浅析北京平原区热储温度与断裂关系

郭 帅，王维逸，王 治，马静晨，姜 辉，王卓卓（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

浅析北京平原区热储温度与断裂关系

郭 帅，王维逸，王 治，马静晨，姜 辉，王卓卓
（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

本文搜集了38个水样点的水化学数据，这些水样点位于北京平原区的5个地热田。水样点的取水层位均为蓟县系雾迷山组，水样点揭露的地热水均属于同一个含水系统。根据水化学类型分析，该含水系统地下热水径流方向由西北、西南部向东部流动。利用Na-K-Mg三角图和饱和指数选取合适的地热温标，估算了各水样点的热储温度范围。热储温度的空间分布形态呈现北东向为长轴方向的椭圆形，与黄庄—高丽营断裂、良乡—前门断裂、八宝山断裂、顺义断裂、南口—孙河断裂和小汤山断裂等控热断裂有关，且北东向断裂对于温度的控制作用更大，热储温度在断裂交汇处出现高值区域，这些高值区域正是寻找地热的有利地区。

地下热水；水化学；热储温度；断裂；北京

0　引言

北京平原区地热田多沿构造断裂来进行划分，据前人资料，这些断裂多为导水、导热断裂。在地下热水的研究和开发利用工程中，热储温度是评价地热资源潜力不可缺少的重要参数，北京平原区地热井众多，尤其是早期地热井的热储温度数据难以搜集。地热温标方法是利用地下热水中的某些化学组分的含量与温度的关系，估算矿物与水反应的平衡温度，也就是深部热储的温度（汪集旸等，1993）。本文在水样点水化学分析的基础上，根据Na-K-Mg三角图和饱和指数计算，结合地热温标应用规律估算水样点热储温度。并对热储温度与断裂的关系进行分析，为寻找地热的有利地区提供依据。

1　区域地质背景

1.1构造

北京市平原区断裂构造比较发育，燕山运动晚期与以升降为主的喜马拉雅山运动都形成了较大规模的断裂，展布方向主要以北东向和北西向为主（增瑞祥等，2001）。

北东向主要断裂，从西向东有八宝山断裂、黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、良乡—前门断裂、南苑—通县断裂等5条较大的断裂。八宝山断裂走向北东，断面倾向南东，倾角较小20°～30°，从西南向北东倾角渐陡。黄庄—高丽营断裂走向北东，断裂面倾向南东，倾角约80°，性质为高度角正断层，最大断距在1000m以上。顺义断裂走向北东，关于其倾向和倾角直接资料不多，地球物理资料显示，该断裂倾向南东，倾角较大。良乡—前门断裂，走向北东，一般倾向北西，其倾角也较大。南苑—通县断裂总的走向北东，断裂面倾向北西，倾角50°左右，北西盘下降，南东盘上升，性质为正断层。

北西向断裂，从东向西依次有南口—孙河断裂、太阳宫断裂、永定河断裂等3条较大的断裂。南口—孙河断裂总体走向北西，断裂北段倾向南西，南段倾向北东，倾角均较大。太阳宫断裂走向北西，倾向北东，倾角陡。永定河断裂呈北西向展布，倾向南西，倾角较大。

次级断裂走向主要分为北东向、北北东向、北西向、南北向和东西向。与本文关系密切的小汤山断裂属于南北向次级断裂。

据前人资料（增瑞祥等，2001），黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、良乡—前门断裂、南口—孙河断裂、小汤山断裂等均为导水、导热断裂。

1.2地层

北京市平原区代表性地层，按由老到新的顺序组合而成，中上元古界到第四系分述如下：长城系（Ch）、蓟县系（Jx）、青白口系 （Qn）、寒武系（∈）、奥陶系（O）、石炭系 （C）、二叠系 （P）、三叠系（T）、侏罗系（J）、白垩系（K）、古近系（E）、新近系 （N）和第四系 （Q）。

1.3热储层

蓟县系雾迷山组是北京地区分布面积最广的热储层，在平原区约占90%以上，岩性主要为硅质白云岩、燧石条带白云岩、纹层状泥晶白云岩等，厚度一般大于2000m。由于受多次地质构造运动的影响，雾迷山组裂隙较为发育，为岩溶作用创造了条件，具有较好的储存空间和渗透能力，是北京地区主要的热储层。

2　地热水水化学特征

2.1水化学类型

为了更好的揭示地热水运移过程中各矿物质组分含量的变化，本文只取蓟县系雾迷山组做为北京平原区地热水水化学主要研究地层，即所选取水样点的取水层位均为蓟县系雾迷山组。

搜集到水样点水化学数据共38份，水样点均为地热井，这些地热井位于东南城区地热田、良乡地热田、京西北地热田、双桥地热田和小汤山地热田（图1）。其中东南城区地热田地热井15眼（下文以J1-15表示）；良乡地热田地热井7眼（下文以L1-7表示）；京西北地热田地热井7眼（下文以S1-7表示）；双桥地热田地热井3眼（下文以O1-3表示）；小汤山地热田地热井6眼（下文以T1-6表示）。

根据各水样点的水化学数据绘制水样点的Piper图。从图2可知，东南城区地热田水化学类型比较丰富，包括了地下水径流过程中上游至下游的多种水质类型。良乡地热田水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na·Mg、HCO3·SO4-Na，主要为地下水径流过程中上游的水质类型。京西北地热田水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca，主要为地下水径流过程中上游—中游的水质类型。双桥地热田水化学类型为HCO3-Na 、Cl·HCO3-Na·Ca，主要为地下水径流过程中中游—下游的水质类型。小汤山地热田水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca，主要为地下水径流过程中上游—中游的水质类型。由于搜集地热井取水层位均为蓟县系雾迷山组，且均位于北京平原区地质单元，假设水样点揭露的地热水均属于同一个含水系统。根据水化学类型分析，该含水系统地下热水径流方向为由西北、西南部向东部流动。

图1　水样点位置分布图（改自（增瑞祥，2001））Fig.1 Location distribution map of the water samples

图2　水样点的Piper图Fig.2 Piper diagram of the water samples

2.2Na-K-Mg三角图

通过水样点的Na-K-Mg图（图3）可知，除J4、J8、J9地热水为部分平衡水外，其余35眼井的地热水均属于未成熟水，且均集中在Mg1/2角附近。这些水样点的Mg2+含量高，水-岩相互作用的平衡温度不高，地下热水可能发生了与冷水的混合作用，原则上利用阳离子温标估算未成熟水的平衡温度不合理，适合用SiO2温标来估算这些水样点的热储温度（于湲，2006；刘久荣等，2002）。J4、J8、J9地热水属于部分平衡水，也可能存在混合作用，可用SiO2温标和阳离子温标来估算热储温度。

图3　水样点的Na-K-Mg三角图Fig.3 Diagram of Na-K-Mg of the water samples

2.3饱和指数

饱和指数可以定量的计算深部热储某矿物与水的反应程度。矿物饱和指数等于0，矿物处于饱和状态，该矿物决定的温标结果准确；饱和指数大于0，矿物处于过饱和状态，该矿物决定的温标估算结果偏高；饱和指数小于0，矿物处于非饱和状态，该矿物决定的温标估算结果偏低。

据表1，L2、L5、O1、O3这4个水样的玉髓饱和指数小于0，石英饱和指数小于0，选取SiO2温标进行热储温度估算均偏低，采用SiO2温标和阳离子温标进行估算。J3、J5、S2、O2这4个水样的玉髓饱和指数小于0，石英饱和指数大于0，适合采用石英温标进行热储温度估算。其余30个水样的玉髓饱和指数、石英饱和指数均大于0，适合采用SiO2温标进行热储温度估算。

3　热储温度估算与分析

3.1热储温度估算

热储温度估算常用的地热温标包括SiO2温标和阳离子温标。

估算地热水的热储温度的SiO2温标主要有：石英温标1-无蒸汽分离或混合作用、石英温标2-无蒸汽损失、石英温标3-最大蒸汽损失、玉髓温标1-无蒸汽损失和玉髓温标2-最大蒸汽损失（Fournier et al.，1977）。阳离子温标有Na-K温标（Arnorsson，1983）、Na-K-Ca温标（Fournier R O，1973）和K-Mg温标（Giggenbach W F，1988）。

据Na-K-Mg三角图和SiO2矿物饱和指数分析，对各水样点的热储温度进行估算，分为以下4种：①第1种水样点：SiO2温标和阳离子温标估算都适用，见表2。②第2种水样点：SiO2温标估算适用，共31个水样点，见表3。③第3种水样点：石英温标估算适用，见表4。

（以下阳离子温标，浓度单位为mg/L）根据表2、表3和表4，各水样点直接采用石英温标估算，结果均高于实测温度。直接采用玉髓温标估算，结果偏低，近半水样点的估算结果小于实测温度，与实际不符。K-Mg温标估算结果均小于实测温度，与实际不符。在地热温标选取过程中还应考虑其他因素，例如矿物饱和指数、冷水的混合等（张卫民，2001；王莹等，2007），故本次地热温标估算给出的是热储温度的可能范围。

3.2热储温度分布与断裂的关系

利用各水样点的热储温度估算结果，选取热储温度范围的平均值进行分析，绘制图4。本文选取水样点均位于北京市平原区，各水样点的地下热源深度和温度相差不大，热储层及下覆地层相近，可对热储温度与断裂关系进行分析。

表1　水样点石英和玉髓矿物的饱和指数表Tab.1 Saturation indices of quartz and chalcedony of the water samples

水样点热储温度在东南城区地热田出现最大值，热储温度约为140℃。热储温度高于100℃等值线区域呈现北西向为长轴方向的椭圆形，热储温度高于80℃等值线区域范围较广，呈现北东向为长轴方向的椭圆形。

表2　第1种水样点热储温度估算结果（℃）Tab.2 Temperature range of geothermal reservoirs of the first type of water samples （℃）

表3　第2种水样点热储温度估算结果（℃）Tab.3 Temperature range of geothermal reservoirs of the second type of water samples （℃）

表4　第3种水样点热储温度估算结果（℃）Tab.4 Temperature range of geothermal reservoirs of the third type of water samples （℃）

图4　热储温度分布图Fig.4　Distribution map of the temperature of geothermal reservoirs

热储温度与断裂构造的关系密切，导热断裂附近热储温度高，其他断裂对热储温度影响较小。高于80℃等值线区域热储温度等值线长轴方向，即北东方向与黄庄—高丽营断裂、良乡—前门断裂、八宝山断裂、顺义断裂的走向一致，这4条北东向的大断裂为控热断裂，其断裂下部与深部热源接触，为地下水提供热源。高于100℃的热储温度等值线区域长轴方向为北西向，与南口—孙河断裂和小汤山断裂的走向基本一致，这2条断裂也属于控热断裂。

根据热储温度分布形态可确定北东向断裂对于温度的控制作用较强，北西向断裂的控制作用相对较弱。且热储温度高值区通常位于断裂交汇处，断裂交汇处导热性良好。

南口—孙河断裂北西侧部分穿过的热储温度等值线上呈现凸出形态，热储温度较其他位置有明显升高，与断裂导热性一致；小汤山断裂穿过的热储温度等值线上呈现凸出形态，热储温度较其他位置有明显升高，与该断裂导热性一致。

4　结论

水样点取自位于东南城区地热田、良乡地热田、京西北地热田、双桥地热田和小汤山地热田的地热井，取水层位均为蓟县系雾迷山组，且均位于北京平原区地质单元，地热井揭露的地热水均属于同一个含水系统。根据水化学类型分析，该含水系统地下热水径流方向为由西北、西南部向东部流动。

热储温度与断裂构造的关系密切，导热断裂附近热储温度高，其他断裂对热储温度影响较小。热储温度的空间分布形态呈现北东向为长轴方向的椭圆形，与黄庄—高丽营断裂、良乡—前门断裂、八宝山断裂、顺义断裂、南口—孙河断裂和小汤山断裂均属于控热断裂有关，且北东向断裂对于温度的控制作用更大，热储温度在断裂交汇处出现高值区域，这些高值区域正是寻找地热的有利地区。

利用搜集的水化学数据，本文仅对北京平原区大部分区域的径流场和热储温度进行了空间分布的定性分析。下一步应搜集更多地热田水化学资料，进行更深入的分析研究。

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The Analysis between Temperature of Geothermal Reservoirs and Fractures in Beijing Plain

GUO Shuai， WANG Weiyi， WANG Zhi， MA Jingchen， JIANG Hui， WANG Zhuozhuo
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing 100048， China）

This paper collects hydrochemical data from 38 geothermal water samples， and these water samples are located in five geothermal fields in Beijing plain. The water samples are in Wumishan Group of the Jixian System，and the geothermal water all belong to the same aquifer system. Depending on the analysis of the water type， the runoff direction of the geothermal water is from northwest and southwest to the east. By diagram of Na-K-Mg and saturation indices， the suitable geothermometers are selected to calculate the temperature range of geothermal reservoirs of each water samples. The spatial distribution form of the temperatures of geothermal reservoirs is an oval with northeast long axis. As heat controlling faults， Huangzhuang-Gaoliying fault， Liangxiang-Qianmen fault，Babaoshan fault， Shunyi fault， Nankou-Sunhe fault and Xiaotangshan fault control the temperatures of geothermal reservoirs， and the northeast trending faults have mainly control in temperature. The temperature of geothermal reservoirs is higher in fracture intersection zones， and these high value areas are favorable areas for geothermal.

Geothermal water； Hydrochemistry； Temperature of geothermal reservoirs； Fault； Beijing

P314

A

1007-1903（2016）01-0042-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.009

郭帅（1989- ），女，硕士，主要从事地热地质、水文地质研究；E-mail：guoshuai8974@126.com。