淺析北京通州地區霧迷山組熱儲微觀特征

孔祥軍

摘 要：為解析通州地區薊縣系霧迷山組熱儲層的微觀結構，本文通過顯微鏡觀測、X射線衍射測試和掃描電鏡分析，對研究區內的白云巖巖石學特征、礦物成分特征和空隙結構進行表征。結果表明，研究區內的薊縣系霧迷山組以粉晶白云巖為主，粒徑集中在0.01～0.085mm，大小相對均一，分選較好，多為自形—半自形晶體，白云石的菱形晶體結構明顯，同時燧石條帶較為發育，可見粒徑不均的隱晶質細小顆粒;其次為他形鑲嵌結構的泥晶白云巖，粒徑多小于0.005mm;此外還有少量粒徑為0.1～0.25mm的細晶白云巖，主要為自形—半自形晶體結構。白云巖中主要礦物為白云石，含量約為72.8%～98.9%，其次為石英和長石，其中的黏土礦物含量較低，對白云巖的孔隙度和滲透率的影響有限。薊縣系霧迷山組白云巖的微觀空隙結構以次生孔隙為主，孔徑較大，多是由于后期的熱流體溶蝕白云石的結果，原生孔隙的孔徑相對較小，可能主要是在成巖階段形成。

關鍵詞：微觀特征;晶體結構;礦物成分;空隙類型

中圖分類號：P314? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0030-07

Abstract： In order to analyze the microscopic characteristics of geothermal reservoirs from Wumishan Formation in Tongzhou of Beijing， the article researches the characteristics of the petrology， mineral composition and pore structure of dolostones by microscope observation， X-ray diffraction and scanning electron microscope analysis. The result indicates that dolostones of Wumishan Formation are mainly composed of crystal powder dolomite， which grain sizes are from 0.01mm to 0.085mm， meanwhile the dolomite grains are mainly composed of idioplasmic-hypidiomorphic texture with the developed obvious rhombic structure and chert bands; sometimes aphanitic fine particles can be seen. The micrites with the grain sizes less than 0.005mm， are characterized by the allotriomorphic mosaic texture. Fine-grained dolostones with the idioplasmic-hypidiomorphic texture can be found in the Wumishan Formation， which grain sizes are from 0.1mm to 0.25mm. Dolostones of Wumishan Formation are mainly composed of dolomites（72.8%-98.9%）， secondly quartz and feldspar. Just a few clay minerals could appear in the dolostone， having limited influence on the porosity and permeability of the dolostone. Microscopic vacuity structure in dolostone of Wumishan Formation， Jixian System is dominated by secondary pores with the bigger sizes， which is resulted from the dolomite being corroded by later thermal fluid; however， the primary pores have the smaller sizes， probably forming in the diagenesis stage.

Keywords： Microscopic features; Crystal texture; Mineral composition; Pore type

0引言

近年來，隨著地熱資源清潔可再生的特點被不斷認識，國家和各級地方政府也在不斷加大對地熱資源開發利用的支持力度，尤其是北京地區，由于具有特殊的地理位置，開展地熱資源的開發利用具有重要意義。北京地區具有十大地熱田，總面積為2760km2，年可開采熱量約為1.7×1016J（北京市國土資源局，2006），地熱資源豐富，但對熱儲層成因機理的認識仍處于相對空白階段，僅在延慶盆地有初步研究（北京市地熱研究院，2017）。研究區處于雙橋地熱田范圍內，熱田面積約為339km2，截至目前，已在該熱田范圍內鉆鑿成功了多眼地熱井，熱儲層主要為薊縣系霧迷山組，但由于上覆蓋層較薄，熱儲溫度相對較低。為厘清研究區內薊縣系霧迷山組熱儲層的微觀結構，本文通過顯微鏡觀測、X射線衍射測試和掃描電鏡分析對研究區內的熱儲層巖石學特征、礦物成分和空隙結構進行表征（其中所分析的樣品均屬于薊縣系霧迷山組，重點集中在了二段和三段），詳細探究了薊縣系霧迷山組熱儲層的顯微特征，為今后開展北京地區薊縣系霧迷山組熱儲層的成因機理研究奠定理論基礎。

1 地質概況

研究區位于華北斷拗（II級構造單元）大興迭隆起（III級構造單元）東北部（圖1），其基底以中、上元古界及下古生界為主，按其內部隆坳的幅度和強度、基底巖系和新生界的結構差異，可進一步劃分為兩個IV級構造單元，即牛堡屯-大孫各莊迭凹陷和黃村迭凸起，構造較為復雜（北京市地質礦產局，1991）。

研究區及周邊地區內主要發育的斷裂構造包括南苑-通縣斷裂、張家灣斷裂和燕郊斷裂等，切割了研究區內的薊縣系霧迷山組熱儲，從而起到了導熱導水的作用。主要褶皺有通州向斜和張家灣背斜（圖2）。

根據區域地質資料及相關的鉆井地質資料，研究區內及附近地層由老至新主要發育薊縣系、青白口系、寒武系和第四系，各地層簡單描述如下：

薊縣系（Jx）：主要分布張家灣背斜的核部，研究區東南部發育該系地層，該套地層是組成北京城區地熱田（含熱田擴大部分）的主要熱水儲集層。主要發育鐵嶺組（Jxt）、洪水莊組（Jxh）和霧迷山組（Jxw），其中鐵嶺組（Jxt），巖性為灰白色白云巖夾少量黑色頁巖，視厚度為300m左右，與下覆地層整合接觸;洪水莊組（Jxh），巖性以黑色頁巖為主，視厚度為100m左右，與下覆地層整合接觸;霧迷山組（Jxw），主要為碳酸鹽相沉積，巖性以灰白色燧石條帶白云巖為主，在斷裂附近巖溶裂隙較發育，是本區良好的熱儲層，在全區內均有分布。在小圣廟南側靠近燕郊斷裂的地區，霧迷山組白云巖與上覆第四系直接不整合接觸，自南東至北向方向埋深逐漸加大，頂板埋深約為450～1500m，厚度巨大，最大視厚度超過為3300m。霧迷山組根據巖性特征可以劃分4段（北京市地質礦產局，1991），根據研究區內的實際鉆探成果顯示（北京市地質勘察技術院，2017），該區內主要鉆遇霧迷山組三段，區內的多數地熱井均以此層段作為熱儲層開發利用地熱資源。

青白口系（Qn）：張家灣背斜的兩翼均有發育，研究區的西北部位張家灣背斜西北翼，該套地層呈北東向長條狀分布，主要包括景兒峪組（Qnj）、龍山組（Qnl）和下馬嶺組（Qnx）。其中景兒峪組（Qnj）主要由紫紅色、蛋青色和黃綠色泥灰巖組成，視厚度為76m左右，與下覆地層整合接觸;龍山組（Qnl）為黃綠色砂巖，視厚度約為104m，與下覆地層平行不整合接觸;下馬嶺組（Qnx）主要發育黑色頁巖及泥巖，視厚度為344 m左右，與下伏地層平行不整合接觸。

寒武系（∈）：主要發育在通州向斜的核部，即分布于本區西北部，主要巖性為泥質白云質灰巖，鮞狀灰巖、竹葉狀灰巖、黃褐色泥質條帶狀灰巖和紫紅色頁巖等，與下伏地層不整合接觸，根據周邊鉆井揭露地層，視厚度在172～218 m。

第四系（Q）：巖性以河流相的砂卵礫石及粘土為主，總體其厚度自西北向東南有加厚的趨勢，厚度大致在300～500m之間變化。

2 巖石學特征

根據實際鉆探資料顯示（北京市地質勘查技術院，2017），研究區內的熱儲層主要為薊縣系霧迷山組，以白云巖為主，疊層石、燧石條帶發育。本文對井下巖心和巖屑利用Zeiss AxioscopeA1 A Pol偏光顯微鏡進行鏡下薄片鑒定，將霧迷山組白云巖主要劃分為粉晶白云巖、石英粉晶白云巖、石英泥晶白云巖、粉晶—泥晶白云巖、疊層石粉晶白云巖、泥晶白云巖、燧石條帶粉晶白云巖、中晶—細晶白云巖、細晶—粉晶白云巖等類型，其巖石學特征如下：

（1）粉晶白云巖

粉晶白云巖鏡下特征顯示白云石粒徑多為0.02～0.06mm，多為半自形晶體，少部分為它形晶體，具有白云石菱形晶體特征，多為嵌晶結構，在正交偏光鏡下顯示高級白干涉色（圖3A）。

（2）石英粉晶白云巖

圖3B顯示，石英粉晶白云巖：白云巖粒徑多集中在0.11～0.095mm，少數白云石晶粒介于0.11～0.14mm，白云石晶形多為自形—半自形，含量約占80%，多成基底式膠結結構，正交偏光鏡下顯示高級白干涉色，插入石膏試板后不變色。石英顆粒粒徑約為0.03～0.187mm，多為次棱角狀—次圓狀，分選較差，磨圓一般，在正交偏光鏡下顯示一級黃白干涉色，含量約占20%。

（3）石英泥晶白云巖

在正交偏光鏡下（圖3C），白云巖粒徑小于0.005mm，多成它形鑲嵌結構，正交偏光鏡下顯示高級白干涉色，插入石膏試板后不變色。石英顆粒粒徑約為0.03～0.246mm，多為次棱角狀—次圓狀，分選較差，磨圓也一般，含量約占26%。

（4）泥晶白云巖

泥晶白云巖顆粒細小，較為致密，鏡下白云石晶粒的粒徑多小0.005mm，多數白云石晶體顯示出明顯的它形鑲嵌粒狀結構，正交偏光下顯示出高級白干涉色（圖3D）。

（5）疊層石粉晶白云巖

疊層石粉晶白云巖是一種由明暗相間的基本紋層所構成的巖石類型（圖3E）。暗層為富藻紋層，以粉晶白云石為主，藻類組分多，有機質含量高;明層為貧藻紋層，一般白云石晶粒較暗層粗，有機質含量少或者不含有機質。上述兩種基本紋層交互出現，構成不同的幾何形態，表現出不同的外貌特征。根據基本紋層的構造特征，可再細分出層狀、波狀、錐狀、柱狀疊層石白云巖。鏡下白云石晶粒大小為0.02～0.1mm，重結晶作用明顯，晶粒為半自形—它形，部分晶粒顯示出特征的白云石菱形結構，正交偏光下顯示高級白干涉色，其中的粗粉晶晶粒大小約為0.050～0.1mm，細粉晶晶粒大小約為0.02～0.05mm，以細粉晶含量占優，粗粉晶白云石和細粉晶白云石呈明顯的亮暗紋層相間的條帶狀分布，顯示出特征性的疊層石紋層特征。

（6）燧石條帶粉晶白云巖

圖3F顯示，在正交偏光鏡下白云石粒徑約為0.07～0.21mm，多為半自形—它形晶體，彼此間呈鑲嵌接觸鑲嵌結構，含量約占85%。燧石多為隱晶質，顆粒細小，彼此間呈鑲嵌緊密接觸，多成帶狀與粉晶白云巖接觸，或漂浮于粉晶白云巖基質中，含量約占35%。

（7）細晶—粉晶白云巖

鏡下粉晶白云石粒徑約為0.04～0.098mm，多為自形—半自形晶體，具有白云石菱形晶體特征（圖3G），含量約占70%，細晶白云石晶粒約為0.11～0.21mm，多為它形晶體結構，含量約占30%。

（8）細晶白云巖

在正交偏光鏡下（圖3H），細晶白云巖粒徑多集中在為0.11～0.25mm，白云石晶形多為半自形—它形，含量約占75%;中晶白云石顆粒粒徑約為0.25～0.387mm，多為它形，含量約占25%。正交偏光鏡下白云石晶粒顯示高級白干涉色，插入石膏試板后不變色。

3 礦物成分特征

熱儲層的礦物成分對于儲層結構具有重要的影響，尤其是其中的粘土礦物含量多少在一定程度上會影響熱儲層孔隙度和滲透率的大小（李陽等，2017）。粘土礦物是指粒度小于2μm的具有層狀結構的硅酸鹽礦物，具有顆粒細微、比較面積巨大和存在特征性的結構層間域等特征，使之具有吸附性、膨脹性、可塑性和離子交換等特殊性能，這些粘土礦物有很強的吸水膨脹率，遇礦化度低的淡水等發生膨脹，體積可增大30倍以上，堵塞孔隙和吼道，降低巖層的孔隙度和滲透率，是對儲層傷害最大的水敏性粘土礦物，或者部分粘土礦物具有酸敏性，能夠與鉆井液中的HCL等酸液作用容易產生沉淀，而造成儲層傷害（張玄奇，2003）。常見的粘土礦物主要包括高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族、蛭石族以及海泡石族等礦物（趙璐璐等，2015）。

本文利用X-射線衍射光譜儀（D/MAX-2400）對研究區內的薊縣系霧迷山組白云巖樣品進行礦物成分測定（表1），結果表明，薊縣系霧迷山組白云巖中的主要礦物為白云石，含量為72.8%～98.9%;其次為石英，含量為1.0%～20%;部分樣品中含有長石，主要為鉀長石和斜長石;僅有其中的兩個樣品中含有粘土礦物，含量分別為5.3%和19.1%，其中的粘土礦物主要包括蒙皂石、伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石和綠蒙混層等（表2）。

4 孔隙結構特征

薊縣系霧迷山組之所以能夠成為北京地區最主要的熱儲層之一（北京市地質礦產勘查開發局，2010），其最主要的特征就是具有豐富的能夠儲存地下流體的儲集空間，而地下流體則是地熱能的載體。碳酸鹽巖儲集空間主要包括孔隙、溶洞和裂縫等類型（傅海成等，2006）。為了表征薊縣系霧迷山組白云巖的微觀結構特征和空隙類型，本文利用LEO1450VP型掃描電子顯微鏡對研究區內的井下白云巖樣品進行顯微觀測，結果顯示薊縣系霧迷山組白云巖多呈現出片狀、鱗片狀或粒狀結構（圖4A、圖4B、圖4C），部分樣品中可以看到白云巖清晰的菱形晶體結構（圖4D），因為薊縣系霧迷山組白云巖中燧石條帶發育，在掃描電子顯微鏡下可以清晰地看到粒狀的石英（隱晶質的燧石）與菱形的白云石晶體的共生關系（圖4E），結晶條件好的石英（隱晶質的燧石）多顯示出明顯的六方雙錐晶體結構，呈粒狀，晶體結構較完整（圖4F）。

通過對薊縣系霧迷山組白云巖進行掃描電子顯微鏡觀測實驗，顯微鏡下的白云巖孔隙主要包括原生孔隙和次生孔隙，原生孔隙主要包括晶內和晶間孔隙，其孔徑相對較小，主要集中在0.41～2.18nm。晶內孔隙多發育在白云石晶體內，孔隙相對較小，但普遍發育，邊緣較為平直，且多垂直層面發育（圖5A）;晶間孔隙則相對較大，形狀不規則，邊緣也較為平直（圖5B），多是由于膠結作用導致白云石晶體形成時因晶格變小導致不同晶體之間存有孔隙。此外，工作區內的白云巖還普遍發育次生孔隙，多是由于后期的熱流體溶蝕白云石的結果，這部分次生孔隙不規則，沒有平直的邊緣，邊緣較為圓滑（圖5C，5D），孔隙直徑約為1.41～4.22nm，雖然白云石被溶蝕，但仍可以看出白云石的原生晶體結構。

5 結論

通過對研究區內的薊縣系霧迷山組顯微特征研究，深入分析了熱儲層的巖石學特征、礦物成分特征和空隙結構，主要取得以下結論。

（1）研究區的薊縣系霧迷山組白云巖粉晶白云巖為主，粒徑主要為0.01～0.085mm，大小相對均一，分選較好，重結晶作用明顯，多為自形—半自形晶體，白云石的菱形晶體結構明顯，同時燧石條帶較為發育，可見燧石顆粒，多為隱晶質細小顆粒，粒徑不均;其次為泥晶白云巖，粒徑多小于0.005mm，多為他形鑲嵌結構;此外還有少量的細晶白云巖，粒徑大小多為0.1～0.25mm，主要為自形—半自形晶體結構。

（2）區內白云巖中的主要礦物為白云石，含量約為72.8%～98.9%，其次為石英和長石，僅個別樣品中含有粘土礦物，白云巖中的粘土礦物礦物含量較低，揭示工作區內作為熱儲層的薊縣系白云巖的孔隙度和滲透率受粘土礦物的影響有限，可能主要受控于熱儲層的結構。

（3）薊縣系霧迷山組白云巖的微觀空隙結構主要發育了原生孔隙和次生孔隙，原生孔隙的孔徑相對較小，較為規則，可能主要是在成巖階段形成;次生孔隙普遍發育，不規則，孔徑較大，多是由于后期的熱流體溶蝕白云石的結果。

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