淺析北京平原區(qū)熱儲溫度與斷裂關系

郭 帥，王維逸，王 治，馬靜晨，姜 輝，王卓卓（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

淺析北京平原區(qū)熱儲溫度與斷裂關系

郭 帥，王維逸，王 治，馬靜晨，姜 輝，王卓卓
（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

本文搜集了38個水樣點的水化學數(shù)據(jù)，這些水樣點位于北京平原區(qū)的5個地熱田。水樣點的取水層位均為薊縣系霧迷山組，水樣點揭露的地熱水均屬于同一個含水系統(tǒng)。根據(jù)水化學類型分析，該含水系統(tǒng)地下熱水徑流方向由西北、西南部向東部流動。利用Na-K-Mg三角圖和飽和指數(shù)選取合適的地熱溫標，估算了各水樣點的熱儲溫度范圍。熱儲溫度的空間分布形態(tài)呈現(xiàn)北東向為長軸方向的橢圓形，與黃莊—高麗營斷裂、良鄉(xiāng)—前門斷裂、八寶山斷裂、順義斷裂、南口—孫河斷裂和小湯山斷裂等控熱斷裂有關，且北東向斷裂對于溫度的控制作用更大，熱儲溫度在斷裂交匯處出現(xiàn)高值區(qū)域，這些高值區(qū)域正是尋找地熱的有利地區(qū)。

地下熱水；水化學；熱儲溫度；斷裂；北京

0　引言

北京平原區(qū)地熱田多沿構造斷裂來進行劃分，據(jù)前人資料，這些斷裂多為導水、導熱斷裂。在地下熱水的研究和開發(fā)利用工程中，熱儲溫度是評價地熱資源潛力不可缺少的重要參數(shù)，北京平原區(qū)地熱井眾多，尤其是早期地熱井的熱儲溫度數(shù)據(jù)難以搜集。地熱溫標方法是利用地下熱水中的某些化學組分的含量與溫度的關系，估算礦物與水反應的平衡溫度，也就是深部熱儲的溫度（汪集旸等，1993）。本文在水樣點水化學分析的基礎上，根據(jù)Na-K-Mg三角圖和飽和指數(shù)計算，結合地熱溫標應用規(guī)律估算水樣點熱儲溫度。并對熱儲溫度與斷裂的關系進行分析，為尋找地熱的有利地區(qū)提供依據(jù)。

1　區(qū)域地質背景

1.1構造

北京市平原區(qū)斷裂構造比較發(fā)育，燕山運動晚期與以升降為主的喜馬拉雅山運動都形成了較大規(guī)模的斷裂，展布方向主要以北東向和北西向為主（增瑞祥等，2001）。

北東向主要斷裂，從西向東有八寶山斷裂、黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂、良鄉(xiāng)—前門斷裂、南苑—通縣斷裂等5條較大的斷裂。八寶山斷裂走向北東，斷面傾向南東，傾角較小20°～30°，從西南向北東傾角漸陡。黃莊—高麗營斷裂走向北東，斷裂面傾向南東，傾角約80°，性質為高度角正斷層，最大斷距在1000m以上。順義斷裂走向北東，關于其傾向和傾角直接資料不多，地球物理資料顯示，該斷裂傾向南東，傾角較大。良鄉(xiāng)—前門斷裂，走向北東，一般傾向北西，其傾角也較大。南苑—通縣斷裂總的走向北東，斷裂面傾向北西，傾角50°左右，北西盤下降，南東盤上升，性質為正斷層。

北西向斷裂，從東向西依次有南口—孫河斷裂、太陽宮斷裂、永定河斷裂等3條較大的斷裂。南口—孫河斷裂總體走向北西，斷裂北段傾向南西，南段傾向北東，傾角均較大。太陽宮斷裂走向北西，傾向北東，傾角陡。永定河斷裂呈北西向展布，傾向南西，傾角較大。

次級斷裂走向主要分為北東向、北北東向、北西向、南北向和東西向。與本文關系密切的小湯山斷裂屬于南北向次級斷裂。

據(jù)前人資料（增瑞祥等，2001），黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂、良鄉(xiāng)—前門斷裂、南口—孫河斷裂、小湯山斷裂等均為導水、導熱斷裂。

1.2地層

北京市平原區(qū)代表性地層，按由老到新的順序組合而成，中上元古界到第四系分述如下：長城系（Ch）、薊縣系（Jx）、青白口系 （Qn）、寒武系（∈）、奧陶系（O）、石炭系 （C）、二疊系 （P）、三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）、古近系（E）、新近系 （N）和第四系 （Q）。

1.3熱儲層

薊縣系霧迷山組是北京地區(qū)分布面積最廣的熱儲層，在平原區(qū)約占90%以上，巖性主要為硅質白云巖、燧石條帶白云巖、紋層狀泥晶白云巖等，厚度一般大于2000m。由于受多次地質構造運動的影響，霧迷山組裂隙較為發(fā)育，為巖溶作用創(chuàng)造了條件，具有較好的儲存空間和滲透能力，是北京地區(qū)主要的熱儲層。

2　地熱水水化學特征

2.1水化學類型

為了更好的揭示地熱水運移過程中各礦物質組分含量的變化，本文只取薊縣系霧迷山組做為北京平原區(qū)地熱水水化學主要研究地層，即所選取水樣點的取水層位均為薊縣系霧迷山組。

搜集到水樣點水化學數(shù)據(jù)共38份，水樣點均為地熱井，這些地熱井位于東南城區(qū)地熱田、良鄉(xiāng)地熱田、京西北地熱田、雙橋地熱田和小湯山地熱田（圖1）。其中東南城區(qū)地熱田地熱井15眼（下文以J1-15表示）；良鄉(xiāng)地熱田地熱井7眼（下文以L1-7表示）；京西北地熱田地熱井7眼（下文以S1-7表示）；雙橋地熱田地熱井3眼（下文以O1-3表示）；小湯山地熱田地熱井6眼（下文以T1-6表示）。

根據(jù)各水樣點的水化學數(shù)據(jù)繪制水樣點的Piper圖。從圖2可知，東南城區(qū)地熱田水化學類型比較豐富，包括了地下水徑流過程中上游至下游的多種水質類型。良鄉(xiāng)地熱田水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Na·Mg、HCO3·SO4-Na，主要為地下水徑流過程中上游的水質類型。京西北地熱田水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca，主要為地下水徑流過程中上游—中游的水質類型。雙橋地熱田水化學類型為HCO3-Na 、Cl·HCO3-Na·Ca，主要為地下水徑流過程中中游—下游的水質類型。小湯山地熱田水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca，主要為地下水徑流過程中上游—中游的水質類型。由于搜集地熱井取水層位均為薊縣系霧迷山組，且均位于北京平原區(qū)地質單元，假設水樣點揭露的地熱水均屬于同一個含水系統(tǒng)。根據(jù)水化學類型分析，該含水系統(tǒng)地下熱水徑流方向為由西北、西南部向東部流動。

圖1　水樣點位置分布圖（改自（增瑞祥，2001））Fig.1 Location distribution map of the water samples

圖2　水樣點的Piper圖Fig.2 Piper diagram of the water samples

2.2Na-K-Mg三角圖

通過水樣點的Na-K-Mg圖（圖3）可知，除J4、J8、J9地熱水為部分平衡水外，其余35眼井的地熱水均屬于未成熟水，且均集中在Mg1/2角附近。這些水樣點的Mg2+含量高，水-巖相互作用的平衡溫度不高，地下熱水可能發(fā)生了與冷水的混合作用，原則上利用陽離子溫標估算未成熟水的平衡溫度不合理，適合用SiO2溫標來估算這些水樣點的熱儲溫度（于湲，2006；劉久榮等，2002）。J4、J8、J9地熱水屬于部分平衡水，也可能存在混合作用，可用SiO2溫標和陽離子溫標來估算熱儲溫度。

圖3　水樣點的Na-K-Mg三角圖Fig.3 Diagram of Na-K-Mg of the water samples

2.3飽和指數(shù)

飽和指數(shù)可以定量的計算深部熱儲某礦物與水的反應程度。礦物飽和指數(shù)等于0，礦物處于飽和狀態(tài)，該礦物決定的溫標結果準確；飽和指數(shù)大于0，礦物處于過飽和狀態(tài)，該礦物決定的溫標估算結果偏高；飽和指數(shù)小于0，礦物處于非飽和狀態(tài)，該礦物決定的溫標估算結果偏低。

據(jù)表1，L2、L5、O1、O3這4個水樣的玉髓飽和指數(shù)小于0，石英飽和指數(shù)小于0，選取SiO2溫標進行熱儲溫度估算均偏低，采用SiO2溫標和陽離子溫標進行估算。J3、J5、S2、O2這4個水樣的玉髓飽和指數(shù)小于0，石英飽和指數(shù)大于0，適合采用石英溫標進行熱儲溫度估算。其余30個水樣的玉髓飽和指數(shù)、石英飽和指數(shù)均大于0，適合采用SiO2溫標進行熱儲溫度估算。

3　熱儲溫度估算與分析

3.1熱儲溫度估算

熱儲溫度估算常用的地熱溫標包括SiO2溫標和陽離子溫標。

估算地熱水的熱儲溫度的SiO2溫標主要有：石英溫標1-無蒸汽分離或混合作用、石英溫標2-無蒸汽損失、石英溫標3-最大蒸汽損失、玉髓溫標1-無蒸汽損失和玉髓溫標2-最大蒸汽損失（Fournier et al.，1977）。陽離子溫標有Na-K溫標（Arnorsson，1983）、Na-K-Ca溫標（Fournier R O，1973）和K-Mg溫標（Giggenbach W F，1988）。

據(jù)Na-K-Mg三角圖和SiO2礦物飽和指數(shù)分析，對各水樣點的熱儲溫度進行估算，分為以下4種：①第1種水樣點：SiO2溫標和陽離子溫標估算都適用，見表2。②第2種水樣點：SiO2溫標估算適用，共31個水樣點，見表3。③第3種水樣點：石英溫標估算適用，見表4。

（以下陽離子溫標，濃度單位為mg/L）根據(jù)表2、表3和表4，各水樣點直接采用石英溫標估算，結果均高于實測溫度。直接采用玉髓溫標估算，結果偏低，近半水樣點的估算結果小于實測溫度，與實際不符。K-Mg溫標估算結果均小于實測溫度，與實際不符。在地熱溫標選取過程中還應考慮其他因素，例如礦物飽和指數(shù)、冷水的混合等（張衛(wèi)民，2001；王瑩等，2007），故本次地熱溫標估算給出的是熱儲溫度的可能范圍。

3.2熱儲溫度分布與斷裂的關系

利用各水樣點的熱儲溫度估算結果，選取熱儲溫度范圍的平均值進行分析，繪制圖4。本文選取水樣點均位于北京市平原區(qū)，各水樣點的地下熱源深度和溫度相差不大，熱儲層及下覆地層相近，可對熱儲溫度與斷裂關系進行分析。

表1　水樣點石英和玉髓礦物的飽和指數(shù)表Tab.1 Saturation indices of quartz and chalcedony of the water samples

水樣點熱儲溫度在東南城區(qū)地熱田出現(xiàn)最大值，熱儲溫度約為140℃。熱儲溫度高于100℃等值線區(qū)域呈現(xiàn)北西向為長軸方向的橢圓形，熱儲溫度高于80℃等值線區(qū)域范圍較廣，呈現(xiàn)北東向為長軸方向的橢圓形。

表2　第1種水樣點熱儲溫度估算結果（℃）Tab.2 Temperature range of geothermal reservoirs of the first type of water samples （℃）

表3　第2種水樣點熱儲溫度估算結果（℃）Tab.3 Temperature range of geothermal reservoirs of the second type of water samples （℃）

表4　第3種水樣點熱儲溫度估算結果（℃）Tab.4 Temperature range of geothermal reservoirs of the third type of water samples （℃）

圖4　熱儲溫度分布圖Fig.4　Distribution map of the temperature of geothermal reservoirs

熱儲溫度與斷裂構造的關系密切，導熱斷裂附近熱儲溫度高，其他斷裂對熱儲溫度影響較小。高于80℃等值線區(qū)域熱儲溫度等值線長軸方向，即北東方向與黃莊—高麗營斷裂、良鄉(xiāng)—前門斷裂、八寶山斷裂、順義斷裂的走向一致，這4條北東向的大斷裂為控熱斷裂，其斷裂下部與深部熱源接觸，為地下水提供熱源。高于100℃的熱儲溫度等值線區(qū)域長軸方向為北西向，與南口—孫河斷裂和小湯山斷裂的走向基本一致，這2條斷裂也屬于控熱斷裂。

根據(jù)熱儲溫度分布形態(tài)可確定北東向斷裂對于溫度的控制作用較強，北西向斷裂的控制作用相對較弱。且熱儲溫度高值區(qū)通常位于斷裂交匯處，斷裂交匯處導熱性良好。

南口—孫河斷裂北西側部分穿過的熱儲溫度等值線上呈現(xiàn)凸出形態(tài)，熱儲溫度較其他位置有明顯升高，與斷裂導熱性一致；小湯山斷裂穿過的熱儲溫度等值線上呈現(xiàn)凸出形態(tài)，熱儲溫度較其他位置有明顯升高，與該斷裂導熱性一致。

4　結論

水樣點取自位于東南城區(qū)地熱田、良鄉(xiāng)地熱田、京西北地熱田、雙橋地熱田和小湯山地熱田的地熱井，取水層位均為薊縣系霧迷山組，且均位于北京平原區(qū)地質單元，地熱井揭露的地熱水均屬于同一個含水系統(tǒng)。根據(jù)水化學類型分析，該含水系統(tǒng)地下熱水徑流方向為由西北、西南部向東部流動。

熱儲溫度與斷裂構造的關系密切，導熱斷裂附近熱儲溫度高，其他斷裂對熱儲溫度影響較小。熱儲溫度的空間分布形態(tài)呈現(xiàn)北東向為長軸方向的橢圓形，與黃莊—高麗營斷裂、良鄉(xiāng)—前門斷裂、八寶山斷裂、順義斷裂、南口—孫河斷裂和小湯山斷裂均屬于控熱斷裂有關，且北東向斷裂對于溫度的控制作用更大，熱儲溫度在斷裂交匯處出現(xiàn)高值區(qū)域，這些高值區(qū)域正是尋找地熱的有利地區(qū)。

利用搜集的水化學數(shù)據(jù)，本文僅對北京平原區(qū)大部分區(qū)域的徑流場和熱儲溫度進行了空間分布的定性分析。下一步應搜集更多地熱田水化學資料，進行更深入的分析研究。

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The Analysis between Temperature of Geothermal Reservoirs and Fractures in Beijing Plain

GUO Shuai， WANG Weiyi， WANG Zhi， MA Jingchen， JIANG Hui， WANG Zhuozhuo
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing 100048， China）

This paper collects hydrochemical data from 38 geothermal water samples， and these water samples are located in five geothermal fields in Beijing plain. The water samples are in Wumishan Group of the Jixian System，and the geothermal water all belong to the same aquifer system. Depending on the analysis of the water type， the runoff direction of the geothermal water is from northwest and southwest to the east. By diagram of Na-K-Mg and saturation indices， the suitable geothermometers are selected to calculate the temperature range of geothermal reservoirs of each water samples. The spatial distribution form of the temperatures of geothermal reservoirs is an oval with northeast long axis. As heat controlling faults， Huangzhuang-Gaoliying fault， Liangxiang-Qianmen fault，Babaoshan fault， Shunyi fault， Nankou-Sunhe fault and Xiaotangshan fault control the temperatures of geothermal reservoirs， and the northeast trending faults have mainly control in temperature. The temperature of geothermal reservoirs is higher in fracture intersection zones， and these high value areas are favorable areas for geothermal.

Geothermal water； Hydrochemistry； Temperature of geothermal reservoirs； Fault； Beijing

P314

A

1007-1903（2016）01-0042-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.009

郭帥（1989- ），女，碩士，主要從事地熱地質、水文地質研究；E-mail：guoshuai8974@126.com。