夏垫断裂带对地热资源分布的影响——以通州西集地区为例

张进平，袁利娟

（北京市地热研究院，北京 102218）

0 前言

夏垫断裂带是首都东部地区一条北北东向的岩石圈尺度的区域性深断裂带，其形成和演化对于北京平原地区的构造演化起着至关重要的作用(何付兵等，2013；卫万顺，2008)。该断裂带新生代断距大(可达3～4km)、延伸较长(可达70km)，切割深(岩石圈尺度)(江娃利等，2000；高景华等，2008)，是控制大厂凹陷形成和演化的盆地边界断层，构成了大厂凹陷与大兴隆起的分界线。因夏垫断裂带在历史上发生过多次强震活动，国内外众多专家学者借助地质、微地貌、物探、化探、钻探等不同方法，对夏垫断裂带的活动性、空间构造形态等特征进行过探讨(高战武等，2010；江娃利等，2000；徐锡伟等，2008)。

但前人从未对夏垫断裂如何影响华北平原矿产资源的形成、分布等特征这一课题进行过探讨。2015年10月，北京市地热研究院在通州区西集镇夏垫断裂附近成功钻凿一眼出水温度为92℃的地热井，实现了北京市通州地区中温地热资源勘探工作的突破（邹登亮等，2015)。本文以北京市通州区西集镇夏垫断裂两侧钻凿成功的3眼地热井的实钻编录、记录和测温等资料，从断裂对地热系统中储盖组合、赋水性和地温这三个因素的影响来讨论夏垫断裂对区内地热资源分布特征的控制作用，为北京市乃至京津冀地区夏垫断裂沿线地热资源的开发利用提供理论依据，为京津冀一体化发展规划提供绿色能源保障。

1 工作区概况

1.1 区域地质概况

工作区位于北京市通州区西集镇，总面积约192km2。工作区的大地构造位置处于华北断拗（Ⅱ级构造单元）内的大厂新断陷（Ⅲ级构造单元）和大兴迭隆起（Ⅲ级构造单元）两个构造单元交汇处的中部，觅子店新凹陷（Ⅳ级构造单元）和牛堡屯-大孙各庄迭凹陷（Ⅳ级构造单元）两个构造单元交汇处的中部（图1）（北京市地质矿产局，1982）。区域内地层层序有新到老发育有新生界第四系、新近系、古近系；古生界寒武系；中上元古界青白口系、蓟县系、长城系和太古界（图2）。

图1 工作区大地构造图Fig.1 Tectonic map of the study area

夏垫断裂是区内的主要断裂，横穿工作区，呈北东-南西向展布，倾向南东，倾角大于70°。夏垫断裂带是是划分大兴迭隆起和大厂新断陷的分界线，该断裂带由两条产状相近的正断层和多条次级断裂组成，形成于新生代，并在全新世有过多次活动(北京市地质矿产局，1982；徐锡伟等，2002；彭一民等，1981)。主干断裂对断裂带附近地层影响大，地层沉积受断裂带控制明显，自北西向南东逐级下沉。受夏垫断裂带的影响，断裂上下两盘基岩埋深变化大。断裂下盘自东向西基岩埋深变浅；而断裂上盘基岩埋深普遍大于1500m，且向南东方向埋深逐渐增加，在西集镇中心南约4km的凹陷中心处，基岩埋深超过4000m（刘清晓等，2008)（图2）。

1.2 区域内地热资源开发现状

工作区内地热资源勘查开发工作较晚。2009年底北京市平原区已钻凿成功地热井472眼，但西集镇地热资源勘查开发工作刚刚开展。到2011年4月和8月，西集镇先后实施成功两眼地热井通热-18和京通-2，两眼井出水温度在55℃左右，出水量分别为709 m3/d和1162 m3/d（表1）。2015年10月，北京市地热研究院在这一地区钻凿成功一眼地热井西集-1，出水量为3073 m3/d，出水温度达92℃，达到中温地热资源的要求，这口井也是首次在通州地区发现中温地热资源。恰逢京津冀协同发展计划和通州城市副中心定位的提出，西集-1井的钻凿成功一定程度上推动了通州新城地热资源开发利用工作。

图2 工作区基岩构造图Fig.2 Bedrock structure of study area

2 夏垫断裂对地热资源分布的影响

2.1 对储-盖层分布的控制作用

工作区内主要盖层为新生界松散沉积层。夏垫断裂对工作区内盖层的控制体现在断裂上下盘盖层厚度的差异上。

夏垫断裂是一条同沉积断裂，它在活动过程中上下两盘同时接受沉积，从而造成了上下两盘相同层位岩层厚度不同。因为夏垫断裂在新生代形成，并在这一时期同时沉积，使得断裂下降盘（东部）相对上升盘（西部），其新生界古近系厚度明显增大。位于夏垫断裂上升盘京通-2其新生界厚度为575m，而位于断裂附近的通热-18，揭露断裂附近下降盘的新生界厚度为1522m。而通热-18东南部的西集-1，同样揭露断裂下降盘的新生界，其新生界厚度增至2817m。反映了夏垫断裂控制下，地热系统盖层厚度的增加。此外，通热-18和西集-1新生界厚度相差近1300m，揭示了夏垫断裂可能从两者之间穿过，并形成了一千余米的断距。

在断裂活动过程中，下盘基岩块体上翘侧（西部）不断上升，导致京通-2井处的新生界古近系（Es）被剥蚀而基本缺失(表1)。而在新近系，这种不均一的断陷作用显著减弱，经过长期剥蚀的隆起与被充填的凹陷之间，高差减小，近于准平原状态，形成了新生界掩盖下基岩结构呈凹凸相间配置的构造格局，遂造成了工作区内夏垫断裂控制下盖层厚度，以及由此产生的储层埋藏深度的差异上。

表1 工区内及周边已有地热井及石油勘探孔一览表Tab.1 Existing geothermal wells and oil exploration hole surrounding work area

工作区内主要热储层，为元古界蓟县系雾迷山组白云岩储层。夏垫断裂控制下热储层埋藏深度，呈现出区域内自西向东增加的趋势。位于工作区西部的京通-2，其蓟县系热储层埋藏深度为1086m。位于其东北部约7.3km的通热-18，其热储层埋藏深度为2613m。而位于通热-18东南约1.3km的西集-1，实际编录显示其热储埋藏深度为3180m。同样位于断裂下降盘的厂-3，实钻资料显示该处热储层埋藏深度大于3200m（表1）。

2.2 对储层赋水性的影响

夏垫断裂带自北东向南西贯穿整个工作区，宽度约1500m，断距超过1300m。切穿新生界新近系、古近系、古生界寒武系、元古界青白口系、蓟县系等地层，对工区地热系统的热水循环具有特殊意义。

夏垫断裂是一个典型的张性断裂，是应力集中释放造成的破裂形变。通常意义上，断裂对储层赋水性的影响体现在两方面(汪集旸等，1993)。

首先，当断裂断距较大且存在厚层隔水层时，原来联通的含水层可被切断变成相对独立，导致含水层与外界联系减弱，甚至断绝，不利于供水，也正是由于这种作用使得大的断层往往成为含水系统的边界(张人权等，1986)。工作区内夏垫断裂带导致断层上盘和下盘的断距超过1300m，但工作区内隔水层厚度小（青白口系厚度213m），但夏垫断裂这种边沉积边活动的形态使得上盘和下盘的含水层尚未被完全错开，夏垫断裂有成为理想的贮水空间和导水通道的可能性。

第二，在元古界蓟县系白云岩和古生界灰岩这些脆性岩层中，断裂对地层的影响表现为断裂中心部分多形成疏松多孔的角砾岩，两侧一定范围内则为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带，导水能力良好。工作区内3眼井在钻井过程中的漏失变化很好的揭示了这一特征。

距离夏垫断裂约10km的京通-2井实钻结果显示（图3），自575m处进入古生界寒武系后，小漏失不间断，漏失速度一般小于10 m3/8h，最大不超过20 m3/8h。实践经验表明这种漏失量可以认为是寒武系灰岩及蓟县系白云岩的岩溶裂隙较发育情况下导致的漏失量。夏垫断裂对该处含水层的赋水性影响不明显。

位于夏垫断裂附近的通热-18井实钻结果显示其钻进过程中多处发生强烈漏失现象（图3）。1710～1853m，钻进时漏失 194m3；2857～2956m，漏失 400 m3；3020～3070m，漏失 120 m3；3099m 处在冲孔时，地层坍塌。揭示了断层导致的裂隙增强带导致的大空隙情况。

西集-1井同样位于断裂带影响范围内，但西集-1地热井在0～2817m段一直位于新生界泥质较多的塑性岩层内，断裂对其两侧岩层的裂隙增强不明显，故钻进过程中未发生明显漏失现象。但在2817m处进入寒武系灰岩和蓟县系白云岩这些脆性岩层后，偶有漏失发生。且在3000m左右在替浆时，发生地层坍塌，揭示了此深度上地层破碎情况较严重（图3）。

通过对这三口井的实钻结果的分析研究，可揭示夏垫断裂带对工作区内古生界寒武系和元古界蓟县系地层的影响。通热-18井和西集-1井两个钻孔揭露蓟县系雾迷山组灰岩深度处的夏垫断裂时，岩溶裂隙发育，断层形成的带局部破碎、以及断层导致的裂隙增强带形成一个理想的贮水空间和导水通道，热储层的赋水性提高。

图3 地热井漏失情况统计Fig.3 Drilling Dropout in Geothermal Wells

2.3 对地温场的影响

本文收集了工作区内3眼地热井（京通-2、通热-18和西集-1）的测温数据，3三眼井的测温段深度分别为 30～2800m，100～3200m、300～3400m，其中西集-1井2000～2400m未采集到测温数据。数据采集工作均为北京市地质工程勘察院井下作业公司采用SKD3000B型车载测井仪完成测试。

京通-2井位于大兴凸起内，地温曲线（图4）主体呈线性，表现出传导为主导的传热过程。地温梯度为1.8℃/100m。通热-18井位于大兴凸起边缘，钻遇主干断裂夏垫断裂，地温曲线（图4）表现出传导为主的传热过程，但在1700～1800m表现出一定的对流传热特征。1700m处，地温呈现出一个陡增的特征，随后地温又随深度增加呈现出缓慢增长的趋势。可能原因是夏垫断裂作为工作区内的主要导热通道，深部热源沿夏垫断裂迅速上升。但在1700～1800m处，岩溶发育（图3），在对流的叠加下，地温迅速降低。岩溶发育段以上，岩层孔隙度降低，地温重新表现出热传导的特征。西集-1井同样位于大兴凸起边缘，钻遇主干断裂夏垫断裂，地温曲线（图4）同样表现出传导为主的传热过程。

西集-1井测温曲线显示其新生界底板处（深度为2817m）地温为71.4℃。通热-18井相同深度处（2817m）地温为74.71℃。而京通-2井2800m地温为64℃，明显小于西集-1井与通热-18井相同深度处的地温。导致这一现象的可能原因是深部循环的高温地下水沿着夏垫断裂上升（图2），地温分布受对流传导控制，导致分布于断裂处的西集-1井与通热-18井低温相对较高。2400m以深普遍存在西集-1井与通热-18井的深部地温比相同深度处京通-2井的深部地温高近10℃的这种情况，揭示了高温的深部地热水沿着夏垫断裂上升导致的局部温度升高（图4）。

西集-1和通热-18在浅部（1700m以浅）与京通-2的地温差异较小，可能原因是夏垫断裂在新生界地层中的孔隙增大程度较弱，深部地下水的上升受阻，西集-1和通热-18两眼井中地温变化以热传导为主，与京通-2井中地温分布的控制因素相同，所以3眼井的地温差异较小。而深部通热-18井和西集-1井的地温比京通-2相同深度处地温显著偏高，这个变化可能是由于夏垫断裂切割深部基岩，形成了导热通道，使得在断裂附近的通热-18和西集-1地温要显著高于相同深度处，远离断裂的京通-2。

图4 工作区内地热井温度-深度图Fig.4 Depth profiles of temperature in geothermal wells

3 结论

夏垫断裂是区内主要的断裂构造，主要从对区域内热储-盖层组合、储层赋水性和地温场3方面来控制工作区内地热资源的分布。断裂带两侧地层错动大，断裂控制下断裂两侧盖层厚度的差异，以及由此形成的热储层埋藏深度差异大。断裂带影响范围内，岩石破碎，是区内主要的导水、导热通道。