基于重磁异常的北京副中心地质构造特征和地热控制作用研究

雷晓东, 赵 玉, 唐显春, 王立发, 何付兵, 关 伟, 李 娟

1)北京市生态地质研究所, 北京 100120; 2)中国地质科学院, 北京 100037;3)北京市地质调查研究所, 北京 100195; 4)北京市地热调查研究所, 北京 102218

地热资源在世界多个国家的开发利用均呈现快速增长态势(Lund and Toth, 2021)。北京地区中低温水热型地热资源丰富。自20世纪70年代以来, 前人采用地球物理、流体化学、钻探、水文地质等多学科多手段, 在地热系统结构探测、潜力评价、成因机理研究等方面取得了较丰富的成果(宾德智等,2002; 刘凯等, 2018; 柯柏林等, 2019; 杨亚军等,2020)。北京平原区经历多期次构造运动, 不同构造区块地热地质条件差异较大, 地热开发利用程度不一。为推动地热资源可持续利用, 助力“双碳”目标实现, 需进一步查明复杂构造地区地热资源赋存分布及其特征参数(雷晓东等, 2018; Wang et al.,2020)。区域重磁测量是地热资源地球物理勘探的重要方法, 可获取断裂构造空间位置及其相互关系、新生界基底埋藏特征等信息, 进而分析地热系统结构特征及成因机理(唐显春等, 2020, 2023; Zhang et al., 2021; Tang et al., 2022)。

北京城市副中心位于北京平原区东部, 受多期次构造运动影响, 地热资源分布赋存条件差异较大(雷晓东等, 2017; 李文, 2021)。副中心近年来致力于“近零碳”示范区建设, 对地热资源清洁供暖的需求强烈, 但其地热地质构造较为复杂, 基础研究相对薄弱, 因而选择这一区域开展高精度构造分析,进一步研究地热系统特征十分必要。地热系统特征一般围绕“源、通、储、盖”四大要素进行。对“通道”-断裂构造的认识, 已有研究多集中在区内规模较大的断裂如夏垫断裂、南口—孙河断裂南东段等在某些点段上的几何特征及活动性方面(刘保金等,2009; 何付兵等, 2013; Wang et al., 2018), 从区域尺度精细厘定断裂形迹、研究其与地热形成的关系,目前成果较少。另外对储层和盖层特征分析比较关键的基底构造的认识, 在副中心核心区研究相对较多(何祎等, 2019; 李巧灵等, 2019), 而其他地区较少。近年来完成的1:50 000地面重力测量资料覆盖程度和精度均较好, 可从区域上进一步分析本区地热系统构造背景。重磁场源边缘检测和三维反演是当前重磁处理方法研究的热点, 可有效提取断裂和基底特征信息(Wang et al., 2009; 张志厚等, 2022)。本文利用上述相关方法分析北京城市副中心基岩地质构造, 探究控热导水特征, 为科学勘探地热资源提供依据。

1 地质背景

北京城市副中心位于北京平原区东南部, 面积 906 km2, 大地构造上属华北陆块(Ⅱ)华北断陷盆地(Ⅲ4)内之北京断陷(Ⅳ2)、大兴隆起(Ⅳ3)和大厂断陷(Ⅳ4)三个Ⅳ级构造单元。区内地层除古生界志留系—泥盆系和中生界侏罗系—白垩系外, 自第四系至太古界均有分布。第四系普遍发育, 新近系主要在北京断陷和大厂断陷发育, 古近系在大厂断陷发育(图1)。基岩地层以中上元古界和古生界碳酸盐岩为主。研究区主要发育近NE和NW两组断裂构造, 均为正断层, 其中 NE向南苑—通县断裂(F1-2)和夏垫断裂(F1-4)为构造单元边界断裂,倾向分别为NW和SE, 均为第四纪活动断层(赵成彬等, 2013), NW向断裂以张家湾断裂(F2-46)为主,属南口—孙河断裂带向 SE方向延伸的断裂(何付兵, 2019)(图1)。

图1 北京平原区地热田及主要断裂构造分布图Fig. 1 Distribution map of geothermal fields and main faults in Beijing Plain

研究区西北主要为双桥和天竺地热田, 东南为凤河营地热田(图1)。前者热储主要为蓟县系雾迷山组白云岩, 后者热储包括新生界砂岩、奥陶—寒武系灰岩、蓟县系雾迷山组和高于庄组白云岩。其中岩溶热储裂隙发育, 厚度大、富水性强, 盖层为自第四系至待建系下马岭组不同物源地层组合, 岩性上新近系和古近系为泥岩、砂岩, 石炭—二叠系为砂岩、页岩, 青白口系为砂岩、页岩, 下马岭组为粉砂岩、页岩; 热储层下伏长城系砂岩及太古界片麻岩。区内断裂构造多为正断层, 形成地下热水储存和运移的重要通道。区内地热钻孔主要分布在永顺镇至张家湾镇一带, 根据地热流体水化学和同位素资料, 地热井出水温度在 35～91 ℃, 补给来源为北京西山和北山大气降水(袁利娟等, 2021)。区内地热地质条件因所处地质构造单元不同而呈现出较大的差异性。

2 数据与方法

地面相对重力测量测网为500 m×250 m, 采用单程观测法, 起闭于重力基点上, 单点每次观测时间1分钟, 重复观测直到相邻两次读数差小于5 μGal。观测数据在固体潮改正、零点漂移改正基础上进行了中间层校正、高度校正、纬度校正和地形校正后得到原始布格重力值。布格重力数据采用Kring方法网格化, 网格距250 m×250 m, 经补偿圆滑滤波处理去除局部畸变后, 采用滑动平均法计算剩余重力异常, 经试算, 窗口大小选择30 km与研究尺度 5 km深度内已知地质构造吻合较好, 得到剩余重力异常等值线图(图2a)。

图2 剩余重力异常及其NVDR_Theta图Fig. 2 Residual gravity anomaly and its NVDR_Theta map

2.1 场源边缘检测计算

为研究断裂构造形迹, 对布格重力异常进行了归一化 Theta图垂向导数图(NVDR_Theta图)计算(图2b)。该方法由Wijns et al.(2005)提出, 并由何涛等(2019)、王万银(2009)进一步完善, 计算公式如下:

对于平面重力数据g(x,y,z), 式中:

THDR为重力异常总水平导数,gx、gy分别为重力异常沿x、y方向一阶水平导数,VDR、gz为重力异常一阶垂向导数,α为正则化因子。

NVDR_ Theta图法是场源边缘检测识别断裂的一种有效手段, 两侧地层存在明显密度差异的正断层在该图上形成明显的高值异常条带, 辨识度较好, 但该图反映的是断裂的宏观梯度特征, 对走滑性质的断裂可能反映不明显, 另外地质体的场源并不全部为断裂, 为更全面研究区内断裂构造, 对布格重力异常进行了四个方向(0°、45°、90°、315°)水平一阶导数计算, 分别突出垂直于这些方向的断裂构造形迹(图3)。因梯度具有方向性, 正负极值异常均为断裂反映。从图3上看, 水平导数图上较宽缓、延伸较远的梯度带多为NE向断裂(图3c, d), 较细窄、延伸不远的梯度带多为NW向断裂(图3a, b)。

图3 布格重力异常水平一阶导数图Fig. 3 Horizontal first derivative of Bouguer gravity anomaly

2.2 2.5D重力异常剖面反演

为研究关键构造部位断裂延伸和地层发育特征, 完成了两条剖面2.5D重力异常反演计算, 剖面位置见图2a。其中 AA’剖面为 NW-SE向, 长度47.4 km; BB’剖面为SW-NE向, 长度53.1 km; 为提高反演精度, 剖面尽可能穿过了已知基岩钻孔。反演数据使用布格重力异常, 计算方法为频率域Parker-Oldenburg方法, 地层密度设置参考北京地区岩石密度测量结果(雷晓东等, 2020), 反演深度为5 km, 初始地层结构依据区域地质资料和钻孔信息设定, 通过人机交互反复调整参数和模型结构使计算重力异常与实测值拟合较好(图4)。

图4 重力异常2.5D剖面反演图(黑色竖线为基岩钻孔, ρ为反演地层密度, 单位为g/cm3)Fig. 4 2.5D profile inversion of gravity anomaly (black vertical lines are boreholes drilled into bedrock,ρ is the inversion density/(g/cm3) of formation)

图4a为AA’剖面反演图, 其垂直NE向主体构造, 重力异常范围为-40～0.5 mGal, 沿剖面方向呈现“低-高-低”变化, 总体上反映了北京断陷、大兴隆起和大厂断陷形态, 基底构造之上发育较宽缓的向斜和背斜, 浅部沉积了厚度变化较大的新生界。北京断陷的低重力异常反映了低密度新生界和较厚白垩系沉积特点, 大兴隆起的高重力异常反映基底隆升新生界较薄仅局部发育厚度不大的新近系, 大厂断陷的低重力异常是较厚的低密度古近系反映。图4b为 BB’剖面反演图, 其垂直 NW 向主体构造,重力异常范围为-20～15 mGal, 重力异常沿剖面走向总体上呈由高到低变化, 反映大兴隆起太古界结晶基底起伏及其上基岩岩性、厚度和埋深变化, 重力异常微弱变化的部位反映了一系列NW和NE向断裂的存在。

2.3 重力异常三维反演

为研究地质构造空间变化, 对剩余重力异常进行了三维反演。反演尺度为横向41 km, 纵向52 km,垂向 5 km, 反演网格大小横纵向均设置为 500 m,垂向为 250 m。反演时系统自动进行了扩边, 纵横向各外扩了2 km, 最终横向、纵向和垂向网格数分别为87、109和20个, 总网格数为189 660个。反演使用了地形信息, 采用 EMIGMA软件信赖域算法(Trust region inversion), 最大迭代次数40, 拟合差为0.97%。反演得到视密度数据体(图5), 其相对大小反映基底隆起凹陷特征, 视密度大的区域为基底隆起区, 视密度小的区域为凹陷区, 其中明显的过渡区多为断裂带或构造斜坡带。根据研究需要,截取了高程分别为-1000 m、-2000 m、-3000 m和-4000 m之下的数据体(图5)。

图5 三维重力异常反演视密度图Fig. 5 3D apparent density map of gravity anomaly inversion

2.4 航磁异常

北京平原区 8301工程形成的 1:10万航磁资料, 测线距为1 km, 测量总精度为±2.8 nT。为消除或减少斜磁化造成磁性体在平面位置上的位移,对原始航磁 ΔT数据进行了化极处理, 即将其转换成垂直磁异常 ΔTZ, 所取地磁倾角 60.7°, 地磁偏角-8.6°。从图6上看, 本区航磁异常总体上西北低东南高, 化极磁异常大于100 nT的区域, 除西北分布局限的个别区域外, 在研究区东南部形成延伸范围较广的高磁异常带, 呈 NE走向。在5 km、10 km、20 km上延异常图上, 该高磁异常不消失(图7)。

图6 研究区航磁异常图Fig. 6 Aeromagnetic anomaly map of the study area

图7 航磁异常上延图Fig. 7 Upward continuation of aeromagnetic anomaly

3 结果分析与讨论

根据重力异常所反映的新生界基底形态特征、界面反演和断裂识别结果, 以北京市地质调查研究院、北京市地质勘察技术院2007年出版的北京平原区1:10万基岩地质构造图为基础, 绘制了副中心基岩地质构造图, 结合航磁异常和钻孔信息, 综合分析地热赋存分布的构造背景, 对区内地热系统通道条件进行分析(图8)。

3.1 新生界基底形态特征

本次计算的剩余重力异常主要反映了新生界基底隆起和凹陷的形态特征。从图2a上看, 研究区剩余重力值在-16～16 mGal之间, 等值线具明显方向性, 说明构造主体走向为 NE-SW, 大体可分为G1高重力场区和D1、D2和D3低重力场区, 分别反映大兴隆起、北京断陷、大厂断陷和廊固断陷的基底形态特征。这里重点阐述G1、D1和D2。

G1高重力场区所反映的大兴隆起, 其密度结构自西北向东南呈现“高-低-高”特征, 反映隆起内部构造差异, 因而 G1进一步可分为 G1-1和 G1-2相对高异常区和 G1-3相对低异常区, 分别反映了大兴隆起西部、东部基底褶皱构造作用形成的通州向斜、张家湾背斜及中部张家湾凹陷的形态特征(图2a); G1-1相对高异常区在NW-SE方向较G1-2大、密度低, 推断向斜比背斜两翼宽缓, 以及有一定厚度的青白口系分布, 反演结果显示第四系厚度较薄, 约300 m左右(图3)。从图5视密度反演图上看, G1-2具有比G1-1更高的密度异常和深部延伸性, 结合图6、图7的航磁异常图, 推测大兴隆起东部结晶基底顶面更浅, 且背斜顶部形成了低密度异常揭示的张家湾新生界凹陷, 其沉积中心反演新生界厚度大于700 m(图3), 与微动探测等方法揭示的厚度一致(李巧灵等, 2019)。除第四系外发育一定厚度的新近系, 无古近系发育, 和 BH-2等孔的实钻地层岩性资料吻合(赵勇等, 2019)。

D1低重力场区反映北京断陷内部东坝凹陷形态, 西北角有一局部重力高(图2a), 在三维重力异常图上也有明显反映(图5), 航磁异常图上也有较好异常显示, 推断为来广营凸起, 是中生界高密度高磁火山岩的反映; 东南部也存在一处局部重力高,磁异常较弱, 反映盆地中上元古界基底埋深变浅(图8)。

图8 研究区基岩地质构造与通道类型图Fig. 8 Map of underlying bedrock geology and channel type in the study area

D2低重力场区所反映的大厂断陷, 进一步可细分为D2-1和D2-2低异常区和D2-3高异常区, 分别反映了大厂断陷主体、采育凹陷和凤河营向斜构造特征。D2-1为长轴方向NE形似葫芦状低重力异常, 根据三维重力反演图, 其低密度异常十分明显,垂向上一直延伸至4000 m以深(图5), 反映大厂断陷巨厚古近系沉积特征, 横向上自3000 m、4000 m起偏东部密度异常带变宽, 推测盆地为西陡东缓的基底形态; D2-2为采育一带存在的局部重力低, 反映基底凹陷, 走向近南北; 根据三维重力反演结果, 低密度异常在深度 4000 m左右逐渐消失,反映了结晶基底顶面较大厂断陷 D2-1区浅。D2-3为凤河营一带存在的局部重力高, 反映为一基底凸起构造, 其走向近东西, 核部为石炭—二叠系,两翼为寒武—奥陶系, 上覆新生界厚度达 2000 m左右(图8)。D2-2和D2-3的形成可能与古近纪时期伸展构造背景下强烈火山活动伴随岩浆上涌底辟有关(苗全芸等, 2019)。

图7显示了 NE向存在明显高磁异常条带, 结合F2-76断裂两旁X-2和T-51深孔资料, 推测其为含磁性较高的太古界片麻岩结晶基底, 直接隐伏于巨厚的新生界之下, 且沿礼贤断裂(F1-3)、牛堡屯断裂(F1-10)、夏垫断裂带(F1-4)分布, 揭示结晶基底隆升与上述深大断裂活动有关。对比重磁异常, 发现高值区并不吻合, 说明重磁异常不同源, 大兴隆起东部结晶基底抬升更为明显, 同时受 NW-SE向挤压应力作用, 形成了张家湾背斜、榆垡—礼贤背斜,中上元古界和古生界总体厚度不及西部, 在南部甚至缺失。

3.2 断裂构造特征

在剩余重力异常图上, 断裂构造一般反映为不同形态特征高低重力场区边界或等值线密集梯度带;切割深、延伸远的断裂, 梯度带具有较好的连续性,其两侧的重力值相差更大(图2a)。NVDR_Theta图上, 断裂构造一般呈现高值异常条带, 宽度大、连续性好、高值异常幅度大的表明断裂规模大, 根据异常带的交错特征还可说明断裂的汇交和新老关系(雷晓东等, 2021)。在2.5D剖面重力反演和三维重力反演形成的密度图上则可定性解释断裂的深部延伸特征。

以往研究将北京平原区断裂分为一级断裂(F1)和二级断裂(F2), 一级断裂为控制性断裂, 一般为四级及以上构造单元边界, 二级断裂为其内部断裂。由重力异常成果图综合分析, 识别出研究区范围内一级断裂主要有南苑—通县断裂(F1-2)、礼贤断裂(F1-3)、夏垫断裂(F1-4)、皮各庄断裂(F1-9)、牛堡屯断裂(F1-10)和桐柏断裂(F1-11)。这些断裂均表现为十分明显的不同形态高低重力场区边界,NVDR_Theta图和水平一阶导数图高值异常条带较为连续、宽度大。从NVDR_Theta图上看, 南苑—通县断裂(F1-2)北东段异常强度大于南西段, 显示断裂延伸的连续性好于南段; 礼贤断裂(F1-3, 区域上为大兴凸起东缘断裂或大兴断裂)显示走向由NNE转为 SN向, 北接牛堡屯断裂(F1-10)。牛堡屯断裂走向 NW, NVDR_Theta图异常分段连续, 延伸不远, 南东接夏垫断裂(F1-4)。夏垫断裂NVDR_Theta峰值异常带相对较宽缓, 局部走向有变化, 显示其可能被NW向断裂错动。皮各庄断裂(F1-9)和桐柏断裂(F1-11)走向近 EW, 分别截止于南苑—通县断裂(F1-2)和礼贤断裂(F1-3)(图2b)。

研究区二级断裂中主要的 NE向断裂有: 燕郊断裂(F2-23)、姚辛庄断裂(F2-25); NW向断裂有: 台湖断裂(F2-43)、东坝断裂(F2-45)、张家湾断裂(F2-46)、李桥断裂(F2-48)。研究区中部存在两条明显NE走向的NVDR_Theta峰值异常带,反映了断裂存在, 靠西的一条为燕郊断裂(F2-23), 倾向 SE,在 315°布格重力异常水平一阶导数图上呈明显的正异常, 向南一直延伸与礼贤断裂(F1-3)相接, 因而也被认为是大兴断裂北延段(何付兵等, 2020), 其北段或存在一条分支断裂(何祎等, 2019); 靠东的一条为姚辛庄断裂(F2-25), 倾向 NW, 连续性好, 在315°布格重力异常水平一阶导数图上呈明显的负异常(图3d), 向南一直延伸至牛堡屯断裂(F1-10), 两条断裂均被NW向断裂明显错断。此外还有两条明显NW向NVDR_Theta峰值异常带, 其中靠南的一条为台湖断裂(F2-43), 其连续性较好, 靠北的一条为张家湾断裂(F2-46), 在南东段连续性一般, 两条断裂均倾向 NE。位于这两条断裂之间的东坝断裂以及靠北的李桥断裂从剩余重力异常特征上推断自研究区西北部延伸入本区, 但NVDR_Theta图和布格重力异常水平一阶导数图均无明显异常。这些断裂的可靠性均需其他手段开展研究进一步证实。区内其他断裂的识别结果见表1。

表1 研究区断裂特征信息表Table 1Fault characteristics of Beijing’s sub-center

3.3 构造与地热关系分析

褶皱、断裂构造和局部火山岩浆活动共同控制了研究区地热资源的赋存和运移。本区地热系统以深大断裂为界, 既相对独立又通过断层和褶皱构造与外界有密切水力联系。

结晶基底差异性隆升造成区内储层厚度差异大。太古界结晶基底顶面具有“南高北低、西低东高”之特征。研究区热储层主要为蓟县系白云岩, 在北京平原区其完整厚度一般在 2000 m左右。研究区南部安定至牛堡屯一带, 属大兴隆起, 太古界结晶基底隆升至地壳浅部, 使热储厚度变薄甚至缺失。研究区中部, 由于大兴隆起东西部的不对称隆升, 东部热储厚度较薄。北京断陷和大厂断陷储层厚度接近区域平均, 埋藏较深。

研究区盖层在隆起区以新生界和古生界为主,在断陷区局部还存在中生界。大兴隆起西部, 通州向斜构造区新生界盖层厚度 200～300 m, 其下有近千米古生界起到盖层的作用; 东部张家湾背斜构造区, 新生界盖层厚度200～800 m(图8), 大部厚度小于 500 m, 在张家湾背斜核部蓟县系碳酸盐岩受构造运动影响形成的凹陷区, 厚度大于 700 m, 向东盖层厚度有变大趋势, 并有厚度不大的新近系。大厂断陷以巨厚古近系沉积为特点, 西集以东以及采育一带沉积中心盖层厚度大于3000 m, 凤河营一带大于 2000 m。北京断陷存在中生界火山岩碎屑岩,一般盖层厚度在 2000 m左右, 但重力异常显示东坝至徐辛庄一带为断陷中的局部隆起(图2a), 无中生界覆盖, 新生界厚度在350～800 m(图3a)。

水热型地热系统必须具备热水上升通道。通道由不同规模和性质的断裂组成。断裂按规模可分为盖层、基底、地壳和岩石圈断裂四类, 延伸至地壳和岩石圈深度的断裂, 一般与深部热源层联通, 切割深度大, 其两侧地热条件有明显差异, 形成区域性的控热构造; 若这类断裂开启性好, 有热水深循环活动, 则形成导热构造, 或称导热导水通道; 发育在盖层尺度内的断裂, 与深部热源层关系不大,其两盘地热条件差异较小, 一般仅具有导水作用,称为导水通道。导水通道在地热系统的补给、径流和热水分配中具有重要意义。区内主要断裂通道类型见图8。

夏垫断裂(F1-4)和南苑—通县断裂(F1-2)具有良好的导热特性。这两条断裂是大尺度重力异常特征场区边缘, 具有明显的NVDR_Theta图和梯度异常,对NW向断裂形成明显的分割限制, 三维反演图上只有这两条断裂向深部延伸大于4000 m。结合区域重力、地震等资料, 夏垫断裂带切穿莫霍面, 且存在多条分支断裂; 南苑—通县断裂、礼贤断裂可能切穿康氏界面, 均为壳幔尺度断裂, 且为第四纪活动断裂(张先康等, 2002; 刘保金等, 2009; 何付兵等,2013; 雷晓东等, 2021; 李正芳等, 2021)。其他断裂仅在沉积盖层内发育。

夏垫断裂带具有独立形成带状热储的条件, 又通过NW向断裂与西侧层状热储有密切联系。本区NW向断裂断距较小, 且多为正断兼走滑性质(何付兵, 2019)。从NVDR_Theta图上看, 虽然夏垫断裂切割深、规模大, 但在地壳浅部受NW向断裂活动影响出现较明显分段性, 且走向多变。剖面反演图显示夏垫断裂带基岩断距达上千米, 上盘发育巨厚古近系, 但寒武系、青白口系和蓟县系在两盘均有分布且总厚度大, 碳酸盐岩储层跨断裂带有较好联系(图3a), 因此可沿该断裂带形成较其他断裂更宽的地热带状异常, 呈现出带状和倾斜层控热储并存的特征(石涵静等, 2017)。沿该断裂水热深循环对流增温特征明显, 相同深度的地热孔地温测量结果较其他区域高 10℃左右(张进平和袁利娟, 2018)。南苑—通县断裂上下盘基岩地层同样为厚度较大的中上元古界和古生界碳酸盐岩, 虽断距不及夏垫断裂, 但水热活动条件也比较好。而礼贤断裂因上盘分布巨厚古近系, 且断裂带附近碳酸盐岩储层厚度不大, 断裂水热活动较弱, 两盘地热地质条件差异较大, 断裂带本身地热意义可能不大, 但它控制了区域地热异常分布。

张家湾断裂、姚辛庄断裂、台湖断裂等仅发育在沉积盖层, 与深部热交换不及前述断裂大, 但这些断裂也有明显连续的重力梯度异常, 例如姚辛庄断裂中段梯度大于3 mGal/km的影响带宽约800 m,形成断裂破碎带切割碳酸盐岩储层, 成为良好导水通道。这些断裂主要通过水的流通实现热的交换。NE向燕郊断裂和东坝断裂、李桥断裂的梯度异常相对较弱, 通道条件不及上述几条断裂。

本区NE和NW两体系主控断裂具有良好的水热联系。NVDR_Theta图异常带显示NE向燕郊断裂(F2-23)、姚辛庄断裂(F2-25)和 NW 向台湖断裂(F2-43)、张家湾断裂(F2-46)构成“井”字形快速汇水通道, 向西连接南苑—通县断裂(F1-2), 向东连接夏垫断裂(F1-4)。断裂交汇区呈现明显的峰值异常带错断现象, 且这些断裂均为正断, 断层活动以及结晶基底抬升有利于区域岩溶热储裂隙发育(表2),例如“TC-2”地热孔位于燕郊断裂(F2-23)附近, 地热孔施工过程中泥浆出现大量漏失。“TR-12”位于台湖断裂(F2-43)上, 在470—703 m深度钻遇断层破碎带, 岩性主要为黄灰色、灰白色白云岩、角砾岩, 同时穿插有大量的灰绿色辉绿岩, 局部见有白色钙质泥岩(糜棱岩)。另外这些断裂与上述两条区域性大断裂联通, 可获得北京北山和西山岩溶水补给(袁利娟等, 2021)。

表2 断裂带附近地热孔所揭示断裂性质和储层特性信息表Table 2 Fault properties and reservoir characteristics revealed by geothermal boreholes near fault zone

3.4 热水补给径流通道分析

根据重力异常分析断裂汇交与延伸特征, 推断热水补给径流通道可能有三个方向: (1)NW向通道,主要来自西北部山区, 沿张家湾断裂(F2-46)、台湖断裂(F2-43)进入本区, 同样是 NW 向断裂, 东坝断裂(F2-46)和李桥断裂(F2-46)的通道迹象不明显, 原因是前两条断裂的NVDR_Theta图和梯度异常较明显,且错断两盘均为蓟县系碳酸盐岩地层, 易形成较好破碎带; (2)NE向通道, 由东北部平谷山区自程各庄断裂接夏垫—马坊断裂带(F1-4)进入本区; (3)东部通道, 沿东西向皮各庄枢纽断裂(F1-9)自东向西运动后向南折转, 主体沿燕郊断裂(F2-23)和姚辛庄断裂(F2-25)形成的基底断陷流入本区, 当然东部部分来水也可能沿夏垫断裂和南苑—通县断裂(F1-2)向南运移。NE方向来水也可能经夏垫断裂和皮各庄断裂交汇区折转向西径流。因 NW 向的二十里长山断裂(图1, F1-8)为逆断层具阻水特征(肖骑彬等,2006), 因此东北和东部山区来水的主要通道是夏垫断裂和皮各庄断裂。皮各庄断裂在研究区为其西段(以夏垫断裂为界), 倾向 N, 断距仅一二百米(图8),因断裂带北部中生界火山沉积岩地层阻水, 而断裂带南部碳酸盐岩储层因抬升使得地下热水更易向下盘的层状热储中径流。另外因研究区北接宽缓的大孙各庄向斜西南翼, 皮各庄断裂在高楼以西两盘均为碳酸盐岩地层, 故区内地热水也可能自北山经向斜构造向南径流, 并最终经 NW 向断裂分流。上述推断需要进一步开展地热水动态监测等工作证实。

4 结论

对近期完成的高精度区域重力测量资料, 开展了场源边缘检测、2.5D剖面重力反演和三维反演计算, 结合航磁和钻孔资料分析得到结论如下:

(1)北京城市副中心地区主要断裂构造有17条,其中近NE向断裂9条, NW向断裂6条, EW向断裂2条。NE向断裂延伸远, 但被NW向断裂切割改造迹象明显。新解释推断了台湖断裂(F2-43), 姚辛庄断裂(F2-25)向南延伸截止至牛堡屯断裂(F1-10)。

(2)太古界结晶基底隆升“南高北低、西低东高”,使区内储层和盖层厚度变化大。研究区南部隆起区储层变薄或缺失。新生界盖层在隆起区厚度一般为200～800 m, 在断陷盆地区一般在2000 m以上。

(3)南苑—通县断裂(F1-2)和夏垫断裂(F1-4)是区内良好的控热导水通道, 礼贤断裂控制了区域地热异常分布; NW 向台湖断裂(F2-43)、张家湾断裂(F2-46)与NE向燕郊断裂(F2-23)、姚辛庄断裂(F2-25)是主要导水通道, 与南苑—通县断裂(F1-2)和夏垫断裂(F1-4)交汇形成区内主要补给径流通道。

致谢:本文研究过程中得到了中国地质调查局天津地质调查中心刘宏伟、杜东高级工程师的大力支持, 北京市生态地质研究所项目组何祎、尤志鑫、赵旭辰等参加了野外工作, 在此一并表示衷心感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 12120114033901 and DD20160229),Beijing Institute of Geo-exploration Technology (Nos.PXM2016_158307_000013 and PXM2017_158307_000008),and National Natural Science Foundation of China(No. 41877197).