河北牛驼镇地热田高温地热水成因分析

王永波，丁文萍，田 月，王 婧，丁 蕊

（1. 河北水文工程地质勘察院，石家庄 050021；2. 河北省地质调查院，石家庄 050081；3. 河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄 050021）

河北牛驼镇地热田高温地热水成因分析

王永波1，丁文萍2，田 月2，王 婧2，丁 蕊3

（1. 河北水文工程地质勘察院，石家庄 050021；2. 河北省地质调查院，石家庄 050081；3. 河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄 050021）

牛驼镇地热田以基岩热储层最优，是目前地热田开发利用条件最好的热储层。牛驼镇基岩热储水温60℃～100℃，顶板埋深最浅处小于500m，一般为800～1500m，涌水量50～110 m3/h。基岩地热水水化学类型为Cl—Na型水，偏硅酸浓度46～92mg/L，偏硼酸浓度5.0～33 mg/L，氟浓度5.41～11 mg/L，是优质的理疗矿泉水。本文着重从构造运动的角度分析了牛驼镇高温地热水的形成。阐述了自元古代的吕梁运动开始至二叠纪期间，研究区在经过“三降两升”的五个地史发展期中不仅沉积了良好的基岩热储层，亦储藏了丰富的水源。随着新生代喜山运动的活跃，在牛东等断裂的控制下，牛驼镇凸起发育成熟，在此过程中，牛驼镇凸起暴露地表，沉积了新近系和第四系，构成基岩热储的良好盖层。另外，由于基岩热储岩性的热导率较高及埋藏深度较浅，使得牛驼镇地热田拥有相对较高温度的地热水资源。

高温地热水；成因；构造运动；热导率；盖层

0 引言

牛驼镇地热田基岩热储层是牛驼镇地热田最具开发利用价值，也是目前主要的开发热储层，具有水量大、温度高、埋藏浅的开发利用优势，井口水温普遍大于60℃，属于较好的高温地热水。近年来随着政府环保意识的加强，牛驼镇地热田得到了大力的开发，研究区内多处被评为地热资源开发利用示范区，创造了良好的社会经济效益（张德忠等，2013）。

牛驼镇地热田构造位置处于断凸内，其地热资源的形成在区域上具有一定的代表性和典型性。本文主要分析其基岩热储层高温地热水的成因，为地热资源的研究提供参考。

1 地热田概况

牛驼镇地热田位于河北平原中部，呈北东向展布，地热田面积605.65km2。行政区划包括保定市的雄县、白洋淀温泉城和廊坊市的固安县、永清县、霸州市，地处京、津、保经济发展的腹地，交通发达，地理位置优越，是河北省地热开发最为成熟的地热田。据2010年数据统计，地热田地热水年开采量约444.393×104m3，年洗浴人数42.5657万人次，供暖面积162.59×104m2，种植面积156亩，养殖年利润约1000万元（河北省地矿局第三水文工程地质大队，2003；河北省地矿局第三水文工程地质大队，2006）。

2 地热地质条件

2.1 地热地质特征

（1）地层

地热田位于冀中台陷的牛驼镇断凸内，全区自上而下分布有第四系、新近系、古近系、奥陶—寒武系、青白口系、蓟县系、长城系以及太古界。第四系和新近系明化镇组在全区均有分布，新近系馆陶组仅在地热田东缘出现。地热田中心部位，基岩埋深较浅，一般在1000m以内，据钻孔地层揭露，基岩埋深最浅处在雄县大营镇一带，为493.85m（A4井）。在凸起的两翼，基岩盖层逐渐增厚，开始有古近纪地层沉积，最厚可达4000m。下伏基岩除北部分布有厚薄不均的寒武系—奥陶系及小面积新元古界青白口系外，主要以蓟县系白云岩为主（图1）。

图1 牛驼镇地热田地热地质特征图Fig.1 Geothermal geological map of Niutuozhen geothermal field

（2）新生界地温梯度

地热田新生界地温梯度的分布形态与下伏基岩的凸起形态完全一致，两侧梯度值变小，中心凸起部位较高，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凸起区，高值分别为12.40℃/100m（A4井）和6.46℃/100m（A8井），见图2、图3（张德忠等，2013）。

2.2 地热田热储特征

地热田热储层主要是明化镇组热储、馆陶组热储、基岩热储。

（1）明化镇组热储

明化镇组热储全区均有分布，顶板埋深380～470m，底界埋深493～1070m，地层沉积厚度130～650m，沉积厚度由雄县大营镇文家营向四周呈增厚趋势。热储岩性由细砂岩、中砂岩、粉砂岩组成，热储厚度在凸起顶部较薄，一般小于150m，向四周逐渐增厚，南部边缘最厚为390m。热储中部温度在雄县、大营镇和永清县龙虎庄一带大于50℃，其他区域一般为40℃～50℃，北部低处在35℃～40℃之间。

图2 ｜━｜′地热地质剖面图Fig.2 1 - I ' Geothermal geological profile

图3 Ⅱ━Ⅱ′地热地质剖面图Fig.3 II - II ' Geothermal geological profile

（2）馆陶组热储

分布于地热田的东部边缘，面积105.53km2。底界埋深1217～1382m，地层厚度272～472m。主要热储岩性为砂岩、砂砾岩、含砾砂岩和粉砂岩，馆陶组底部砂砾岩特征明显，据钻孔资料统计砂厚比29.5%～31.36%，A16井出水段1134.5～1217.3m，揭露砂砾岩厚度33.3m，水温50.5℃。

（3）基岩热储

3000m以浅，地热田范围内均有基岩热储分布。主要地层包括古生界奥陶系、寒武系、元古界蓟县系。

寒武系—奥陶系热储：分布在地热田东北部，埋深3000m以浅面积96.44km2，主要岩性为灰岩、白云岩及灰质白云岩、泥质白云岩。据钻孔资料统计，奥陶系岩溶裂隙发育段占地层厚度的32%，寒武系占16.5%，热储厚度平均值为123.6m，热储平均温度78.6℃。

蓟县系热储：地热田范围内除局部分布长城系热储外，主要为蓟县系雾迷山组热储，分布面积为509.21km2（包括上部基岩覆盖部分）。蓟县系铁岭组分布于地热田东北部，其上部被青白口系、寒武系—奥陶系热储所覆盖，其下部为10～25m洪水庄组页岩与迷雾山组热储相隔，热储平均埋深1500m。蓟县系雾迷山组热储在凸起顶部埋藏深度一般为800～1100m（浅处小于500m），东北部埋藏深度1200～2078m，是目前地热田开发利用条件最好的热储（表1）。

表1 地热田热储层热储特征表Tab.1 Thermal characteristics of thermal reservoir in geothermal field

2.3 地热水地球化学特征

明化镇组热储：矿化度＜1500mg/L，Clˉ浓度111～684mg/L，摩尔分数为23%～73%；HCO3ˉ浓度278～561 mg/L，摩尔分数为22%～67%。阳离子以Na为主，浓度为199～576 mg/L。水化学类型以HCO3·Cl—Na和Cl·HCO3—Na型为主，总硬度15～67mg/L。

蓟县系热储：矿化度主要在2300～3007mg/L之间，Clˉ浓 度1121～1400mg/L， 摩 尔 分 数 为75%～85%，HCO3ˉ浓度442～482 mg/L，摩尔分数为16%～19%。阳离子以Na为主，浓度为702～1100mg/L。水化学类型以Cl—Na型为主，总硬度140～220mg/L。

牛驼镇地热田基岩热水中富含偏硅酸、偏硼酸和氟等化学组分，偏硅酸浓度46～92mg/L，偏硼酸浓度5.0～33 mg/L，氟浓度5.41～11 mg/L，是优质的理疗矿泉水（表2）。

2.4 地热水同位素特征

通过分析对比不同地层地下水的同位素分析结果，可知研究区内地热水来自于古老的大气降水，地热水年龄在1.2～3.3万年之间。不同层位地热水的同位素分析结果见表3。

表2 各热储层水化学特征对照表Tab.2 Comparison of the chemical characteristics of the thermal reservoirs

3 高温地热水成因分析

高温地热水存在于基岩热储中，水温一般大于60℃。如前所述，牛驼镇地热田高温地热水的分布形态与基岩的构造形态是一致的，即随牛驼镇凸起而展布，温度高值区均在凸起部位，凸起两翼温度较低。构造凸起区基岩埋深浅，其上部具有较大的地温梯度和热流值，两侧凹陷区较低。

3.1 地热资源与地质构造的关系

地质构造不仅是地热资源中水源和热储层的间接创造者，构造断裂亦为水源与热源的流通提供了有利通道。

研究区基底形成于太古代至早元古代，吕梁运动以后，地壳发生激烈沉降，地台下沉，形成了以蓟县为中心的台内浅海盆地，伴随着长期的海侵活动，区内沉积了以海相碳酸盐岩为主的元古界（河北省地质矿产局，1989）。在此期间，发生了铁岭和蓟县运动造成两次沉积间断，特别是蓟县运动，使拗陷整体上升为陆，在大气降水的冲刷、淋滤作用下，元古界碳酸盐岩经历了两次岩溶化发育时期，使埋藏其中的海相同生沉积水被驱替为大气降水，发展成岩溶—裂隙储集型淡水（河北省地矿局第三水文工程地质大队，1990）。

古生代初期（寒武纪—中奥陶纪）发生海侵，导致中上元古界岩溶裂隙水盐化。中奥陶纪末，加里东运动发生，使盆地整体上升为陆，这次沉积间断，使区内缺失上奥陶纪（O3）—下石炭纪（C1）地层，中奥陶纪以前地层全部裸露地表，处于风化剥蚀和冲刷作用的淋滤环境，形成第三次岩溶发育时期，使含水系统的盐化水再次被大气降水渗入混合和交替而成为淡化水。至此，经过三次岩溶化的中、上元古代及寒武纪、中—下奥陶纪地层中海成沉积水被大气降水混合交替置换，再次成为岩溶-裂隙型淡水。

表3 牛驼镇地热田同位素测定结果表Tab.3 Test results of Niutuozhen geothermal field

中石炭纪（C2）开始，华北地台整体下沉，接受沉积，形成了海陆交互相地层。二叠纪开始，海水退却，成为陆相沉积。至此，元古代地层全部被上古生代地层所覆盖，进入埋藏封闭阶段，赋存于其中的古溶滤水处于相对稳定发展阶段，并在温、压条件及地球化学环境下接受正向变质。

二叠纪末的海西运动，地台开始上升直至整个中生代，古生代及以前地层裸露地表，特别是晚侏罗世至白垩纪的强烈构造活动，使元古代和下古生代地层拱起，牛东、牛南、容城、大兴断裂开始形成。新生代古新世早期，经过短暂的隆起后，于古新世末进入整体下沉和发育阶段，接受了孔店组、沙河街组的沉积。始新世末期的喜山运动Ⅰ幕，构造活动加剧，牛东、牛南、大兴等断裂复活，牛驼镇凸起开始形成。凸起的形成为牛驼镇地热田提供了优质的基岩热储层，即元古界蓟县系、长城系和古生界奥陶系、寒武系热储层。

喜山运动Ⅱ幕，本区仍受牛东、大兴等断裂控制，使凸起、凹陷进一步分化，牛驼镇凸起发育成熟（图4）。在此期间，牛驼镇凸起暴露地表，致使沙河街组、孔店组遭至剥蚀缺失并接受大气降水的补给。中新世晚期，本区再次下沉，广泛沉积了明化镇组和第四系，构成基岩热储的良好盖层。

图4 地质构造图Fig.4 Geological structure map

3.2 高温地热水与岩性的关系

基岩热储层岩性主要元古界白云岩、泥质白云岩和古生界灰岩、白云岩，主要以白云岩为主。白云岩具有较高的热导率（表4），比上第三系岩石（砂、泥岩）大2～3倍（陈墨香，1988），是良好的导热体。根据测温资料统计，高温地热水多出现在以白云岩为主的元古界蓟县纪热储层中，水温大于65℃（表5）。

表4 牛驼镇凸起及两侧凹陷地温状况比较表Tab.4 Comparison of ground temperature of Niutuozhen bulge and sunken on both sides

3.3 高温地热水与盖层的关系

牛驼镇地热田基岩热储层包括奥陶系、寒武系和蓟县系热储，其中蓟县系分布最广，分布面积达509.21km2，是主要热储层。其盖层为新近系和第四系（图2、图3），盖层厚度一般在1000m左右。

基岩白云岩具有较高的热导率，使得地球深处的热量，在热传导的作用下向基岩集中，当遇到断裂或裂隙发育的构造时，热量沿断裂通道上涌，在有一定厚度的盖层保温下，为热循环的形成创造了条件。这也是凸起部位的地温有明显的增高的原因。另外第四系岩性为粘土、粉质粘土、粉土及砂，新近系岩性为砂岩，岩石热导率均较低，是下覆基岩保存热量的良好屏障。

4 结语

牛驼镇地热田地热资源丰富，质优，具有非常广阔的开发利用前景。明化镇组热储和基岩热储在全区均有分布，馆陶组热储仅分布于地热田的东部边缘。基岩热储层，热水温度大于60℃，温度高，埋藏浅，是开发条件最好，也是目前主要开发热储层。

通过分析，牛驼镇地热田得益于牛驼镇凸起的形成。基岩高温地热水的形成与地质构造存在着重要的联系，以白云岩为主的热储岩性、沉积的巨厚的砂岩盖层亦为基岩高温地热水的形成提供了有利的地质环境。牛驼镇凸起暴露地表，沉积了新近系和第四系，构成基岩热储的良好盖层。由于盖层的岩石热导率较低而基岩热储岩性的热导率较高，为基岩热储创造了良好的热循环系统。

［1］张德忠，刘志刚，等.河北地热［M］.北京：地质出版社.2013：155～163.

［2］河北省地矿局第三水文工程地质大队.河北省保定市地热资源调查评价报告［R］.2003：96～97.

［6］河北省地质矿产局. 河北省北京市天津市区域地质志［M］. 北京：地质出版社，1989：539～546.

［3］河北省地矿局第三水文工程地质大队.河北省热资源调查评价汇总报告［R］.2006：117～118.

［4］河北省地质矿产局第三水文地质工程地质大队地热分队.河北省牛驼镇地热田勘查报告［R］.1990：44～47.

［5］陈墨香. 华北地热［M］.北京：科学出版社. 1988.

Genetic Analysis on High-temperature Geothermal Water in Niutuo Geothermal Field， Heibei Province

WANG Yongbo1， DING Wenping2， TIAN Yue2， WANG Jing2， DING Rui3
（1.Hebei Province Hydrogeology and Engineering Geology Prospecting Institute， Shijiazhuang， 050021； 2.Hebei Geological Survey， Shijiazhuang， 050081； 3. Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， 050021）

Niutuozhen geothermal field， especially in the bedrock thermal reservoir， is currently developed and utilized well. The bedrock reservoir water temperature of Niutuozhen is 60℃～100℃the depth of the top plate is less than 500m， general 800～1500m3the water inflow is 50～110 m3/h. The Niutuozhen bedrock geothermal water chemicals is Cl-Na type water， concentration of partial acid is 46～92mg/L， concentration of partial boric 5.0～33mg/L，concentration of fuoride 5.41～11mg/L，so it is as the high quality physical therapy mineral water. According to the analyses of the formation of high-temperature geothermal water from the perspective of structural movement， the study area is considered that not only has a good basement reservoir but also stores a rich source of water after the fve geological history stages "three settlements and two uplift" from the beginning of Proterozoic Lvliang movement to Permian. With the active of Himalayan movement， under the control of Niudong fault etc.，Niutuozhen upswell was developed. In this process， the Niutuozhen upswell was exposed out of the surface， the Neogene and Quaternary strata were formed， and the bedrock heat storage was formed by the good cover strata. In addition， because of the high thermal conductivity of bedrock thermal reservoir， and the shallow buried depth，Niutuozhen geothermal feld stored the relatively high-temperature geothermal water resources.

High-temperature geothermal water； genetic cause； Structural movement； Thermal conductivity； Cover strata

P314

A

1007-1903（2016）03-0059-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.011

王永波（1970- ），男，高工，主要从事水文地质、工程地质、环境地质，E-mail：fengzheng20040813@126.com