本文摘要：提要：雄安新區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，區(qū)內(nèi)有牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽铩⑷莩堑責(zé)崽锖透哧?yáng)地?zé)崽�，地�(zé)豳Y源開發(fā)利用較早，但是對(duì)其深部熱源機(jī)制仍未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。為了研究雄安新區(qū)內(nèi)地?zé)崽锷畈繜嵩礄C(jī)制，在新區(qū)及外圍進(jìn)行了深反射地震和長(zhǎng)周期大地電磁探測(cè)，對(duì)取得的同剖面的
提要：雄安新區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，區(qū)內(nèi)有牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽�、容城地�(zé)崽锖透哧?yáng)地?zé)崽铮責(zé)豳Y源開發(fā)利用較早，但是對(duì)其深部熱源機(jī)制仍未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。為了研究雄安新區(qū)內(nèi)地?zé)崽锷畈繜嵩礄C(jī)制，在新區(qū)及外圍進(jìn)行了深反射地震和長(zhǎng)周期大地電磁探測(cè)，對(duì)取得的同剖面的深反射地震和大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和綜合解釋，探明了研究區(qū)從地表至莫霍面范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合區(qū)域地?zé)豳Y料構(gòu)建了研究區(qū)深部地?zé)岬刭|(zhì)模型，對(duì)新區(qū)內(nèi)深部地?zé)釞C(jī)制進(jìn)行了解釋。
關(guān)鍵詞：深反射地震;長(zhǎng)周期大地電磁;地?zé)岬刭|(zhì)模型;地質(zhì)調(diào)查工程;雄安新區(qū)
引言地?zé)豳Y源是一種可再生的綠色清潔能源，對(duì)雄安新區(qū)生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念具有重要意義。雄安新區(qū)是河北省地?zé)釛l件最好的地區(qū)，位于該區(qū)的地?zé)崽镉信ｑ勬?zhèn)地?zé)崽铩⑷莩堑責(zé)崽锖透哧?yáng)地?zé)崽�。華北地區(qū)地?zé)嵫芯渴加谏鲜兰o(jì)80年代，陳墨香等(1982,1990)利用華北地區(qū)內(nèi)地?zé)峋牡販財(cái)?shù)據(jù)、大地?zé)崃髦档葘?duì)該區(qū)的地?zé)釄?chǎng)特征進(jìn)行了總結(jié)，并探討了地?zé)釄?chǎng)的形成機(jī)制陳墨香等,1982,1990);自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中科院的地?zé)釄F(tuán)隊(duì)在華北地區(qū)開展了長(zhǎng)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(qū)深層地?zé)岬?ldquo;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(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1948年，是中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合主辦的有關(guān)地球物理科學(xué)的綜合性學(xué)術(shù)刊物。主要刊載固體地球物理、應(yīng)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(guān)的交叉學(xué)科研究成果的高質(zhì)量論文。作者和讀者對(duì)象主要為從事地球物理學(xué)、地球科學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的國(guó)內(nèi)外科技工作者和大專院校師生。
近幾年，學(xué)者們利用鉆井測(cè)溫資料和實(shí)測(cè)的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)對(duì)雄安新區(qū)所處的冀中坳陷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括地溫梯度、大地?zé)崃�、熱巖石圈厚度、巖石圈熱結(jié)構(gòu)等地?zé)崽卣鲄?shù)，總結(jié)了現(xiàn)今地?zé)崽卣�，提出了�?dāng)前巖石圈熱結(jié)構(gòu)為典型的“冷殼熱幔”型的觀點(diǎn)常健等.,2016,邱楠生等.,2017);雄安新區(qū)水化學(xué)特征的研究表明，雄安新區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的水源補(bǔ)給主要來(lái)自于北側(cè)的燕山山脈和西側(cè)的太行山山脈(Wangetal.,2013)，但是關(guān)于深部熱源的成因卻得出了與“二元聚熱”不一致的結(jié)論，認(rèn)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局在雄安新區(qū)打了多口深部地?zé)峋ㄟ^(guò)實(shí)測(cè)地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)對(duì)雄安新區(qū)內(nèi)地?zé)崽餆醿?chǔ)層結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)特征、地?zé)豳Y源儲(chǔ)量等進(jìn)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(duì)地?zé)醿?chǔ)層的分布、特征、儲(chǔ)量及淺部熱源機(jī)制進(jìn)行研究，很少針對(duì)該區(qū)地?zé)峤Y(jié)構(gòu)深部熱源機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的探討。研究表明，大型盆地內(nèi)部大地?zé)崃鞣植纪芸赜诨椎膮^(qū)域構(gòu)造展布及起伏形態(tài)�；装枷輩^(qū)沉積巖厚度大，而沉積巖相對(duì)于基底巖石熱導(dǎo)率較低，對(duì)來(lái)自地殼深部的地?zé)崞鸬狡帘巫饔�，使熱流在�?cè)向上發(fā)生“熱折射”，導(dǎo)致盆地隆起區(qū)熱流高于凹陷區(qū)饒松等.,2013)。對(duì)雄安新區(qū)內(nèi)大地?zé)崃鞣植嫉难芯勘砻�，雄安新區(qū)內(nèi)深部溫度分布同樣具有凹凸相間的分布特征，凸起區(qū)相對(duì)于凹陷區(qū)溫度較高王朱婷等.,2019)。
因此，探討深部熱源機(jī)制需要將研究區(qū)放入一個(gè)大的構(gòu)造格架之中，結(jié)合多種地球探測(cè)技術(shù)的證據(jù)，對(duì)整體構(gòu)造格架特征進(jìn)行研究，從時(shí)間和空間上把握構(gòu)造演化的規(guī)律，進(jìn)而得到一個(gè)相對(duì)合理的深部熱源解釋。深反射地震技術(shù)原理與常規(guī)地震反射方法相同，但其接收排列長(zhǎng)，震源能量大，探測(cè)深度比常規(guī)地震勘探大得多，具有探測(cè)深度大、分辨率高和準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，是研究解決深部地質(zhì)問(wèn)題和探測(cè)巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)的有效技術(shù)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(gòu)造的主要地球物理方法之一，其探測(cè)原理是基于地球不同圈層的不同電性特征。
一般來(lái)說(shuō)，地殼最上部的沉積層由于孔隙、裂隙發(fā)育及水流體的作用而表現(xiàn)為低阻特征;上地殼主要由火成巖與變質(zhì)巖組成，通常為高阻特征;相反，下地殼通常表現(xiàn)為低阻特征，可能是與地下介質(zhì)出現(xiàn)局部熔融、塑性、流變等物質(zhì)狀態(tài)的改變等有關(guān)系魏文博等.,2006)，也可能與下地殼存在水流體有關(guān)(Marquistal.,1992)。不管哪種原因，都與地球深部熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此可以用于深部熱結(jié)構(gòu)的探測(cè)。在火山地區(qū)已有利用長(zhǎng)周期大地電磁進(jìn)行深部巖漿通道探測(cè)的成功實(shí)例詹艷等.,2006)。
本文從雄安新區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造入手，利用深反射地震探測(cè)、長(zhǎng)周期大地電磁等深部地球物理探測(cè)方法對(duì)雄安新區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)探測(cè)，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，構(gòu)建了雄安新區(qū)深部地?zé)岬刭|(zhì)模型，探討了雄安新區(qū)深部熱源機(jī)制。區(qū)域構(gòu)造背景雄安新區(qū)位于渤海灣盆地冀中坳陷的中部(圖)，構(gòu)造單元上包括牛駝鎮(zhèn)凸起南部、牛北斜坡南部、容城凸起、高陽(yáng)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(yáng)凹陷。作為渤海灣盆地的一部分，雄安新區(qū)所處的最大構(gòu)造事件為華北克拉通的破壞。
華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)機(jī)制與太平洋板塊俯沖密切相關(guān)，由于深部地幔熱物質(zhì)的上涌，巖石圈地幔發(fā)生大規(guī)模破壞和不同程度的減薄朱日祥等,2009)，在淺部主要表現(xiàn)為一系列變質(zhì)核雜巖的形成(Liu等.,2005)、廣泛的斷陷盆地的出現(xiàn)朱光等.,2008)、伸展斷層活動(dòng)與大規(guī)模的火山噴發(fā)及巖體侵入曹現(xiàn)志等.,2013,安慧婷等.,2015)。華北克拉通東部的破壞不僅表現(xiàn)為巖石圈地幔的改造和破壞，而且表現(xiàn)為下地殼甚至整個(gè)地殼的改造和破壞，其破壞程度在晚中生代達(dá)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(qū)域重力資料并處理得到剩余重力異常圖。
結(jié)果顯示，該區(qū)總體構(gòu)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(xù)到早白堊世，在該時(shí)期，渤海灣盆地開始發(fā)育，發(fā)生強(qiáng)烈的伸展活動(dòng)，這一過(guò)程持續(xù)至古近紀(jì)末期，這一時(shí)期發(fā)育了太行山山前斷裂及一系列次級(jí)伸展斷裂，控制了冀中坳陷內(nèi)部次級(jí)斷陷盆地的發(fā)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(yíng)期進(jìn)入伸展裂陷階段以及拉張斷坳階段;新近紀(jì)以來(lái)，伸展活動(dòng)減弱，整個(gè)渤海灣盆地進(jìn)入裂后熱沉降階段索艷慧等.,2017)。
穿過(guò)雄安新區(qū)，垂直于區(qū)域構(gòu)造走向，西起太行山隆起，東至大城凸起布設(shè)長(zhǎng)剖面深反射地震測(cè)線易縣大城剖面，與深反射地震同剖面布設(shè)大地電磁測(cè)線。深反射地震測(cè)線滿覆蓋共141.43km，利用炸藥震源激發(fā)，多次覆蓋方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在測(cè)線東部厚第四系覆蓋區(qū)，震源激發(fā)井深約50左右，激發(fā)藥量20kg左右;在測(cè)線西部基巖區(qū)，震源激發(fā)井深約20左右，激發(fā)藥量16kg左右;采用中間激發(fā)，兩邊對(duì)稱接收觀測(cè)系統(tǒng)，檢波器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的10Hz檢波器，單點(diǎn)12只組合，道距20，炮距120，1440道接收，采樣間隔ms，記錄長(zhǎng)度30，理論覆蓋次數(shù)120次。
為深反射地震典型野外原始記錄，由于工區(qū)內(nèi)交通發(fā)達(dá)，村莊遍布，造成地震記錄上隨機(jī)噪音較發(fā)育。在雙程旅行時(shí)11左右，可以看到來(lái)自莫霍面的反射信號(hào)。大地電磁數(shù)據(jù)采集三維MT儀器主要采用正南北十字型布設(shè)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(zhǎng)度為100(視實(shí)際情況可變，隨時(shí)記錄)，記錄時(shí)間大于20，干擾大地區(qū)可延長(zhǎng)至48。采集大地電磁測(cè)線共長(zhǎng)244km(如圖1.AA’所示)，大地電磁測(cè)點(diǎn)245個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距km。本次大地電磁數(shù)據(jù)采集采用新型PbCl不極化長(zhǎng)電極，極差小，穩(wěn)定性好，適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè);為確保數(shù)據(jù)處理效果，采集時(shí)利用遠(yuǎn)參考點(diǎn)方法，在距離工區(qū)一定距離，遠(yuǎn)離干擾源且穩(wěn)定的構(gòu)造單元位置(距離測(cè)線約130km，保定市阜平縣山區(qū)內(nèi))布設(shè)遠(yuǎn)參考點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。圖為典型的野外觀測(cè)記錄，由野外記錄可以看出，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。由于工區(qū)內(nèi)地震測(cè)線較長(zhǎng)，測(cè)線覆蓋的地區(qū)表層地震地質(zhì)條件不一致，造成原始地震資料品質(zhì)存在較大差異。
工區(qū)西北部山區(qū)地表出露為元古宇至奧陶紀(jì)時(shí)期地層，以灰?guī)r為主，激發(fā)的資料品質(zhì)相對(duì)較差，噪音較強(qiáng);工區(qū)東南區(qū)地表主要為第四系黃土出露，激發(fā)的資料品質(zhì)較好。對(duì)原始資料進(jìn)行品質(zhì)分析，地震數(shù)據(jù)存在靜校正復(fù)雜、各種噪聲干擾嚴(yán)重、不同炮振幅和相位不一致、構(gòu)造凸起區(qū)存在多次波、深層反射信號(hào)弱等難點(diǎn)。針對(duì)各處理難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)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(bǔ)償、地表一致性反褶積;④精細(xì)速度分析消除多次波;⑤利用自適應(yīng)技術(shù)、多級(jí)中值濾波技術(shù)，并與二維中值濾波技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行疊前隨機(jī)噪聲衰減，以此來(lái)增強(qiáng)深層反射弱信號(hào)。 由于深反射地震剖面時(shí)間長(zhǎng)度較大，地震波能量衰減嚴(yán)重，在深層地震反射信號(hào)較弱，信噪比低，對(duì)構(gòu)造解釋帶來(lái)一定的困難盧占武等.,2009)。
為了清楚反映深部地質(zhì)構(gòu)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(guò)程包括：強(qiáng)振幅提取、地震剖面二值化、中值濾波和連續(xù)性濾波。分析地震疊后數(shù)據(jù)振幅分布，設(shè)定一個(gè)振幅閾值，大于該閾值的地震數(shù)據(jù)賦值，小于該閾值的地震數(shù)據(jù)賦值，將地震剖面二值化;對(duì)二值化的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，去除二值化剖面中的椒鹽噪音;設(shè)定一個(gè)連續(xù)性閾值，二值數(shù)據(jù)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(qū)由淺到深劃分為三個(gè)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(cè)線自NW至SE向，上地殼可以劃分為“四凸夾三凹一斜坡”的構(gòu)造格局，區(qū)域大型斷裂控制了凹凸構(gòu)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(xué)者認(rèn)為該深度的界面為華北地區(qū)強(qiáng)力伸展構(gòu)造的滑脫面王椿鏞等.,1994,張東寧等.,1995,何登發(fā)等.,2018)。
下地殼沿測(cè)線自NW至SE向可以分為六個(gè)區(qū)域，與大地電磁高、低阻差異帶有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。區(qū)域位于太行山隆起下方，CMP位置在16094~12800，該區(qū)域無(wú)明顯的連續(xù)地震反射同相軸，在線劃圖上表現(xiàn)為近似“空白區(qū)”，因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)樘猩铰∑鸹鸪蓭r區(qū)，地下無(wú)成層結(jié)構(gòu)，反射波地震很難成像，對(duì)應(yīng)于大地電磁剖面高阻區(qū)。
區(qū)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(shí)間~12s存在多組呈弧形的地震反射同相軸，對(duì)應(yīng)于大地電磁剖上上的低阻異常區(qū)，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)資料推測(cè)，該異常范圍可能為太行山區(qū)發(fā)育的變質(zhì)核雜巖。變質(zhì)核雜巖是大陸伸展構(gòu)造的重要表現(xiàn)形式之一，我國(guó)地質(zhì)工作者在太行山區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了房山宋鴻林,1996)、阜平及贊皇牛樹銀,1994)等一系列的變質(zhì)核雜巖，并對(duì)其基本特征及成因做了深入的探討。在剖面上，變質(zhì)核雜巖形態(tài)呈穹窿狀，顯示其形成與深部熱隆作用密切相關(guān)，由于變質(zhì)核雜巖的強(qiáng)烈上隆，蓋層發(fā)生大幅度的拆離滑脫和強(qiáng)烈剝蝕，形成大型拆離構(gòu)造孫冬勝等.,2004)。
該巖體位于太行山山前斷裂下方，推測(cè)其與太行山山前斷裂的伸展發(fā)育有關(guān)。區(qū)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(shí)間~11，該區(qū)域表現(xiàn)為反射地震近似“空白區(qū)”，對(duì)應(yīng)于大地電磁高阻區(qū)，在TWT時(shí)間~7存在較弱的地震反射同相軸。區(qū)域IV位于牛駝鎮(zhèn)凸起下方，CMP位置在9000～7000，在縱向上面至TWT時(shí)間，地震反射同相軸較少，TWT時(shí)間~8，存在一系列“穹窿狀”的弧形反射，在TWT時(shí)間~11，也存在斷續(xù)的地震波反射，一直延續(xù)到莫霍面，該區(qū)域莫霍面呈向上隆起特征。對(duì)應(yīng)于大地電磁剖面，該區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)，低阻異常從牛駝鎮(zhèn)凸起頂界面一直延續(xù)到50km，穿過(guò)莫霍面，呈豎條“通道”狀特征。推測(cè)該區(qū)域由于上地幔熱物質(zhì)上涌，造成下地殼地層上隆，形成低阻“穹窿狀”地震反射區(qū)域。
本文通過(guò)在雄安新區(qū)及外圍收集區(qū)域重力資料，處理并解釋得到了區(qū)域構(gòu)造格架，布設(shè)垂直于區(qū)域構(gòu)造走向的長(zhǎng)剖面測(cè)線，開展深反射地震和長(zhǎng)周期大地電磁勘探，對(duì)研究區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合研究，并結(jié)合前人對(duì)該區(qū)域地?zé)豳Y源的研究成果構(gòu)建了雄安新區(qū)深部地?zé)岬刭|(zhì)模型，解釋了牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锖腿莩堑責(zé)崽锷畈繜嵩礄C(jī)制。
(1)下地殼結(jié)構(gòu)在深反射地震剖面和大地電磁剖面上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。沿測(cè)線自NW向SE向下地殼可以分為高低阻相間的六個(gè)電性差異帶。電阻率低值區(qū)對(duì)應(yīng)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(xù)到莫霍面，太行山山前斷裂和牛駝鎮(zhèn)凸起下方的反射同相軸呈“穹窿狀”，大城凸起下方強(qiáng)反射同相軸呈“疊層狀分布”;電阻率高值區(qū)對(duì)應(yīng)著在深反射地震剖面上無(wú)明顯連續(xù)反射同相軸，尤其是在莫霍面之上呈現(xiàn)地震反射近似“空白區(qū)”。
(2)構(gòu)建了雄安新區(qū)及外圍深部地?zé)岬刭|(zhì)模型，解釋了牛駝鎮(zhèn)凸起及容城凸起深部熱源機(jī)制。雄安新區(qū)地表熱流中幔源熱流占主導(dǎo)因素，占比達(dá)70%，放射性元素生熱次之，約占30%。在牛駝鎮(zhèn)凸起下方TWT時(shí)間~11s，沿測(cè)線水平距離大約20km范圍內(nèi)存在一下地殼隆起區(qū)，該隆起區(qū)由于上地幔熱物質(zhì)上涌形成，為區(qū)域內(nèi)深部熱源;在電性結(jié)構(gòu)上該范圍呈豎條狀由上地幔一直延伸到牛駝鎮(zhèn)凸起下方，構(gòu)造上，該區(qū)域兩側(cè)存在兩個(gè)大型斷裂，牛東斷裂和容東斷裂，作為深部熱流向上擴(kuò)散的通道;牛駝鎮(zhèn)凸起和容城凸起內(nèi)部薊縣系和長(zhǎng)城系裂隙型白云巖為基巖型熱儲(chǔ)層;上覆新近系沉積巖為熱蓋層;西側(cè)太行山脈和北側(cè)燕山山脈為熱儲(chǔ)徑向水流補(bǔ)給來(lái)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(wèi)1,2,王小江1,2,張凱1,2
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