胥博文， 朱懷亮， 石 峰， 劉志龍， 王少輝， 王興元， 辛玉齊

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局 第六地質(zhì)大隊(duì)，鄭州 450016)

0 引言

大地電磁測深法是地?zé)崽锟辈槭钟行У囊环N物探勘查方法，其勘查效果已被各類地?zé)崽锟辈榻Y(jié)果所證實(shí)[1-2]，其原理主要是基于分析電阻率異常，推測地下地層埋深、斷裂構(gòu)造位置、產(chǎn)狀及走向，進(jìn)而達(dá)到勘查地下深部熱儲(chǔ)構(gòu)造目的。實(shí)際上，巖石的導(dǎo)電率很大程度上取決于巖石孔隙或裂隙中的水溶液，因而低電阻率成為地下流體存在的一個(gè)指標(biāo)，造成熱儲(chǔ)構(gòu)造區(qū)電阻率比其圍巖區(qū)電阻率要低的多，形成熱儲(chǔ)構(gòu)造區(qū)低電阻率異常特征，這樣就可以根據(jù)使電阻率異常直接預(yù)測地?zé)崽餆醿?chǔ)構(gòu)造空間賦存位置成為可能。

MT法在地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用主要是查明深部地質(zhì)特征和地下流體分布，從而圈定地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)。天津地區(qū)地?zé)酠T勘查工作始于2001年，至今已經(jīng)先后完成萬家碼頭、寧河-潘莊、周良莊、天津西南部、寶坻城區(qū)以及濱海新區(qū)等地地?zé)嵴{(diào)查工作，其中利用剩余電阻率等值線圈定的地?zé)岙惓^(qū)取得了一定效果[3]。銀川盆地地?zé)嵴{(diào)查工作利用MT法結(jié)合地溫梯度資料劃定垂向電阻率20 Ω·m為熱儲(chǔ)范圍，推測熱儲(chǔ)區(qū)域?yàn)榈妥韪邔?dǎo)區(qū)[4]。開封坳陷地?zé)嵴{(diào)查過程中運(yùn)用MT法對地層進(jìn)行了電性分層，根據(jù)高阻基底電阻率值小于45 Ω·m等值線為界，圈出了主要異常區(qū)[5]。

筆者以太康隆起東段4條大地電測探測剖面所獲得的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，結(jié)合所研究區(qū)域重力、航磁、地震及區(qū)域地質(zhì)資料，共同探討了商丘凸起深部電性結(jié)構(gòu)特征及主要斷裂構(gòu)造特征，同時(shí)根據(jù)基底隆起形成的高阻異常與區(qū)域地溫場高值區(qū)具有較好的對應(yīng)關(guān)系，圈定了地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)，以期為后續(xù)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)和目標(biāo)優(yōu)選提供新的證據(jù)與信息。

圖1 南華北盆地現(xiàn)今構(gòu)造格架Fig.1 Present-day structural framework of the southern north China basin

1 區(qū)域地質(zhì)背景

太康隆起位于河南省中東部，是南華北盆地北部的二級(jí)構(gòu)造單元[6]，西與嵩箕隆起相鄰，東與淮北隆起相接，夾持于開封坳陷與周口坳陷之間(圖1)，總體構(gòu)造格局為“兩坳夾一隆”，其次級(jí)構(gòu)造單元可進(jìn)一步劃分為鄢陵凸起、磚樓凹陷、通許凸起、邢口凹陷和商丘凸起[7](圖1a)。該隆起呈NWW向展布，早期主要受印支期秦嶺-大別造山帶強(qiáng)烈的南北向擠壓作用影響，形成了與之主體走向大體一致的NWW向褶皺-逆沖推覆構(gòu)造，后期受郯廬走滑斷裂的影響，疊加了NE-NNE向構(gòu)造[8]。

商丘凸起位于太康隆起東段，北側(cè)以焦作-商丘斷裂為界與黃口凹陷相鄰，西側(cè)以睢縣斷裂為界與邢口凹陷相接。區(qū)域上位于河南省睢縣到商丘市沿線一帶，面積約為2.5×103km2。區(qū)內(nèi)地表均被第四系覆蓋，覆蓋層之下發(fā)育新近系、石炭-二疊系、奧陶系、寒武系以及太古宇結(jié)晶基底。太古宇為一套古老變質(zhì)巖建造，是區(qū)域變質(zhì)巖型磁鐵礦的主要含礦地層，寒武-奧陶系為伏于蓋層之下的古潛山區(qū)，普遍遭受風(fēng)化淋蝕，石炭-二疊系為區(qū)域主要含煤地層。前人對商丘凸起的研究程度較高，但多集中于石油、鐵礦、煤炭等勘探與開發(fā)工作[9-12]，專項(xiàng)地?zé)豳Y源調(diào)查缺乏必要的研究工作，需要進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)這一區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源潛力。

2 數(shù)據(jù)采集和處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

研究區(qū)大地電磁測點(diǎn)分布如圖2所示，從西到東共布置了4條大地電磁測深剖面(L1-L4)，共包括97個(gè)寬頻大地電磁測深點(diǎn)，點(diǎn)距約為1 km，其中L1測線呈近EW向展布，設(shè)計(jì)測深點(diǎn)25個(gè)，其余三條測線基本垂直于焦作-商丘斷裂布設(shè)，設(shè)計(jì)測深點(diǎn)分別為27個(gè)、27個(gè)和18個(gè)。野外數(shù)據(jù)采集工作于2017年8月-9月內(nèi)完成，采集儀器使用2套加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5 A寬頻大地電磁儀，采集時(shí)間均在3 h以上。

研究區(qū)西起河南省睢縣，東至商丘市一帶，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)程度較高，高壓輸電線、高速公路、鐵路以及移動(dòng)通訊設(shè)施等干擾源十分復(fù)雜，近場干擾嚴(yán)重。通過測量實(shí)驗(yàn)和結(jié)果的對比分析，確定在開展數(shù)據(jù)采集過程中，L1和L3測線測點(diǎn)采集時(shí)間同步進(jìn)行，二者進(jìn)行互為遠(yuǎn)參考處理，L2和L4測線測點(diǎn)采集時(shí)間同步進(jìn)行，二者進(jìn)行互為遠(yuǎn)參考處理，用相關(guān)分析的方法去除本地噪聲干擾。經(jīng)過遠(yuǎn)參考方法對測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，大多數(shù)測點(diǎn)的視電阻率與相位曲線在>0.1 Hz的范圍內(nèi)質(zhì)量普遍較好。圖3為工區(qū)內(nèi)L3-6號(hào)測點(diǎn)遠(yuǎn)參考處理前后的視電阻率和相位對比曲線，由圖3可以看出，頻率大于10 Hz時(shí)曲線形態(tài)較平穩(wěn)，視電阻率大小為10 Ω·m左右。從10 Ω·m開始視電阻率曲線呈45°左右漸近線趨勢上升或下降，實(shí)為典型的近源干擾。通過遠(yuǎn)參考處理后的曲線總體形態(tài)變化比遠(yuǎn)參考處理前的曲線明顯合理，尤其對資料中中頻段、低頻段由于磁場干擾產(chǎn)生的跳躍問題頻段，甚至近場效應(yīng)都可以得到一定程度的改善。

圖3 遠(yuǎn)參考道技術(shù)應(yīng)用效果對比(以L3-6號(hào)測點(diǎn)為例)Fig.3 Result comparison of the application of remote reference technique (with the example of site L3-6)(a)不利用遠(yuǎn)參考道數(shù)據(jù)處理結(jié)果；(b)利用遠(yuǎn)參考道數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖4 L2剖面Swift二維偏離度Fig.4 Analysis result of L2 line Swift and Bahr skewness along the profile(a)與Bahr二維偏離度;(b)分析結(jié)果

圖5 L1-L4剖面電性主軸分析結(jié)果玫瑰圖Fig.5 Rose diagram showing analysis result of L1-L4 lines electrical principal axes(a)L1線，100 Hz～0.1 Hz；(b)L2線，100 Hz～0.1 Hz；(c)L3線，100 Hz～0.1 Hz；(d)L4線，100 Hz～0.1 Hz

根據(jù)大地電磁勘探深度計(jì)算公式：

(1)

其中：H為有效勘探深度，m；ρ為實(shí)測視電阻率，Ω·m；f為觀測頻率，Hz。

根據(jù)近年來在我們在華北地區(qū)開展大地電磁工作所獲得電性資料可知，新生界電阻率值較低，電阻率平均值一般在15 Ω·m左右，新近系比第四系更低，電阻率平均值一般在5 Ω·m～10 Ω·m之間，石炭-二疊系電阻率平均值一般在23 Ω·m左右，寒武-奧陶系電阻率平均值一般超過100 Ω·m，而太古宇結(jié)晶基底電阻率值最高，一般超過1 000 Ω·m。假定研究區(qū)4 000 m以淺的平均電阻率以15 Ω·m 計(jì)算，根據(jù)以上勘探深度計(jì)算公式估算，當(dāng)采集最低有效頻率達(dá)到0.1 Hz時(shí)，其勘探深度將超過4 000 m，滿足本次地?zé)豳Y源4 000 m以淺勘探深度要求。

2.2 維性分析與構(gòu)造走向分析

在獲得與頻率相關(guān)的阻抗張量信息后，為了消除大地電磁響應(yīng)中局部畸變的影響，需要獲得區(qū)域構(gòu)造阻抗和走向等參數(shù)[13]，從而進(jìn)一步確認(rèn)適合的數(shù)據(jù)處理及反演方法。目前阻抗張量分解方法有多種，主要有Swift分解[14]、Bahr分解[15]、相位張量分解[16-17]和G-B分解[14]等。Swift分解和Bahr分解法主要判別大地電磁測深數(shù)據(jù)是否滿足二維性要求的參數(shù)，相位張量分解和G-B分解主要用來分析區(qū)域構(gòu)造的電性主軸方向。

我們采用Swift分解和Bahr分解法對所有大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行維性分析，其中二維偏離度是反映地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)維數(shù)的重要參數(shù)。一般來說，二維偏離度的值小于0.3時(shí)，可以近似視為二維情況。筆者選擇L2測線進(jìn)行維性分析，圖4為L2剖面二維偏離度擬斷面圖，從圖4中可以看出，沿測線范圍內(nèi)大部分測點(diǎn)的二維偏離度都小于0.3，表明地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)總體上滿足二維性假設(shè)，可以進(jìn)行二維反演解釋。

圖6 L2剖面大地電磁視電阻率與相位實(shí)測數(shù)據(jù)擬斷面圖Fig.6 Pseudosection maps of observed TM and TE data of L2 line apparent resistivity and phase(a)L2剖面大地電磁視電阻率；(b)相位實(shí)測數(shù)據(jù)擬斷面

G-B分解法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種張量分解法[13]，可將區(qū)域構(gòu)造阻抗與局部電場畸變效應(yīng)從觀測的阻抗張量中分離出來，從而恢復(fù)未畸變的區(qū)域二維阻抗張量。利用G-B分解法進(jìn)行了L1-L4剖面的構(gòu)造走向分析，并將各條剖面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以玫瑰圖的形式示于圖5中。從圖5中可以看出，L1、L2剖面區(qū)域內(nèi)的電性主軸方位為120°和30°左右，L3、L4剖面區(qū)域內(nèi)的電性主軸方位為135°和45°左右。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造資料，L1、L2剖面區(qū)域主要構(gòu)造走向大約為SE120°，L3、L4剖面區(qū)域主要構(gòu)造走向大約為SE135°。因此，將各條剖面大地電磁數(shù)據(jù)全部旋轉(zhuǎn)至各自區(qū)域構(gòu)造走向上(L1、L2剖面旋轉(zhuǎn)至SE120°，L3、L4剖面旋轉(zhuǎn)至SE135°)，再進(jìn)行二維反演。

3 數(shù)據(jù)反演與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)反演

為定性分析研究區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)，選取了L2測線典型剖面作了視電阻率-頻率擬斷面圖和阻抗相位-頻率擬斷面圖(圖6)。圖6中高阻區(qū)域?qū)?yīng)低相位區(qū)域，低阻區(qū)域?qū)?yīng)高相位區(qū)域。從圖6中可知，沿測線范圍內(nèi)地下電性結(jié)構(gòu)大體可分為兩層：上部低阻層和下部高阻層，圖6中各電性層位在橫線上連續(xù)性較好。

根據(jù)阻抗張量分解的結(jié)果以及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征分析，利用二維非線性共軛梯度算法(NLCG)對所選取的97個(gè)大地電磁測深響應(yīng)資料進(jìn)行了二維反演[18]。通過對不同反演參數(shù)、不同極化模式對比、分析，認(rèn)為TE+TM模式的反演能夠比較準(zhǔn)確地反映出地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)分布形態(tài)。反演中使用的參數(shù)設(shè)置為：L1-L4剖面初始模型均為100 Ω·m的均勻半空間；TE+TM模式；頻率范圍0.01 Hz ～320 Hz；正則化因子tau=3；TE門限誤差5%；TM門限誤差2%。最終RMS反演擬合差分別為5.13、5.16、4.94、5.53。

3.2 電性結(jié)構(gòu)模型分析

根據(jù)反演得到的電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合地質(zhì)情況繪制了4條剖面二維反演電性結(jié)構(gòu)模型(圖7)。圖7中橫坐標(biāo)軸表示剖面線，縱坐標(biāo)軸表示反演得到的深度，斷面上充填顏色的等值線表示4 000 m以淺介質(zhì)電阻率的常用對數(shù)值，紅色代表高阻，綠色代表低阻，過渡色表示中間電阻率。

一般來說，等值線電阻率沿剖面方向的起伏反映電性層的斷面構(gòu)造形跡，等值線稀疏、平緩說明電性層較為穩(wěn)定。從圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)中可以看出，商丘凸起與黃口凹陷兩構(gòu)造單元4 000 m以淺電性結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為縱向分層、橫向分塊的特征，二者明顯具有不同的電性結(jié)構(gòu)特征。南側(cè)的商丘凸起從淺部到深部電性結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為低阻-中高阻-高阻特征，北側(cè)的黃口凹陷則顯示為低阻-中阻特征。

商丘凸起電性結(jié)構(gòu)模型縱向上可分為三層：第一電性層為低阻層，電阻率值小于30 Ω·m，四條二維反演剖面上均可連續(xù)追蹤；第二電性層為中、高阻層，電阻率值介于30 Ω·m～100 Ω·m之間，其中L1剖面3號(hào)～4號(hào)測點(diǎn)、L3剖面5號(hào)～7號(hào)測點(diǎn)由于斷裂構(gòu)造影響，整體厚度較大，其他區(qū)域厚度相差不大；第三電性層為高阻層，電阻率值大于100 Ω·m，頂面起伏較大，圖中可明顯看到，受郯廬走滑斷裂的影響，商丘凸起東部隆起幅度較西部大。

根據(jù)L2、L3、L4二維反演結(jié)果圖(圖7(b)、圖7(c)、圖7(d))發(fā)現(xiàn)，在L2剖面25號(hào)～26號(hào)點(diǎn)、L3剖面23-24號(hào)點(diǎn)、L4剖面10號(hào)～11號(hào)點(diǎn)附近，剖面斷面上存在一組向北傾斜、延伸大于4 000 m的電性梯度帶和畸變帶(F1)，F(xiàn)1兩側(cè)電阻率特征明顯不同。通過與區(qū)域地質(zhì)資料對比發(fā)現(xiàn)，可以認(rèn)定該斷裂帶為焦作-商丘斷裂。F1斷裂西起新富莊，向東經(jīng)郝樓、商丘北、平臺(tái)鎮(zhèn)，總體走向NWW，該斷裂北西端傾角較緩，傾角為35°左右，東南端傾角較陡，傾角可達(dá)50°左右。

根據(jù)L2、L3、L4(圖7(b)、圖7(c)、圖7(d))二維反演剖面所示，由斷面的電性結(jié)構(gòu)特征可以看出，在L2剖面3號(hào)～6號(hào)測點(diǎn)、L3剖面3號(hào)～9號(hào)測點(diǎn)、L4剖面3號(hào)測點(diǎn)附近，電阻率等值線沿剖面上明顯存在一向下凹陷帶(稱為潘莊-路河次凹，屬于商丘凸起次級(jí)構(gòu)造單元)。根據(jù)豫東地區(qū)煤勘查資料結(jié)果，該凹陷帶基巖為微傾向南的石炭、二疊系含煤地層，地層傾角一般在6°～10°之間，凹陷帶的南、北兩側(cè)分別伴隨兩組橫向電性梯度帶(F2和F3)。根據(jù)研究區(qū)域大地電測測深工作成果，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及地震勘探資料可知，F(xiàn)2斷裂為民權(quán)-商丘南斷裂，F(xiàn)3斷裂為路河斷裂。F2斷裂走向NW，傾向SW，傾角為30°～65°，斷距三百余米。F3斷裂走向NW，傾向NE，傾角為35°～65°，斷距六百余米。

由圖7(a)所示的L1剖面電性結(jié)構(gòu)模型可以看出，在剖面9號(hào)點(diǎn)和10號(hào)點(diǎn)中間位置和寧陵縣北側(cè)18號(hào)點(diǎn)附近，剖面斷面上均存在一組西傾的電性梯度帶(F4和F5)，受該斷裂構(gòu)造的影響，整條剖面從西到東明顯可看到基巖埋深由深到淺。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料可知，F(xiàn)4斷裂為寧陵斷裂，F(xiàn)5斷裂為睢縣斷裂。睢縣斷裂為區(qū)域上巨野斷裂在商丘凸起上的反映，是太康隆起東段邢口凹陷與商丘凸起兩大構(gòu)造單元分界界線，從L1剖面電性結(jié)構(gòu)特征上來看，兩構(gòu)造單元明顯具有不同的電性結(jié)構(gòu)，該斷裂向下延伸達(dá)4 000 m深。

圖8 商丘凸起基巖地質(zhì)圖Fig.8 Geological map of basement rock of Shangqiu uplift

商丘凸起地層由老到新發(fā)育有太古界登封群，下古生界寒武系和奧陶系，上古生界石炭系和二疊系，新生界新近系和第四系[19]。①第四系為松散沉積物，厚度一般在300 m左右，與下伏新近系為平行不整合接觸，電性特征為低阻，電阻率值一般小于20 Ω·m；②新近系明化鎮(zhèn)組厚度一般小于600 m，巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，巖石固結(jié)程度較差，電性特征以相對高阻為特征，電阻率值一般小于50 Ω·m；③石炭-二疊系主要位于黃口凹陷、邢口凹陷和潘莊-路河次凹內(nèi)，巖性以砂巖、泥巖互層為主，夾炭質(zhì)泥巖和煤層，厚度一般在300 m～500 m之間，電性特征顯示為高阻，電阻率值一般小于100 Ω·m；④寒武-奧陶系巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，厚度一般在600 m左右，電阻率值普遍大于100 Ω·m；⑤太古界登封群為變質(zhì)巖系，電阻率值最高。

4 地?zé)峥碧竭h(yuǎn)景評(píng)價(jià)

商丘凸起早古生代經(jīng)歷了兩次沉降和兩次抬升活動(dòng)，沉降時(shí)期形成了以碳酸鹽巖為主的地層，抬升時(shí)期則使碳酸鹽巖地層發(fā)生強(qiáng)烈剝蝕。中石炭至早二疊世，海水自北向南侵入，區(qū)域發(fā)育了一套海陸交互相含煤巖系。三疊紀(jì)末至古近紀(jì)，商丘凸起一直處于大面積隆升狀態(tài)，上古生界已剝蝕殆盡，下古生界亦遭嚴(yán)重剝蝕[7]。研究區(qū)域奧陶系潛山在被新近系覆蓋前經(jīng)歷風(fēng)化淋蝕作用歷時(shí)長達(dá)410 Ma，一般來說沉積間斷持續(xù)的時(shí)間越長，遭受風(fēng)化淋蝕越強(qiáng)，碳酸鹽巖層孔、縫、洞也就越發(fā)育[20]。因此，研究區(qū)域具備一定形成良好熱儲(chǔ)層的潛力。

商丘凸起作為太康隆起的次級(jí)構(gòu)造單元，基巖具有埋深淺的特點(diǎn)，地溫梯度值明顯高于凹陷區(qū)。根據(jù)研究區(qū)域大地電磁工作成果，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、地球物理以及鉆孔勘探資料，以電阻率100 Ω·m為界，繪制了商丘凸起基巖地質(zhì)圖(圖8)。從圖8中可明顯看到基巖起伏形態(tài)和斷裂構(gòu)造展布方向，其中黃樓-平臺(tái)背斜、前張-蔣莊背斜基巖埋深僅為700 m，新生界下伏地層為奧陶系。這兩處背斜構(gòu)造走向均為NWW向，反映了基底構(gòu)造受秦嶺-大別造山帶南北向擠壓作用影響較大。從局部構(gòu)造形態(tài)來說，一般背斜部分地溫高、梯度大，而兩翼地溫低、梯度小。從圖9中可知，商丘凸起300 m深相對高的地溫異常(32℃)展布方向?yàn)镹WW向，這與黃樓-平臺(tái)潛山凸起(背斜)、前張-蔣莊潛山凸起(背斜)展布方向大體一致，反映了基巖埋深淺具有地溫梯度大的特點(diǎn)。根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)域內(nèi)圈定了2處地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)，其分別為黃樓-平臺(tái)地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)和前張-蔣莊地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)(圖8)。通過圈定地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)，將會(huì)對商丘地區(qū)地?zé)豳Y源后續(xù)勘探開發(fā)具有重要的借鑒作用。

圖9 河南省東部300 m深等溫線趨勢圖Fig.9 300 metres isothermal diagram in eastern region of Henan province

5 結(jié)論

1)商丘凸起電性結(jié)構(gòu)特征具有橫向分塊、縱向分層特征，從上到下表現(xiàn)為低阻-中高阻-高阻特征。

2)斷裂帶兩側(cè)電性結(jié)構(gòu)模型差別較大，據(jù)此推斷剖面經(jīng)過區(qū)域發(fā)育2條規(guī)模較大斷裂，其分別為焦作-商丘斷裂(F1)和睢縣斷裂(F5)，此外商丘凸起內(nèi)部還發(fā)育有民權(quán)-商丘南斷裂(F2)、路河斷裂(F3)和寧陵斷裂(F4)。

3)通過大地電磁探測工作成果，以100 Ω·m為界構(gòu)繪了商丘凸起基巖地質(zhì)圖，同時(shí)根據(jù)深部基底隆起形成的高阻異常與區(qū)域地溫場高值區(qū)具有較好的對應(yīng)關(guān)系，圈定了2處地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)，以期推動(dòng)后續(xù)地?zé)峥碧介_發(fā)工作。