张大明，张龙飞，殷全增，赵石峰，张 昭，台立勋，杨 彪

(1.河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000；2.河北省煤田地质局 地质与科技处，河北 石家庄 050085)

1 引 言

地热资源作为清洁能源，在能源结构调整，实现碳达峰、碳中和目标中发挥着重要作用，地热资源勘探是地热资源开发和利用的基础。近年来，重、磁、电、震、测井等均尝试应用于地热探测，其中，重磁异常可用于判定深大断裂位置、圈定居里面等深部高温异常体，进行地热资源约束评价；电性特征异常可用于刻画浅层储层特征、圈定热储范围，厘清深部热机制及热演化过程[1-5]。在众多地球物理方法中，目前地热探测效果较好、精度较高,且应用最多的地球物理方法是大地电磁法[6]。2000年以来，中国地质调查局、中国科学院、河北省地矿局及河北省煤田地质局在京津冀地区开展了大量的地热资源调查工作，其研究成果对该地区地热资源进行了较系统的全面调查，包括岩性研究、地质结构与地球物理属性对应关系及勘查地热的地球物理方法选择(重力、磁法、电磁法、人工地震、广域电磁法等)，初步总结了地热勘查方法，对该地区地热勘查工作具有一定的指导意义。

博野地区地热资源勘探研究较少，科学利用该区域的地热资源，需对该地区地热地质资源的分布规律进行勘查。本文按照“面—线—点”逐步聚焦的研究思路，利用博野地区重力异常、电性特征等地球物理资料圈定深部热储分布范围和构造形态，通过大地电磁方法确定热储层地层起伏与热储发育规律研究，对钻孔钻遇地层深度、厚度等进行预测，取得了较好的效果。

2 研究区概况

研究区位于河北省保定市博野县东北部，构造上位于冀中坳陷高阳低凸起中南部的博野潜山。区内地处太行山东麓冲积、洪积交错沉积微倾斜平原区，地形平坦开阔，总体地势自西向东缓慢倾斜，高阳低凸起西靠保定坳陷，北接牛驼镇凸起，东临蠡县斜坡，东南面深泽低凸起、深县凹陷、无极藁城低凸起接壤，是保定凹陷和蠡县斜坡之间的北北东向条形低凸起。凸起基底构造走向北北东，倾向西北，由元古界、古生界地层组成[7]。研究区位于高阳低凸起范围内，高阳地热田属于沉积盆地传导型地热田，其热源来自地壳深部，区域大地热流是本区的恒定热源[8,9]。在地壳深部热流呈平均分布，当进入地壳上部后，在基岩凸起与凹陷构造格局的制约下，热流重新分配布局，在正向构造与负向构造的交接转换部位，热流方向发生偏转，不再保持完全的垂直向上，有从凹陷部位向凸起部位相对加大而在凹陷部位相对减弱的趋势[10-14]。由于本区处在凸起部，基岩埋藏较周边地区浅，故地温梯度相对较高。

综合区域资料与周边地区钻井录井岩屑及物探测井资料，进行地层划分，博野地区地层由新到老有：第四系、新近系明化镇组、新近系馆陶组、古近系沙河街组、古近系孔店组、元古界蓟县系雾迷山组等地层[7]。

3 地球物理特征

3.1 重力场特征

研究区盖层主要为新生界古近系、新近系和第四系，基底为中上元古界蓟县系和长城系地层。下伏碳酸盐岩基底与上覆碎屑岩存在的密度差，所以引起该区域重力异常的主要密度界面就是中上元古界与古近系之间稳定的古侵蚀面。

图1为高阳低凸区剩余重力异常图，可以看出，高阳低凸起的重力异常走向北北东，在布格重力异常及剩余重力异常等均有异常反应，异常强度微弱，剩余重力异常反映为0～+1 mGal，主要反映古生界-中新元古界地层的隆起。博野潜山重力异常位于高阳低凸起的重力异常的南部，剩余重力异常反映为+0.5 mGal重力高值。剩余重力异常强度弱反映了高阳低凸起基底埋深较大，同时与两侧凹陷基底呈平缓过渡的趋势。

图1 高阳低凸区剩余重力异常Fig.1 Residual gravity anomaly in Gaoyang low convex area

3.2 电性特征

研究区地层由浅部到深部，电阻率呈规律性变化，其中第四系地层岩性为黏土、细砂，电阻率一般较低，总体上电性较均匀，约5～12 Ω·m；新近系岩性主要为砂岩、粗砾岩等，明化镇组为相对高阻，电阻率约4～15 Ω·m，古近系和新近系馆陶组电性差异较小，为低电阻层，电阻率小于10 Ω·m，孔店组以下各系地层电阻率升高，而以白云岩等碳酸盐岩为主的中新元古界蓟县系、长城系地层，电阻率值高，一般大于50 Ω·m[15]。研究区新生界盖层直接覆盖在古生界或者中元古界地层之上，由前述可知，上下两套地层电阻率差异明显，因此这一电阻率分界面作为研究区电性标志层的顶界面[16-18]，主要反映古生界或中元古界碳酸盐岩层。

博野及周边地区整体电阻率等值线稀疏，异常强度微弱，北东走向，根据电阻率值推断的电性标志层顶界面埋深大约为2 800～3 000 m(图2)，反映的地质层位应该为古生界—中新元古界的顶界面。

图2 博野及周边地区电性标志层顶界面埋藏深度Fig.2 Burial depth map of top interface of electrical marker layer in Boye and surrounding areas

表1 研究区内不同地层的地球物理参数

4 方法应用

4.1 大地电磁测深工作布置

大地电磁测深法数据采集所用仪器为加拿大PHOENIX公司生产的V5多功能电磁法仪；数据采集采用张量测量，即同时测量Ex、Ey、Hx、Hy共4个相互正交的电磁场分量[19-23]；根据井深设计，采用频率为0.1～9 600 Hz，磁棒为全频域磁棒；线距5 000 m，点距1 000 m，电极距50 m，在包含井场的范围内布置了北西向的测线4条，垂直于主构造，北东方向测线1条，共计66个大地电磁测深点，测线测点布置见图3。

图3 博野地区大地电磁测线位置Fig.3 Location map of magnetotelluric survey line in Boye area

4.2 数据反演

对大地电磁测深剖面进行了二维—三维反演。依据反演电阻率剖面的电性特征，并参照已知地质资料的基础上，进行了剖面地质解译与推断工作(图4)。经过剖面反演断面图与搜集到的附近的相关地质资料的对比分析可知，各剖面的电性特征基本近似，电性标志层的电阻率值一致性较好，各地层的电性特征差异较明显，断裂构造电性差异较明显。下面对不同电性层开展地质推断。

图4 博野地区大地电磁测深剖解释Fig.4 Interpretation of magnetotelluric sounding profile in Boye area

由图3可知，JZ04井位于D3线和D5线交点附近，因此，将JZ04井投影于D3线和D5线上。在D3线上，钻孔位置推断位于断层附近的上升盘，钻孔南侧为断层，该断层推断为高阳—博野断裂。D5线则位于该断层南侧，将JZ04井投影于D5线，参考价值不大。因此，JZ04井位钻遇地层预测主要参考D3线。

博野D3线共布设18个测点，点距1 000 m，剖面长度约14 000 m。从反演电阻率剖面图图4(c)上看，地层上部反演电阻率较低，反演电阻率值较小，为中低阻层，是第四系电性反映；第四系下部反演电阻率渐低，为一低阻层，电性分布相对均匀，是新近系地层的电性反映。图中反演电阻率从上到下逐渐增大，反映出新近系、古近系、元古界反演电阻率从浅到深逐渐增大的基本电性规律。

电性异常与地层的对应关系：该剖面反映的地层序列比较清晰，第四系(Q)底界面埋深约400～500 m，该套地层岩性以松散未成岩为特征，主要由冲积、洪积、湖积等成因的堆积物组成,电阻率约为50～80 Ω·m，即Q地层；反演断面的中上部显示的似层状低阻异常，电阻率约为10～25 Ω·m,应属新近系电性层，即N地层，为低阻层，地层岩性以砂质泥岩和灰白色、浅灰色砂岩及含砾粉砂岩为主，局部夹灰绿色泥岩及钙质团块，厚度约为1 500 m，底界面埋深约2 000～2 200 m[24-27]；古近系电阻率在30～75 Ω·m，岩性主要为泥岩夹砂岩，下部为含砾砂岩，即E地层，厚度约为1 000 m，底界面埋深约2 800～3 600 m；断面下部显示的团块状不规则异常，应属蓟县雾谜山电性层，即蓟县雾谜山(Jxw)基底，以大块白云岩为主，顶界面由电阻率650～750 Ω·m圈定。对断层的判断，主要依据电阻率等值线的扭曲及不同特征的电性异常接触，并结合地质图等已知地质资料进行：在里程7 000～8 000 m位置，电阻率曲线陡升，推断为高阳博野断层，由电阻率错断推断断距约为400 m。

4.3 综合解释及钻探验证

根据区域重力、电法勘探成果及大地电磁测深等地球物理资料相互参考，结合中国地质调查局全国重要地质钻孔数据库中博野部分地热井资料，综合预测D3线地质—地球物理综合解释剖面(图5)。

图5 博野D3线地质-地球物理综合解释剖面Fig.5 Comprehensive geological geophysical interpretation section of Boye D3 line

图5(b)中电性标志层顶界面埋深与大地电磁反演剖面反应的地层起伏形态基本一致;图5(a)剩余重力异常值从点距0到大号点距逐渐增大，在距离6 000～8 000 m剩余重力异常值出现极低值，小于0 mGal,结合图5(c)大地电磁测深剖面7 000～8 000 m点距处，反演电阻率值徒增，推断为高阳博野断层F。依据大地电磁反演结果，推测了中元古界蓟县系顶界面深度约在2 800～3 600 m之间变化。从图5(d)综合解释地质剖面中，在钻孔JZ04孔处读出地层钻井深度及厚度，并预测了蓟县系顶界面深度值，指导了JZ04井的施工，其钻遇地层情况见图6。将图6的结果与后期实际钻孔揭露信息进行对比，通过式(1)和式(2)计算吻合度，分析预测精度[28,29]。

图6 JZ04井钻遇地层预测柱状图Fig.6 Histogram of formation prediction encountered in JZ04 well drilling

表2 JZ04孔吻合度

5 结 论

通过在博野潜山开展重力和大地电磁测深探测深部地热资源，可以得出：

1)运用“面—线—点”逐步聚焦的思路对该地区进行地热资源探测，充分收集原有地质资料并进行分析，从而确定初步靶区，为具体探测地热资源采用大地电磁测深法提供了思路；

2)重力异常初步确定了博野潜山地区地热资源构造形态和储存区域，即高阳低凸起走向北北东向，反映了古生界—中新元古界地层的隆起，电性标志层顶界面深度数据反映了博野地区古生界或中元古界碳酸盐岩层顶界面的形态起伏变化；大地电磁测深刻画了博野潜山地区的各主要层位的电性特征，推断了高阳博野断层F的位置，推测了中元古界蓟县系顶界面深度约在2 800～3 600 m之间变化。因此，综合应用重力与大地电磁方法探测博野潜山深部地热资源取得了初步效果；

3)利用地球物理探测方法指导JZ04地热井井位的确定并预测地层，经后期钻探验证，地面探测储层埋深、厚度和热储顶界面预测结果与实际钻井资料算数平均吻合度达86.46 %，证明该方法在该地区探测深部地热资源是可行的。