西集地區層狀與帶狀熱儲并存的地熱資源特征

石涵靜，郭 威，高 劍

（1.吉林大學建設工程學院，長春 130012；2.北京市地質工程公司，北京 100143；3.北京市地熱研究院，北京 100143）

西集地區層狀與帶狀熱儲并存的地熱資源特征

石涵靜1,2，郭 威1，高 劍3

（1.吉林大學建設工程學院，長春 130012；2.北京市地質工程公司，北京 100143；3.北京市地熱研究院，北京 100143）

為了研究層狀熱儲和帶狀熱儲及兩者并存的熱儲類型地熱資源賦存特征，以北京通州西集地區為例，闡述了影響兩種熱儲類型存在的熱源、構造條件和儲蓋層分布等因素。結合地熱勘探孔及區域地溫場分布特征，分析了區內沿夏墊斷裂帶展布范圍內層狀熱儲與帶狀熱儲并存的地熱資源條件，認為夏墊斷裂兩側的兩個不同構造單元內的地熱資源賦存均為以側向徑流補給和深部大地熱流供熱的層狀熱儲為主，夏墊斷裂帶是區內帶狀熱儲的結論，提出以此斷裂及其影響帶內作為進一步勘查開發中溫地熱資源的重點地區的思路和建議。

西集；夏墊斷裂；層狀熱儲；帶狀熱儲；中溫地熱

0 前言

地熱資源是地球熱能在地殼淺部的賦存（田延山等，2006），其賦存受幾大因素制約，熱源、儲層、蓋層和導水通道，其中最主要因素即為熱儲層，簡稱熱儲，就是能夠富集和儲存地熱能并使載熱流體作對流運動的地下場所，而地熱流體的運動和形成是受一定的地熱地質、水文地質條件控制的，受不同的地質時代、地層巖性及地質構造的影響，儲層類型也不同，按熱儲的空間展布規律和水熱傳輸方式分為層狀熱儲及帶狀熱儲, 沉積盆地傳導型地熱儲為層狀熱儲，受地質構造控制, 隆起山地斷裂對流型地熱儲一般為帶狀熱儲，其受構造條件控制，它們都具有不同的資源潛力。北京平原地區主要的熱儲類型為以沉積盆地型為主的層狀熱儲，局部地區為受大型斷裂構造控制的帶狀熱儲，以及兩者并存型。

北京西集地區地熱地質條件較好，且有劃分三級構造單元的深大斷裂——夏墊斷裂帶從區內通過，是地熱資源形成的主要導熱導水通道，但因其斷距大，控制著區域地層分布，使得區內地熱地質條件異常復雜，本文在收集已有勘查成果資料的基礎上，分析了夏墊斷裂控制下西集地區的地熱資源分布特征，認為本區存在層狀熱儲與帶狀熱儲并存的地熱資源，成功勘探的一口地熱井，出水溫度高達92 ℃，出水量3072 m3/d，獲得了北京地區非常難得的中溫地熱資源，揭示了本區良好的帶狀地熱資源，查明本區地熱資源特征及地熱地質條件將為今后集中開發利用奠定基礎。

1 區域地質背景

1.1 區域地質構造

該區大地構造位置處于華北斷拗內的大廠新斷陷和大興迭隆起兩個構造單元交匯處，按北京地質志構造單元的劃分，具體位于兩個四級構造單元覓子店新凹陷和牛堡屯—大孫各莊迭凹陷的交匯中部（北京市區域地質志，1991）。

西集地區發育的斷裂主要包括夏墊斷裂帶、西集斷裂和張家灣斷裂等多條斷裂，其中夏墊斷裂帶對區內地層分布及熱儲分布影響最大。夏墊斷裂（又稱夏墊—馬坊斷裂），呈北東—南西向展布，北起北京平谷北部基巖山區的王辛莊，向南經河北大廠夏墊鎮、北京通州區西集鎮、永樂店鎮至大興區鳳河營西側通過，南北長約120 km，是一條規模很大的NNE向傾角上陡下緩的犁狀正斷層。區域重力、航磁等資料均有明顯反應。

通過近期系列資料綜合分析判斷，夏墊斷裂展布在通州西集、永樂店一帶，傾角大于70°，斷距大于1500 m，斷裂上盤古近系埋藏深度大，為南東盤下降的正斷層，是控制區域地層分布的斷裂。斷裂帶兩側地層錯動大，地層受斷裂影響，巖石破碎，是主要的導水、導熱通道。

1.2 地層

受夏墊斷裂及其活動性影響，斷裂兩側地層的埋深、沉積厚度和接觸關系差異較大。斷裂北西盤即大興隆起一側，地層由新到老發育第四系、新近系、寒武系、青白口系和薊縣系，其中薊縣系以霧迷山組為主。斷裂南東盤即大廠新斷陷一側，地層由新到老發育第四系、新近系、古近系、寒武系、青白口系和薊縣系，基巖頂板埋深自夏墊斷裂帶至東南方向呈加深趨勢，斷陷中心部位最深可達4000 m，向東南延伸又顯示逐漸抬升趨勢（圖1）。

圖1 西集地區基巖頂板埋深等值線圖Fig.1 Contour map of bedrock roof depth in Xiji area

1.3 地熱異常背景

我們通常將地溫梯度大于2.5℃/100m的地帶稱為地熱異常帶，北京地熱資源的分布在地質構造格局的控制下按地溫梯度異常總體可劃分為4個地熱異常帶，從北至南分別為：延慶地熱異常帶、溫泉沙河小湯山地熱異常帶、良鄉城區順義地熱異常帶以及西集采育鳳河營地熱異常帶，以此為基礎，北京市國土資源局發布的《北京市地熱資源（2006年—2020年）可持續利用規劃》將北京市的地熱資源分布具體劃分了10個地熱田。西集則位于四個地熱異常帶中最南部的“西采鳳”地熱帶，屬于鳳河營熱田外圍潛力區（圖2）。

圖2 北京市地熱資源潛力區及地熱鉆孔分布示意圖Fig.2 Sketch map of geothermal resource potential area and geothermal borehole distribution in Beijing

2 地熱資源分布特征

2.1 構造格局的形成與熱儲類型的關系

研究區處于華北平原北部，一個大型的斷陷盆地內，基底形成于阜平運動前期，以太古界變質巖為主，在元古代末期的呂梁運動時期完成了基底固結（陳墨香等，1988），之后經過多次旋回和構造運動，上部覆蓋了從中元古界至新生界的沉積蓋層，蓋層厚度從幾公里至幾十公里不等，在工區附近蓋層最厚處可達4 km，其地熱儲系統的特點大多符合以“側向徑流補給，大地熱流供熱”為主的沉積盆地傳導型層狀熱儲。局部受深大斷裂控制較明顯的地區則以帶狀熱儲為主。

2.2 地熱地質條件與地熱資源賦存關系

中生代以來區內構造活動頻繁，形成了一系列受斷裂控制的凹陷、隆起和褶皺區，斷裂多以東西向、北東向、北北東向為主，形成了區內基底構造格局和巖漿活動。本區內的夏墊斷裂即為一條控制區域構造的深大斷裂，斷裂兩側兩個構造單元內的地層分布有明顯差異，根據現有地質、物探資料和已有地熱勘探井資料的綜合研究，對區內地熱地質條件分析如下。

（1）熱源

對于熱源，我們常說地球本身是一個大熱庫，地殼及表層的地熱能來自于上地幔巖漿傳導熱、地殼深部放射性物質的蛻變熱、地震的釋放熱、斷裂活動的摩擦熱等。區域地溫場與深部地質構造格局有著密切關系，自中生代以來，經歷了一系列應力作用下的斷塊升降運動，特別是褶皺隨地殼的拉張減薄，處于較深部位溫度很高的上地慢高高隆起，而差異斷塊運動所產生的眾多深大斷裂，又誘導大量高溫地幔物質沿深大斷裂上涌侵入地殼，甚至溢出地表，這是造成華北盆地地殼及上地幔歷史上高溫熱狀態的基本原因（常恩祥等，1989）。據資料統計，華北平原北部淺層地溫場同深度的溫度梯度偏高，中低溫熱水資源豐富，主要與具有較高熱狀態的深部構造背景有關。

（2）層狀熱儲

根據區域地質及已有鉆孔資料分析，夏墊斷裂帶導致兩側的地層分布差異較大，相應的地熱資源儲蓋層組合差異也很大。新近系、古近系沉積厚度極為懸殊，斷裂北西盤地層分布有第四系，古近系底板埋深約700 m左右，古近系之下分別有寒武系、青白口系和薊縣系；斷裂南東盤地層下沉，古近系厚度大，古近系底板埋深超過2500 m，最深達4000 m，古近系之下鉆孔能夠揭示的地層為寒武系，按正常沉積層序考慮下部有青白口系、薊縣系等。夏墊斷裂兩側由于地層的差異，熱儲層的分布也不同，斷裂西側可以選擇3套儲層：寒武系、薊縣系鐵嶺組和薊縣系霧迷山組；斷裂東側，由于古近系埋藏較深，以目前鉆探可及深度內的主要熱儲層選擇為寒武系（圖3）。

西北盤分布的層狀熱儲主要為寒武系和薊縣系的霧迷山組，但寒武系由于埋藏深度淺，地溫較低，開發價值不大。東南盤層狀主要為寒武系和霧迷山組，但寒武系厚度較薄，儲存的地熱水量有限；霧迷山組因其埋藏深度超過4000m，開發難度大，成本高。

圖3 西集地區地質剖面圖Fig.3 Geological prof i le of the Xiji area

（3）帶狀熱儲

帶狀熱儲的控制因素主要為地質構造，一般呈條帶狀分布。北京地區經鉆孔驗證的典型帶狀熱儲賦存區域有京西北隆起區，小湯山熱田的外圍邊界，在兩條活動性較強的南口—孫河斷裂與黃莊—高麗營斷裂交匯處尤為顯著，次級斷裂也很發育，規模大，具有壓剪性特征，并伴有劇烈的火山運動及巖漿侵入，這種構造條件下，大氣降水通過斷層或斷裂破碎帶向下滲透后進入深循環，與深部熱流形成對流地熱系統。

西集地區主要構造為夏墊斷裂，屬張性斷裂，由多條斷裂組成的斷裂帶，且次級構造發育，區內斷裂帶寬約3 km左右，夏墊斷裂錯段了新生界新近系和古近系，斷至上地幔，將地幔巖漿熱傳到地表淺層，形成以斷裂帶為中心的地溫異常帶。

夏墊斷裂帶具有長期持續運動特點，斷裂帶及影響帶內的基巖地層破碎很嚴重，產生了大量的儲水空間，成為地下熱水的富集區和主要運移通道，形成很好的帶狀熱儲。儲存的地熱流估量大，地熱資源溫度高是其主要特征。

3 區域地溫場特征

3.1 地溫梯度

地溫梯度又稱地熱增溫率是反應某一地區是否存在地熱異常的指標，決定地溫梯度高低的主要原因有導熱構造、熱背景以及地層巖石的熱導率。受區域構造控制，本區內的地溫梯度相對較高，但兩個構造單元的梯度值也有不同，而從現有幾眼地熱鉆孔的測溫資料統計，計算了西集地區各地層的地熱增溫率，反應出了在地溫場的垂向分布上，大興迭隆起區域內熱儲層古生界寒武系和元古界薊縣系平均地熱增溫率值較低，而大廠新斷陷區域內平均地熱增溫率值相對較高（表1）。

表1 西集地區夏墊斷裂兩側地層地溫梯度統計表Tab.1 Statistics of geotemperature gradient on both sides of summer fault

3.2 地溫場特征

根據研究區內深井及其周邊已有地熱井測井資料分別編制的區域內古生界與元古界儲層頂板溫度等值線圖顯示（圖4、圖5），總體地溫趨勢等值線都為北東—南西方向展布，都從北西向南東溫度逐漸增加。研究區附近古生界頂板地溫等值線圖顯示在北西側地溫最低，小于50 ℃，向南東逐漸增加，在南東側達到最高，超過60 ℃。而元古界頂板地溫等值線圖顯示趨勢同于古生界頂板溫度圖，北西側地溫最低，地溫小于65 ℃，向南東逐漸增加，在南東側達到最高，超過90 ℃，從地溫場的水平分布特征來看，本區域內顯示了良好的地熱資源賦存，且在南東側有望在4000 m以淺獲得中溫地熱資源。

圖4 西集地區古生界儲層頂板溫度等值線圖Fig.4 In Xiji area of the Paleozoic reservoir roof temperature isoline map

圖5 西集地區元古界儲層頂板溫度等值線圖Fig.5 In Xiji area of the Proterozoic reservoir roof temperature isoline map

從地溫梯度及溫度場特征分析來看，夏墊斷裂帶及兩側溫度等值線非常密集，反應此斷裂有很強的導熱性能。斷裂東南側地溫增加是由于兩儲層頂板埋深大幅增加，地溫在垂向上增加所至。

4 地熱鉆探驗證

上世紀七、八十年代，以找油為目的施工了幾眼石油勘探孔，截至目前為止本區范圍內的鉆探深孔僅有4眼（圖1），其中3眼地熱井分別為京通-2、通熱-18和西集-1井，1眼石油勘探孔為廠3井，其中京通-2井位于夏墊斷裂西側（即北西盤），熱儲目的層為薊縣系霧迷山組白云巖。而近期施工的西集-1地熱井通過鉆探錄井及地球物理測井綜合解譯認為本井位于夏墊斷裂帶上，施工過程中鉆遇主干斷裂，漏失明顯，最終經科學洗井、抽水試驗獲得出水溫度92 ℃，出水量3072 m3/d的中溫地熱資源（西集1號探采），由此可見在斷裂帶上施工鉆孔，因處于層狀和帶狀熱儲的交匯部位，這樣的地熱地質條件非常有利于地熱水深部對流循環和儲集，在較好的鉆探地質條件下，獲得優質、高產、高能地熱水的可能性大大提高，可考慮沿夏墊斷裂帶作為本區中溫地熱資源開發的重點靶區。但目前由于已知鉆孔較少，此結論的形成尚需進一步投入勘探工作特別是鉆探工作加以驗證。

5 結論

北京通州西集地區夏墊斷裂帶及其兩側存在層狀和帶狀兩種熱儲類型，其特征與地熱資源分布密切相關，通過近幾年施工完成的鉆孔資料反應出斷裂兩側及斷裂帶內地熱資源賦存特征及產能的差異性，得出主要結論如下：

（1）受早期構造運動的影響，在北京通州西集地區形成了以區內的深大斷裂——夏墊斷裂為界，形成西北側隆起（大興迭隆起）、南東側凹陷（大廠新斷陷）的構造格局。

（2）夏墊斷裂兩側的兩個不同構造單元內的地熱資源賦存均為以側向徑流補給和深部大地熱流供熱的層狀熱儲為主，夏墊斷裂帶是區內帶狀熱儲。

（3）通過對區內地溫場分布特征及幾眼勘探深孔資料的綜合分析，發現在夏墊斷裂帶內的霧迷山組地熱產能較高，夏墊斷裂即是熱水的運移通道又是主要儲集區，因此分析地熱資源在斷裂帶內是層狀熱儲和帶狀熱儲并存的形式。

西集位于北京的東南部，隨著通州城市副中心橋頭堡地位的逐漸明確，西集地區地熱資源的優勢如被充分合理利用將為首都能源結構調整和節能減排以及京津冀協同發展規劃建設等工作做出切實貢獻。建議西集地區的地熱資源勘探重點選擇在夏墊斷裂帶帶狀熱儲和層狀熱儲復合部位，提高勘探成功率，開發出溫度高、流量大的高品位地熱資源，服務于通州區經濟建設，提高北京空氣質量。

北京市地質礦產勘查開發局,1991.北京市區域地質志[M].北京：地質出版社.

北京市國土資源局,2006.北京市地熱資源2006年—2020年可持續利用規劃[R].

陳墨香,1988.華北地熱[M].北京：科學出版社.

常恩祥,1989.華北平原北部地溫場和深部地質構造關系[M]//中國地質科學院562綜合大隊集刊(7、8).北京：地質出版社：281-294.

田廷山,李明朗,白冶,2006.中國地熱資源及開發利用[M].北京：中國環境科學出版社.

中國國家標準化管理委員會,2010.地熱資源地質勘查規范（GB/T11615-2010）[S].

Geothermal Resource Characteristics from the Coexistence of the Layered and Banded Geothermal Reservoir in Xiji Area, Beijing

SHI Hanjing1,2, GUO Wei1, GAO Jian3

(1. College of Resources and Environment, Jilin University ,Changchun 130012; 2. Beijing Geological Engineering Company, Beijing 100143;3.Beijin g Geothermal Research Institute, Beijing 100143)

In order to study the occurrence characteristics of the geothermal resource belonging to the reservoir types which layered and banded geothermal reservoir coexisted, Xiji area was taken as an example in this article. We discussed the factors including heat source, tectonic environments and distribution of geothermal reservoir which affected the existence of the two geothermal reservoir types, and also analyzed the geothermal resource condition that layered and banded geothermal reservoir coexisted along the range of Xiadian fault zone through the existing geothermal drilling and distributing characteristics of regional geothermal fi eld. So we considered that geothermal resource was dominated by layered geothermal reservoir which was mainly recharged by the side runoff and heated by the deep terrestrial heat fl ow in the two fl anks of the Xiadian fault zone belonging to the two different tectonic units and the Xiadian fault zone was banded geothermal reservoir in the studying area. Then we proposed the Xiadian fault zone and its affecting range should serve as the priority areas for further exploring and developing the mid-temperature geothermal resource.

Xiji; Xiadian fault zone; Layered geothermal reservoir; Banded geothermal reservoir; Mid-temperature geothermal resource

P314

A

1007-1903（2017）01-0059-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.010

石涵靜（1980- ），女，高工，主要從事地熱地質勘查研究工作。E-mail：shj9695@126.com