斷裂構造對地熱田形成的控制作用

趙亞娟，劉立軍，張少才，牛樹銀，夏 帥，王 敏，王雨豪

(1. 河北地質(zhì)大學，河北 石家莊 050031； 2. 河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021)

?

斷裂構造對地熱田形成的控制作用

趙亞娟1，劉立軍2，張少才2，牛樹銀1，夏 帥1，王 敏1，王雨豪1

(1. 河北地質(zhì)大學，河北 石家莊 050031； 2. 河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021)

河北牛駝鎮(zhèn)地熱田位于環(huán)京、津、保經(jīng)濟發(fā)展的腹地，擁有地熱儲量豐富、分布面積廣的中—低溫地熱資源。研究認為：牛駝鎮(zhèn)斷凸是一個相對完整的、斷裂構造比較發(fā)育的地熱田。通過分析地熱田展布形態(tài)、熱儲特征、地溫場分布特征，進而探討了地幔熱柱控制下其熱源的形成、向上運移，及其地熱田的形成。

斷裂構造；地幔熱柱；地熱熱源

0 前 言

河北牛駝鎮(zhèn)斷凸位于華北平原沉降帶冀中坳陷北部，新構造運動以沉降為主，斷凸為沉陷區(qū)中隆起構造單元，其北臨廊固凹陷，南抵霸縣凹陷[1]。凹陷與凸起之間被斷裂分開，構造活動頻繁。

牛駝鎮(zhèn)地熱田位于華北斷陷區(qū)中部，冀中臺陷的牛駝鎮(zhèn)斷凸上，是冀中拗陷凸起帶的組成部分[2]。其基底主要為薊縣系—長城系白云質(zhì)和泥質(zhì)白云巖，東北邊緣處出露有寒武、奧陶、石炭、二疊系。由于基巖埋藏深度和巖性不一致，熱異常也存在差別，凹凸相間的邊界密集斷裂帶及底辟上侵的巖漿巖上部產(chǎn)生溫度異常。地熱田熱異常分布特點為凸起部位地溫梯度值最大，向四周或兩端逐漸減小，異常形態(tài)與下伏基巖的凸起形態(tài)一致。

1 牛駝鎮(zhèn)地熱田地質(zhì)構造特征

1.1形態(tài)特征

牛駝鎮(zhèn)斷凸為典型的凹中凸構造格局。冀中坳陷空間上呈北北東向窄條帶狀展布，發(fā)育一系列北北東向與北東東向構造單元。其走向主要受北北東向懷柔—淶水、定興—石家莊深大斷裂及北東東向固安—昌黎隱伏大斷裂所控制，見圖1。地熱田凸起部分形態(tài)似彎曲的月牙形與牛駝鎮(zhèn)斷凸形態(tài)基本相似，走向大致相同，其走向主要是受上述斷裂的派生構造-牛東斷裂所控制。地熱田分為南、北兩段，南段呈北北東向展布，北段呈北東東向展布，面積約為605.65 km。

圖1 牛駝鎮(zhèn)斷凸構造位置

1.2熱儲特征

該地熱田位于牛駝鎮(zhèn)斷凸上，第四系和新近系明化鎮(zhèn)組直接覆蓋在基巖上，中心位置蓋層較薄，向周圍蓋層逐漸加厚，逐漸有古近系沉積，最厚可達到4 000 m[1]。下伏基巖地層包括奧陶系、寒武系、薊縣系、長城系等。巖性主要為灰?guī)r、白云巖，以及灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖等。寒武—奧陶系基巖主要分布在地熱田東北部，埋深約3 000 m；薊縣系與長城系基巖在地熱田均有分布，凸起部位埋深很淺，約800 m，東北部埋深為1 200～2 078 m，以薊縣系地層為主。新近系與古近系較薄，地層主要為寒武系、奧陶系、薊縣系以及長城系，即牛駝鎮(zhèn)地熱田主要為基巖熱儲。

牛駝鎮(zhèn)地熱田的高值區(qū)沿雄縣、大營、馬莊、獨流和龍虎莊一線，呈NE-NEE向展布，地溫梯度4.0℃/100 m等值線圈閉的面積達381 km2[2]，異常形態(tài)與下伏基巖的凸起形態(tài)完全一致，向兩側(cè)梯度減小，并在雄縣的大營鎮(zhèn)和永清縣的龍虎莊一帶形成兩個島狀的梯度中心，其高值分別為12.4℃/100 m和8.88℃/100 m。由于地熱異常形態(tài)與下伏基巖的突起形態(tài)相一致，向兩側(cè)和兩端梯度值變小，此特征與華北地幔亞熱柱內(nèi)地熱田熱異常特征完全一致，故此認為牛駝鎮(zhèn)地熱田受華北地幔亞熱柱影響。

2 地熱田熱源主要來源

2.1熱源通道

牛駝鎮(zhèn)地熱田與周圍構造單元主要被斷裂分開，主要控熱斷裂為牛東斷裂。地熱田發(fā)育在牛東斷裂的下盤，以南為牛南斷裂，西側(cè)為一正斷層，接下來主要研究地熱田的主要控熱斷裂—牛東斷裂。

牛東斷層長70 km，整體走向呈北北東向，分為兩段，即南段走向為北東東向，傾向南東。南段斷距5 000 m ，水平位移5 000 m，北段走向北北東向，傾向南東，北段累積垂直斷距7 700 m，水平位移7 400 m。沿斷層面有串珠狀第三系早期玄武巖分布，牛東斷層控制著牛駝鎮(zhèn)斷塊的發(fā)育，牛駝鎮(zhèn)斷塊夾在大興斷層與牛東斷層中間，牛駝鎮(zhèn)凸起位于牛駝鎮(zhèn)斷塊的上升部分，凸起的發(fā)育受牛駝鎮(zhèn)斷塊的活動所控制[3]。愈靠近主斷裂玄武巖層數(shù)量越多，在龍虎莊東南玄武巖厚度累積達111.5 m。牛東斷層斷面在平面上呈鋸齒狀，并且規(guī)模較大。牛東斷層為上陡下緩，呈鏟狀形態(tài)分布，與派生斷層共同組成 “Y”字型，發(fā)育為階梯狀正斷層。牛駝鎮(zhèn)斷凸內(nèi)地層向南逆沖，發(fā)育為階梯狀逆斷層，牛東斷層下降盤凹陷發(fā)育成“Y”字型和地壘(見圖2)。在冀中探區(qū)太白維山、南馬莊潛山和大港滄東—岐口凹陷等地區(qū)發(fā)現(xiàn)逆沖構造[3]。

牛東斷裂斷距約為5 500 m以上，深深切割薊縣系、青白口系、寒武—奧陶系等一系列地層，燕山時期，伴隨著頻繁的火山活動以及構造運動，其深部巖漿巖以及自身的熱量通過與其相連通的斷裂運移到接近地表的位置，受冷固結(jié)形成基巖。牛東斷裂為牛駝鎮(zhèn)地熱田的熱源提供主要的通道。

圖2 牛駝鎮(zhèn)斷凸Ⅰ-Ⅱ地質(zhì)剖面[2]

2.2華北地幔亞柱演化過程

燕山運動以來，華北地幔亞熱柱呈蘑菇狀強烈上隆至50 km左右的淺處[4]，地殼發(fā)生了大幅度的熱減薄斷陷；并且發(fā)育了一系列二級構造單元和三級構造單元，同一時期發(fā)生了多期次玄武巖噴發(fā)或基性巖脈侵入。使得在凸起的主體部分以及某些局部隆起區(qū)由于強烈上升，普遍缺失古近系，為地球內(nèi)部聚集的巨大熱量運送到地表，提供更有利的地質(zhì)環(huán)境。這些熱物質(zhì)如何傳送到地球表面，地幔熱柱—亞熱柱—幔枝構造多級演化，很好的解釋了地球內(nèi)部與外部是如何進行物質(zhì)、能量交換的。

Morgan認為固體地幔熱源區(qū)實際上是一個產(chǎn)于地幔底部熱邊界附近的地幔柱；Deffeye認為地幔柱是下地幔上涌形成的；Anderson著文說地幔柱它其實是一種化學柱[5]。他的化學成分與周圍物質(zhì)有明顯的差別，他起源于地幔底部的核幔邊界層[6]。地幔熱柱的形成主要是由于核幔間存在物質(zhì)對流這是?！獨み\動的初始來源，熱物質(zhì)的上升點往往是板塊構造的增生邊界[5]。地幔熱物質(zhì)一旦突破上下地幔界面，進入上地幔并繼續(xù)上升時，下地幔的頂部即為地幔亞熱柱的頂冠就會變成地幔亞熱柱的主要熱物質(zhì)源區(qū)，并通過地幔熱柱與底部的核—幔界面相通，成為了上下連通的地幔熱柱演化體系[7]。伴隨著地幔亞熱柱活動的不斷增強，地幔熱物質(zhì)逐漸向上以及向四周侵位，使得地幔物質(zhì)向外圍拆離滑脫，從而形成一系列基性巖漿的侵入和噴發(fā)。并且受到巖石圈斷裂活動的控制，地幔亞熱柱頂冠的熱源物質(zhì)就會伴隨一系列巖漿活動通過深大斷裂導出到地表形成地熱的熱源。根據(jù)地幔柱的運移情況分析來看，地幔柱即使熱源本身也是熱源通道。地幔亞熱柱的頂冠或隆升區(qū)為巖漿活動較頻繁的地帶，伴隨更多巖漿巖或侵入巖也相應較多。隆升區(qū)的溫度相對于其他地區(qū)溫度高。

以地幔熱柱隆升區(qū)為中心點向四周延伸，溫度逐漸減小，形成內(nèi)熱外冷的特征，尤其在一些斷裂帶較發(fā)育的地區(qū)易形成熱異常區(qū)，這些斷裂破碎帶以及一些深大斷裂是提供熱源很好的通道，牛駝鎮(zhèn)地熱田位于華北地幔亞熱柱隆升區(qū)的西北邊緣[8]，周圍斷裂構造發(fā)育良好，為牛駝鎮(zhèn)地熱田的形成提供了良好供給側(cè)和構造環(huán)境。

3 結(jié) 論

1) 牛駝鎮(zhèn)地熱田熱異常區(qū)出現(xiàn)在基底的凸起部位，儲存著豐富的地熱資源，目前探測到基巖熱儲的最高溫度為92℃，在南孟鎮(zhèn)—龍虎莊一帶，深度為2 400 m。

2) 牛東斷裂是牛駝鎮(zhèn)地熱田的主要控熱構造，為地熱田的熱源提供了運移通道，地球內(nèi)部熱得以此通道為地熱田源源不斷的供應熱量，故此地熱資源為綠色可再生資源。

3) 在基底凹陷區(qū)出露探測的熱水溫度小于基地隆起區(qū)的溫度，而基底隆起區(qū)的地溫梯度值大于基底凹陷區(qū)，基底厚度大的相對小于基底厚度小的地溫梯度值。

4) 牛駝鎮(zhèn)地熱田的主要熱源為地幔亞熱柱運移過程釋放的熱量，伴隨著地幔柱的運移把地幔深處的熱物質(zhì)流運送到接近地表，遇冷凝固形成基巖。另一部分沒形成基巖的物質(zhì)以巖漿的形式在地下以垂直或水平方式運移，遇到強烈的地質(zhì)構造，或深大斷裂使巖漿遇冷形成巖漿巖，出露到地表或埋藏在蓋層之下。華北地幔亞熱柱的形成與運移是牛駝鎮(zhèn)地熱田的主要熱源。在地幔隆升區(qū)一些斷裂比較發(fā)育的地帶是形成熱異常的有利地區(qū)。

[1] 陳默香. 華北地熱[M]. 北京: 科學出版社, 2004.

[2] 張德忠, 劉志剛, 盧紅柳. 河北地熱[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2013.

[3] 楊海盟, 戴俊生. 牛駝鎮(zhèn)斷凸發(fā)育過程[J]. 東北石油大學學報, 2014, 38(6): 22-29.

[4] 牛樹銀, 孫愛群, 李紅陽. 華北地區(qū)地熱特征及其成因機制[J]. 地學前緣, 2001, 8(1): 112.

[5] 李紅陽, 牛樹銀, 王立群, 等. 幔柱構造[M]. 北京: 地震出版社, 2002.

[6] 牛樹銀, 孫愛群. 地球的物質(zhì)運動[J]. 科學, 1999, 25(3): 183.

[7] 牛樹銀, 孫愛群, 謝汝斌, 等. 地幔熱柱及其成礦作用研究[J]. 前寒武紀研究進展, 2002, 25(1): 11-22.

[8] NIU Shuyin, SUN Aiqun. The Multi-evolution of mantle plume and the mechanism of geothermal origin in the Eastern North China[J]. NSFC and China Bureau of Geological Survey, 2006: 25-26.

ControlofFaultsontheGeothermalFieldFormed

ZHAO Yajuan1, LIU Lijun2, ZHANG Shaocai2, NIU Shuyin1, XIA Shuai1, WANG Min1, WANG Yuhao1

(1.HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031,China; 2.HydrogeologyandEngineeringGeologySurveyInstitute,GeologyandMineralExplorationBureauofHebeiProvince,Shijiazhuang,Hebei050021,China)

Niutuo geothermal field is located in Central Beijing, Tianjin and Bao hinterland of economic development, as has rich geothermal reserves, including wide distribution area and low-temperature geothermal resources. Our studies suggest that broken projections in Niutuo is relatively complete. Faults are well developed in geothermal field through the analysis of geothermal fields to spread morphology and thermal energy storage feature, including the geothermal field distribution. Then we discuss the analysis under the mantle plume control the heat source formation, upward migration and the formation of geothermal fields.

Faults; Plume; Geothermal heat source

2016-08-22

趙亞娟 (1991-)， 女， 河北任丘人，在讀碩士研究生，研究方向：幔枝構造成礦控礦作用，手機：15733182690.

P314

：Adoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.010