北京市分布有較為豐富的地熱資源, 在平原區(qū)基巖中地下熱水的分布明顯受斷裂的控制。

 

  自物探、鉆探資料及地質(zhì)分析反映北京南口至孫河兩地確定有一條北西向斷裂以來, 由于該斷裂大部分隱伏于平原區(qū)新生界地層之下, 一直到現(xiàn)在很多地質(zhì)工作者及文獻資料都將該斷裂稱為南口—孫河斷裂① 。1983 年田世義②根據(jù)電阻率測深資料認為南口—孫河斷裂是一條不連續(xù)的斷裂, 將南口—孫河斷裂解體為南口斷裂和孫河斷裂。1986年楊松筠③根據(jù)重力勘探資料進一步確定了南口斷裂和孫河斷裂的展布位置?，F(xiàn)在普遍認為南口斷裂和孫河斷裂共同構(gòu)成南口—孫河斷裂帶。孫河斷裂是首都圈平原區(qū)一條重要的隱伏活動斷裂, 其地震活動性受到廣泛關(guān)注。近年來,伴隨著地熱資源的勘探, 在孫河斷裂區(qū)域進行了多項可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)和數(shù)眼地熱鉆井等勘查工作, 進一步提高了對孫河斷裂特征的認識。

 

  1 孫河斷裂的特征

 

  1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

 

  孫河斷裂區(qū)域上大致沿孫河鎮(zhèn)至沙子營村一線展布, 該斷裂是后沙峪凹陷與來廣營凸起兩個構(gòu)造單元的分界線。斷裂走向NW— SE, 傾向NE。斷裂的北東盤第四紀以來表現(xiàn)為強烈斷陷,第四系厚度1 000 m左右, 斷裂南西盤第四系厚度僅200 ～ 500 m。孫河斷裂西端切斷了黃莊—高麗營斷裂, 東端切斷了順義斷裂(圖1)。孫河斷裂上、下盤第四系下伏地層為上侏羅統(tǒng)。

 

  1.2 地球物理特征

 

  1.2.1 重力特征

 

  在研究區(qū)的布伽重力等值線平面圖上,布伽重力值總體由西南向東北降低, 后沙峪一帶為重力低值區(qū), 最低值-26 ×10-5 m/s2 , 鉆孔揭露表明, 后沙峪區(qū)域為第四紀沉積凹陷, 第四系厚度1 000 m左右。

 

  沙子營—孫河一線為2 ～ 3 km寬的布伽重力等值線密集帶, 該密集帶是孫河斷裂的反映。從重力密集帶影響范圍分析, 孫河斷裂并非由一條斷裂構(gòu)成, 應(yīng)是由多條斷裂組成的一條斷裂構(gòu)造帶。

 

  重力水平梯度曲線上10— 26號點之間出現(xiàn)了較寬的重力梯度異常, 其中10— 16號點最高重力梯度值達4.5 ×10-5 m/(s2· km)。從異常強度上分析, 10— 16號點區(qū)域為孫河斷裂構(gòu)造帶西南端與來廣營凸起分界的主干斷裂(圖2(b)中F1)。16— 26號點區(qū)域的重力水平梯度也顯示有次級斷裂的存在。

 

  1.2.2 電阻率測深特征

 

  電阻率等值線斷面圖中1— 2號點區(qū)域呈等值線密集帶, 該密集帶的位置與重力水平梯度最高值點相對應(yīng)。1— 2號點區(qū)域為孫河斷裂帶西南端與來廣營凸起分界主干斷裂(F1)的顯示。

 

  1.2.3 可控源音頻大地電磁測深特征

 

  從可控源音頻大地電磁測深剖面圖上看, 橫向上視電阻率曲線有一定的起伏變化,剖面的20— 30號、50— 60 號及70— 80號點區(qū)域均出現(xiàn)了視電阻率曲線的彎曲臺階, 并且與重力水平梯度高值區(qū)比較吻合, 因此推斷解釋為孫河斷裂的次級斷裂(F2、F3、F4)的反映。

 

  1.2.4 綜合分析

 

  從上述孫河斷裂的重力、電阻率測深及可控

 

  源音頻大地電磁測深綜合特征來看, 孫河斷裂實際表現(xiàn)為一條斷裂帶, 現(xiàn)有資料可初步識別出4條斷裂(F1、F2、F3、F4), 斷裂帶寬度約3 km左右。F1是后沙峪凹陷與來廣營凸起構(gòu)造單元的分界斷裂, 為主干斷裂。F2、F3、F4 為次級斷裂, 分布于后沙峪凹陷內(nèi), 呈階梯狀特征, 對第四系的沉積厚度有控制作用。

  Fig.3 GeothermalgeologicalprofileofSunhefaultzoneQ.第四系;J3.中生界上侏羅統(tǒng);C— P.石炭系—二疊系;O.奧陶系;∈ .寒武系;Qn.上元古界青白口系1.3 孫河斷裂的多期活動性近幾年, 為了解深層地熱資源, 在孫河斷裂帶兩側(cè)鉆探了數(shù)眼地熱井, 最深的來熱-2地熱井4 051 m, 基本揭示了其深部的地質(zhì)構(gòu)造條件(圖3)。從圖3中反映的地層接觸關(guān)系可以看出, 斷裂上盤時代老的地層(C— P、O— ∈ 、Qn)蓋在了下盤時代新的地層(J3 、C— P、O)之上, 說明孫河斷裂晚侏羅世后的構(gòu)造活動為逆掩性質(zhì), 上盤上升強烈。斷裂上、下盤地層厚度對比, 晚侏羅世—第三紀時期上盤上侏羅統(tǒng)(J3 )地層遭受強烈剝蝕至少2 000 m。第四紀時期孫河斷裂又繼承早期斷裂面活動表現(xiàn)為張性, 上盤累計下降幅度達千米左右。晚侏羅世以來, 孫河斷裂至少有兩期大的性質(zhì)相反的構(gòu)造活動。

 

  地熱井揭示上盤石炭系—二疊系和奧陶系—寒武系地層層位明顯不全, 地層層位對比說明石炭系與奧陶系普遍呈斷層接觸關(guān)系, 奧陶系與寒武系內(nèi)或二者之間也有斷層接觸。綜合分析孫河斷裂上盤發(fā)育有數(shù)條次級斷裂構(gòu)造, 造成地層巖石中的構(gòu)造裂隙非常發(fā)育。

 

  2 孫河斷裂的地熱地質(zhì)特征

 

  2.1 導熱作用

 

  南口—孫河斷裂帶在第四紀時期存在強烈的活動, 對后沙峪第四紀凹陷具有重要的控制作用。

 

  該斷裂帶晚更新世(60 ka)以來表現(xiàn)為多期活動特征。黃莊—高麗營斷裂是一條深大斷裂, 1978年國家地震局地質(zhì)研究所研究認為該斷裂斷至上地幔的第一個界面, 斷深約50 km。近期研究[ 7] 認為, 黃莊—高麗營斷裂錯斷了全部第四系地層,斷裂面直達地表, 具有多期活動的特點, 該斷裂挽近期常發(fā)生小地震活動。黃莊—高麗營斷裂溝通了上地幔熱源, 是北京平原區(qū)重要的導熱構(gòu)造。

 

  孫河斷裂錯斷了黃莊—高麗營斷裂, 與其形成了良好的熱流溝通, 因此, 孫河斷裂也具有良好的導熱性能, 成為后沙峪地熱田的重要導熱通道。

 

  經(jīng)5眼地熱井統(tǒng)計, 本區(qū)各時代地層平均地溫梯度第四系為2.54 ℃ /hm、侏羅系2.59 ℃ /hm、石炭系—二疊系1.62 ℃ /hm、奧陶系—寒武系1.72℃ /hm、青白口系4.70 ℃ /hm, 與北京平原區(qū)地層的平均地溫梯度對比, 該區(qū)侏羅系、奧陶系—寒武系、青白口系地溫梯度明顯偏高(表1)。

 

  

  區(qū)塊地溫梯度/(℃/hm)

 

  Q J C— P O— ∈ Qn

 

  后沙峪 2.54 2.59 1.62 1.72 4.70

 

  北京平原3.00 1.80 2.00 1.00 2.30

 

  從圖3中的地溫特征可以看出, 地溫等值線在孫河斷裂帶部位呈向上增高凸起, 向兩側(cè)地溫逐漸降低, 地溫最高點在順后熱-1地熱井部位。

 

  其原因是孫河斷裂帶高熱導率的奧陶系、寒武系和青白口系碳酸鹽巖較兩側(cè)相對呈構(gòu)造凸起, 深部熱流在沿孫河斷裂向淺部傳導運移過程中, 熱流趨于向凸起部位聚集, 凸起部位發(fā)育次級斷裂構(gòu)造更有利于熱流的傳導。這一特征在京津唐地區(qū)構(gòu)造凸起地熱田具有普遍的規(guī)律, 地溫場在凹中凸起部位高, 凹陷部位相對低。

 

  2.2 對侏羅系火山巖裂隙熱儲的控制作用

 

  孫河斷裂區(qū)域第四系下伏地層為侏羅系, 巖性主要為火山巖類。鉆孔揭露侏羅系厚度1 066 ～1 830 m, 層底深度2 115 ～ 2 746 m。從物探資料和鉆孔資料反映, 孫河斷裂及其影響帶寬度達3 ～4 km, 致使侏羅系火山巖地層斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 地熱井鉆進過程中出現(xiàn)鉆井液大量向裂隙發(fā)育地層中漏失(表2)。地熱井的產(chǎn)能測試表明,該區(qū)侏羅系火山巖地層孔隙度高, 儲水和滲透條件好。順后熱-2地熱井946 ～ 2 327 m井段地球物理測井解釋富水層19層, 厚度115 m, 聲波孔隙度3.8% ～ 19.5%, 儲集層系數(shù)8.3%。順熱-6地熱井1 701 ～ 2 812 m井       段測井解釋富水層38層, 厚度238 m, 聲波孔隙度2.9% ～ 18.4%, 儲集層系數(shù)20.9%。以上兩個地熱井的孔隙度和儲集層系數(shù)表明了本區(qū)侏羅系火山巖構(gòu)造裂隙發(fā)育,同時具有裂隙發(fā)育的不均一性。

 

  2.3 后沙峪地熱田的特征

 

  2.3.1 地熱地質(zhì)特征

 

  后沙峪地熱田是北京10個地熱田之一[ 11] , 同時又是北京地區(qū)唯一發(fā)育侏羅系火山巖斷裂構(gòu)造裂隙熱儲的地熱田④⑤⑥ 。地熱田西南部處于孫河斷裂帶區(qū)域, 地熱井揭露的地層有新生界第四系(Q)、中生界上侏羅統(tǒng)(J3 )、古生界石炭系—二疊系(C— P)、奧陶系(O)、寒武系(∈ )及上元古界青白口系(Qn), 地熱井的地熱地質(zhì)特征見表3。

 

  第四系巖性為粘土、砂、砂礫, 侏羅系巖性主要為安山巖、安山質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖,石炭系—二疊系巖性主要為石英砂巖、砂巖、粉砂巖、碳質(zhì)泥(頁)巖、煤巖, 奧陶系巖性主要為灰?guī)r、白云巖, 寒武系巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、頁巖, 青白口系巖性主要為泥灰?guī)r、石英砂巖、頁巖。

 

  從表3地熱井揭露的地層厚度可以看出, 石炭系—二疊系、奧陶系—寒武系地層的厚度較正常沉積厚度明顯變薄, 并且?guī)r石地層單位有缺失,而北京地區(qū)的沉積相比較穩(wěn)定, 可以確定孫河斷裂構(gòu)造帶的構(gòu)造運動是造成該區(qū)地熱井缺失地層的原因, 反映出次級張性斷層構(gòu)造發(fā)育。在孫河斷裂帶區(qū)域的地熱井, 侏羅系火山巖地層均發(fā)育斷裂構(gòu)造裂隙, 鉆井液出現(xiàn)大量漏失。順后熱-2和順后熱-6地熱井完全以火山巖構(gòu)造裂隙地層為含水層, 涌水量達1 840 ～ 1 965 m3 /d, 單位涌水量為18.2 ～ 58.8 m3 /(d·m)。順后熱-8和順后熱-9地熱井以奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙層為含水層, 涌水量1 368 ～ 1 538 m3 /d, 單位涌水量13.5 ～ 21.1 m3 /(d· m)。順后熱-1和順熱-6為下套管后射孔成井, 受成井工藝的影響, 涌水量相對較低, 不能完全反映實際水文地質(zhì)條件。

 

  從地熱田目前地熱井的產(chǎn)能狀況看, 火山巖構(gòu)造裂隙含水層較碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層的富水性要強一些。

 

  2.3.2 地熱水地球化學特征

 

  后沙峪地熱田地熱水的化學成分見表4。與北京其他地熱田的地熱水比較, 后沙峪地熱田具有高礦化度、高硫酸鹽和高氯化物特征, 偏硼酸含量也較高。熱礦水類型主要為氟、偏硅酸型(圖4)。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型, 為高pH值的堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na·Ca水型, 為弱堿性水;順后熱-1地熱井是火山巖與碳酸鹽巖的混合取水井,為SO4 -Na水型。地熱水的水型差異表明, 火山巖裂隙水富集氯離子(Cl-), 碳酸鹽巖巖溶水富集重碳酸根離子(HCO-

 

  3 )和鈣離子(Ca2 +)。說明后沙峪地熱田的地熱水有其獨特的形成演化特征,處于由基巖冷水補給到地熱水徑流演化的末端。

 

  2.3.3 地熱富集規(guī)律預(yù)測

 

  圖3中反映深部熱流向?qū)O河斷裂上盤構(gòu)造凸起部位聚集的規(guī)律, 是比較典型的構(gòu)造凸起型儲熱構(gòu)造。最高位處的順后熱-1地熱井3 100 m的地溫達到90.9 ℃, 向東南來廣營凸起構(gòu)造單元來熱-2 地熱井3 950 m處的地溫僅為95.1 ℃, 向東北后沙峪凹陷中心部位地溫降低幅度較大。由于孫河斷裂上盤斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 淺部侏羅系火山巖形成地熱富集的構(gòu)造裂隙熱儲, 深部還發(fā)育奧陶系、寒武系及薊縣系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲, 發(fā)育3 套溫度高富水性好的熱儲地質(zhì)結(jié)構(gòu)在北京地區(qū)是獨一無二的。根據(jù)上述地熱地質(zhì)條件的綜合分析, 可以推斷孫河斷裂上盤奧陶系、寒武系及薊縣系熱儲處于構(gòu)造凸起部位, 北西向延伸的孫河斷裂帶區(qū)域是后沙峪地熱田的地熱資源富集區(qū)。依據(jù)順后熱-1地熱井資料并結(jié)合北京平原區(qū)的地熱地質(zhì)條件推斷, 3 700 m深可見到薊縣系霧迷山組白云巖熱儲層, 推斷地溫可達101℃左右, 鉆探深度4 000 m的地熱井出水溫度可達到100 ℃。北京地區(qū)目前地熱水的最高溫度為88℃, 孫河斷裂帶是北京最有望突破100 ℃地熱水的高地溫區(qū)。

 

  3 結(jié) 論

 

  (1)通過重力、電阻率測深、可控源音頻大地電磁測深多種物探資料的推斷解釋, 結(jié)合地熱鉆井揭露的地熱地質(zhì)成果, 初步說明孫河斷裂是一條寬約3 km的斷裂構(gòu)造帶, 斷裂上盤次級斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育。

 

  (2)孫河斷裂具有多期活動的特征, 晚侏羅世以來至少有兩期大的性質(zhì)相反的構(gòu)造活動。晚侏羅世后的構(gòu)造活動表現(xiàn)為逆掩性質(zhì), 第四紀時期斷裂活動表現(xiàn)為張性。

 

  (3)孫河斷裂對后沙峪地熱田西南部區(qū)域的地熱地質(zhì)條件具有控制作用, 具有良好的導熱和導水性能。后沙峪地熱田西南部是構(gòu)造凸起型儲熱構(gòu)造, 北西向延伸的孫河斷裂帶區(qū)域是后沙峪地熱田的地熱資源富集區(qū)。

 

  (4)受孫河斷裂的構(gòu)造運動改造, 侏羅系火山巖地層的構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 火山巖裂隙熱儲導水、儲水條件優(yōu)越。后沙峪地熱田擁有侏羅系火山巖、奧陶系和寒武系及薊縣系碳酸鹽巖3套熱儲, 地熱資源儲量豐富。

 

  (5)后沙峪地熱田地熱水具有高礦化度、高硫酸鹽和高氯化物的特征, 主要為氟、偏硅酸型熱礦水。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型,為高pH值堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na· Ca水型, 為弱堿性水。地熱水的獨特水型特征表明, 后沙峪地熱田處于由基巖冷水補給到地熱水徑流演化的末端。