淺析北京市延慶區(qū)西北部地?zé)岬刭|(zhì)特征

張進(jìn)平

摘要：為解析延慶區(qū)西北部地區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)特征，本文通過對研究區(qū)內(nèi)的地?zé)崃黧w通道、熱儲(chǔ)層和蓋層條件的總結(jié)分析，并綜合地溫場分布特征和地?zé)崃黧w化學(xué)特征，淺析了研究區(qū)內(nèi)的地?zé)豳Y源形成條件。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的NEE向與Ns向斷裂為主干斷裂，在其交互處，形成主要的熱水通道，發(fā)育了以薊縣系霧迷山組為代表的層狀熱儲(chǔ)，地?zé)崃黧w主要來源于1.5-4.6萬年前的大氣降水補(bǔ)給，與淺層地下水幾乎無水力聯(lián)系。延慶盆地內(nèi)的地?zé)豳Y源主要受以熱傳導(dǎo)為主的傳熱過程控制，熱儲(chǔ)層和蓋層巖石熱導(dǎo)率的差異，使得平面上的溫度差異顯示出受控?cái)嗔褬?gòu)造控制的趨勢。

關(guān)鍵詞：地?zé)岬刭|(zhì);熱儲(chǔ)層;地溫場;地?zé)崃黧w

中圖分類號(hào)：P314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：007-1903（2019）01-0026-08

0引言

近年來，隨著國家對環(huán)境保護(hù)重視力度的不斷加大，國家及地方政府出臺(tái)了一系列政策和措施，促進(jìn)以地?zé)崮転榇淼那鍧嵞茉丛诔鞘幸?guī)劃和建設(shè)中的應(yīng)用。與化石能源相比，地?zé)崮芫哂星鍧嵖稍偕缘牟豢杀葦M優(yōu)勢，同時(shí)具有地區(qū)專屬特性，而在北京地區(qū)開展地?zé)崮艿馁Y源勘查和開發(fā)利用都具有重要的意義。延慶盆地內(nèi)的延慶地?zé)崽锸潜本┮褎澏ǖ?0大熱田之一，熱田面積為121.88 km2（北京市國土資源局，2006），賦存較豐富的地?zé)豳Y源，但延慶區(qū)西北部仍處于地?zé)豳Y源勘查開發(fā)的相對空白階段，研究區(qū)內(nèi)僅有6眼地?zé)峋?處溫泉（北京市地?zé)嵫芯吭海?018）。對延慶區(qū)西北部地區(qū)開展地?zé)岬刭|(zhì)條件分析有助于增強(qiáng)延慶地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用潛力，隨著國家以及北京市不斷加大對延慶區(qū)進(jìn)行清潔可再生能源的投入和政策鼓勵(lì)，尤其是即將在延慶地區(qū)舉行的2019中國北京世界園藝博覽會(huì)和2022年舉行的冬奧會(huì)，在這種向世界展示中國的舞臺(tái)中應(yīng)用以地?zé)崮転榇淼那鍧嵞茉?，能夠有力地減少對化石能源的依賴和需求，顯示出中國對大氣環(huán)境重視的積極信號(hào)，有利于改善該地區(qū)的生活環(huán)境，進(jìn)一步利于人民的健康發(fā)展。

為了厘清延慶區(qū)西北部的地?zé)岬刭|(zhì)特征，本文通過對研究區(qū)內(nèi)的地?zé)崃黧w通道、蓋層和儲(chǔ)層進(jìn)行表征，并綜合該地區(qū)的地溫場特征和地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征，詳細(xì)探究了延慶區(qū)西北部的地?zé)岬刭|(zhì)特征，為今后該地區(qū)的地?zé)豳Y源勘查和開發(fā)利用奠定了理論基礎(chǔ)。

1研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1大地構(gòu)造背景

研究區(qū)位于延慶區(qū)西北部，隸屬于兩個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，即延慶新迭斷陷和大海坨中穹斷（圖1）。延慶新迭斷陷受多期次的構(gòu)造活動(dòng)疊加，盆地南側(cè)和北側(cè)均受北東向正斷層控制，盆地形成“槽狀”地塹，由于受北東向斷裂的限阻及南北向斷裂的截切，盆地基底被斷切成規(guī)模小的、起伏達(dá)數(shù)百上千平方米的、凸凹窗棱格子狀的四邊形構(gòu)造斷塊;大海坨中穹斷主要為大海坨山花崗巖體出露范圍，成巖基狀，面積約為400km2，是燕山晚期中酸性侵入巖體，呈北北東向紡錘狀侵入體（北京市區(qū)域地質(zhì)志，1991）。

1.2斷裂展布特征

延慶盆地內(nèi)斷裂發(fā)育，主要發(fā)育了北東向斷裂和近南北向兩組斷裂，僅發(fā)育一條近東西向斷裂（圖2），多條斷裂相互穿插切割，控制了延慶盆地內(nèi)部凹凸相間的的格子狀構(gòu)造格局的展布（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，2016）。

（1）北東向斷裂

佛峪口一黃柏寺斷裂（F1）：展布在峪水-佛峪口-玉皇廟-黃柏寺-帶，該斷裂構(gòu)成延慶盆地的北部邊界，走向北東東，傾向南東，傾角70°左右，北盤山地強(qiáng)烈上升，南盤（即延慶盆地）強(qiáng)烈下沉，為高角度正斷裂。

康莊-沈家營斷裂（F2）：展布在康莊-沈家營-帶，控制著延慶盆地南部邊緣。該斷裂為區(qū)域性隱伏斷裂，走向北東，傾向北西，為正斷層。斷裂西北側(cè)是延慶盆地的沉積中心，在新生代曾有過強(qiáng)烈的沉陷，尤以第四紀(jì)明顯。

（2）近南北向斷裂

黑龍廟斷裂（F3）：展布在黑龍廟一張山營一線，走向近南北，傾向東，為高角度正斷裂。

張山營斷裂（F4）：展布在小河屯一馬莊一線，在山區(qū)出露長約12km，向南延伸沒入第四系，走向北東，傾向北西，傾角約為50°-75°，為高角度逆斷層。

路家河斷裂（F5）：展布在玉皇廟一西桑園一帶，走向近南北，傾向東，傾角45°-70°，為高角度逆斷裂。

靳家堡斷裂（F6）在小魯莊至蘇家河?xùn)|側(cè)區(qū)域出露，是一條規(guī)模較大的斷裂，向南沒入第四系覆蓋層之下，總體走向近南北，斷層傾向東，傾角較陡，45°-70°。上盤為髫髻山組地層，下盤主要為薊縣系霧迷山組，為逆斷層。

古城一蘇莊斷裂（F7）：在古城北側(cè)山區(qū)有出露，是一條規(guī)模較大的斷裂，向南沒入第四系覆蓋層之下，總體走向近南北，斷裂破碎帶寬20m左右，斷層傾向西，傾角較陡，西側(cè)為薊縣系霧迷山組，東側(cè)為中侏羅系髫髻山組，為高角度逆斷層。

胡家營一塘子廟斷裂（F11）：展布在山區(qū)水峪一塘子廟一帶，存在于花崗巖巖體內(nèi)，向西南延伸至山口后即隱伏于山前第四系之下。

（3）近西東向斷裂

五里營斷裂（F8）：展布在五里營一黑龍廟一線，是一條隱伏斷裂，走向近西東，為推測斷裂。

2地?zé)岬刭|(zhì)特征

2.1地?zé)崃黧w通道

多數(shù)情況下，地?zé)嵯到y(tǒng)中的導(dǎo)熱通道一般為斷裂構(gòu)造，斷裂切割多套地層，導(dǎo)通熱源，為熱對流提供了通道，這種構(gòu)造一般稱為“導(dǎo)熱構(gòu)造”主要有兩種類型：一類是單一斷裂帶另一類是不止一個(gè)斷裂系統(tǒng)的交匯復(fù)合。構(gòu)造的發(fā)育也可以使地層破碎更有利于地?zé)豳Y源的儲(chǔ)存和運(yùn)移，尤其是平原區(qū)基巖中的地下熱水的分布明顯受斷裂構(gòu)造的控制（呂金波等，2001;周訓(xùn)等，2006;柯柏林，2009a;柯柏林，2009b）。

延慶盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，有多條南北向的壓性斷裂和多條北東向的張性大斷裂穿過本區(qū)（圖2）。尤其是北東向的佛峪口一黃柏寺斷裂為盆地北側(cè)與山體的交界斷層線，是一條燕山期形成的規(guī)模較大、走向多變的張性大斷裂，該斷裂在本區(qū)走向北東轉(zhuǎn)至北東東，傾向南東，傾角大、切割深，斷距大，為地殼深部熱能向上運(yùn)移提供了較好的通道。康莊一沈家營斷裂為延慶盆地的南緣斷裂，其西側(cè)發(fā)育北東走向的原西桑園一谷家營斷裂，延慶城區(qū)內(nèi)已成功利用的地?zé)峋C實(shí)了該條斷裂東北段的存在，這些北東走向的斷裂共同指控了延慶盆構(gòu)架。近南北向的黑龍廟斷裂、張山營斷裂、路家河斷裂、靳家堡斷裂和古城一蘇莊斷裂，在一定深度上與上述兩條北東向的大斷裂交匯，且斷裂均有一定的活動(dòng)性，與北東向斷裂形成良好的縱橫交錯(cuò)熱通道網(wǎng)絡(luò)，有利于深部熱流的向上傳導(dǎo)，因此形成了該區(qū)最主要的導(dǎo)熱通道。

山區(qū)及山前平原區(qū)雖然整體為大范圍花崗巖侵入體，但山區(qū)發(fā)育有塘子廟一胡家營斷裂等多條斷裂帶，形成天然導(dǎo)熱通道，北京最早發(fā)現(xiàn)的位于松山林場的塘子廟溫泉就是通過該導(dǎo)熱通道形成的。位于山前地帶的胡農(nóng)-1地?zé)峋途┭?3地?zé)峋硷@示了較高品質(zhì)的地?zé)豳Y源，兩者皆未鉆遇薊縣系霧迷山組，前者終孔于第四系，后者終孔于花崗巖中，推測該斷裂在山前延伸，從而可以成為上述兩眼地?zé)峋膬?yōu)良導(dǎo)熱通道。因此，該斷裂亦可作為研究區(qū)內(nèi)山區(qū)及山前地帶的重要導(dǎo)熱通道。

2.2蓋層特征

研究區(qū)內(nèi)主要的熱儲(chǔ)蓋層為第四系、白堊系、侏羅系，蓋層巖性致密，其地?zé)嵩鰷芈室话愣几哂跓醿?chǔ)層的增溫率，具有較好的隔水隔熱性能。

第四系在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，且厚度較大，已有鉆井揭示第四系厚度多大于500m，最厚可達(dá)1000m（表1）。由于第四系的底部富含有粘土及細(xì)砂成分，在漫長的地質(zhì)演化過程中，巖性變得相對較為致密，形成了該區(qū)較為重要的熱儲(chǔ)蓋層，實(shí)鉆成果顯示，該區(qū)第四系地?zé)嵩鰷芈首罡呖蛇_(dá)5.7°C/100m，平均為3.8°C/100m（表2）。

白堊一侏羅系在該區(qū)分布也相對較廣，構(gòu)成了第四系的基底地層，巖性以中酸性火山巖為主，由于富含有凝灰質(zhì)成份，且厚度較大（表1），保溫作用較好，在研究區(qū)內(nèi)的大部分地區(qū)也可以作為較好的熱儲(chǔ)蓋層。實(shí)鉆記錄顯示該系在本區(qū)的平均地?zé)嵩鰷芈士蛇_(dá)3.1°C/100m，平均為2.0°C/100m（表2）。

2.3熱儲(chǔ)類型及分布特征

北京平原區(qū)熱儲(chǔ)層以碳酸鹽巖地層為主，包括奧陶一寒武系灰?guī)r、薊縣系（鐵嶺組和霧迷山組）白云巖和長城系高于莊組白云巖（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，北京市地?zé)嵫芯吭海?010）。研究區(qū)內(nèi)已探明的碳酸鹽巖地層為薊縣系霧迷山組，巖性主要為白云巖，同時(shí)盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖溶、裂隙發(fā)育，有利于熱水賦存，可視為研究區(qū)內(nèi)的主要熱儲(chǔ)層。

全區(qū)除西北部山前地帶外，薊縣霧迷山組在研究區(qū)內(nèi)普遍存在。研究區(qū)西北部的山前地帶，京延13井和前人研究的地球物理勘查成果（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，2016）均揭示該地區(qū)花崗巖直接伏于第四系之下，巖漿巖的侵入可能會(huì)導(dǎo)致一定深度內(nèi)薊縣系霧迷山組缺失。

區(qū)域上霧迷山組白云巖與上覆侏羅白堊系不整合接觸，儲(chǔ)層頂板埋藏深度最淺為511m（慶-2），最大埋深大于2340m（新延灌-1），最大視厚度超過1700m（延熱灌5）（表1）。儲(chǔ)層內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，單井出水能力較強(qiáng)。尤其是研究區(qū)內(nèi)2018年新鉆鑿成功的京延11井，其開采目的層為薊縣系霧迷山組地層，地?zé)峋阢@鑿過程中泥漿漏失段較多（表3），顯示出熱儲(chǔ)層的富水性優(yōu)良，地?zé)峋鏊靠蛇_(dá)5009.64m3/d，出水溫度可達(dá)80°C，結(jié)果表明研究區(qū)作為內(nèi)層狀熱儲(chǔ)層的薊縣系霧迷山組具有良好的地?zé)豳Y源潛力。

3地溫場特征

本次研究系統(tǒng)整理分析了延慶盆地內(nèi)已有的16眼地?zé)峋臏y溫資料（圖3），結(jié)果表明，在垂向上延慶盆地內(nèi)大部分地?zé)峋傻乇碇两K孔深度地層溫度逐漸增加，顯示出以傳導(dǎo)為主的傳熱過程。研究區(qū)內(nèi)的第四系、白堊系與侏羅系蓋層的地溫梯度明顯大于薊縣系霧迷山組儲(chǔ)層（表2），說明這一地區(qū)從地溫場特征來講具有良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件，同時(shí)白堊系和侏羅系增溫率很高，一般會(huì)超過正常地溫梯度，進(jìn)入儲(chǔ)層后梯度迅速降低，說明儲(chǔ)層熱水對流強(qiáng)烈。

研究區(qū)內(nèi)1000m深度、1500m深度和2000m深度的溫度等值線圖（圖4，圖5和圖6）則表明，不同深度的地溫等值線在平面上呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，1000m、1500m和2000m深度上地溫分別分布在39°C～59°C、43°C-68°C、53°C-72°C范圍內(nèi)。在研究區(qū)的東南部，以京延-1井、京延-4井、京延-5井、格蘭山2、格蘭山3和延熱8為中心的相對低溫中心，1000m、1500m到20（～n深度上的低溫電心向F6、F8交匯處形成的薊縣系頂板埋藏深度凹陷處逐漸轉(zhuǎn)移，最終與凹陷中心位置吻合。

4地下熱水的同位素特征

4.1穩(wěn)定同位素特征

位于研究區(qū)內(nèi)的京延11井、京延12井和京延13井以及塘子廟溫泉的地?zé)崴€(wěn)定同位素組成相似，均顯示出貧重同位素的特征，3眼地?zé)峋皽厝摩?8O分布在-11.95%。-11.75‰范圍內(nèi)，δ2H分布在88.12%o--86.34%0范圍內(nèi)（圖7）。

研究區(qū)內(nèi)淺層地下水（包括第四系地下水和150m以淺的基巖水）的同位素組成與溪水的同位素組成類似，8 M0分布在-10.7‰-9.6‰范圍內(nèi)，δ2H分布在-75.44‰-70.00‰范圍內(nèi)，與地?zé)崴蜏厝耐凰亟M成相比，富集重同位素（圖7）。

4.2氚和14C測齡分析

利用地?zé)崃黧w的氚和14C測齡分析可以進(jìn)行地?zé)崴倪w移規(guī)律研究（Wang et al，2001;顧慰祖等，2002），對研究區(qū)內(nèi)的地下水開展了氚和14C測齡分析。測試結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴蜏厝?H含量均低于檢測限（表4），而第四系淺層地下水中氚含量分布在2.2-11.7TU范圍內(nèi)，表明兩者之間幾乎不存在水力聯(lián)系。

研究區(qū)內(nèi)3眼地?zé)峋械責(zé)崴?4C含量分布在0.3-14.8pMC范圍內(nèi)，地下水視年齡大于1.5萬年，其中井深為2600.58m，開采層為薊縣系熱儲(chǔ)層的京延11井地?zé)崴暷挲g約4.6萬年，與平原區(qū)地?zé)崽飪?nèi)霧迷山組內(nèi)地?zé)崴?4C含量相近。塘子廟溫泉14C含量為7.4pMC，視年齡約2萬年（表5）。

5討論

5.1地溫場分布

研究區(qū)內(nèi)的地溫場特征表明，區(qū)內(nèi)的地?zé)豳Y源潛力巨大，但在1000m、1500m和2000m埋深的溫度場的遷移變化，可能主要是由于構(gòu)造控?zé)釋?dǎo)致的熱流重新分布而導(dǎo)致，相同深度上凹陷區(qū)地溫偏低。而東五里營凸起地溫并沒有明顯表現(xiàn)出構(gòu)造導(dǎo)致熱流重新分配的高地溫，可能原因是這一區(qū)域蓋層厚底小，保溫條件較差，熱流重新分配的高地溫效應(yīng)部明顯。不同深度上京延11和延熱2、延熱灌2形成了兩個(gè)高溫中心，分別位于F5、F6與F8的交匯處，可能原因是這三條斷裂是研究區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)熱通道。

5.2地?zé)崴畞碓?/p>

研究區(qū)內(nèi)淺層水的同位素組成與溪水的同位素組成類似，但與地?zé)崴蜏厝耐凰亟M成相比，富集重同位素，說明了兩者的來源存在差異。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)的地?zé)崴蜏\層地下水的氚測試分析結(jié)果表明，地?zé)崴蜏厝械?H含量低于檢測限，說明地?zé)崴赡苤饕獊碓从?954年以前補(bǔ)給的地下水;而研究區(qū)內(nèi)的第四系淺層地下水中氚含量分布在2.2～11.7TU范圍內(nèi)，暗示了第四系淺部含水層中地下水來自于1954年至今補(bǔ)給的地下水，特別是Y-7樣品中氚含量為11.7TU，與通州區(qū)內(nèi)現(xiàn)今背景自然界中的宇宙射線產(chǎn)生的平均3H含量接近（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，2016），表明該處地下水與大氣降水聯(lián)系緊密。研究區(qū)內(nèi)溪水中氚含量為4.6TU，驗(yàn)證了溪水來源于大氣降水和地下水的混合補(bǔ)給。地?zé)崴须昂繙y試結(jié)果表明：地?zé)崴c第四系淺部含水層幾乎無水力聯(lián)系。

研究區(qū)內(nèi)溪水中14C含量為90.7pMC，但同時(shí)3H含量為4.6TU，低氚含量揭示了溪水來源于地下水與大氣降水的混合補(bǔ)給，而較高的14C含量代表著C02的開放系統(tǒng)。其余各淺部含水層中地下水14C含量分布在33.6～78.3pMC間，代表著不同程度的CO2封閉系統(tǒng)。其中14C含量最高的Y-7，其3H含量也為淺層地下水系統(tǒng)中3H含量最高值（1 1.7TU），兩者吻合程度較好。地?zé)崴?4C含量測試結(jié)果表明薊縣系熱儲(chǔ)層中地?zé)崴c平原區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)層中地?zé)崴挲g相仿，研究區(qū)內(nèi)花崗巖熱儲(chǔ)層內(nèi)地?zé)崴挲g最輕，可能通過斷裂運(yùn)移至淺部含水層。

6結(jié)論

通過對研究區(qū)內(nèi)已有成果資料的綜合分析，并結(jié)合地溫場分布特征和熱流體化學(xué)特征，深入探討了研究區(qū)內(nèi)的地?zé)岬刭|(zhì)特征，主要取得以下結(jié)論。

（1）研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)構(gòu)造發(fā)育，NEE向與NS向斷裂是本區(qū)主要斷裂系統(tǒng)，在其主干的交匯部位，形成熱水通道。

（2）研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層主要為薊縣系霧迷山組，全區(qū)除西北部山前地帶花崗巖侵入導(dǎo)致一定深度內(nèi)薊縣系霧迷山組缺失外，薊縣霧迷山組地層在研究區(qū)內(nèi)普遍存在，儲(chǔ)層內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，尤其是以京延11地?zé)峋疄榇恚瑔尉鏊芰_(dá)5009m3/d，出水溫度可達(dá)80°C，是延慶地區(qū)已知的出水量最大，水溫最高的地?zé)峋@示出該套熱儲(chǔ)層的優(yōu)良地?zé)豳Y源潛力。

（3）延慶盆地內(nèi)地?zé)嵋詡鲗?dǎo)為主導(dǎo)的傳熱過程，而熱儲(chǔ)層和蓋層巖石熱導(dǎo)率的差異使得平面上溫度差異呈現(xiàn)出構(gòu)造控制的趨勢。斷裂交匯處多成為高溫中心，顯示出了斷裂對地?zé)豳Y源展布的控制作用。

（4）研究區(qū)內(nèi)薊縣系熱儲(chǔ)層中的地下水與第四系含水層及淺部基巖含水層中地下水幾乎不存在水力聯(lián)系，地?zé)崴赡芨嗟厥莵碓从?.5-4.6萬年前的大氣降水補(bǔ)給。