北京市平原區北部孫河斷裂的地熱地質(zhì)特征

 北京市分布有較為豐富的地熱資源, 在平原區基巖中地下熱水的分布明顯受斷裂的控制。

 

  自物探、鉆探資料及地質(zhì)分析反映北京南口至孫河兩地確定有一條北西向斷裂以來(lái), 由于該斷裂大部分隱伏于平原區新生界地層之下, 一直到現在很多地質(zhì)工作者及文獻資料都將該斷裂稱(chēng)為南口—孫河斷裂① 。1983 年田世義②根據電阻率測深資料認為南口—孫河斷裂是一條不連續的斷裂, 將南口—孫河斷裂解體為南口斷裂和孫河斷裂。1986年楊松筠③根據重力勘探資料進(jìn)一步確定了南口斷裂和孫河斷裂的展布位置?，F在普遍認為南口斷裂和孫河斷裂共同構成南口—孫河斷裂帶。孫河斷裂是首都圈平原區一條重要的隱伏活動(dòng)斷裂, 其地震活動(dòng)性受到廣泛關(guān)注。近年來(lái),伴隨著(zhù)地熱資源的勘探, 在孫河斷裂區域進(jìn)行了多項可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)和數眼地熱鉆井等勘查工作, 進(jìn)一步提高了對孫河斷裂特征的認識。

 

  1 孫河斷裂的特征

 

  1.1 區域地質(zhì)特征

 

  孫河斷裂區域上大致沿孫河鎮至沙子營(yíng)村一線(xiàn)展布, 該斷裂是后沙峪凹陷與來(lái)廣營(yíng)凸起兩個(gè)構造單元的分界線(xiàn)。斷裂走向NW— SE, 傾向NE。斷裂的北東盤(pán)第四紀以來(lái)表現為強烈斷陷,第四系厚度1 000 m左右, 斷裂南西盤(pán)第四系厚度僅200 ～ 500 m。孫河斷裂西端切斷了黃莊—高麗營(yíng)斷裂, 東端切斷了順義斷裂(圖1)。孫河斷裂上、下盤(pán)第四系下伏地層為上侏羅統。

 

  1.2 地球物理特征

 

  1.2.1 重力特征

 

  在研究區的布伽重力等值線(xiàn)平面圖上,布伽重力值總體由西南向東北降低, 后沙峪一帶為重力低值區, 最低值-26 ×10-5 m/s2 , 鉆孔揭露表明, 后沙峪區域為第四紀沉積凹陷, 第四系厚度1 000 m左右。

 

  沙子營(yíng)—孫河一線(xiàn)為2 ～ 3 km寬的布伽重力等值線(xiàn)密集帶, 該密集帶是孫河斷裂的反映。從重力密集帶影響范圍分析, 孫河斷裂并非由一條斷裂構成, 應是由多條斷裂組成的一條斷裂構造帶。

 

  重力水平梯度曲線(xiàn)上10— 26號點(diǎn)之間出現了較寬的重力梯度異常, 其中10— 16號點(diǎn)最高重力梯度值達4.5 ×10-5 m/(s2· km)。從異常強度上分析, 10— 16號點(diǎn)區域為孫河斷裂構造帶西南端與來(lái)廣營(yíng)凸起分界的主干斷裂(圖2(b)中F1)。16— 26號點(diǎn)區域的重力水平梯度也顯示有次級斷裂的存在。

 

  1.2.2 電阻率測深特征

 

  電阻率等值線(xiàn)斷面圖中1— 2號點(diǎn)區域呈等值線(xiàn)密集帶, 該密集帶的位置與重力水平梯度最高值點(diǎn)相對應。1— 2號點(diǎn)區域為孫河斷裂帶西南端與來(lái)廣營(yíng)凸起分界主干斷裂(F1)的顯示。

 

  1.2.3 可控源音頻大地電磁測深特征

 

  從可控源音頻大地電磁測深剖面圖上看, 橫向上視電阻率曲線(xiàn)有一定的起伏變化,剖面的20— 30號、50— 60 號及70— 80號點(diǎn)區域均出現了視電阻率曲線(xiàn)的彎曲臺階, 并且與重力水平梯度高值區比較吻合, 因此推斷解釋為孫河斷裂的次級斷裂(F2、F3、F4)的反映。

 

  1.2.4 綜合分析

 

  從上述孫河斷裂的重力、電阻率測深及可控

 

  源音頻大地電磁測深綜合特征來(lái)看, 孫河斷裂實(shí)際表現為一條斷裂帶, 現有資料可初步識別出4條斷裂(F1、F2、F3、F4), 斷裂帶寬度約3 km左右。F1是后沙峪凹陷與來(lái)廣營(yíng)凸起構造單元的分界斷裂, 為主干斷裂。F2、F3、F4 為次級斷裂, 分布于后沙峪凹陷內, 呈階梯狀特征, 對第四系的沉積厚度有控制作用。

  Fig.3 GeothermalgeologicalprofileofSunhefaultzoneQ.第四系;J3.中生界上侏羅統;C— P.石炭系—二疊系;O.奧陶系;∈ .寒武系;Qn.上元古界青白口系1.3 孫河斷裂的多期活動(dòng)性近幾年, 為了解深層地熱資源, 在孫河斷裂帶兩側鉆探了數眼地熱井, 最深的來(lái)熱-2地熱井4 051 m, 基本揭示了其深部的地質(zhì)構造條件(圖3)。從圖3中反映的地層接觸關(guān)系可以看出, 斷裂上盤(pán)時(shí)代老的地層(C— P、O— ∈ 、Qn)蓋在了下盤(pán)時(shí)代新的地層(J3 、C— P、O)之上, 說(shuō)明孫河斷裂晚侏羅世后的構造活動(dòng)為逆掩性質(zhì), 上盤(pán)上升強烈。斷裂上、下盤(pán)地層厚度對比, 晚侏羅世—第三紀時(shí)期上盤(pán)上侏羅統(J3 )地層遭受強烈剝蝕至少2 000 m。第四紀時(shí)期孫河斷裂又繼承早期斷裂面活動(dòng)表現為張性, 上盤(pán)累計下降幅度達千米左右。晚侏羅世以來(lái), 孫河斷裂至少有兩期大的性質(zhì)相反的構造活動(dòng)。

 

  地熱井揭示上盤(pán)石炭系—二疊系和奧陶系—寒武系地層層位明顯不全, 地層層位對比說(shuō)明石炭系與奧陶系普遍呈斷層接觸關(guān)系, 奧陶系與寒武系內或二者之間也有斷層接觸。綜合分析孫河斷裂上盤(pán)發(fā)育有數條次級斷裂構造, 造成地層巖石中的構造裂隙非常發(fā)育。

 

  2 孫河斷裂的地熱地質(zhì)特征

 

  2.1 導熱作用

 

  南口—孫河斷裂帶在第四紀時(shí)期存在強烈的活動(dòng), 對后沙峪第四紀凹陷具有重要的控制作用。

 

  該斷裂帶晚更新世(60 ka)以來(lái)表現為多期活動(dòng)特征。黃莊—高麗營(yíng)斷裂是一條深大斷裂, 1978年國家地震局地質(zhì)研究所研究認為該斷裂斷至上地幔的第一個(gè)界面, 斷深約50 km。近期研究[ 7] 認為, 黃莊—高麗營(yíng)斷裂錯斷了全部第四系地層,斷裂面直達地表, 具有多期活動(dòng)的特點(diǎn), 該斷裂挽近期常發(fā)生小地震活動(dòng)。黃莊—高麗營(yíng)斷裂溝通了上地幔熱源, 是北京平原區重要的導熱構造。

 

  孫河斷裂錯斷了黃莊—高麗營(yíng)斷裂, 與其形成了良好的熱流溝通, 因此, 孫河斷裂也具有良好的導熱性能, 成為后沙峪地熱田的重要導熱通道。

 

  經(jīng)5眼地熱井統計, 本區各時(shí)代地層平均地溫梯度第四系為2.54 ℃ /hm、侏羅系2.59 ℃ /hm、石炭系—二疊系1.62 ℃ /hm、奧陶系—寒武系1.72℃ /hm、青白口系4.70 ℃ /hm, 與北京平原區地層的平均地溫梯度對比, 該區侏羅系、奧陶系—寒武系、青白口系地溫梯度明顯偏高(表1)。

 

  

  區塊地溫梯度/(℃/hm)

 

  Q J C— P O— ∈ Qn

 

  后沙峪 2.54 2.59 1.62 1.72 4.70

 

  北京平原3.00 1.80 2.00 1.00 2.30

 

  從圖3中的地溫特征可以看出, 地溫等值線(xiàn)在孫河斷裂帶部位呈向上增高凸起, 向兩側地溫逐漸降低, 地溫最高點(diǎn)在順后熱-1地熱井部位。

 

  其原因是孫河斷裂帶高熱導率的奧陶系、寒武系和青白口系碳酸鹽巖較兩側相對呈構造凸起, 深部熱流在沿孫河斷裂向淺部傳導運移過(guò)程中, 熱流趨于向凸起部位聚集, 凸起部位發(fā)育次級斷裂構造更有利于熱流的傳導。這一特征在京津唐地區構造凸起地熱田具有普遍的規律, 地溫場(chǎng)在凹中凸起部位高, 凹陷部位相對低。

 

  2.2 對侏羅系火山巖裂隙熱儲的控制作用

 

  孫河斷裂區域第四系下伏地層為侏羅系, 巖性主要為火山巖類(lèi)。鉆孔揭露侏羅系厚度1 066 ～1 830 m, 層底深度2 115 ～ 2 746 m。從物探資料和鉆孔資料反映, 孫河斷裂及其影響帶寬度達3 ～4 km, 致使侏羅系火山巖地層斷裂構造裂隙非常發(fā)育, 地熱井鉆進(jìn)過(guò)程中出現鉆井液大量向裂隙發(fā)育地層中漏失(表2)。地熱井的產(chǎn)能測試表明,該區侏羅系火山巖地層孔隙度高, 儲水和滲透條件好。順后熱-2地熱井946 ～ 2 327 m井段地球物理測井解釋富水層19層, 厚度115 m, 聲波孔隙度3.8% ～ 19.5%, 儲集層系數8.3%。順熱-6地熱井1 701 ～ 2 812 m井       段測井解釋富水層38層, 厚度238 m, 聲波孔隙度2.9% ～ 18.4%, 儲集層系數20.9%。以上兩個(gè)地熱井的孔隙度和儲集層系數表明了本區侏羅系火山巖構造裂隙發(fā)育,同時(shí)具有裂隙發(fā)育的不均一性。

 

  2.3 后沙峪地熱田的特征

 

  2.3.1 地熱地質(zhì)特征

 

  后沙峪地熱田是北京10個(gè)地熱田之一[ 11] , 同時(shí)又是北京地區唯一發(fā)育侏羅系火山巖斷裂構造裂隙熱儲的地熱田④⑤⑥ 。地熱田西南部處于孫河斷裂帶區域, 地熱井揭露的地層有新生界第四系(Q)、中生界上侏羅統(J3 )、古生界石炭系—二疊系(C— P)、奧陶系(O)、寒武系(∈ )及上元古界青白口系(Qn), 地熱井的地熱地質(zhì)特征見(jiàn)表3。

 

  第四系巖性為粘土、砂、砂礫, 侏羅系巖性主要為安山巖、安山質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖,石炭系—二疊系巖性主要為石英砂巖、砂巖、粉砂巖、碳質(zhì)泥(頁(yè))巖、煤巖, 奧陶系巖性主要為灰巖、白云巖, 寒武系巖性主要為泥質(zhì)灰巖、鮞?；規r、頁(yè)巖, 青白口系巖性主要為泥灰巖、石英砂巖、頁(yè)巖。

 

  從表3地熱井揭露的地層厚度可以看出, 石炭系—二疊系、奧陶系—寒武系地層的厚度較正常沉積厚度明顯變薄, 并且巖石地層單位有缺失,而北京地區的沉積相比較穩定, 可以確定孫河斷裂構造帶的構造運動(dòng)是造成該區地熱井缺失地層的原因, 反映出次級張性斷層構造發(fā)育。在孫河斷裂帶區域的地熱井, 侏羅系火山巖地層均發(fā)育斷裂構造裂隙, 鉆井液出現大量漏失。順后熱-2和順后熱-6地熱井完全以火山巖構造裂隙地層為含水層, 涌水量達1 840 ～ 1 965 m3 /d, 單位涌水量為18.2 ～ 58.8 m3 /(d·m)。順后熱-8和順后熱-9地熱井以?shī)W陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙層為含水層, 涌水量1 368 ～ 1 538 m3 /d, 單位涌水量13.5 ～ 21.1 m3 /(d· m)。順后熱-1和順熱-6為下套管后射孔成井, 受成井工藝的影響, 涌水量相對較低, 不能完全反映實(shí)際水文地質(zhì)條件。

 

  從地熱田目前地熱井的產(chǎn)能狀況看, 火山巖構造裂隙含水層較碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層的富水性要強一些。

 

  2.3.2 地熱水地球化學(xué)特征

 

  后沙峪地熱田地熱水的化學(xué)成分見(jiàn)表4。與北京其他地熱田的地熱水比較, 后沙峪地熱田具有高礦化度、高硫酸鹽和高氯化物特征, 偏硼酸含量也較高。熱礦水類(lèi)型主要為氟、偏硅酸型(圖4)。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型, 為高pH值的堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na·Ca水型, 為弱堿性水;順后熱-1地熱井是火山巖與碳酸鹽巖的混合取水井,為SO4 -Na水型。地熱水的水型差異表明, 火山巖裂隙水富集氯離子(Cl-), 碳酸鹽巖巖溶水富集重碳酸根離子(HCO-

 

  3 )和鈣離子(Ca2 +)。說(shuō)明后沙峪地熱田的地熱水有其獨特的形成演化特征,處于由基巖冷水補給到地熱水徑流演化的末端。

 

  2.3.3 地熱富集規律預測

 

  圖3中反映深部熱流向孫河斷裂上盤(pán)構造凸起部位聚集的規律, 是比較典型的構造凸起型儲熱構造。最高位處的順后熱-1地熱井3 100 m的地溫達到90.9 ℃, 向東南來(lái)廣營(yíng)凸起構造單元來(lái)熱-2 地熱井3 950 m處的地溫僅為95.1 ℃, 向東北后沙峪凹陷中心部位地溫降低幅度較大。由于孫河斷裂上盤(pán)斷裂構造裂隙非常發(fā)育, 淺部侏羅系火山巖形成地熱富集的構造裂隙熱儲, 深部還發(fā)育奧陶系、寒武系及薊縣系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲, 發(fā)育3 套溫度高富水性好的熱儲地質(zhì)結構在北京地區是獨一無(wú)二的。根據上述地熱地質(zhì)條件的綜合分析, 可以推斷孫河斷裂上盤(pán)奧陶系、寒武系及薊縣系熱儲處于構造凸起部位, 北西向延伸的孫河斷裂帶區域是后沙峪地熱田的地熱資源富集區。依據順后熱-1地熱井資料并結合北京平原區的地熱地質(zhì)條件推斷, 3 700 m深可見(jiàn)到薊縣系霧迷山組白云巖熱儲層, 推斷地溫可達101℃左右, 鉆探深度4 000 m的地熱井出水溫度可達到100 ℃。北京地區目前地熱水的最高溫度為88℃, 孫河斷裂帶是北京最有望突破100 ℃地熱水的高地溫區。

 

  3 結 論

 

  (1)通過(guò)重力、電阻率測深、可控源音頻大地電磁測深多種物探資料的推斷解釋, 結合地熱鉆井揭露的地熱地質(zhì)成果, 初步說(shuō)明孫河斷裂是一條寬約3 km的斷裂構造帶, 斷裂上盤(pán)次級斷裂構造裂隙非常發(fā)育。

 

  (2)孫河斷裂具有多期活動(dòng)的特征, 晚侏羅世以來(lái)至少有兩期大的性質(zhì)相反的構造活動(dòng)。晚侏羅世后的構造活動(dòng)表現為逆掩性質(zhì), 第四紀時(shí)期斷裂活動(dòng)表現為張性。

 

  (3)孫河斷裂對后沙峪地熱田西南部區域的地熱地質(zhì)條件具有控制作用, 具有良好的導熱和導水性能。后沙峪地熱田西南部是構造凸起型儲熱構造, 北西向延伸的孫河斷裂帶區域是后沙峪地熱田的地熱資源富集區。

 

  (4)受孫河斷裂的構造運動(dòng)改造, 侏羅系火山巖地層的構造裂隙非常發(fā)育, 火山巖裂隙熱儲導水、儲水條件優(yōu)越。后沙峪地熱田擁有侏羅系火山巖、奧陶系和寒武系及薊縣系碳酸鹽巖3套熱儲, 地熱資源儲量豐富。

 

  (5)后沙峪地熱田地熱水具有高礦化度、高硫酸鹽和高氯化物的特征, 主要為氟、偏硅酸型熱礦水。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型,為高pH值堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na· Ca水型, 為弱堿性水。地熱水的獨特水型特征表明, 后沙峪地熱田處于由基巖冷水補給到地熱水徑流演化的末端。