摘要
济新断裂位于华北地台区黄淮中断坳与山西中台隆交接部位，为修武断陷和武陟凸起的分界线，零星的民用地热井显示断裂周缘有较好热异常，该区覆盖层厚度大，中深部地热资源评价难度高。本文利用重力、可控源音频大地电磁测深、测氡等综合物探方法进行了探测，结合以往磁测、二维地震、测温等资料对导热、控热断裂及热储有利区进行了解译，物探成果修正了基底武陟凸起太古宇与下古生界的不整合边界，提出了太古宇裂隙发育区，为发现该区太古宇带状裂隙热储提供了重要依据。后续地热钻井证实了这一结果，在太古宇与新近系不整合界面发现热流体，千米埋深水温65 ℃左右。并通过收集周边地热井资料，在武陟凸起轴部太山镇—徐营镇一带太古宇变质岩区发现了大面积的地热资源。
Abstract
The Jixin Fault is located at the junction of the Huanghuai Fault Depression and the Zhongtai Long in Shanxi Province in the North China Platform area. It serves as the boundary between the Xiuzhi Depression and the Wuzhi Uplift. Scattered civilian geothermal Wells indicate good thermal anomalies around the fault. The overburden thickness in this area is large, making the evaluation of middle and deep geothermal resources difficult. This paper conducts detection by using comprehensive geophysical exploration methods such as gravity, controllable source audio electromagnetic sounding, and radon measurement. Combined with previous magnetic measurement, two-dimensional seismic, and temperature measurement data, it interprets the favorable areas of heat conduction, thermal control fractures, and thermal storage. The geophysical exploration results correct the unintegrated boundary between the Archean and Lower Paleozoic in the Wuzhi Uplift of the basement, and propose the fissure development area of the Archean. It provides an important basis for the discovery of the Archean banded fissure thermal reservoir in this area. Subsequent geothermal drilling confirmed this result. Hot fluid was discovered at the unconformity interface between the Archean Universe and the Neogene, with a water temperature of about 65 ℃ at a burial depth of one kilometer. By collecting data from surrounding geothermal Wells, a large area of geothermal resources was discovered in the Archean metamorphic rock area between Taishan Town and Xuying Town on the axis of the Wuzhi Uplift.
0 引言
综合地球物理方法在覆盖区中深部地热资源勘查中发挥着不可替代的重要作用（孙晓东，2018；陈怀玉等；2020；李丛等，2021；韩政等，2023；王军成等， 2023），确定控热导热构造产状及规模、热储层展布特征、井位有利区及井深参数设计等都需要物探资料提供支撑（刁天仁和杜霏，2019；高博涵等，2021； 张伟等，2021；董寒杰等；2022；付新建等，2022）。综合物探方法可提供丰富的解译参数及成果，大大降低了地热井成井风险，提高了地热开发的经济效益 （曲鹏志，2019；孙海川等，2019；李洪嘉，2020；任磊等，2020；龚胜平和刘瑞德，2021；宋涛等，2023）。
笔者依据“济新断裂（获嘉段）地热异常区地热资源调查”项目发现太古宇中高温地热田为例，讨论了综合物探方法在该型地热田勘查中的应用情况，该项目对济新断裂沿线地热异常成因进行了调查，掌握地热分布规律（叶茜，2019）。研究区新生界盖层厚度大，利用综合物探方法并结合以往资料进行了综合解译，基本查明了研究区地层、断裂等主要地热地质条件，确定了太古宇带状裂隙热储有利区，经过地热井 ZK1验证，在济新断裂武陟凸起核部发现了大面积的中高温地热田，千米埋深温度 65℃左右（叶茜， 2019），且周边地热井局部最高温超过了80℃，为该区同类型地热田的勘探开发提供了重要参考借鉴。
1 地热地质概况
1.1 地质概况
研究区位于华北地台区黄淮中断坳与山西中台隆交接部位，自北向南，跨越山西中台隆太行拱断束凸起区汤阴断陷西南段修武断陷以及黄淮中断坳北部的洛阳—开封台陷之武陟凸起（图1），研究区地理坐标为东经 113°32'27″～113°41'19″，北纬 35°02'11″～35°17'01″，总面积365.34 km2。
修武断陷为太行山前汤阴断陷向西南的延伸，其南侧与武陟凸起被济新断裂分割。在研究区内为一近东西向的槽状凹陷，为山西中台隆与黄淮中断坳、华北中断坳交接部位的拉张断陷。武陟凸起为太古宇基底隆起形成的穹隆背斜，核部为太古宇变质岩，轴向呈东西展布，北翼被济新断裂切断。
研究区地层区划属华北地层大区晋冀鲁豫地层区，地层具有明显的基底和盖层二元结构，基底由太古宇变质岩构成，盖层由下古生界、上古生界、新生界组成，元古界、中生界缺失或已剥蚀。地表广为第四系覆盖，其余地层均为隐伏地层。
基底构造相对发育，除济新断裂外，还发育有多条次级断裂，这些断裂共同构成了研究区地热流体空间分布的控制边界。基底无岩浆岩。
1.2 地热地质条件
研究区地热类型可分为呈层状分布的盆地型地热和受断裂构造控制的带状分布地热。
层状地热：分布于研究区北部修武断陷区和南部武陟凸起斜坡区，其热储主要由新生界组成，呈层状分布，断裂导热作用不明显，地温场为传导增温型。
带状地热：分布于研究区中部武陟凸起核部地区。其地温场一方面受济新断裂、圪垱店断裂、太山断裂控热、导热作用影响，另一方面受构造基岩凸起导热影响，为断裂导热、传导增温复合型，以断裂导热为主；其热储分上部的新生界孔半固结岩类孔隙裂隙型层状热储、下伏的太古宇片麻岩、下元古界结晶碳酸盐岩断裂裂隙型带状热储。太古宇带状热储为本文讨论的重点。
2 研究区地球物理特征
根据研究工作需要，收集了研究区及外围磁异常等值线平面图、布格重力异常等值线平面图、剩余重力异常等值线平面图等基础物探资料，对区域地球物理特征分析如下。
2.1 研究区磁场特征
从研究区 ΔT磁异常图来看（图2），本区总体处于正磁异常区，沿谢旗营、徐营、大新庄、亢村一带存在近东西向的高磁异常圈闭，推测与埋深较浅的太古宇基底分布有关。
2.2 研究区重力场特征
2.2.1 布格重力异常特征
从布格重力异常（图3）来看，武陟凸起与修武断陷之间为一显著的重力梯度陡变带，指示了济新断裂。武陟凸起在重力上显示为近三角形的高异常区，以谢旗营、徐营以南至圪垱店一带最高。武陟凸起以北显示为低异常，修武之获嘉县黄堤东为封闭的低异常区。
修武断陷呈东西向展布的槽形，在布格重力异常平面图上显示为相对封闭的近东西向长轴状重力低异常，异常等值线比较平直，并在葛庄乡以南、黄堤镇、史庄镇沉积中心，局部重力低异常形态呈圆形或等轴状椭圆形。该断陷中生代形成，盆地南北受断裂控制，构造形态上该盆地属地堑式断陷。
1—二级构造单元分界线；2—三级构造单元分界线；3—四级构造单元分界线；4—研究区范围；Ⅰ1—华北地台；Ⅱ2—黄淮中断坳；Ⅱ4—华北中断坳；Ⅱ5—山西中台隆；Ⅲ3—洛阳—开封台陷；Ⅲ8—内黄台拱；Ⅲ9—太行拱断束；Ⅳ10—武陟凸起；Ⅳ11—沁阳台凹；Ⅳ12—郑州断阶；Ⅳ13—开封台凹；Ⅳ30—滑县台穹；Ⅳ32—汤阴断陷
图2研究区ΔT磁异常图
图3研究区布格重力异常图
2.2.2 研究区剩余重力异常特征
从剩余重力异常图来看（图4），有2处比较显著的剩余高异常中心，其中谢旗营—徐营—圪垱店异常对应了武陟凸起太古宇基底隆起区，太山乡一带则主要对应了下古生界隆起区。
郇封—中和—大呈—丁村处于显著的梯级带异常，其中零值线大体指示了地质边界，从图可知零值线位置与济新断裂走向基本吻合，但由于比例尺较小，结果偏差较大。
张巨乡及北部一带出现的剩余重力低圈闭异常，则主要显示古生界地层（C-P）埋深受济新断裂影响而急剧增大。
2.3 物性特征
收集整理了研究区内各地层的导电性、密度等资料（表1）。
图4研究区剩余重力异常图
表1研究区地层电阻率、密度统计
从表1可知，新生界与古生界、太古宇的电性差异显著，可以较好区分；古生界与太古宇之间导电性差异不明显，较难区分。地电断面来看，新生界以低阻为主夹局部不均匀性高阻，基底地层以高阻为主局部夹不均匀性低阻，多为断裂引起，导电性高低阻区域梯级带一般为断裂标识。
新生界盖层与下伏基底地层的密度差异显著，可以较好区分；基底上古生界石炭系、二叠系与下古生界寒武系、奥陶系密度差异明显，可较好区分，太古宇片麻岩与灰岩密度差异也较为明显，可较好区分。
3 综合物探资料解译研究
3.1 综合物探工作简况
研究区以往工作积累了较丰富的物探资料，本研究共收集到徐营煤普查项目地震剖面 4 条，济新断裂（获嘉段）地热异常区地热资源调查项目高精度重力剖面 3 条、可控源音频大地电磁测深剖面 3 条、RaA法测氡剖面7条，物探剖面分布情况见图5。这些物探解译结果为基岩地层界线划分、基底断裂定位、太古宇带状热储有利区圈定等工作提供了依据。
图5研究区物探剖面分布图
1 —研究区；2—徐营煤普查区范围；3—徐营煤普查地震剖面；4—CSAMTP剖面；5—RaA法测氡剖面；6—高精度重力剖面
研究区为新生界厚覆盖区，本研究前基底地层岩性及界线主要依据 1978年出版的河南省 1∶50万基岩地质图进行大体了解。该图基岩地层界线主要由稀疏的钻孔结合小比例尺物探工作推测确定，由于年代久远，随着后续工作程度的提高，发现该基岩图偏差及误差均较大。
对比河南省1∶50万基岩地质图（图6）与徐营煤普查基岩解释图（图7）可知，基底太古宇地层界线、古生界地层界线均有明显差异。
从原基岩图（图6）来看，研究区基底主要为古生界、太古宇地层。其中太古宇分布在谢旗营—徐营以北，研究区范围内呈三角形，其北部边界沿郇封—张巨—中和一线，太古宇外围平行不整合接触的寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系等则大体沿北东向展布。
从图7来看，原徐营—张巨—中和一带均为太古宇，在该资料中划分为太古宇（Ar）和上古生界 （C-P）两部分，其边界断裂为 F1，结合图4中剩余重力异常零值线来看与济新断裂对应。
在地震资料控制区域以外，依据综合物探剖面资料对地层分布及断裂进行了解译，结果见图8～图10。
据图8～图10可知，重力剖面反演结果对区域深大断层有较好的显示，可控源音频大地电磁测深解译结果对区域断层及次级断层有较为清晰的分辨能力。在地层分层方面，由于地层密度差异相对明显，重力法分层效果较好；受古生界寒武系—奥陶系与太古宇地层导电性差异不明显的影响，在可控源音频大地电磁测深断面上对二者进行区分难度较大。总体来看，两种方法的联合使用在断裂识别方面具有较好的一致性，在地层划分方面具有较好的互补性，为基底隐伏断层的定位和地层界线划分提供了依据。
图6研究区原基岩地质图
1—太古宇；2—寒武系；3—奥陶系；4—石炭系本溪组、太原组；5—下二叠统未分；6—上二叠统未分；7—二叠系上石盒子组；8—二叠系石千峰组；9—三叠系延长群；10—实测断裂；11—推测断裂；12—地层界线；13—研究区；14—徐营煤普查区
图7获嘉县徐营煤普查区地震资料解译基岩地质图
1 —研究区；2—徐营煤普查区；3—断层及编号；4—地层界线；5—太古宇；6—寒武系—奥陶系；7—石炭系—二叠系
图8G01-CS01综合物探剖面解译图
1 —第四系；2—古近系—新近系；3—石炭系—二叠系；4—寒武系—奥陶系；5—太古宇；6—新生界未分；7—推测断裂及编号
图9G02-CS02综合物探剖面解译图
1 —第四系；2—古近系—新近系；3—石炭系—二叠系；4—寒武系—奥陶系；5—太古宇；6—新生界未分；7—推测断裂及编号
图10G03-CS03综合物探剖面解译图
1 —第四系；2—古近系—新近系；3—石炭系—二叠系；4—寒武系—奥陶系；5—新生界未分；6—推测断裂及编号
在上述工作的基础上，结合收集的地热井信息对研究区太古宇地层界线、下古生界地层界线进行了修正及调整，重新绘制了研究区基岩地质简图 （图11）。研究区太古宇、下古生界、上古生界的分布及埋深情况如下：
太古宇（Ar）：为一套区域变质、混合岩化变质作用形成的不同程度的变质岩类。研究区中部徐营—大辛庄一带武陟凸起核部地区，太古宇直接与上覆新近系馆陶组接触，埋深一般 900～1200 m，其他地区埋藏于下古生界之下。
下古生界寒武系—奥陶系（Є-O）：分布于太山一带武陟凸起轴部东端部、大辛庄以南武陟凸起斜坡地区。研究区及附近无钻孔揭露。圪垱店、太山两地太山断裂以北埋藏较浅，约 1100～1300 m，上部与新生界交接；太山断裂以南向东南逐渐加深，上部被上古生界覆盖。济新断裂（F1）以北修武断陷区，下古生界埋深超过2500 m，为上古生界所覆盖。
上古生界石炭系—二叠系（C-P）：分布于济新断裂（F1）以北修武断陷区和太山断裂（F8）以南武陟凸起南翼斜坡区。调查区内及周边无钻孔揭露。根据区域资料，包括石炭系和二叠系，总体为一套海路交互相的砂岩泥岩互层，并夹有煤层、煤线。其上为新生界覆盖。修武断陷区上古生界埋深 1100～1600 m，以史庄镇—狮子营一带埋深超过 1600 m。武陟凸起斜坡区埋深自西北向东南逐渐加大，从1100 m左右增加到将近2000 m。
图11研究区基岩地质简图
1 —研究区；2—物探解译断层；3—地层界线；4—基岩埋深/m；5—太古宇；6—寒武系—奥陶系；7—石炭系—二叠系
3.2 济新断裂及次级断裂的展布特征
济新断裂 F1及其次级断裂 F2主要被地震、重力、可控源等剖面综合验证；断裂F3、F4、F5则由氡气测量结果进行验证性解译；断裂F7、F8保留自原基岩图。研究区断裂展布特征见图12。
3.2.1 济新断裂展布特征
济新断裂（F1）：从图12来看，济新断裂 NEE 方向穿越研究区中部大望高楼狮口村—后五福村一带，走向北东东约 68°，倾向北，区内延伸长度约 7 km。
从图8实测重力曲线来看，该断裂宽度较大，影响范围可达 1 km 以上。F1断裂在重力 G01、G02 及可控源CS01、CS02上有发现，而在重力G03、可控源 CS03无明显显示。
济新断裂断距 1000～2000 m，自古生界以来具有明显的继承性正断裂活动特征，有利于深部地热水沿断裂及其次级断裂、裂隙上升至基岩顶面，是一条导水、导热断裂。
3.2.2 次级断裂展布特征
中和断裂（F2）：位于张巨乡—大官庄村—程遇村一带，走向近东西向，倾向北，物探推测延伸长度约 13 km。F2 在重力、可控源剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上均有显示，为济新断裂（F1）的次级断裂。
凤凰岭断裂（F3、F4）：位于狮子营—获嘉县城一带，F3 为本次物探结合区域资料解释，仅重力显示断点位于获嘉县同盟大道与中山路交叉一带。F4 断裂为本次物探独立推断解释，重力 G03剖面显示断点位于获嘉县北环路与中山路交叉口北约200 m 处。F3、F4 与区域上凤凰岭断裂位置一致，应为凤凰岭断裂在局部的显示。
张门断裂（F5、F6）：为 RaA 测氡解释，位于调查区东北角边界处，性质不明，与区域上张门断裂位置一致，应为张门断裂的局部显示。
圪垱店断裂（F7）、太山断裂（F8）：北东方向平行展布于调查区东南部圪垱店—太山一带，东北与济新断裂相交接，西南与武陟断裂相接。该断层断距小，切割深度有限，为次生小断裂，物探显示不明显。二者均为正断裂，圪垱店断裂倾向西北，南盘上升，北盘下降；太山断裂倾向西南，南盘下降，内盘上升。圪垱店断裂与济新断裂交接处（获嘉县太山乡一带）有显著的地热异常显示。
4 太古宇带状裂隙有利区及热储特征
太古宇片麻岩一般致密不透水，难以形成水热型热储。通过物探工作表明，武陟凸起轴部济新断裂及其次级断裂影响区发育有较大规模低阻梯级带异常，推测受断裂影响，太古宇片麻岩裂隙相对发育，尤其是在济新大断裂影响下，可形成透水性较强的大裂隙，导致深部地热流体沿裂隙上行，从而形成沿断裂构造的一定规模的带状热储。
在上述工作的基础上，结合部分地热调查工作成果，圈定了太古宇片麻岩断裂裂隙带状热储分布有利区（图13）。
图13可知，太古宇带状热储共受到 3条断裂影响，其中 F1是区域性大断裂，是主导性的控热导热断裂，是高温地热田的控制性边界断裂。F7为次级断裂，为凸起轴部裂隙发育区域，可形成富水区，F8 断裂为地热田分区的边界。这些条件共同构成了较大范围的太古宇地热带状热储。
图12研究区基岩断裂展布特征图
1—研究区；2—物探解译断层；3—地层界线；4—基岩埋深/m；5—太古宇；6—寒武系—奥陶系；7—石炭系—二叠系；8—氡气测量结果
图13太古宇带状热储分布及埋深图
1 —研究区；2—地层界线；3—断层及编号；4—太古宇带状热储分布区；5—太古宇带状热储顶面埋深等值线；6—建议地热井
根据上述有利区范围结合现场施工条件，建议在靠近 F7断裂附近的中和镇前五福村进行验证，建议井深为1200 m，见图中ZK1。
5 地热井验证情况
ZK1 地热井实际成井深度 1202.9 m，揭穿地层如下：0～176.80 m：第四系松散砂层、土层；176.8～725.0 m：新近系明化镇组半固结砂岩、砂砾岩、泥岩；725.0～962.3 m：新近系馆陶组半固结砂岩、泥岩、砂砾石层；962.3～1202.9 mm：太古宇黑云斜长角闪片麻岩。
根据 ZK1孔钻探，武陟凸起轴部太古宇片麻岩上部存在风化层，在埋深 1000 m 左右钻遇大裂隙，出现严重漏浆，漏浆速度约 70 m³/h，而越过此段后，再岩石相对完整，无出现明显漏浆，说明片麻岩顶部不整合面存在裂隙，而次级断裂形成的裂隙可导水并富集水。
地热井钻探中对馆陶组热储层、太古宇带状热储分别进行了成井、试验、取样。馆陶组热储层取水段为 842.5～909.75 m，太古宇热储取水段为 962.3～1202.9 m。新近系馆陶组热储层流体孔口温度 61.9℃，井中压力降 52.03 m（以水柱高度计，下同），地热流体产量 41.12 m3 /h。太古宇片麻岩裂隙热储流体孔口温度 64.3℃，井中压力降 20.46 m，地热流体产量47.55 m3 /h。
降压试验证明太古宇大裂隙导水系数达到 145.53 m2 /d。降压试验求得平均孔隙率 0.5%。地热流体单位产量 2.32 m3 /（h·m），自由回灌试验中单位回灌量达到 1.48 m³/（h·m），说明在断裂影响带片麻岩热储透水性极强，回灌能力较强。
6 结论
（1）通过多种物探资料的利用对基底地层界线进行了重新划分，为研究区进行地热分区研究以及太古宇带状热储有利区的圈定提供了依据。
（2）重力、可控源、测氡等多方法的联合使用对研究区济新断裂及其次级断裂进行了有效控制，确定了断裂的产状及深部控制导热情况，为确定地热井验证区提供了参考。
（3）多种物探方法可以在复杂施工条件下提供多种参数信息，为深覆盖区地热勘查开发积累了经验，可为该区进一步的地热勘探工作提供借鉴。
致谢 本文的野外地球物理工作及地热井编录资料得到了河南省地质局矿产资源勘查中心、河南省地质局地质灾害防治中心有关技术人员的帮助，论文撰写中得到了河南省地质局有关专家的大力支持，审稿专家对本文提出的宝贵意见，在此表示感谢！