隆起相接，夹持于开封坳陷与周口坳陷之间(图1)，总体构造格局为“两坳夹一隆”，其次级构造单元可进一步划分为鄢陵凸起、砖楼凹陷、通许凸起、邢口凹陷和商丘凸起[7](图1a)。该隆起呈NWW向展布，早期主要受印支期秦岭-大别造山带强烈的南北向挤压作用影响，形成了与之主体走向大体一致的NWW向褶皱-逆冲推覆构造，后期受郯庐走滑断裂的影响，叠加了NE-NNE向构造[8]。

商丘凸起位于太康隆起东段，北侧以焦作-商丘断裂为界与黄口凹陷相邻，西侧以睢县断裂为界与邢口凹陷相接。区域上位于河南省睢县到商丘市沿线一带，面积约为2.5×103km2。区内地表均被第四系覆盖，覆盖层之下发育新近系、石炭-二叠系、奥陶系、寒武系以及太古宇结晶基底。太古宇为一套古老变质岩建造，是区域变质岩型磁铁矿的主要含矿地层，寒武-奥陶系为伏于盖层之下的古潜山区，普遍遭受风化淋蚀，石炭-二叠系为区域主要含煤地层。前人对商丘凸起的研究程度较高，但多集中于石油、铁矿、煤炭等勘探与开发工作[9-12]，专项地热资源调查缺乏必要的研究工作，需要进一步的认识和评价这一区域内地热资源潜力。

2 数据采集和处理与分析

2.1 数据采集与处理

研究区大地电磁测点分布如图2所示，从西到东共布置了4条大地电磁测深剖面(L1-L4)，共包括97个宽频大地电磁测深点，点距约为1 km，其中L1测线呈近EW向展布，设计测深点25个，其余三条测线基本垂直于焦作-商丘断裂布设，设计测深点分别为27个、27个和18个。野外数据采集工作于2017年8月-9月内完成，采集仪器使用2套加拿大凤凰公司生产的MTU-5 A宽频大地电磁仪，采集时间均在3 h以上。

研究区西起河南省睢县，东至商丘市一带，区内经济程度较高，高压输电线、高速公路、铁路以及移动通讯设施等干扰源十分复杂，近场干扰严重。通过测量实验和结果的对比分析，确定在开展数据采集过程中，L1和L3测线测点采集时间同步进行，二者进行互为远参考处理，L2和L4测线测点采集时间同步进行，二者进行互为远参考处理，用相关分析的方法去除本地噪声干扰。经过远参考方法对测点进行数据处理后，大多数测点的视电阻率与相位曲线在>0.1 Hz的范围内质量普遍较好。图3为工区内L3-6号测点远参考处理前后的视电阻率和相位对比曲线，由图3可以看出，频率大于10 Hz时曲线形态较平稳，视电阻率大小为10 Ω·m左右。从10 Ω·m开始视电阻率曲线呈45°左右渐近线趋势上升或下降，实为典型的近源干扰。通过远参考处理后的曲线总体形态变化比远参考处理前的曲线明显合理，尤其对资料中中频段、低频段由于磁场干扰产生的跳跃问题频段，甚至近场效应都可以得到一定程度的改善。

图3 远参考道技术应用效果对比(以L3-6号测点为例)Fig.3 Result comparison of the application of remote reference technique (with the example of site L3-6)(a)不利用远参考道数据处理结果；(b)利用远参考道数据处理结果

图4 L2剖面Swift二维偏离度Fig.4 Analysis result of L2 line Swift and Bahr skewness along the profile(a)与Bahr二维偏离度;(b)分析结果

图5 L1-L4剖面电性主轴分析结果玫瑰图Fig.5 Rose diagram showing analysis result of L1-L4 lines electrical principal axes(a)L1线，100 Hz～0.1 Hz；(b)L2线，100 Hz～0.1 Hz；(c)L3线，100 Hz～0.1 Hz；(d)L4线，100 Hz～0.1 Hz

根据大地电磁勘探深度计算公式：

(1)

其中：H为有效勘探深度，m；ρ为实测视电阻率，Ω·m；f为观测频率，Hz。

根据近年来在我们在华北地区开展大地电磁工作所获得电性资料可知，新生界电阻率值较低，电阻率平均值一般在15 Ω·m左右，新近系比第四系更低，电阻率平均值一般在5 Ω·m～10 Ω·m之间，石炭-二叠系电阻率平均值一般在23 Ω·m左右，寒武-奥陶系电阻率平均值一般超过100 Ω·m，而太古宇结晶基底电阻率值最高，一般超过1 000 Ω·m。假定研究区4 000 m以浅的平均电阻率以15 Ω·m 计算，根据以上勘探深度计算公式估算，当采集最低有效频率达到0.1 Hz时，其勘探深度将超过4 000 m，满足本次地热资源4 000 m以浅勘探深度要求。

2.2 维性分析与构造走向分析

在获得与频率相关的阻抗张量信息后，为了消除大地电磁响应中局部畸变的影响，需要获得区域构造阻抗和走向等参数[13]，从而进一步确认适合的数据处理及反演方法。目前阻抗张量分解方法有多种，主要有Swift分解[14]、Bahr分解[15]、相位张量分解[16-17]和G-B分解[14]等。Swift分解和Bahr分解法主要判别大地电磁测深数据是否满足二维性要求的参数，相位张量分解和G-B分解主要用来分析区域构造的电性主轴方向。

我们采用Swift分解和Bahr分解法对所有大地电磁数据进行维性分析，其中二维偏离度是反映地下介质电性结构维数的重要参数。一般来说，二维偏离度的值小于0.3时，可以近似视为二维情况。笔者选择L2测线进行维性分析，图4为L2剖面二维偏离度拟断面图，从图4中可以看出，沿测线范围内大部分测点的二维偏离度都小于0.3，表明地下介质的电性结构总体上满足二维性假设，可以进行二维反演解释。

图6 L2剖面大地电磁视电阻率与相位实测数据拟断面图Fig.6 Pseudosection maps of observed TM and TE data of L2 line apparent resistivity and phase(a)L2剖面大地电磁视电阻率；(b)相位实测数据拟断面

G-B分解法是目前应用最为广泛的一种张量分解法[13]，可将区域构造阻抗与局部电场畸变效应从观测的阻抗张量中分离出来，从而恢复未畸变的区域二维阻抗张量。利用G-B分解法进行了L1-L4剖面的构造走向分析，并将各条剖面的统计结果以玫瑰图的形式示于图5中。从图5中可以看出，L1、L2剖面区域内的电性主轴方位为120°和30°左右，L3、L4剖面区域内的电性主轴方位为135°和45°左右。根据区域地质及构造资料，L1、L2剖面区域主要构造走向大约为SE120°，L3、L4剖面区域主要构造走向大约为SE135°。因此，将各条剖面大地电磁数据全部旋转至各自区域构造走向上(L1、L2剖面旋转至SE120°，L3、L4剖面旋转至SE135°)，再进行二维反演。

3 数据反演与结果分析

3.1 数据反演

为定性分析研究区域的电性结构，选取了L2测线典型剖面作了视电阻率-频率拟断面图和阻抗相位-频率拟断面图(图6)。图6中高阻区域对应低相位区域，低阻区域对应高相位区域。从图6中可知，沿测线范围内地下电性结构大体可分为两层：上部低阻层和下部高阻层，图6中各电性层位在横线上连续性较好。

根据阻抗张量分解的结果以及区域地质构造特征分析，利用二维非线性共轭梯度算法(NLCG)对所选取的97个大地电磁测深响应资料进行了二维反演[18]。通过对不同反演参数、不同极化模式对比、分析，认为TE+TM模式的反演能够比较准确地反映出地下介质的电性结构分布形态。反演中使用的参数设置为：L1-L4剖面初始模型均为100 Ω·m的均匀半空间；TE+TM模式；频率范围0.01 Hz ～320 Hz；正则化因子tau=3；TE门限误差5%；TM门限误差2%。最终RMS反演拟合差分别为5.13、5.16、4.94、5.53。

3.2 电性结构模型分析

根据反演得到的电性结构，结合地质情况绘制了4条剖面二维反演电性结构模型(图7)。图7中横坐标轴表示剖面线，纵坐标轴表示反演得到的深度，断面上充填颜色的等值线表示4 000 m以浅介质电阻率的常用对数值，红色代表高阻，绿色代表低阻，过渡色表示中间电阻率。

一般来说，等值线电阻率沿剖面方向的起伏反映电性层的断面构造形迹，等值线稀疏、平缓说明电性层较为稳定。从图7(b)、图7(c)、图7(d)中可以看出，商丘凸起与黄口凹陷两构造单元4 000 m以浅电性结构特征表现为纵向分层、横向分块的特征，二者明显具有不同的电性结构特征。南侧的商丘凸起从浅部到深部电性结构特征表现为低阻-中高阻-高阻特征，北侧的黄口凹陷则显示为低阻-中阻特征。

商丘凸起电性结构模型纵向上可分为三层：第一电性层为低阻层，电阻率值小于30 Ω·m，四条二维反演剖面上均可连续追踪；第二电性层为中、高阻层，电阻率值介于30 Ω·m～100 Ω·m之间，其中L1剖面3号～4号测点、L3剖面5号～7号测点由于断裂构造影响，整体厚度较大，其他区域厚度相差不大；第三电性层为高阻层，电阻率值大于100 Ω·m，顶面起伏较大，图中可明显看到，受郯庐走滑断裂的影响，商丘凸起东部隆起幅度较西部大。

根据L2、L3、L4二维反演结果图(图7(b)、图7(c)、图7(d))发现，在L2剖面25号～26号点、L3剖面23-24号点、L4剖面10号～11号点附近，剖面断面上存在一组向北倾斜、延伸大于4 000 m的电性梯度带和畸变带(F1)，F1两侧电阻率特征明显不同。通过与区域地质资料对比发现，可以认定该断裂带为焦作-商丘断裂。F1断裂西起新富庄，向东经郝楼、商丘北、平台镇，总体走向NWW，该断裂北西端倾角较缓，倾角为35°左右，东南端倾角较陡，倾角可达50°左右。

根据L2、L3、L4(图7(b)、图7(c)、图7(d))二维反演剖面所示，由断面的电性结构特征可以看出，在L2剖面3号～6号测点、L3剖面3号～9号测点、L4剖面3号测点附近，电阻率等值线沿剖面上明显存在一向下凹陷带(称为潘庄-路河次凹，属于商丘凸起次级构造单元)。根据豫东地区煤勘查资料结果，该凹陷带基岩为微倾向南的石炭、二叠系含煤地层，地层倾角一般在6°～10°之间，凹陷带的南、北两侧分别伴随两组横向电性梯度带(F2和F3)。根据研究区域大地电测测深工作成果，同时结合区域地质及地震勘探资料可知，F2断裂为民权-商丘南断裂，F3断裂为路河断裂。F2断裂走向NW，倾向SW，倾角为30°～65°，断距三百余米。F3断裂走向NW，倾向NE，倾角为35°～65°，断距六百余米。

由图7(a)所示的L1剖面电性结构模型可以看出，在剖面9号点和10号点中间位置和宁陵县北侧18号点附近，剖面断面上均存在一组西倾的电性梯度带(F4和F5)，受该断裂构造的影响，整条剖面从西到东明显可看到基岩埋深由深到浅。结合区域地质资料可知，F4断裂为宁陵断裂，F5断裂为睢县断裂。睢县断裂为区域上巨野断裂在商丘凸起上的反映，是太康隆起东段邢口凹陷与商丘凸起两大构造单元分界界线，从L1剖面电性结构特征上来看，两构造单元明显具有不同的电性结构，该断裂向下延伸达4 000 m深。

图8 商丘凸起基岩地质图Fig.8 Geological map of basement rock of Shangqiu uplift

商丘凸起地层由老到新发育有太古界登封群，下古生界寒武系和奥陶系，上古生界石炭系和二叠系，新生界新近系和第四系[19]。①第四系为松散沉积物，厚度一般在300 m左右，与下伏新近系为平行不整合接触，电性特征为低阻，电阻率值一般小于20 Ω·m；②新近系明化镇组厚度一般小于600 m，岩性主要为细砂岩、粉砂岩、泥岩，岩石固结程度较差，电性特征以相对高阻为特征，电阻率值一般小于50 Ω·m；③石炭-二叠系主要位于黄口凹陷、邢口凹陷和潘庄-路河次凹内，岩性以砂岩、泥岩互层为主，夹炭质泥岩和煤层，厚度一般在300 m～500 m之间，电性特征显示为高阻，电阻率值一般小于100 Ω·m；④寒武-奥陶系岩性主要为灰岩、白云岩等，厚度一般在600 m左右，电阻率值普遍大于100 Ω·m；⑤太古界登封群为变质岩系，电阻率值最高。

4 地热勘探远景评价

商丘凸起早古生代经历了两次沉降和两次抬升活动，沉降时期形成了以碳酸盐岩为主的地层，抬升时期则使碳酸盐岩地层发生强烈剥蚀。中石炭至早二叠世，海水自北向南侵入，区域发育了一套海陆交互相含煤岩系。三叠纪末至古近纪，商丘凸起一直处于大面积隆升状态，上古生界已剥蚀殆尽，下古生界亦遭严重剥蚀[7]。研究区域奥陶系潜山在被新近系覆盖前经历风化淋蚀作用历时长达410 Ma，一般来说沉积间断持续的时间越长，遭受风化淋蚀越强，碳酸盐岩层孔、缝、洞也就越发育[20]。因此，研究区域具备一定形成良好热储层的潜力。

商丘凸起作为太康隆起的次级构造单元，基岩具有埋深浅的特点，地温梯度值明显高于凹陷区。根据研究区域大地电磁工作成果，同时结合区域地质、地球物理以及钻孔勘探资料，以电阻率100 Ω·m为界，绘制了商丘凸起基岩地质图(图8)。从图8中可明显看到基岩起伏形态和断裂构造展布方向，其中黄楼-平台背斜、前张-蒋庄背斜基岩埋深仅为700 m，新生界下伏地层为奥陶系。这两处背斜构造走向均为NWW向，反映了基底构造受秦岭-大别造山带南北向挤压作用影响较大。从局部构造形态来说，一般背斜部分地温高、梯度大，而两翼地温低、梯度小。从图9中可知，商丘凸起300 m深相对高的地温异常(32℃)展布方向为NWW向，这与黄楼-平台潜山凸起(背斜)、前张-蒋庄潜山凸起(背斜)展布方向大体一致，反映了基岩埋深浅具有地温梯度大的特点。根据这一对应关系，研究区域内圈定了2处地热异常远景区，其分别为黄楼-平台地热异常远景区和前张-蒋庄地热异常远景区(图8)。通过圈定地热异常远景区，将会对商丘地区地热资源后续勘探开发具有重要的借鉴作用。

图9 河南省东部300 m深等温线趋势图Fig.9 300 metres isothermal diagram in eastern region of Henan province

5 结论

1)商丘凸起电性结构特征具有横向分块、纵向分层特征，从上到下表现为低阻-中高阻-高阻特征。

2)断裂带两侧电性结构模型差别较大，据此推断剖面经过区域发育2条规模较大断裂，其分别为焦作-商丘断裂(F1)和睢县断裂(F5)，此外商丘凸起内部还发育有民权-商丘南断裂(F2)、路河断裂(F3)和宁陵断裂(F4)。

3)通过大地电磁探测工作成果，以100 Ω·m为界构绘了商丘凸起基岩地质图，同时根据深部基底隆起形成的高阻异常与区域地温场高值区具有较好的对应关系，圈定了2处地热异常远景区，以期推动后续地热勘探开发工作。