本文摘要：提要：雄安新區內地熱資源豐富，區內有牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽地熱田，地熱資源開發利用較早，但是對其深部熱源機制仍未形成統一觀點。為了研究雄安新區內地熱田深部熱源機制，在新區及外圍進行了深反射地震和長周期大地電磁探測，對取得的同剖面的
提要：雄安新區內地熱資源豐富，區內有牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽地熱田，地熱資源開發利用較早，但是對其深部熱源機制仍未形成統一觀點。為了研究雄安新區內地熱田深部熱源機制，在新區及外圍進行了深反射地震和長周期大地電磁探測，對取得的同剖面的深反射地震和大地電磁數據進行處理和綜合解釋，探明了研究區從地表至莫霍面范圍內地質構造和電性結構，結合區域地熱資料構建了研究區深部地熱地質模型，對新區內深部地熱機制進行了解釋。
關鍵詞：深反射地震;長周期大地電磁;地熱地質模型;地質調查工程;雄安新區
引言地熱資源是一種可再生的綠色清潔能源，對雄安新區生態優先、綠色發展的理念具有重要意義。雄安新區是河北省地熱條件最好的地區，位于該區的地熱田有牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽地熱田。華北地區地熱研究始于上世紀80年代，陳墨香等(1982,1990)利用華北地區內地熱井的地溫數據、大地熱流值等對該區的地熱場特征進行了總結，并探討了地熱場的形成機制陳墨香等,1982,1990);自20世紀90年代以來，中科院的地熱團隊在華北地區開展了長期的研究，取得了突出的成就汪集旸等.,2012,龐忠和等.,2017)，并提出了雄安新區深層地熱的“二元聚熱”成因模式(PANGetal.,2015,龐忠和等.,2017)。
物理論文投稿刊物：《地球物理學報》創刊于1948年，是中國地球物理學會、中國科學院地質與地球物理研究所聯合主辦的有關地球物理科學的綜合性學術刊物。主要刊載固體地球物理、應用地球物理、地磁和空間物理、大氣和海洋地球物理，以及與地球物理密切相關的交叉學科研究成果的高質量論文。作者和讀者對象主要為從事地球物理學、地球科學及其他相關學科的國內外科技工作者和大專院校師生。
近幾年，學者們利用鉆井測溫資料和實測的巖石熱導率數據對雄安新區所處的冀中坳陷進行了系統的研究，包括地溫梯度、大地熱流、熱巖石圈厚度、巖石圈熱結構等地熱特征參數，總結了現今地熱特征，提出了當前巖石圈熱結構為典型的“冷殼熱幔”型的觀點常健等.,2016,邱楠生等.,2017);雄安新區水化學特征的研究表明，雄安新區地熱系統的水源補給主要來自于北側的燕山山脈和西側的太行山山脈(Wangetal.,2013)，但是關于深部熱源的成因卻得出了與“二元聚熱”不一致的結論，認為深部熱源更可能是深部放射性熱源衰變生熱劉明亮等.,2019);近兩年，中國地質調查局在雄安新區打了多口深部地熱井，通過實測地熱井數據對雄安新區內地熱田熱儲層結構、熱儲特征、地熱資源儲量等進行了定量的研究馬峰等.,2020,王貴玲等.,2020,趙佳怡等.,2020,胡秋韻等.,2020)。
以上研究多針對地熱儲層的分布、特征、儲量及淺部熱源機制進行研究，很少針對該區地熱結構深部熱源機制進行詳細的探討。研究表明，大型盆地內部大地熱流分布往往受控于基底的區域構造展布及起伏形態�；装枷輩^沉積巖厚度大，而沉積巖相對于基底巖石熱導率較低，對來自地殼深部的地熱起到屏蔽作用，使熱流在側向上發生“熱折射”，導致盆地隆起區熱流高于凹陷區饒松等.,2013)。對雄安新區內大地熱流分布的研究表明，雄安新區內深部溫度分布同樣具有凹凸相間的分布特征，凸起區相對于凹陷區溫度較高王朱婷等.,2019)。
因此，探討深部熱源機制需要將研究區放入一個大的構造格架之中，結合多種地球探測技術的證據，對整體構造格架特征進行研究，從時間和空間上把握構造演化的規律，進而得到一個相對合理的深部熱源解釋。深反射地震技術原理與常規地震反射方法相同，但其接收排列長，震源能量大，探測深度比常規地震勘探大得多，具有探測深度大、分辨率高和準確可靠等優點，是研究解決深部地質問題和探測巖石圈精細結構的有效技術手段郭景如等.,1996,高銳等.,2009,盧占武等.,2009,王海燕等.,2010,徐泰然等.,2017)。大地電磁方法是研究地球殼幔構造的主要地球物理方法之一，其探測原理是基于地球不同圈層的不同電性特征。
一般來說，地殼最上部的沉積層由于孔隙、裂隙發育及水流體的作用而表現為低阻特征;上地殼主要由火成巖與變質巖組成，通常為高阻特征;相反，下地殼通常表現為低阻特征，可能是與地下介質出現局部熔融、塑性、流變等物質狀態的改變等有關系魏文博等.,2006)，也可能與下地殼存在水流體有關(Marquistal.,1992)。不管哪種原因，都與地球深部熱結構密切相關，因此可以用于深部熱結構的探測。在火山地區已有利用長周期大地電磁進行深部巖漿通道探測的成功實例詹艷等.,2006)。
本文從雄安新區深部地質構造入手，利用深反射地震探測、長周期大地電磁等深部地球物理探測方法對雄安新區深部地質結構進行了精細探測，并結合區域地質資料，構建了雄安新區深部地熱地質模型，探討了雄安新區深部熱源機制。區域構造背景雄安新區位于渤海灣盆地冀中坳陷的中部(圖)，構造單元上包括牛駝鎮凸起南部、牛北斜坡南部、容城凸起、高陽低凸起北部、霸縣凹陷、保定凹陷和白洋淀洼陷;其西北部為徐水凹陷，東南部為文安斜坡，北部為廊固凹陷，南部為饒陽凹陷。作為渤海灣盆地的一部分，雄安新區所處的最大構造事件為華北克拉通的破壞。
華北克拉通破壞的動力學機制與太平洋板塊俯沖密切相關，由于深部地幔熱物質的上涌，巖石圈地幔發生大規模破壞和不同程度的減薄朱日祥等,2009)，在淺部主要表現為一系列變質核雜巖的形成(Liu等.,2005)、廣泛的斷陷盆地的出現朱光等.,2008)、伸展斷層活動與大規模的火山噴發及巖體侵入曹現志等.,2013,安慧婷等.,2015)。華北克拉通東部的破壞不僅表現為巖石圈地幔的改造和破壞，而且表現為下地殼甚至整個地殼的改造和破壞，其破壞程度在晚中生代達到高峰，之后華北克拉通東部已不再具有典型的克拉通屬性朱日祥等.,2012)。收集區域重力資料并處理得到剩余重力異常圖。
結果顯示，該區總體構造呈NNE向，渤海灣盆地分別以太行山東麓斷裂和郯廬斷裂為西、東部邊界。其斷陷階段從晚侏羅世延續到早白堊世，在該時期，渤海灣盆地開始發育，發生強烈的伸展活動，這一過程持續至古近紀末期，這一時期發育了太行山山前斷裂及一系列次級伸展斷裂，控制了冀中坳陷內部次級斷陷盆地的發育孫冬勝等.,2004);在晚白堊世末期抬升剝蝕，在古新世孔店期至漸新世東營期進入伸展裂陷階段以及拉張斷坳階段;新近紀以來，伸展活動減弱，整個渤海灣盆地進入裂后熱沉降階段索艷慧等.,2017)。
穿過雄安新區，垂直于區域構造走向，西起太行山隆起，東至大城凸起布設長剖面深反射地震測線易縣大城剖面，與深反射地震同剖面布設大地電磁測線。深反射地震測線滿覆蓋共141.43km，利用炸藥震源激發，多次覆蓋方式進行數據采集。在測線東部厚第四系覆蓋區，震源激發井深約50左右，激發藥量20kg左右;在測線西部基巖區，震源激發井深約20左右，激發藥量16kg左右;采用中間激發，兩邊對稱接收觀測系統，檢波器采用工業標準的10Hz檢波器，單點12只組合，道距20，炮距120，1440道接收，采樣間隔ms，記錄長度30，理論覆蓋次數120次。
為深反射地震典型野外原始記錄，由于工區內交通發達，村莊遍布，造成地震記錄上隨機噪音較發育。在雙程旅行時11左右，可以看到來自莫霍面的反射信號。大地電磁數據采集三維MT儀器主要采用正南北十字型布設模式，軸指向磁北方向，軸指向東方向，電極距為60~100，所有磁探頭離“十”字中心大于10，相互之間距離大于。
配置的磁傳感器的頻帶為0.001~1000Hz，電極長度為100(視實際情況可變，隨時記錄)，記錄時間大于20，干擾大地區可延長至48。采集大地電磁測線共長244km(如圖1.AA’所示)，大地電磁測點245個，測點間距km。本次大地電磁數據采集采用新型PbCl不極化長電極，極差小，穩定性好，適用于長時間連續觀測;為確保數據處理效果，采集時利用遠參考點方法，在距離工區一定距離，遠離干擾源且穩定的構造單元位置(距離測線約130km，保定市阜平縣山區內)布設遠參考點，確保數據質量。圖為典型的野外觀測記錄，由野外記錄可以看出，原始數據質量較高。由于工區內地震測線較長，測線覆蓋的地區表層地震地質條件不一致，造成原始地震資料品質存在較大差異。
工區西北部山區地表出露為元古宇至奧陶紀時期地層，以灰巖為主，激發的資料品質相對較差，噪音較強;工區東南區地表主要為第四系黃土出露，激發的資料品質較好。對原始資料進行品質分析，地震數據存在靜校正復雜、各種噪聲干擾嚴重、不同炮振幅和相位不一致、構造凸起區存在多次波、深層反射信號弱等難點。針對各處理難點，數據處理關鍵技術采用：①高程加層析靜校正;②多域多方法疊前保幅去噪;③多道集域地表一致性振幅補償、地表一致性反褶積;④精細速度分析消除多次波;⑤利用自適應技術、多級中值濾波技術，并與二維中值濾波技術相結合進行疊前隨機噪聲衰減，以此來增強深層反射弱信號。 由于深反射地震剖面時間長度較大，地震波能量衰減嚴重，在深層地震反射信號較弱，信噪比低，對構造解釋帶來一定的困難盧占武等.,2009)。
為了清楚反映深部地質構造格架，將地震波組以線條的形式表示，在視覺上一目了然，易于解釋李文輝等.,2012)。線條圖制作過程包括：強振幅提取、地震剖面二值化、中值濾波和連續性濾波。分析地震疊后數據振幅分布，設定一個振幅閾值，大于該閾值的地震數據賦值，小于該閾值的地震數據賦值，將地震剖面二值化;對二值化的數據進行中值濾波，去除二值化剖面中的椒鹽噪音;設定一個連續性閾值，二值數據中相通的像素大于該閾值的部分保留，小于該閾值的部分刪除。
按地震反射同相軸特征可以將研究區由淺到深劃分為三個部分：上地殼、下地殼和上地幔，上、下地殼的分界面為(康拉德面)反射面，下地殼和上地幔的分界面為(莫霍面)反射面。沿測線自NW至SE向，上地殼可以劃分為“四凸夾三凹一斜坡”的構造格局，區域大型斷裂控制了凹凸構造的邊界，其中太行山山前斷裂和牛東斷裂向下延伸到約左右，該位置為上、下地殼的分界面，也有學者認為該深度的界面為華北地區強力伸展構造的滑脫面王椿鏞等.,1994,張東寧等.,1995,何登發等.,2018)。
下地殼沿測線自NW至SE向可以分為六個區域，與大地電磁高、低阻差異帶有很好的對應關系。區域位于太行山隆起下方，CMP位置在16094~12800，該區域無明顯的連續地震反射同相軸，在線劃圖上表現為近似“空白區”，因為該區域為太行山隆起火成巖區，地下無成層結構，反射波地震很難成像，對應于大地電磁剖面高阻區。
區域II位于太行山山前斷裂下方，CMP位置在12800~11200，在縱向上TWT時間~12s存在多組呈弧形的地震反射同相軸，對應于大地電磁剖上上的低阻異常區，結合該區域地質資料推測，該異常范圍可能為太行山區發育的變質核雜巖。變質核雜巖是大陸伸展構造的重要表現形式之一，我國地質工作者在太行山區先后發現了房山宋鴻林,1996)、阜平及贊皇牛樹銀,1994)等一系列的變質核雜巖，并對其基本特征及成因做了深入的探討。在剖面上，變質核雜巖形態呈穹窿狀，顯示其形成與深部熱隆作用密切相關，由于變質核雜巖的強烈上隆，蓋層發生大幅度的拆離滑脫和強烈剝蝕，形成大型拆離構造孫冬勝等.,2004)。
該巖體位于太行山山前斷裂下方，推測其與太行山山前斷裂的伸展發育有關。區域III位于徐水凹陷、容西凸起和容東凸起下方，CMP位置在11200~9000，在縱向上TWT時間~11，該區域表現為反射地震近似“空白區”，對應于大地電磁高阻區，在TWT時間~7存在較弱的地震反射同相軸。區域IV位于牛駝鎮凸起下方，CMP位置在9000～7000，在縱向上面至TWT時間，地震反射同相軸較少，TWT時間~8，存在一系列“穹窿狀”的弧形反射，在TWT時間~11，也存在斷續的地震波反射，一直延續到莫霍面，該區域莫霍面呈向上隆起特征。對應于大地電磁剖面，該區域為低阻異常區，低阻異常從牛駝鎮凸起頂界面一直延續到50km，穿過莫霍面，呈豎條“通道”狀特征。推測該區域由于上地幔熱物質上涌，造成下地殼地層上隆，形成低阻“穹窿狀”地震反射區域。
本文通過在雄安新區及外圍收集區域重力資料，處理并解釋得到了區域構造格架，布設垂直于區域構造走向的長剖面測線，開展深反射地震和長周期大地電磁勘探，對研究區深部地質結構進行了綜合研究，并結合前人對該區域地熱資源的研究成果構建了雄安新區深部地熱地質模型，解釋了牛駝鎮地熱田和容城地熱田深部熱源機制。
(1)下地殼結構在深反射地震剖面和大地電磁剖面上有很好的對應關系。沿測線自NW向SE向下地殼可以分為高低阻相間的六個電性差異帶。電阻率低值區對應著在深反射地震剖面上存在一系列反射同相軸，且同相軸可以延續到莫霍面，太行山山前斷裂和牛駝鎮凸起下方的反射同相軸呈“穹窿狀”，大城凸起下方強反射同相軸呈“疊層狀分布”;電阻率高值區對應著在深反射地震剖面上無明顯連續反射同相軸，尤其是在莫霍面之上呈現地震反射近似“空白區”。
(2)構建了雄安新區及外圍深部地熱地質模型，解釋了牛駝鎮凸起及容城凸起深部熱源機制。雄安新區地表熱流中幔源熱流占主導因素，占比達70%，放射性元素生熱次之，約占30%。在牛駝鎮凸起下方TWT時間~11s，沿測線水平距離大約20km范圍內存在一下地殼隆起區，該隆起區由于上地幔熱物質上涌形成，為區域內深部熱源;在電性結構上該范圍呈豎條狀由上地幔一直延伸到牛駝鎮凸起下方，構造上，該區域兩側存在兩個大型斷裂，牛東斷裂和容東斷裂，作為深部熱流向上擴散的通道;牛駝鎮凸起和容城凸起內部薊縣系和長城系裂隙型白云巖為基巖型熱儲層;上覆新近系沉積巖為熱蓋層;西側太行山脈和北側燕山山脈為熱儲徑向水流補給來源。
作者：王凱1,2,3，張杰1,2，白大為1,2,吳新剛1,2,岳航羽1,2,張保衛1,2,王小江1,2,張凱1,2
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