0 引言

地热是清洁绿色的可再生能源，具有使用年限长、绿色环保等特点。当前国家鼓励开发使用新型清洁能源，其社会经济效益非常显著，在人类生产生活中起着极其重要的作用（李平平和陈海龙， 2019）。

研究区位于河北省秦皇岛市青龙县西部，距城区约 20 km，属燕山山脉腹地。山区地热与平原区的地热赋存形态不同，平原区地热多数以沉积盆地型地热为主，主要分布在新近系馆陶组、明化镇组，古近系东营组等地层中（田勇等，2020）。完整的山区地热系统主要由盖层、通道、热储 3 个要素构成，盖层起保温隔热作用，探查山区地热资源首要任务就是找到控热导热构造的位置。前人在研究区主要研究方向为地下冷热水的化学类型与元素组成，分析地下流体特征，地下水深循环方式，探讨地下热水成因等（杨立顺，2011；程立群等，2020）。在地热资源勘查中应用到的物探方法主要为直流电法、高密度电法、激发极化法、土壤氡气测量等（李平平和陈海龙，2019；卢放等，2019；陈怀玉等，2020；李洪嘉，2020；毛新建，2021）。探测更深层的热储时一般利用大地电磁法（MT）、音频大地电磁法 （AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、地震勘探等技术手段（马晓东等 2014；任磊等，2020；张洋洋等，2020；陈斌，2021；桂云和万海辉，2021；李鹏和刘丽丛，2021）。近年来随着人们对各类矿产勘查手段的深入研究，发现综合物探方法对地热或矿产资源勘查有非常显著的作用，尤其对查找深大断裂构造，圈定地热异常范围有着良好的效果（皮伟等，2019；李广等，2021；赵季初等，2021；岳想平等， 2021）。本研究工作采用 CSAMT 法、视电阻率测深法与激发极化法（简称激电测深）组合电法勘探模式，由面到线，由线到点地对研究区地层、构造与地热异常区的分布进行探究。最终圈定了地热异常靶区，查明的控热导热构造，指导了布置地热钻孔工作，并取得了理想的地热资源勘查成果。

1 地质概况

1.1 地层

研究区位于冀东北部山区，坐落在一个断面呈 U字型的山间谷地，地貌特征呈北高南低，东西两侧为陡峭的山峰（徐一鸣等，2020）。研究区出露地层依次为太古宙片麻岩、中元古界沉积地层、新生界全新统地层及第四系。其中老基底片麻岩主要分布于研究区西北部。长城系灰褐色白云岩沉积地层只在南侧山顶处出露，已被剥蚀殆尽，剖面布设区未见该地层出露。南侧主要出露二长花岗岩和花岗闪长岩，表面风化强烈，受多组构造影响，其产状较为凌乱，裂隙发育较强烈。分布于河流河床和河谷中的全新统第四系主要岩性为卵砾石、中粗砂等。

1.2 构造背景

区域内地热资源主要集中在冷口大断裂与青龙大屯断裂系统附近，发育于中生代侵入岩体边部。断裂系统切割深度较大，影响范围较广，断裂附近还发育大量北东向次级断裂。研究区内经调查发现断裂构造发育，具有多次活动的特点。共同特点是形成时代较新，均为侏罗纪之后形成。其中本研究所推导的北西向 F01 断裂切割深度较大，推测超过1200 m，为本区主要的导热构造。

2 水文地热场特征

根据地下水的赋存条件、水力特征和水化学性质等，区内地下水类型可划分为孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水3大类。孔隙水主要赋砂卵石和砂砾层中，来自大气降水、地表水入渗补给；基岩裂隙水中网脉状裂隙水在变质花岗岩、花岗岩及混合岩中，含水性差；块状构造裂隙水存在于裂隙和断裂构造带中，富水性极不均一，与裂隙发育程度和断裂构造关系密切。本研究探查的地热异常在平面形态上呈北西走向椭圆状，估测发育面积约 0.77 km²。中心区统计地热井 10 眼，最高水温 27.4～53.8℃，温度自异常中心自内向外逐渐降低，大部分井深在 53～185 m。

3 地球物理特征

为了解本区地层介质电性特征，本文广泛收集了该区以往工作地质资料，包括岩石电阻率、重力、地球物理测井等。

区内第四系主要为中粗砂，河道内为卵石，黏性土主要覆盖于河道冲积区，且土层较薄。第四系电性主要表现为低阻特性；下伏为花岗岩，受风化侵蚀作用等影响，花岗岩电阻率值变化较大，总体表现为中高阻值；太古界变质岩电阻率值为高阻显示（表1）。导热控热构造破碎带与完整围岩物性差异明显，满足地球物理勘查先决条件。

冀东地区元古界长城系地层密度明显低于太古宇的，而中生代中酸性侵入岩密度明显低于太古宇的，略低于元古界长城系的。当中酸性侵入岩体具有一定规模时，常常引起较规则的重力低异常（图1）。

4 综合物探勘查成果

4.1 技术方法

本研究初步查明了研究区范围内断裂构造的空间展布、主要热储位置及基底起伏形态等。布置电测深扫面工作主要侧重勾画断裂构造平面展布； 可控源成果解释主要侧重解译断裂构造异常深部延展与推断岩性界面；激电测深主要布设在拟设井位附近，用来验证地下热水的六项激电参数的反应。结合地质物探成果研究构造与热储之间的关系，以此推断主要热储赋存形式与埋深，最终确定地热靶区。成果解释通过对实测资料的分析，利用不同地质体、不同岩性间的电阻率差异，推断实测剖面下的地质特征及其分布情况。

断裂构造判别依据：由于断层部位一般较破碎，且有可能引起两侧地层的错动，在电阻率等值线断面图上表现为电阻率相对低阻异常。因此可以通过电阻率相对低阻异常、电阻率等值线不连续、或电阻率水平方向上高低阻变化梯级带等来判断断层的存在。

视电阻率测深工作采用了重庆地质仪器厂生产的DZD-6型多功能直流电法仪，工作装置采用对称四极装置，MN/2分别为1 m、5 m、25 m、60 m，AB/2 采用16个深度极距，最大为1000 m。电测深测线共布设 9条，测线总长度 15.75 km，线距 500 m，，点距 250 m，电测异常区加密至 250 m 线距、50 m 点距。激电测深同样采取相同的设备与极距参数，激电测深工作共测量6个参数，分别为视电阻率（R0）、视极化率（Ms）、半衰时（Th）、偏离度（R）、衰减度（D）、综合激电参数（Zp）。CSAMT 测量选用加拿大凤凰公司生产的 V8-system2000 电法工作站（多功能电法仪），具有勘探深度大、分辨率高的优点（黄力军， 2020）。布置剖面6条，为了更清晰的反应构造异常形态在地热异常靶区加密点距至 25 m。编号分别为WT01、WT03、WT05、WT07、WT09、WT11，工作布置图见图2。结合研究区地质条件开展方法有效试验来确定工作参数，选取频率范围 1～7680 Hz，供电电极距AB=2000 m，测量电极距MN=50 m，收发距 r=10～11 km。工业、民用等高压输电线网主要分布在工区东南侧，对可控源音频大地电磁测深工作的数据采集会带来一定程度干扰。野外工作中，在信噪比较差地区应采取增加观测时长、加大发射电流，保证低频信号有较高的叠加数据，保证数据质量。

4.2 成果分析

通过对电测深扫面工作数据综合分析处理，分别提取 AB/2=150 m、340 m、500 m 数值绘制了本区不同深度视电阻率横切平面图（图3），从平面角度对研究区电性特征异常进行解译可以看出：研究区 NE-SW电阻率异常变化整体表现为“高—低—高”。区内主要构造方向为NW与NE，研究区中部偏北位置为地热异常靶区，推测该区域为深层地热富集区。此位置在 F01 与 F02 构造交汇处，此处地热井深度大都在 200 m 以浅，最高水温 55°左右，据此推测该两处构造F01与F02为本区影响地热成因的主要构造，CSAMT 工作重点布置在此两条构造周围，以查明该构造的变化特征。依据地热井资料与本次电测数据对比分析，在AB/2=150 m视电阻率等值线平面图上以视电阻率数值等于 400 Ω·m 为界圈定低阻异常范围。该低阻异常区浅部表现为以NW 向为长轴的椭圆形区域，并且在此圈定范围西北侧仍有较好的低阻异常区，推测其为本区地热重要的水源补给区；AB/2=340 m 其范围同样呈椭圆形（由 500 Ω·m 圈定）；到 AB/2=500 m 异常范围进一步缩小（由 600 Ω·m 圈定）。总体看异常中心位置主要向SE向偏移，偏移距离不大，说明构造产状较陡，深切割趋势明显，该低阻异常区为地热主要赋存区域。图中南部零星分布低阻异常圈，其产出方式为串珠状，推测由其他短小构造或基岩裂隙发育引起。

1 —岩体已知边界；2—岩体推测边界；3—布格重力异常值等值线；4—区域构造；5—研究区范围

1—第四系；2—中生代花岗岩；3—太古宙变质基底；4—闪长岩；5—CSAMT测线；6—激电测深测线；7—视电阻率测深测线；8—泉眼；9—断裂构造；10—地热井；11—铁矿钻孔

WT05 线为 CSAMT 主干剖面，该剖面从地热异常区中心穿过，剖面走向 60°，剖面总长度 3600 m，通过异常区长度约 1500 m。剖面纵向为自上而下电阻率逐渐增高的趋势，地表低阻层为第四纪地层的反映，且主要岩性为中粗砂、卵砾，显示厚度 3～30 m，电阻率值一般50～400 Ω·m，大部分覆盖层位于河流沟谷及河流交汇处，为地热区水平向延展提供了水源支撑。测线东北侧浅部出露为太古界片麻岩，表层受风化作用，铁矿钻孔揭示其深部600～800 m为混合花岗岩。剖面x=1550 m处电阻率呈相对低阻显示，此处东侧为地热富集区，该低阻为近乎直立形态，推测断裂构造所致，倾角为 86°，为本区F02断裂。x=1750～1900 m地表及深部电阻率呈低阻显示，异常形态呈条带状延展至地下深部，条带异常宽度 150～300 m，内部填充为主要黏性土与砾石碎石颗粒。受地热水矿化度影响，于深度 550 m 处形成椭圆形低值异常区，据钻孔资料揭示此区为富水热储区域。异常区地表为地热富集区中心位置，地热井 RW04、RW08、RW02 等汇聚与此 （图4）。

a—AB/2=150 m；b—AB/2=340 m；c—AB/2=500 m；1—断裂构造及编号；2—CSAMT测线剖面及编号；3—地热井及编号；4—地热异常靶区

为了解和研究激电测深技术对地热水的反应效果，在此地热中心异常区布设激电剖面，根据以往工作经验含水地质层一般电性特征表现为：半衰时长、极化率大、衰减度大、偏离度小、电阻率小、综合激电参数大等特征，测量成果中以上几种情况对应越多就越证明有含水地质层的存在，工作中普遍考虑较多的为前 4 个参数，如果前 4 个参数对应较好，一般就可以推断有含水地质层的存在。从激电测深电阻率等值线断面图来看（图5），在水平方向 J03～J04 号点中浅部存在明显的低阻异常区，综合考虑激电测深各参数异常来看：水平方向上在其两点间视电阻率数值表现为低阻异常、视极化率表现为相对高值、半衰时表现为高值异常、偏离度相对较低、综合激电参数表现为高值异常。该异常各参数异常特征与含水地质层参数特征比较吻合，推测该区域为深部含水基岩断裂构造带，已知地热井 RW08位于J03附近，中心电阻率数值小于50 Ω·m，且在水平位置上与其他两种物探方法圈定的F01断层位置对应较好，进一步印证了 F01 断层的存在。充分的地电资料显示，该低阻带为构造所致，是本区主要的控热构造，编号 F01，构造倾角 67°～85°。 F02与 F01断裂在异常区处交汇，形成地热富集区，推测该处地热由此两构造共同所致。本区地下热水上升到浅部后向外围扩散，使异常范围变大，而深部为狭窄的热水通道，异常范围小的特点。激电测深成果很好的反应出含水层与物探电性参数之间的相关关系，证明该方法对地热勘探有很好的适用性。

5 地下水化学分析

研究区地热水的水化学类型主要为 SO₄-Na 型水，地热水中 H₂SiO₃、F^-、HBO₂含量高， Li、Sr、Zn 等微量元素含量高，随着矿化度的增加，微量元素也有增加的趋势。由表2可知研究区地下热水矿化度为 0.573～1.284 g/L，最高达 1.284 g/L，pH 值比较接近，一般为 7.52～8.89，属于弱碱性水。经钻孔 ZK0501揭示，第四纪地层厚度3.5 m，下伏地层为片麻岩，在孔深 375 m 处见热水涌现，井口温度 51.4℃，井内最高温度59.2℃，变化范围7.8℃，自流量较稳定，3.56～3.68 m³/h。对后期评价地热资源开采利用有着重要的作用。

1—第四系覆盖层；2—二长花岗岩；3—片麻岩；4—断裂构造；5—岩性界线；6—地热井及编号；7—设计钻孔及编号；8—铁矿钻孔及编号

1 —视电阻率；2—极化率；3—半衰时；4—偏离度；5—衰减度；6—综合激电；7—断裂构造界线

6 地热模式分析

据前人研究资料与本研究成果综合解析分析认为，本区地热属于非火山型地热资源，凸起的上地幔热量和花岗岩壳中的放射性元素蜕变产生的热量共同构成了本区地热异常的深部热源，区内地热异常是由地下水深循环形成的。地热循环模式 （图6）推导揭示出深层的地热水受到压扭性断裂与张性断裂的多重作用，在挤压性断裂左右翼形成热水的富集带，是深部热源上涌的主要通道。而张性断裂表现为强导水性。在张压断裂的交汇部位岩石比较破碎，基岩裂隙发育，存在多组断裂互相切割的地质特征。深层地热可以通过张性断裂或者压性构造滑动面相对开启的部位形成集中渗流，沿导热通道向上移动，在花岗岩破碎强烈的部位形成热水储水区，最终在地表浅层形成地热区。

注：γ为中生代花岗岩，Ar为太古宇片麻岩；测试单位为自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心，2020。

1 —覆盖层；2—地质岩性层界线；3—地下热流运动；4—大气降水； 5—地热井；6—泉

7 结论

（1）本区地热资源埋深较深，选用电测深扫面与 CSAMT 法、激电测深法进行联合勘探是合理的，电测深扫面勾画地热靶区，CSAMT法与激电深法寻找深大断裂位置，进行定量解释，查清了盖层、热储、热源、通道等展布特征。

（2）利用地区地热地质模型，结合地电剖面形态探讨该地山区地热成因。讨论地热成因离不开地球物理特征的研究，破碎带的颗粒度和热水的矿化度与周围岩性电阻率的对比分析可以直观地了解到剖面地下地层与地热通道的存在形态特征。

（3）通过本次研究，初步查明了研究区范围内断裂构造位置及其性质简单了解了研究区范围内第四系覆盖层厚度等地质特征，并划分了地热异常范围等。总体来看，3种物探手段成果对应较好，达到了互相印证、互相补充的效果。

参考文献