本文摘要：提要：雄安新区内地热资源丰富，区内有牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田，地热资源开发利用较早，但是对其深部热源机制仍未形成统一观点。为了研究雄安新区内地热田深部热源机制，在新区及外围进行了深反射地震和长周期大地电磁探测，对取得的同剖面的
提要：雄安新区内地热资源丰富，区内有牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田，地热资源开发利用较早，但是对其深部热源机制仍未形成统一观点。为了研究雄安新区内地热田深部热源机制，在新区及外围进行了深反射地震和长周期大地电磁探测，对取得的同剖面的深反射地震和大地电磁数据进行处理和综合解释，探明了研究区从地表至莫霍面范围内地质构造和电性结构，结合区域地热资料构建了研究区深部地热地质模型，对新区内深部地热机制进行了解释。
关键词：深反射地震;长周期大地电磁;地热地质模型;地质调查工程;雄安新区
引言地热资源是一种可再生的绿色清洁能源，对雄安新区生态优先、绿色发展的理念具有重要意义。雄安新区是河北省地热条件最好的地区，位于该区的地热田有牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田。华北地区地热研究始于上世纪80年代，陈墨香等(1982,1990)利用华北地区内地热井的地温数据、大地热流值等对该区的地热场特征进行了总结，并探讨了地热场的形成机制陈墨香等,1982,1990);自20世纪90年代以来，中科院的地热团队在华北地区开展了长期的研究，取得了突出的成就汪集旸等.,2012,庞忠和等.,2017)，并提出了雄安新区深层地热的“二元聚热”成因模式(PANGetal.,2015,庞忠和等.,2017)。
物理论文投稿刊物：《地球物理学报》创刊于1948年，是中国地球物理学会、中国科学院地质与地球物理研究所联合主办的有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊载固体地球物理、应用地球物理、地磁和空间物理、大气和海洋地球物理，以及与地球物理密切相关的交叉学科研究成果的高质量论文。作者和读者对象主要为从事地球物理学、地球科学及其他相关学科的国内外科技工作者和大专院校师生。
近几年，学者们利用钻井测温资料和实测的岩石热导率数据对雄安新区所处的冀中坳陷进行了系统的研究，包括地温梯度、大地热流、热岩石圈厚度、岩石圈热结构等地热特征参数，总结了现今地热特征，提出了当前岩石圈热结构为典型的“冷壳热幔”型的观点常健等.,2016,邱楠生等.,2017);雄安新区水化学特征的研究表明，雄安新区地热系统的水源补给主要来自于北侧的燕山山脉和西侧的太行山山脉(Wangetal.,2013)，但是关于深部热源的成因却得出了与“二元聚热”不一致的结论，认为深部热源更可能是深部放射性热源衰变生热刘明亮等.,2019);近两年，中国地质调查局在雄安新区打了多口深部地热井，通过实测地热井数据对雄安新区内地热田热储层结构、热储特征、地热资源储量等进行了定量的研究马峰等.,2020,王贵玲等.,2020,赵佳怡等.,2020,胡秋韵等.,2020)。
以上研究多针对地热储层的分布、特征、储量及浅部热源机制进行研究，很少针对该区地热结构深部热源机制进行详细的探讨。研究表明，大型盆地内部大地热流分布往往受控于基底的区域构造展布及起伏形态。基底凹陷区沉积岩厚度大，而沉积岩相对于基底岩石热导率较低，对来自地壳深部的地热起到屏蔽作用，使热流在侧向上发生“热折射”，导致盆地隆起区热流高于凹陷区饶松等.,2013)。对雄安新区内大地热流分布的研究表明，雄安新区内深部温度分布同样具有凹凸相间的分布特征，凸起区相对于凹陷区温度较高王朱婷等.,2019)。
因此，探讨深部热源机制需要将研究区放入一个大的构造格架之中，结合多种地球探测技术的证据，对整体构造格架特征进行研究，从时间和空间上把握构造演化的规律，进而得到一个相对合理的深部热源解释。深反射地震技术原理与常规地震反射方法相同，但其接收排列长，震源能量大，探测深度比常规地震勘探大得多，具有探测深度大、分辨率高和准确可靠等优点，是研究解决深部地质问题和探测岩石圈精细结构的有效技术手段郭景如等.,1996,高锐等.,2009,卢占武等.,2009,王海燕等.,2010,徐泰然等.,2017)。大地电磁方法是研究地球壳幔构造的主要地球物理方法之一，其探测原理是基于地球不同圈层的不同电性特征。
一般来说，地壳最上部的沉积层由于孔隙、裂隙发育及水流体的作用而表现为低阻特征;上地壳主要由火成岩与变质岩组成，通常为高阻特征;相反，下地壳通常表现为低阻特征，可能是与地下介质出现局部熔融、塑性、流变等物质状态的改变等有关系魏文博等.,2006)，也可能与下地壳存在水流体有关(Marquistal.,1992)。不管哪种原因，都与地球深部热结构密切相关，因此可以用于深部热结构的探测。在火山地区已有利用长周期大地电磁进行深部岩浆通道探测的成功实例詹艳等.,2006)。
本文从雄安新区深部地质构造入手，利用深反射地震探测、长周期大地电磁等深部地球物理探测方法对雄安新区深部地质结构进行了精细探测，并结合区域地质资料，构建了雄安新区深部地热地质模型，探讨了雄安新区深部热源机制。区域构造背景雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷的中部(图)，构造单元上包括牛驼镇凸起南部、牛北斜坡南部、容城凸起、高阳低凸起北部、霸县凹陷、保定凹陷和白洋淀洼陷;其西北部为徐水凹陷，东南部为文安斜坡，北部为廊固凹陷，南部为饶阳凹陷。作为渤海湾盆地的一部分，雄安新区所处的最大构造事件为华北克拉通的破坏。
华北克拉通破坏的动力学机制与太平洋板块俯冲密切相关，由于深部地幔热物质的上涌，岩石圈地幔发生大规模破坏和不同程度的减薄朱日祥等,2009)，在浅部主要表现为一系列变质核杂岩的形成(Liu等.,2005)、广泛的断陷盆地的出现朱光等.,2008)、伸展断层活动与大规模的火山喷发及岩体侵入曹现志等.,2013,安慧婷等.,2015)。华北克拉通东部的破坏不仅表现为岩石圈地幔的改造和破坏，而且表现为下地壳甚至整个地壳的改造和破坏，其破坏程度在晚中生代达到高峰，之后华北克拉通东部已不再具有典型的克拉通属性朱日祥等.,2012)。收集区域重力资料并处理得到剩余重力异常图。
结果显示，该区总体构造呈NNE向，渤海湾盆地分别以太行山东麓断裂和郯庐断裂为西、东部边界。其断陷阶段从晚侏罗世延续到早白垩世，在该时期，渤海湾盆地开始发育，发生强烈的伸展活动，这一过程持续至古近纪末期，这一时期发育了太行山山前断裂及一系列次级伸展断裂，控制了冀中坳陷内部次级断陷盆地的发育孙冬胜等.,2004);在晚白垩世末期抬升剥蚀，在古新世孔店期至渐新世东营期进入伸展裂陷阶段以及拉张断坳阶段;新近纪以来，伸展活动减弱，整个渤海湾盆地进入裂后热沉降阶段索艳慧等.,2017)。
穿过雄安新区，垂直于区域构造走向，西起太行山隆起，东至大城凸起布设长剖面深反射地震测线易县大城剖面，与深反射地震同剖面布设大地电磁测线。深反射地震测线满覆盖共141.43km，利用炸药震源激发，多次覆盖方式进行数据采集。在测线东部厚第四系覆盖区，震源激发井深约50左右，激发药量20kg左右;在测线西部基岩区，震源激发井深约20左右，激发药量16kg左右;采用中间激发，两边对称接收观测系统，检波器采用工业标准的10Hz检波器，单点12只组合，道距20，炮距120，1440道接收，采样间隔ms，记录长度30，理论覆盖次数120次。
为深反射地震典型野外原始记录，由于工区内交通发达，村庄遍布，造成地震记录上随机噪音较发育。在双程旅行时11左右，可以看到来自莫霍面的反射信号。大地电磁数据采集三维MT仪器主要采用正南北十字型布设模式，轴指向磁北方向，轴指向东方向，电极距为60~100，所有磁探头离“十”字中心大于10，相互之间距离大于。
配置的磁传感器的频带为0.001~1000Hz，电极长度为100(视实际情况可变，随时记录)，记录时间大于20，干扰大地区可延长至48。采集大地电磁测线共长244km(如图1.AA’所示)，大地电磁测点245个，测点间距km。本次大地电磁数据采集采用新型PbCl不极化长电极，极差小，稳定性好，适用于长时间连续观测;为确保数据处理效果，采集时利用远参考点方法，在距离工区一定距离，远离干扰源且稳定的构造单元位置(距离测线约130km，保定市阜平县山区内)布设远参考点，确保数据质量。图为典型的野外观测记录，由野外记录可以看出，原始数据质量较高。由于工区内地震测线较长，测线覆盖的地区表层地震地质条件不一致，造成原始地震资料品质存在较大差异。
工区西北部山区地表出露为元古宇至奥陶纪时期地层，以灰岩为主，激发的资料品质相对较差，噪音较强;工区东南区地表主要为第四系黄土出露，激发的资料品质较好。对原始资料进行品质分析，地震数据存在静校正复杂、各种噪声干扰严重、不同炮振幅和相位不一致、构造凸起区存在多次波、深层反射信号弱等难点。针对各处理难点，数据处理关键技术采用：①高程加层析静校正;②多域多方法叠前保幅去噪;③多道集域地表一致性振幅补偿、地表一致性反褶积;④精细速度分析消除多次波;⑤利用自适应技术、多级中值滤波技术，并与二维中值滤波技术相结合进行叠前随机噪声衰减，以此来增强深层反射弱信号。 由于深反射地震剖面时间长度较大，地震波能量衰减严重，在深层地震反射信号较弱，信噪比低，对构造解释带来一定的困难卢占武等.,2009)。
为了清楚反映深部地质构造格架，将地震波组以线条的形式表示，在视觉上一目了然，易于解释李文辉等.,2012)。线条图制作过程包括：强振幅提取、地震剖面二值化、中值滤波和连续性滤波。分析地震叠后数据振幅分布，设定一个振幅阈值，大于该阈值的地震数据赋值，小于该阈值的地震数据赋值，将地震剖面二值化;对二值化的数据进行中值滤波，去除二值化剖面中的椒盐噪音;设定一个连续性阈值，二值数据中相通的像素大于该阈值的部分保留，小于该阈值的部分删除。
按地震反射同相轴特征可以将研究区由浅到深划分为三个部分：上地壳、下地壳和上地幔，上、下地壳的分界面为(康拉德面)反射面，下地壳和上地幔的分界面为(莫霍面)反射面。沿测线自NW至SE向，上地壳可以划分为“四凸夹三凹一斜坡”的构造格局，区域大型断裂控制了凹凸构造的边界，其中太行山山前断裂和牛东断裂向下延伸到约左右，该位置为上、下地壳的分界面，也有学者认为该深度的界面为华北地区强力伸展构造的滑脱面王椿镛等.,1994,张东宁等.,1995,何登发等.,2018)。
下地壳沿测线自NW至SE向可以分为六个区域，与大地电磁高、低阻差异带有很好的对应关系。区域位于太行山隆起下方，CMP位置在16094~12800，该区域无明显的连续地震反射同相轴，在线划图上表现为近似“空白区”，因为该区域为太行山隆起火成岩区，地下无成层结构，反射波地震很难成像，对应于大地电磁剖面高阻区。
区域II位于太行山山前断裂下方，CMP位置在12800~11200，在纵向上TWT时间~12s存在多组呈弧形的地震反射同相轴，对应于大地电磁剖上上的低阻异常区，结合该区域地质资料推测，该异常范围可能为太行山区发育的变质核杂岩。变质核杂岩是大陆伸展构造的重要表现形式之一，我国地质工作者在太行山区先后发现了房山宋鸿林,1996)、阜平及赞皇牛树银,1994)等一系列的变质核杂岩，并对其基本特征及成因做了深入的探讨。在剖面上，变质核杂岩形态呈穹窿状，显示其形成与深部热隆作用密切相关，由于变质核杂岩的强烈上隆，盖层发生大幅度的拆离滑脱和强烈剥蚀，形成大型拆离构造孙冬胜等.,2004)。
该岩体位于太行山山前断裂下方，推测其与太行山山前断裂的伸展发育有关。区域III位于徐水凹陷、容西凸起和容东凸起下方，CMP位置在11200~9000，在纵向上TWT时间~11，该区域表现为反射地震近似“空白区”，对应于大地电磁高阻区，在TWT时间~7存在较弱的地震反射同相轴。区域IV位于牛驼镇凸起下方，CMP位置在9000～7000，在纵向上面至TWT时间，地震反射同相轴较少，TWT时间~8，存在一系列“穹窿状”的弧形反射，在TWT时间~11，也存在断续的地震波反射，一直延续到莫霍面，该区域莫霍面呈向上隆起特征。对应于大地电磁剖面，该区域为低阻异常区，低阻异常从牛驼镇凸起顶界面一直延续到50km，穿过莫霍面，呈竖条“通道”状特征。推测该区域由于上地幔热物质上涌，造成下地壳地层上隆，形成低阻“穹窿状”地震反射区域。
本文通过在雄安新区及外围收集区域重力资料，处理并解释得到了区域构造格架，布设垂直于区域构造走向的长剖面测线，开展深反射地震和长周期大地电磁勘探，对研究区深部地质结构进行了综合研究，并结合前人对该区域地热资源的研究成果构建了雄安新区深部地热地质模型，解释了牛驼镇地热田和容城地热田深部热源机制。
(1)下地壳结构在深反射地震剖面和大地电磁剖面上有很好的对应关系。沿测线自NW向SE向下地壳可以分为高低阻相间的六个电性差异带。电阻率低值区对应着在深反射地震剖面上存在一系列反射同相轴，且同相轴可以延续到莫霍面，太行山山前断裂和牛驼镇凸起下方的反射同相轴呈“穹窿状”，大城凸起下方强反射同相轴呈“叠层状分布”;电阻率高值区对应着在深反射地震剖面上无明显连续反射同相轴，尤其是在莫霍面之上呈现地震反射近似“空白区”。
(2)构建了雄安新区及外围深部地热地质模型，解释了牛驼镇凸起及容城凸起深部热源机制。雄安新区地表热流中幔源热流占主导因素，占比达70%，放射性元素生热次之，约占30%。在牛驼镇凸起下方TWT时间~11s，沿测线水平距离大约20km范围内存在一下地壳隆起区，该隆起区由于上地幔热物质上涌形成，为区域内深部热源;在电性结构上该范围呈竖条状由上地幔一直延伸到牛驼镇凸起下方，构造上，该区域两侧存在两个大型断裂，牛东断裂和容东断裂，作为深部热流向上扩散的通道;牛驼镇凸起和容城凸起内部蓟县系和长城系裂隙型白云岩为基岩型热储层;上覆新近系沉积岩为热盖层;西侧太行山脉和北侧燕山山脉为热储径向水流补给来源。
作者：王凯1,2,3，张杰1,2，白大为1,2,吴新刚1,2,岳航羽1,2,张保卫1,2,王小江1,2,张凯1,2
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