二維地震勘探在北京城市副中心地熱資源勘查中的應用

趙玉 雷曉東 趙旭辰 孫明國

摘 要：二維地震勘探具有分辨能力強、勘探深度大等優(yōu)點，但因施工成本高、城區(qū)場地受限等因素在地熱勘查領域應用不多。為研究北京城市副中心地熱資源賦存條件，沿通州運潮減河完成了1條剖面長度8.5km的二維地震勘探，采用夯擊震源激發(fā)、10m道距接收，獲得了1200m深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構與斷裂構造信息。研究表明：二維地震勘探結(jié)果與其他地球物理方法及鉆探成果一致，北京城市副中心地區(qū)發(fā)育燕郊斷裂及其支斷裂，斷裂傾向SE，主斷裂上盤第四系蓋層厚度約500～700m，其下發(fā)育新近系;支斷裂下盤第四系下伏青白口系。新生界和青白口系兩套地層構成了地熱系統(tǒng)的良好蓋層。

關鍵詞：二維地震;地熱;燕郊斷裂;北京城市副中心

Abstract： 2D seismic exploration has the advantages of strong resolution and large exploration depth. However， due to high construction cost， limited urban sites and other factors， it is not widely used in geothermal exploration. In order to study the occurrence conditions of geothermal resources in the Beijing municipal administrative center， a section 2D seismic exploration （8.5km long） along the Yunchaojian River was completed in Tongzhou District. The stratum and fault information within 1200-m depth range were obtained by pound seismic sources and 10-m group interval. The research shows that the 2D seismic exploration results are consistent with other geophysical methods and drilling results. The Yanjiao fault and its branch faults are developed in the Beijing municipal administrative center. The fault trend is SE direction. The Quaternary cap layer on the upper wall of the main fault is about 500-700m thick and Neogene is developed below it. The Quaternary System underlying the footwall of the branch fault is Qingbaikou System. The Cenozoic strata and Qingbaikou Systems are formed as a good cover for geothermal system.

Keywords： 2D seismic exploration; Geothermal; Yanjiao fault; Beijing municipal administrative center

0 前言

在北京城市副中心建設過程中，加強地熱資源的開發(fā)利用是優(yōu)化首都能源結(jié)構、推動能源綠色智能高效轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略舉措（李寧波等，2017;;2018;2020）。地熱資源勘查開發(fā)首先應開展地球物理調(diào)查，查明地熱系統(tǒng)結(jié)構特征，降低后期鉆探風險。北京地區(qū)地熱資源勘探已有近50年的歷史（楊亞軍等，2017），應用的傳統(tǒng)物探方法有重力勘探、磁法勘探、直流電測深、CSAMT、微動測深、氡氣測量等，已經(jīng)成功地為多個地熱田的勘探開展了前期論證工作（雷曉東等，2017;劉凱等，2018;徐光輝等，2007）。

地震勘探技術因其勘探精度高，在資源、活動斷裂、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等領域已經(jīng)得到了廣泛應用，但在地熱勘查中應用并不多，這是因為地震勘探技術施工組織復雜，成本較高，但副中心地區(qū)人文活動強，傳統(tǒng)的地熱物探方法受嚴重干擾，又因該地區(qū)地質(zhì)構造復雜，研究程度不高，因此需高分辨率地震勘探手段來探測地熱構造、地熱儲層埋深和蓋層結(jié)構等。本次在地熱重點勘查區(qū)布置了8.5km二維地震勘探剖面，進一步查清了斷裂構造幾何特征及蓋層厚度問題。

1 區(qū)域地質(zhì)及地熱地質(zhì)背景

研究區(qū)位于通州區(qū)潞城鎮(zhèn)一帶，屬于雙橋地熱田外圍區(qū)域，新生代以來主要受印度洋板塊向北擠壓應力影響和太平洋板塊向北北西俯沖的影響，華北地塊內(nèi)中生代以來形成了NE-NNE和NW向兩組斷裂體系，為本區(qū)地熱資源賦存運移提供了基本構造前提。燕郊斷裂位于張辛莊—黎辛莊—七級村—沙窩一帶，呈NE向（圖1），屬于張性正斷層，具有一定的導熱導水作用，深部熱水側(cè)向徑流在斷層面受阻后，可沿斷裂形成的徑流通道上涌補給頂部裂隙帶，使斷裂帶兩側(cè)具有較高的溫度和豐富的水量。

鉆孔揭露區(qū)內(nèi)地層為第四系、新近系，青白口系景兒峪組、長龍山組和下馬嶺組，薊縣系鐵嶺組、洪水莊組和霧迷山組（何等，2019;呂金波等，2016;高林志等，2010）。在北京平原區(qū)，熱儲層以薊縣系碳酸巖鹽為主，而第四系松散沉積物、砂黏土層，青白口系泥灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖以及薊縣系洪水莊組炭質(zhì)頁巖等地層滲透率小，熱導率低，不利于地層之間熱傳導或?qū)α?，從而為深部的白云巖熱儲層形成了良好的蓋層（雷曉東等，2018）。

2 數(shù)據(jù)采集

野外施工前，根據(jù)已有的地質(zhì)資料及地熱預測有利區(qū)段，在垂直燕郊斷裂、燕郊支斷裂位置布置了1條高分辨率地震勘探長剖面，該測線沿運潮減河展布（圖1），長度為8.5km。由于研究區(qū)第四紀沉積物較厚，會造成地震波衰減，使得深層地震能量不足，因此合理選擇采集參數(shù)，可以有效地抑制干擾，突出有效波，提高對小構造的分辨能力。為分析區(qū)內(nèi)影響地震資料品質(zhì)的主要因素及提高地震資料信噪比和分辨率的施工方法與技術，在正式采集之前進行了野外試驗。綜合考慮此次地震勘探的地質(zhì)任務和實際施工場地的限制，試驗中用的觀測系統(tǒng)參數(shù)為道距10m、排列長度為1800m，采樣間隔1ms，記錄長度3s。

考慮到北京市區(qū)的安全因素，本次地震震源選擇為夯擊震源，沖擊次數(shù)是影響震源能量的關鍵因素，也是影響單炮記錄信噪比的關鍵因素。如果沖擊次數(shù)不足，會導致地震資料信噪比低，但過多的沖擊次數(shù)會耦合不好，反而會降低信噪比，同時會降低工作效率。為選擇合適的次數(shù)，保證足夠的下傳能量，進行了4次，6次，8次，10次，12次，14次試驗（圖2），當次數(shù)為10次時，環(huán)境噪音能量相對于有效波更小。同時考慮到整個工區(qū)內(nèi)環(huán)境復雜，為了保證資料信噪比，整體考慮選擇沖擊次數(shù)為10次。

經(jīng)波場特征分析，區(qū)內(nèi)干擾波有環(huán)境噪聲形成的干擾波，面波和折射波干擾，淺層信噪比較高;施工過程中，檢波器按照要求安置以保證良好的接收條件，同時，盡可能的減少環(huán)境噪聲的影響，進一步提高單炮記錄信噪比。

本次地震勘探采用Aries2.66數(shù)字地震儀，記錄參數(shù)為：1ms采樣，記錄長度3s，選用10m道距，20m炮距，最大45次覆蓋，180道接收，中間激發(fā)的工作方法，檢波器采用20DX-10Hz檢波器，3個1串點組合接收，采取夯擊震源單點10次激發(fā)，以提高單炮記錄信噪比（表1）。

3 資料處理

資料處理的重點是提高數(shù)據(jù)的信噪比，從而達到對淺、深層地質(zhì)構造的準確識別。通過對原始資料特點的分析，結(jié)合地質(zhì)任務要求，經(jīng)過認真全面的試驗對比，確定本次數(shù)據(jù)處理采用的處理流程系統(tǒng)的處理包括：解編、彎線觀測系統(tǒng)定義、編輯、振幅補償、疊前去噪、靜校正、速度分析、動校正、偏移等。通過對地震數(shù)據(jù)處理技術的試驗分析，發(fā)現(xiàn)靜校正、去噪技術、彎線處理及偏移技術是此次數(shù)據(jù)處理流程中的關鍵步驟。

3.1 野外靜校正

野外靜校是地震資料處理中的關鍵環(huán)節(jié)之一，研究區(qū)內(nèi)表層低、高速層速度橫向都相對穩(wěn)定，但低、高速間差值較大，不大的低速層厚度差卻帶來了較大的靜校正量差，使得由此產(chǎn)生的地震波旅行時差對信號的疊加效果產(chǎn)生了較大的不利影響。為解決野外靜校正問題，在正確拾取原始單炮初至的基礎上，通過試驗對比最終選擇采用折射靜校正方法完成本區(qū)的野外靜校正，試驗確定靜校正統(tǒng)一基準面為25m，替換速度1700m/s 取得了較好的應用效果（圖3）。

3.2 去噪處理

原始資料的干擾波類型主要有面波、多次折射、50HZ干擾、隨機噪聲等。針對上述情況，處理過程中進行了疊前去噪試驗。采用多域、多種去噪方法聯(lián)合應用，有針對性、逐步到位的原則，根椐去噪前后的單炮與疊加剖面差異檢查去噪效果，有效地壓制了噪聲，提高了地震記錄的信噪比。本次疊前組合去噪主要采用在炮集記錄上進行地表一致性區(qū)域異常噪聲衰減，壓制部分強能量低頻面波和高頻干擾，再進行減去法分頻預測濾波壓制傾斜規(guī)則干擾，獲得了較好的應用效果（圖4）。

3.3 彎線處理及偏移處理

由于地形的影響，本次觀測測線是彎曲測線，在處理過程中采取面元疊加的三維處理方法，適當調(diào)整共中心線的位置、適當限制面元寬度，以減小共中心點分布發(fā)散和由于地層傾斜造成的疊加混波效應，提高對地下地層的疊加成像精度。

偏移歸位是實現(xiàn)最終落實地下構造形態(tài)這一目標最為關鍵的環(huán)節(jié)。理想的偏移方法應該既能實現(xiàn)大傾角地震波同相軸的空間歸位，又能適應速度場的橫向變化，且不改變資料的頻率特征。疊前時間偏移首先將疊加速度作為初始偏移速度，因疊前速度受地層傾角影響較大，且受繞射波、回轉(zhuǎn)波及斷面波等因素的影響而變得橫向上很不穩(wěn)定，因此，需要對作為初始偏移速度的疊加速度進行一定的平滑或加權處理，使之更適合偏移處理要求。實際處理中在將疊加速度轉(zhuǎn)換為初始均方根速度后，為了保證速度趨勢的合理性，又對其進行了較大的趨勢平滑處理。處理中共進行了3次的迭代優(yōu)化速度，并最終完成疊前時間偏移處理如圖5a所示。

4 地震剖面解釋與討論

經(jīng)過以上資料處理之后得到的疊前時間偏移剖面（圖5a），經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換后得到深度剖面（圖5b），根據(jù)同相軸的連續(xù)性和速度特征確定了波形比較穩(wěn)定的同向軸作為輔助層連續(xù)追蹤，并結(jié)合收集的區(qū)域地質(zhì)與地球物理資料和勘探區(qū)內(nèi)的已有鉆孔資料，確定主要反射波所對應的地層分布與地層結(jié)構，而通過反射波同相軸錯斷、強相位轉(zhuǎn)換等特點來推斷剖面上的斷裂構造。

從圖5可以看出，淺層同相軸較為清晰連續(xù)，結(jié)合鉆孔信息劃分為4個反射層位：T1反射層貫穿整條剖面，時間在300～600ms，時深轉(zhuǎn)換對應深度剖面的界面為260～700m，在距離測線北部1km處、垂直于測線650號點的“勘3井”揭露的第四系底界深度為276m，而距離剖面起始位置500m的TJ-9井揭露第四系深度為307m，且兩井均揭示第四系下伏基巖為青白口系，因此推斷T1為第四系的底界，且在1100點之前下伏地層為青白口系。T2反射層位于1100～1700點，疊前時間偏移剖面上500～900ms，而在深度剖面上600～1000m處，其同相軸振幅強度和頻率特征與1100點之前的同相軸有明顯差異，根據(jù)距離測線南部1.8km處、垂直投影于測線1250號點的“東勘2井”所揭露的第四系底界為301.7m，下伏地層為新近系泥巖、粉砂巖及礫巖，而T2反射層面之下沒有明顯的波阻抗界面，推斷其下伏薊縣系的白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖，因此T2層為基巖頂界面，是新近系與薊縣系的分界面。T3反射層上下的同相軸特征有明顯不同，推斷其為青白口系頁巖和砂巖的分界面。在深度700m處T4層在速度剖面上此處的速度達到3000m/s，推測其為青白口系的底界，下伏地層為薊縣系白云巖夾少量頁巖。