断裂构造对地热田形成的控制作用

赵亚娟，刘立军，张少才，牛树银，夏 帅，王 敏，王雨豪

(1. 河北地质大学，河北 石家庄 050031； 2. 河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021)



断裂构造对地热田形成的控制作用

赵亚娟1，刘立军2，张少才2，牛树银1，夏 帅1，王 敏1，王雨豪1

(1. 河北地质大学，河北 石家庄 050031； 2. 河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021)

河北牛驼镇地热田位于环京、津、保经济发展的腹地，拥有地热储量丰富、分布面积广的中—低温地热资源。研究认为：牛驼镇断凸是一个相对完整的、断裂构造比较发育的地热田。通过分析地热田展布形态、热储特征、地温场分布特征，进而探讨了地幔热柱控制下其热源的形成、向上运移，及其地热田的形成。

断裂构造；地幔热柱；地热热源

0 前 言

河北牛驼镇断凸位于华北平原沉降带冀中坳陷北部，新构造运动以沉降为主，断凸为沉陷区中隆起构造单元，其北临廊固凹陷，南抵霸县凹陷[1]。凹陷与凸起之间被断裂分开，构造活动频繁。

牛驼镇地热田位于华北断陷区中部，冀中台陷的牛驼镇断凸上，是冀中拗陷凸起带的组成部分[2]。其基底主要为蓟县系—长城系白云质和泥质白云岩，东北边缘处出露有寒武、奥陶、石炭、二叠系。由于基岩埋藏深度和岩性不一致，热异常也存在差别，凹凸相间的边界密集断裂带及底辟上侵的岩浆岩上部产生温度异常。地热田热异常分布特点为凸起部位地温梯度值最大，向四周或两端逐渐减小，异常形态与下伏基岩的凸起形态一致。

1 牛驼镇地热田地质构造特征

1.1形态特征

牛驼镇断凸为典型的凹中凸构造格局。冀中坳陷空间上呈北北东向窄条带状展布，发育一系列北北东向与北东东向构造单元。其走向主要受北北东向怀柔—涞水、定兴—石家庄深大断裂及北东东向固安—昌黎隐伏大断裂所控制，见图1。地热田凸起部分形态似弯曲的月牙形与牛驼镇断凸形态基本相似，走向大致相同，其走向主要是受上述断裂的派生构造-牛东断裂所控制。地热田分为南、北两段，南段呈北北东向展布，北段呈北东东向展布，面积约为605.65 km。

图1 牛驼镇断凸构造位置

1.2热储特征

该地热田位于牛驼镇断凸上，第四系和新近系明化镇组直接覆盖在基岩上，中心位置盖层较薄，向周围盖层逐渐加厚，逐渐有古近系沉积，最厚可达到4 000 m[1]。下伏基岩地层包括奥陶系、寒武系、蓟县系、长城系等。岩性主要为灰岩、白云岩，以及灰质白云岩、泥质白云岩等。寒武—奥陶系基岩主要分布在地热田东北部，埋深约3 000 m；蓟县系与长城系基岩在地热田均有分布，凸起部位埋深很浅，约800 m，东北部埋深为1 200～2 078 m，以蓟县系地层为主。新近系与古近系较薄，地层主要为寒武系、奥陶系、蓟县系以及长城系，即牛驼镇地热田主要为基岩热储。

牛驼镇地热田的高值区沿雄县、大营、马庄、独流和龙虎庄一线，呈NE-NEE向展布，地温梯度4.0℃/100 m等值线圈闭的面积达381 km2[2]，异常形态与下伏基岩的凸起形态完全一致，向两侧梯度减小，并在雄县的大营镇和永清县的龙虎庄一带形成两个岛状的梯度中心，其高值分别为12.4℃/100 m和8.88℃/100 m。由于地热异常形态与下伏基岩的突起形态相一致，向两侧和两端梯度值变小，此特征与华北地幔亚热柱内地热田热异常特征完全一致，故此认为牛驼镇地热田受华北地幔亚热柱影响。

2 地热田热源主要来源

2.1热源通道

牛驼镇地热田与周围构造单元主要被断裂分开，主要控热断裂为牛东断裂。地热田发育在牛东断裂的下盘，以南为牛南断裂，西侧为一正断层，接下来主要研究地热田的主要控热断裂—牛东断裂。

牛东断层长70 km，整体走向呈北北东向，分为两段，即南段走向为北东东向，倾向南东。南段断距5 000 m ，水平位移5 000 m，北段走向北北东向，倾向南东，北段累积垂直断距7 700 m，水平位移7 400 m。沿断层面有串珠状第三系早期玄武岩分布，牛东断层控制着牛驼镇断块的发育，牛驼镇断块夹在大兴断层与牛东断层中间，牛驼镇凸起位于牛驼镇断块的上升部分，凸起的发育受牛驼镇断块的活动所控制[3]。愈靠近主断裂玄武岩层数量越多，在龙虎庄东南玄武岩厚度累积达111.5 m。牛东断层断面在平面上呈锯齿状，并且规模较大。牛东断层为上陡下缓，呈铲状形态分布，与派生断层共同组成 “Y”字型，发育为阶梯状正断层。牛驼镇断凸内地层向南逆冲，发育为阶梯状逆断层，牛东断层下降盘凹陷发育成“Y”字型和地垒(见图2)。在冀中探区太白维山、南马庄潜山和大港沧东—岐口凹陷等地区发现逆冲构造[3]。

牛东断裂断距约为5 500 m以上，深深切割蓟县系、青白口系、寒武—奥陶系等一系列地层，燕山时期，伴随着频繁的火山活动以及构造运动，其深部岩浆岩以及自身的热量通过与其相连通的断裂运移到接近地表的位置，受冷固结形成基岩。牛东断裂为牛驼镇地热田的热源提供主要的通道。

图2 牛驼镇断凸Ⅰ-Ⅱ地质剖面[2]

2.2华北地幔亚柱演化过程

燕山运动以来，华北地幔亚热柱呈蘑菇状强烈上隆至50 km左右的浅处[4]，地壳发生了大幅度的热减薄断陷；并且发育了一系列二级构造单元和三级构造单元，同一时期发生了多期次玄武岩喷发或基性岩脉侵入。使得在凸起的主体部分以及某些局部隆起区由于强烈上升，普遍缺失古近系，为地球内部聚集的巨大热量运送到地表，提供更有利的地质环境。这些热物质如何传送到地球表面，地幔热柱—亚热柱—幔枝构造多级演化，很好的解释了地球内部与外部是如何进行物质、能量交换的。

Morgan认为固体地幔热源区实际上是一个产于地幔底部热边界附近的地幔柱；Deffeye认为地幔柱是下地幔上涌形成的；Anderson著文说地幔柱它其实是一种化学柱[5]。他的化学成分与周围物质有明显的差别，他起源于地幔底部的核幔边界层[6]。地幔热柱的形成主要是由于核幔间存在物质对流这是幔—壳运动的初始来源，热物质的上升点往往是板块构造的增生边界[5]。地幔热物质一旦突破上下地幔界面，进入上地幔并继续上升时，下地幔的顶部即为地幔亚热柱的顶冠就会变成地幔亚热柱的主要热物质源区，并通过地幔热柱与底部的核—幔界面相通，成为了上下连通的地幔热柱演化体系[7]。伴随着地幔亚热柱活动的不断增强，地幔热物质逐渐向上以及向四周侵位，使得地幔物质向外围拆离滑脱，从而形成一系列基性岩浆的侵入和喷发。并且受到岩石圈断裂活动的控制，地幔亚热柱顶冠的热源物质就会伴随一系列岩浆活动通过深大断裂导出到地表形成地热的热源。根据地幔柱的运移情况分析来看，地幔柱即使热源本身也是热源通道。地幔亚热柱的顶冠或隆升区为岩浆活动较频繁的地带，伴随更多岩浆岩或侵入岩也相应较多。隆升区的温度相对于其他地区温度高。

以地幔热柱隆升区为中心点向四周延伸，温度逐渐减小，形成内热外冷的特征，尤其在一些断裂带较发育的地区易形成热异常区，这些断裂破碎带以及一些深大断裂是提供热源很好的通道，牛驼镇地热田位于华北地幔亚热柱隆升区的西北边缘[8]，周围断裂构造发育良好，为牛驼镇地热田的形成提供了良好供给侧和构造环境。

3 结 论

1) 牛驼镇地热田热异常区出现在基底的凸起部位，储存着丰富的地热资源，目前探测到基岩热储的最高温度为92℃，在南孟镇—龙虎庄一带，深度为2 400 m。

2) 牛东断裂是牛驼镇地热田的主要控热构造，为地热田的热源提供了运移通道，地球内部热得以此通道为地热田源源不断的供应热量，故此地热资源为绿色可再生资源。

3) 在基底凹陷区出露探测的热水温度小于基地隆起区的温度，而基底隆起区的地温梯度值大于基底凹陷区，基底厚度大的相对小于基底厚度小的地温梯度值。

4) 牛驼镇地热田的主要热源为地幔亚热柱运移过程释放的热量，伴随着地幔柱的运移把地幔深处的热物质流运送到接近地表，遇冷凝固形成基岩。另一部分没形成基岩的物质以岩浆的形式在地下以垂直或水平方式运移，遇到强烈的地质构造，或深大断裂使岩浆遇冷形成岩浆岩，出露到地表或埋藏在盖层之下。华北地幔亚热柱的形成与运移是牛驼镇地热田的主要热源。在地幔隆升区一些断裂比较发育的地带是形成热异常的有利地区。

[1] 陈默香. 华北地热[M]. 北京: 科学出版社, 2004.

[2] 张德忠, 刘志刚, 卢红柳. 河北地热[M]. 北京: 地质出版社, 2013.

[3] 杨海盟, 戴俊生. 牛驼镇断凸发育过程[J]. 东北石油大学学报, 2014, 38(6): 22-29.

[4] 牛树银, 孙爱群, 李红阳. 华北地区地热特征及其成因机制[J]. 地学前缘, 2001, 8(1): 112.

[5] 李红阳, 牛树银, 王立群, 等. 幔柱构造[M]. 北京: 地震出版社, 2002.

[6] 牛树银, 孙爱群. 地球的物质运动[J]. 科学, 1999, 25(3): 183.

[7] 牛树银, 孙爱群, 谢汝斌, 等. 地幔热柱及其成矿作用研究[J]. 前寒武纪研究进展, 2002, 25(1): 11-22.

[8] NIU Shuyin, SUN Aiqun. The Multi-evolution of mantle plume and the mechanism of geothermal origin in the Eastern North China[J]. NSFC and China Bureau of Geological Survey, 2006: 25-26.

ControlofFaultsontheGeothermalFieldFormed

ZHAO Yajuan1, LIU Lijun2, ZHANG Shaocai2, NIU Shuyin1, XIA Shuai1, WANG Min1, WANG Yuhao1

(1.HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031,China; 2.HydrogeologyandEngineeringGeologySurveyInstitute,GeologyandMineralExplorationBureauofHebeiProvince,Shijiazhuang,Hebei050021,China)

Niutuo geothermal field is located in Central Beijing, Tianjin and Bao hinterland of economic development, as has rich geothermal reserves, including wide distribution area and low-temperature geothermal resources. Our studies suggest that broken projections in Niutuo is relatively complete. Faults are well developed in geothermal field through the analysis of geothermal fields to spread morphology and thermal energy storage feature, including the geothermal field distribution. Then we discuss the analysis under the mantle plume control the heat source formation, upward migration and the formation of geothermal fields.

Faults; Plume; Geothermal heat source

2016-08-22

赵亚娟 (1991-)， 女， 河北任丘人，在读硕士研究生，研究方向：幔枝构造成矿控矿作用，手机：15733182690.

P314

：Adoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.010