夏墊斷裂帶對(duì)地?zé)豳Y源分布的影響
——以通州西集地區(qū)為例

張進(jìn)平，袁利娟

（北京市地?zé)嵫芯吭?，北?102218）

0 前言

夏墊斷裂帶是首都東部地區(qū)一條北北東向的巖石圈尺度的區(qū)域性深斷裂帶，其形成和演化對(duì)于北京平原地區(qū)的構(gòu)造演化起著至關(guān)重要的作用(何付兵等，2013；衛(wèi)萬(wàn)順，2008)。該斷裂帶新生代斷距大(可達(dá)3～4km)、延伸較長(zhǎng)(可達(dá)70km)，切割深(巖石圈尺度)(江娃利等，2000；高景華等，2008)，是控制大廠凹陷形成和演化的盆地邊界斷層，構(gòu)成了大廠凹陷與大興隆起的分界線。因夏墊斷裂帶在歷史上發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)震活動(dòng)，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者借助地質(zhì)、微地貌、物探、化探、鉆探等不同方法，對(duì)夏墊斷裂帶的活動(dòng)性、空間構(gòu)造形態(tài)等特征進(jìn)行過(guò)探討(高戰(zhàn)武等，2010；江娃利等，2000；徐錫偉等，2008)。

但前人從未對(duì)夏墊斷裂如何影響華北平原礦產(chǎn)資源的形成、分布等特征這一課題進(jìn)行過(guò)探討。2015年10月，北京市地?zé)嵫芯吭涸谕ㄖ輩^(qū)西集鎮(zhèn)夏墊斷裂附近成功鉆鑿一眼出水溫度為92℃的地?zé)峋瑢?shí)現(xiàn)了北京市通州地區(qū)中溫地?zé)豳Y源勘探工作的突破（鄒登亮等，2015)。本文以北京市通州區(qū)西集鎮(zhèn)夏墊斷裂兩側(cè)鉆鑿成功的3眼地?zé)峋膶?shí)鉆編錄、記錄和測(cè)溫等資料，從斷裂對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)中儲(chǔ)蓋組合、賦水性和地溫這三個(gè)因素的影響來(lái)討論夏墊斷裂對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源分布特征的控制作用，為北京市乃至京津冀地區(qū)夏墊斷裂沿線地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)，為京津冀一體化發(fā)展規(guī)劃提供綠色能源保障。

1 工作區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

工作區(qū)位于北京市通州區(qū)西集鎮(zhèn)，總面積約192km2。工作區(qū)的大地構(gòu)造位置處于華北斷拗（Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元）內(nèi)的大廠新斷陷（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元）和大興迭隆起（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元）兩個(gè)構(gòu)造單元交匯處的中部，覓子店新凹陷（Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元）和牛堡屯-大孫各莊迭凹陷（Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元）兩個(gè)構(gòu)造單元交匯處的中部（圖1）（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1982）。區(qū)域內(nèi)地層層序有新到老發(fā)育有新生界第四系、新近系、古近系；古生界寒武系；中上元古界青白口系、薊縣系、長(zhǎng)城系和太古界（圖2）。

圖1 工作區(qū)大地構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map of the study area

夏墊斷裂是區(qū)內(nèi)的主要斷裂，橫穿工作區(qū)，呈北東-南西向展布，傾向南東，傾角大于70°。夏墊斷裂帶是是劃分大興迭隆起和大廠新斷陷的分界線，該斷裂帶由兩條產(chǎn)狀相近的正斷層和多條次級(jí)斷裂組成，形成于新生代，并在全新世有過(guò)多次活動(dòng)(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1982；徐錫偉等，2002；彭一民等，1981)。主干斷裂對(duì)斷裂帶附近地層影響大，地層沉積受斷裂帶控制明顯，自北西向南東逐級(jí)下沉。受夏墊斷裂帶的影響，斷裂上下兩盤(pán)基巖埋深變化大。斷裂下盤(pán)自東向西基巖埋深變淺；而斷裂上盤(pán)基巖埋深普遍大于1500m，且向南東方向埋深逐漸增加，在西集鎮(zhèn)中心南約4km的凹陷中心處，基巖埋深超過(guò)4000m（劉清曉等，2008)（圖2）。

1.2 區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

工作區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)工作較晚。2009年底北京市平原區(qū)已鉆鑿成功地?zé)峋?72眼，但西集鎮(zhèn)地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)工作剛剛開(kāi)展。到2011年4月和8月，西集鎮(zhèn)先后實(shí)施成功兩眼地?zé)峋?18和京通-2，兩眼井出水溫度在55℃左右，出水量分別為709 m3/d和1162 m3/d（表1）。2015年10月，北京市地?zé)嵫芯吭涸谶@一地區(qū)鉆鑿成功一眼地?zé)峋骷?1，出水量為3073 m3/d，出水溫度達(dá)92℃，達(dá)到中溫地?zé)豳Y源的要求，這口井也是首次在通州地區(qū)發(fā)現(xiàn)中溫地?zé)豳Y源。恰逢京津冀協(xié)同發(fā)展計(jì)劃和通州城市副中心定位的提出，西集-1井的鉆鑿成功一定程度上推動(dòng)了通州新城地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用工作。

圖2 工作區(qū)基巖構(gòu)造圖Fig.2 Bedrock structure of study area

2 夏墊斷裂對(duì)地?zé)豳Y源分布的影響

2.1 對(duì)儲(chǔ)-蓋層分布的控制作用

工作區(qū)內(nèi)主要蓋層為新生界松散沉積層。夏墊斷裂對(duì)工作區(qū)內(nèi)蓋層的控制體現(xiàn)在斷裂上下盤(pán)蓋層厚度的差異上。

夏墊斷裂是一條同沉積斷裂，它在活動(dòng)過(guò)程中上下兩盤(pán)同時(shí)接受沉積，從而造成了上下兩盤(pán)相同層位巖層厚度不同。因?yàn)橄膲|斷裂在新生代形成，并在這一時(shí)期同時(shí)沉積，使得斷裂下降盤(pán)（東部）相對(duì)上升盤(pán)（西部），其新生界古近系厚度明顯增大。位于夏墊斷裂上升盤(pán)京通-2其新生界厚度為575m，而位于斷裂附近的通熱-18，揭露斷裂附近下降盤(pán)的新生界厚度為1522m。而通熱-18東南部的西集-1，同樣揭露斷裂下降盤(pán)的新生界，其新生界厚度增至2817m。反映了夏墊斷裂控制下，地?zé)嵯到y(tǒng)蓋層厚度的增加。此外，通熱-18和西集-1新生界厚度相差近1300m，揭示了夏墊斷裂可能從兩者之間穿過(guò)，并形成了一千余米的斷距。

在斷裂活動(dòng)過(guò)程中，下盤(pán)基巖塊體上翹側(cè)（西部）不斷上升，導(dǎo)致京通-2井處的新生界古近系（Es）被剝蝕而基本缺失(表1)。而在新近系，這種不均一的斷陷作用顯著減弱，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期剝蝕的隆起與被充填的凹陷之間，高差減小，近于準(zhǔn)平原狀態(tài)，形成了新生界掩蓋下基巖結(jié)構(gòu)呈凹凸相間配置的構(gòu)造格局，遂造成了工作區(qū)內(nèi)夏墊斷裂控制下蓋層厚度，以及由此產(chǎn)生的儲(chǔ)層埋藏深度的差異上。

表1 工區(qū)內(nèi)及周邊已有地?zé)峋笆涂碧娇滓挥[表Tab.1 Existing geothermal wells and oil exploration hole surrounding work area

工作區(qū)內(nèi)主要熱儲(chǔ)層，為元古界薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)層。夏墊斷裂控制下熱儲(chǔ)層埋藏深度，呈現(xiàn)出區(qū)域內(nèi)自西向東增加的趨勢(shì)。位于工作區(qū)西部的京通-2，其薊縣系熱儲(chǔ)層埋藏深度為1086m。位于其東北部約7.3km的通熱-18，其熱儲(chǔ)層埋藏深度為2613m。而位于通熱-18東南約1.3km的西集-1，實(shí)際編錄顯示其熱儲(chǔ)埋藏深度為3180m。同樣位于斷裂下降盤(pán)的廠-3，實(shí)鉆資料顯示該處熱儲(chǔ)層埋藏深度大于3200m（表1）。

2.2 對(duì)儲(chǔ)層賦水性的影響

夏墊斷裂帶自北東向南西貫穿整個(gè)工作區(qū)，寬度約1500m，斷距超過(guò)1300m。切穿新生界新近系、古近系、古生界寒武系、元古界青白口系、薊縣系等地層，對(duì)工區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱水循環(huán)具有特殊意義。

夏墊斷裂是一個(gè)典型的張性斷裂，是應(yīng)力集中釋放造成的破裂形變。通常意義上，斷裂對(duì)儲(chǔ)層賦水性的影響體現(xiàn)在兩方面(汪集旸等，1993)。

首先，當(dāng)斷裂斷距較大且存在厚層隔水層時(shí)，原來(lái)聯(lián)通的含水層可被切斷變成相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致含水層與外界聯(lián)系減弱，甚至斷絕，不利于供水，也正是由于這種作用使得大的斷層往往成為含水系統(tǒng)的邊界(張人權(quán)等，1986)。工作區(qū)內(nèi)夏墊斷裂帶導(dǎo)致斷層上盤(pán)和下盤(pán)的斷距超過(guò)1300m，但工作區(qū)內(nèi)隔水層厚度?。ㄇ喟卓谙岛穸?13m），但夏墊斷裂這種邊沉積邊活動(dòng)的形態(tài)使得上盤(pán)和下盤(pán)的含水層尚未被完全錯(cuò)開(kāi)，夏墊斷裂有成為理想的貯水空間和導(dǎo)水通道的可能性。

第二，在元古界薊縣系白云巖和古生界灰?guī)r這些脆性巖層中，斷裂對(duì)地層的影響表現(xiàn)為斷裂中心部分多形成疏松多孔的角礫巖，兩側(cè)一定范圍內(nèi)則為張開(kāi)度及裂隙率都增大的裂隙增強(qiáng)帶，導(dǎo)水能力良好。工作區(qū)內(nèi)3眼井在鉆井過(guò)程中的漏失變化很好的揭示了這一特征。

距離夏墊斷裂約10km的京通-2井實(shí)鉆結(jié)果顯示（圖3），自575m處進(jìn)入古生界寒武系后，小漏失不間斷，漏失速度一般小于10 m3/8h，最大不超過(guò)20 m3/8h。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明這種漏失量可以認(rèn)為是寒武系灰?guī)r及薊縣系白云巖的巖溶裂隙較發(fā)育情況下導(dǎo)致的漏失量。夏墊斷裂對(duì)該處含水層的賦水性影響不明顯。

位于夏墊斷裂附近的通熱-18井實(shí)鉆結(jié)果顯示其鉆進(jìn)過(guò)程中多處發(fā)生強(qiáng)烈漏失現(xiàn)象（圖3）。1710～1853m，鉆進(jìn)時(shí)漏失 194m3；2857～2956m，漏失 400 m3；3020～3070m，漏失 120 m3；3099m 處在沖孔時(shí)，地層坍塌。揭示了斷層導(dǎo)致的裂隙增強(qiáng)帶導(dǎo)致的大空隙情況。

西集-1井同樣位于斷裂帶影響范圍內(nèi)，但西集-1地?zé)峋?～2817m段一直位于新生界泥質(zhì)較多的塑性巖層內(nèi)，斷裂對(duì)其兩側(cè)巖層的裂隙增強(qiáng)不明顯，故鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生明顯漏失現(xiàn)象。但在2817m處進(jìn)入寒武系灰?guī)r和薊縣系白云巖這些脆性巖層后，偶有漏失發(fā)生。且在3000m左右在替漿時(shí)，發(fā)生地層坍塌，揭示了此深度上地層破碎情況較嚴(yán)重（圖3）。

通過(guò)對(duì)這三口井的實(shí)鉆結(jié)果的分析研究，可揭示夏墊斷裂帶對(duì)工作區(qū)內(nèi)古生界寒武系和元古界薊縣系地層的影響。通熱-18井和西集-1井兩個(gè)鉆孔揭露薊縣系霧迷山組灰?guī)r深度處的夏墊斷裂時(shí)，巖溶裂隙發(fā)育，斷層形成的帶局部破碎、以及斷層導(dǎo)致的裂隙增強(qiáng)帶形成一個(gè)理想的貯水空間和導(dǎo)水通道，熱儲(chǔ)層的賦水性提高。

圖3 地?zé)峋┦闆r統(tǒng)計(jì)Fig.3 Drilling Dropout in Geothermal Wells

2.3 對(duì)地溫場(chǎng)的影響

本文收集了工作區(qū)內(nèi)3眼地?zé)峋ň┩?2、通熱-18和西集-1）的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，3三眼井的測(cè)溫段深度分別為 30～2800m，100～3200m、300～3400m，其中西集-1井2000～2400m未采集到測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集工作均為北京市地質(zhì)工程勘察院井下作業(yè)公司采用SKD3000B型車載測(cè)井儀完成測(cè)試。

京通-2井位于大興凸起內(nèi)，地溫曲線（圖4）主體呈線性，表現(xiàn)出傳導(dǎo)為主導(dǎo)的傳熱過(guò)程。地溫梯度為1.8℃/100m。通熱-18井位于大興凸起邊緣，鉆遇主干斷裂夏墊斷裂，地溫曲線（圖4）表現(xiàn)出傳導(dǎo)為主的傳熱過(guò)程，但在1700～1800m表現(xiàn)出一定的對(duì)流傳熱特征。1700m處，地溫呈現(xiàn)出一個(gè)陡增的特征，隨后地溫又隨深度增加呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)?？赡茉蚴窍膲|斷裂作為工作區(qū)內(nèi)的主要導(dǎo)熱通道，深部熱源沿夏墊斷裂迅速上升。但在1700～1800m處，巖溶發(fā)育（圖3），在對(duì)流的疊加下，地溫迅速降低。巖溶發(fā)育段以上，巖層孔隙度降低，地溫重新表現(xiàn)出熱傳導(dǎo)的特征。西集-1井同樣位于大興凸起邊緣，鉆遇主干斷裂夏墊斷裂，地溫曲線（圖4）同樣表現(xiàn)出傳導(dǎo)為主的傳熱過(guò)程。

西集-1井測(cè)溫曲線顯示其新生界底板處（深度為2817m）地溫為71.4℃。通熱-18井相同深度處（2817m）地溫為74.71℃。而京通-2井2800m地溫為64℃，明顯小于西集-1井與通熱-18井相同深度處的地溫。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因是深部循環(huán)的高溫地下水沿著夏墊斷裂上升（圖2），地溫分布受對(duì)流傳導(dǎo)控制，導(dǎo)致分布于斷裂處的西集-1井與通熱-18井低溫相對(duì)較高。2400m以深普遍存在西集-1井與通熱-18井的深部地溫比相同深度處京通-2井的深部地溫高近10℃的這種情況，揭示了高溫的深部地?zé)崴刂膲|斷裂上升導(dǎo)致的局部溫度升高（圖4）。

西集-1和通熱-18在淺部（1700m以淺）與京通-2的地溫差異較小，可能原因是夏墊斷裂在新生界地層中的孔隙增大程度較弱，深部地下水的上升受阻，西集-1和通熱-18兩眼井中地溫變化以熱傳導(dǎo)為主，與京通-2井中地溫分布的控制因素相同，所以3眼井的地溫差異較小。而深部通熱-18井和西集-1井的地溫比京通-2相同深度處地溫顯著偏高，這個(gè)變化可能是由于夏墊斷裂切割深部基巖，形成了導(dǎo)熱通道，使得在斷裂附近的通熱-18和西集-1地溫要顯著高于相同深度處，遠(yuǎn)離斷裂的京通-2。

圖4 工作區(qū)內(nèi)地?zé)峋疁囟?深度圖Fig.4 Depth profiles of temperature in geothermal wells

3 結(jié)論

夏墊斷裂是區(qū)內(nèi)主要的斷裂構(gòu)造，主要從對(duì)區(qū)域內(nèi)熱儲(chǔ)-蓋層組合、儲(chǔ)層賦水性和地溫場(chǎng)3方面來(lái)控制工作區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的分布。斷裂帶兩側(cè)地層錯(cuò)動(dòng)大，斷裂控制下斷裂兩側(cè)蓋層厚度的差異，以及由此形成的熱儲(chǔ)層埋藏深度差異大。斷裂帶影響范圍內(nèi)，巖石破碎，是區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)水、導(dǎo)熱通道。