浅析北京市延庆区西北部地热地质特征

张进平

摘要：为解析延庆区西北部地区的地热地质特征，本文通过对研究区内的地热流体通道、热储层和盖层条件的总结分析，并综合地温场分布特征和地热流体化学特征，浅析了研究区内的地热资源形成条件。结果表明，研究区内的NEE向与Ns向断裂为主干断裂，在其交互处，形成主要的热水通道，发育了以蓟县系雾迷山组为代表的层状热储，地热流体主要来源于1.5-4.6万年前的大气降水补给，与浅层地下水几乎无水力联系。延庆盆地内的地热资源主要受以热传导为主的传热过程控制，热储层和盖层岩石热导率的差异，使得平面上的温度差异显示出受控断裂构造控制的趋势。

关键词：地热地质;热储层;地温场;地热流体

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：007-1903（2019）01-0026-08

0引言

近年来，随着国家对环境保护重视力度的不断加大，国家及地方政府出台了一系列政策和措施，促进以地热能为代表的清洁能源在城市规划和建设中的应用。与化石能源相比，地热能具有清洁可再生性的不可比拟优势，同时具有地区专属特性，而在北京地区开展地热能的资源勘查和开发利用都具有重要的意义。延庆盆地内的延庆地热田是北京已划定的10大热田之一，热田面积为121.88 km2（北京市国土资源局，2006），赋存较丰富的地热资源，但延庆区西北部仍处于地热资源勘查开发的相对空白阶段，研究区内仅有6眼地热井和1处温泉（北京市地热研究院，2018）。对延庆区西北部地区开展地热地质条件分析有助于增强延庆地区地热资源的开发利用潜力，随着国家以及北京市不断加大对延庆区进行清洁可再生能源的投入和政策鼓励，尤其是即将在延庆地区举行的2019中国北京世界园艺博览会和2022年举行的冬奥会，在这种向世界展示中国的舞台中应用以地热能为代表的清洁能源，能够有力地减少对化石能源的依赖和需求，显示出中国对大气环境重视的积极信号，有利于改善该地区的生活环境，进一步利于人民的健康发展。

为了厘清延庆区西北部的地热地质特征，本文通过对研究区内的地热流体通道、盖层和储层进行表征，并综合该地区的地温场特征和地热流体的水化学特征，详细探究了延庆区西北部的地热地质特征，为今后该地区的地热资源勘查和开发利用奠定了理论基础。

1研究区地质概况

1.1大地构造背景

研究区位于延庆区西北部，隶属于两个Ⅲ级构造单元，即延庆新迭断陷和大海坨中穹断（图1）。延庆新迭断陷受多期次的构造活动叠加，盆地南侧和北侧均受北东向正断层控制，盆地形成“槽状”地堑，由于受北东向断裂的限阻及南北向断裂的截切，盆地基底被断切成规模小的、起伏达数百上千平方米的、凸凹窗棱格子状的四边形构造断块;大海坨中穹断主要为大海坨山花岗岩体出露范围，成岩基状，面积约为400km2，是燕山晚期中酸性侵入岩体，呈北北东向纺锤状侵入体（北京市区域地质志，1991）。

1.2断裂展布特征

延庆盆地内断裂发育，主要发育了北东向断裂和近南北向两组断裂，仅发育一条近东西向断裂（图2），多条断裂相互穿插切割，控制了延庆盆地内部凹凸相间的的格子状构造格局的展布（北京市地质勘察技术院，2016）。

（1）北东向断裂

佛峪口一黄柏寺断裂（F1）：展布在峪水-佛峪口-玉皇庙-黄柏寺-带，该断裂构成延庆盆地的北部边界，走向北东东，倾向南东，倾角70°左右，北盘山地强烈上升，南盘（即延庆盆地）强烈下沉，为高角度正断裂。

康庄-沈家营断裂（F2）：展布在康庄-沈家营-带，控制着延庆盆地南部边缘。该断裂为区域性隐伏断裂，走向北东，倾向北西，为正断层。断裂西北侧是延庆盆地的沉积中心，在新生代曾有过强烈的沉陷，尤以第四纪明显。

（2）近南北向断裂

黑龙庙断裂（F3）：展布在黑龙庙一张山营一线，走向近南北，倾向东，为高角度正断裂。

张山营断裂（F4）：展布在小河屯一马庄一线，在山区出露长约12km，向南延伸没入第四系，走向北东，倾向北西，倾角约为50°-75°，为高角度逆断层。

路家河断裂（F5）：展布在玉皇庙一西桑园一带，走向近南北，倾向东，倾角45°-70°，为高角度逆断裂。

靳家堡断裂（F6）在小鲁庄至苏家河东侧区域出露，是一条规模较大的断裂，向南没入第四系覆盖层之下，总体走向近南北，断层倾向东，倾角较陡，45°-70°。上盘为髫髻山组地层，下盘主要为蓟县系雾迷山组，為逆断层。

古城一苏庄断裂（F7）：在古城北侧山区有出露，是一条规模较大的断裂，向南没入第四系覆盖层之下，总体走向近南北，断裂破碎带宽20m左右，断层倾向西，倾角较陡，西侧为蓟县系雾迷山组，东侧为中侏罗系髫髻山组，为高角度逆断层。

胡家营一塘子庙断裂（F11）：展布在山区水峪一塘子庙一带，存在于花岗岩岩体内，向西南延伸至山口后即隐伏于山前第四系之下。

（3）近西东向断裂

五里营断裂（F8）：展布在五里营一黑龙庙一线，是一条隐伏断裂，走向近西东，为推测断裂。

2地热地质特征

2.1地热流体通道

多数情况下，地热系统中的导热通道一般为断裂构造，断裂切割多套地层，导通热源，为热对流提供了通道，这种构造一般称为“导热构造”主要有两种类型：一类是单一断裂带另一类是不止一个断裂系统的交汇复合。构造的发育也可以使地层破碎更有利于地热资源的储存和运移，尤其是平原区基岩中的地下热水的分布明显受断裂构造的控制（吕金波等，2001;周训等，2006;柯柏林，2009a;柯柏林，2009b）。

延庆盆地内断裂构造十分发育，有多条南北向的压性断裂和多条北东向的张性大断裂穿过本区（图2）。尤其是北东向的佛峪口一黄柏寺断裂为盆地北侧与山体的交界断层线，是一条燕山期形成的规模较大、走向多变的张性大断裂，该断裂在本区走向北东转至北东东，倾向南东，倾角大、切割深，断距大，为地壳深部热能向上运移提供了较好的通道。康庄一沈家营断裂为延庆盆地的南缘断裂，其西侧发育北东走向的原西桑园一谷家营断裂，延庆城区内已成功利用的地热井证实了该条断裂东北段的存在，这些北东走向的断裂共同指控了延庆盆构架。近南北向的黑龙庙断裂、张山营断裂、路家河断裂、靳家堡断裂和古城一苏庄断裂，在一定深度上与上述两条北东向的大断裂交汇，且断裂均有一定的活动性，与北东向断裂形成良好的纵横交错热通道网络，有利于深部热流的向上传导，因此形成了该区最主要的导热通道。

山区及山前平原区虽然整体为大范围花岗岩侵入体，但山区发育有塘子庙一胡家营断裂等多条断裂带，形成天然导热通道，北京最早发现的位于松山林场的塘子庙温泉就是通过该导热通道形成的。位于山前地带的胡农-1地热井和京延13地热井都显示了较高品质的地热资源，两者皆未钻遇蓟县系雾迷山组，前者终孔于第四系，后者终孔于花岗岩中，推测该断裂在山前延伸，从而可以成为上述两眼地热井的优良导热通道。因此，该断裂亦可作为研究区内山区及山前地带的重要导热通道。

2.2盖层特征

研究区内主要的热储盖层为第四系、白垩系、侏罗系，盖层岩性致密，其地热增温率一般都高于热储层的增温率，具有较好的隔水隔热性能。

第四系在研究区内广泛分布，且厚度较大，已有钻井揭示第四系厚度多大于500m，最厚可达1000m（表1）。由于第四系的底部富含有粘土及细砂成分，在漫长的地质演化过程中，岩性变得相对较为致密，形成了该区较为重要的热储盖层，实钻成果显示，该区第四系地热增温率最高可达5.7°C/100m，平均为3.8°C/100m（表2）。

白垩一侏罗系在该区分布也相对较广，构成了第四系的基底地层，岩性以中酸性火山岩为主，由于富含有凝灰质成份，且厚度较大（表1），保温作用较好，在研究区内的大部分地区也可以作为较好的热储盖层。实钻记录显示该系在本区的平均地热增温率可达3.1°C/100m，平均为2.0°C/100m（表2）。

2.3热储类型及分布特征

北京平原区热储层以碳酸盐岩地层为主，包括奥陶一寒武系灰岩、蓟县系（铁岭组和雾迷山组）白云岩和长城系高于庄组白云岩（北京市地质矿产局，北京市地热研究院，2010）。研究区内已探明的碳酸盐岩地层为蓟县系雾迷山组，岩性主要为白云岩，同时盆地内断裂构造发育，岩溶、裂隙发育，有利于热水赋存，可视为研究区内的主要热储层。

全区除西北部山前地带外，蓟县雾迷山组在研究区内普遍存在。研究区西北部的山前地带，京延13井和前人研究的地球物理勘查成果（北京市地质勘察技术院，2016）均揭示该地区花岗岩直接伏于第四系之下，岩浆岩的侵入可能会导致一定深度内蓟县系雾迷山组缺失。

区域上雾迷山组白云岩与上覆侏罗白垩系不整合接触，储层顶板埋藏深度最浅为511m（庆-2），最大埋深大于2340m（新延灌-1），最大视厚度超过1700m（延热灌5）（表1）。储层内岩溶裂隙发育，单井出水能力较强。尤其是研究区内2018年新钻凿成功的京延11井，其开采目的层为蓟县系雾迷山组地层，地热井在钻凿过程中泥浆漏失段较多（表3），显示出热储层的富水性优良，地热井出水量可达5009.64m3/d，出水温度可达80°C，结果表明研究区作为内层状热储层的蓟县系雾迷山组具有良好的地热资源潜力。

3地温场特征

本次研究系统整理分析了延庆盆地内已有的16眼地热井的测温资料（图3），结果表明，在垂向上延庆盆地内大部分地热井由地表至终孔深度地层温度逐渐增加，显示出以传导为主的传热过程。研究区内的第四系、白垩系与侏罗系盖层的地温梯度明显大于蓟县系雾迷山组储层（表2），说明这一地区从地温场特征来讲具有良好的地熱地质条件，同时白垩系和侏罗系增温率很高，一般会超过正常地温梯度，进入储层后梯度迅速降低，说明储层热水对流强烈。

研究区内1000m深度、1500m深度和2000m深度的温度等值线图（图4，图5和图6）则表明，不同深度的地温等值线在平面上呈现出相同的规律，1000m、1500m和2000m深度上地温分别分布在39°C～59°C、43°C-68°C、53°C-72°C范围内。在研究区的东南部，以京延-1井、京延-4井、京延-5井、格兰山2、格兰山3和延热8为中心的相对低温中心，1000m、1500m到20（～n深度上的低温电心向F6、F8交汇处形成的蓟县系顶板埋藏深度凹陷处逐渐转移，最终与凹陷中心位置吻合。

4地下热水的同位素特征

4.1稳定同位素特征

位于研究区内的京延11井、京延12井和京延13井以及塘子庙温泉的地热水稳定同位素组成相似，均显示出贫重同位素的特征，3眼地热井及温泉的δ18O分布在-11.95%。-11.75‰范围内，δ2H分布在88.12%o--86.34%0范围内（图7）。

研究区内浅层地下水（包括第四系地下水和150m以浅的基岩水）的同位素组成与溪水的同位素组成类似，8 M0分布在-10.7‰-9.6‰范围内，δ2H分布在-75.44‰-70.00‰范围内，与地热水和温泉水的同位素组成相比，富集重同位素（图7）。

4.2氚和14C测龄分析

利用地热流体的氚和14C测龄分析可以进行地热水的迁移规律研究（Wang et al，2001;顾慰祖等，2002），对研究区内的地下水开展了氚和14C测龄分析。测试结果显示研究区内地热水和温泉水中3H含量均低于检测限（表4），而第四系浅层地下水中氚含量分布在2.2-11.7TU范围内，表明两者之间几乎不存在水力联系。

研究区内3眼地热井中地热水的14C含量分布在0.3-14.8pMC范围内，地下水视年龄大于1.5万年，其中井深为2600.58m，开采层为蓟县系热储层的京延11井地热水视年龄约4.6万年，与平原区地热田内雾迷山组内地热水中14C含量相近。塘子庙温泉14C含量为7.4pMC，视年龄约2万年（表5）。

5讨论

5.1地温场分布

研究区内的地温场特征表明，区内的地热资源潜力巨大，但在1000m、1500m和2000m埋深的温度场的迁移变化，可能主要是由于构造控热导致的热流重新分布而导致，相同深度上凹陷区地温偏低。而东五里营凸起地温并没有明显表现出构造导致热流重新分配的高地温，可能原因是这一区域盖层厚底小，保温条件较差，热流重新分配的高地温效应部明显。不同深度上京延11和延热2、延热灌2形成了两个高温中心，分别位于F5、F6与F8的交汇处，可能原因是这三条断裂是研究区内主要的导热通道。

5.2地热水来源

研究区内浅层水的同位素组成与溪水的同位素组成类似，但与地热水和温泉水的同位素组成相比，富集重同位素，说明了两者的来源存在差异。同时，研究区内的地热水和浅层地下水的氚测试分析结果表明，地热水和温泉水中的3H含量低于检测限，说明地热水可能主要来源于1954年以前补给的地下水;而研究区内的第四系浅层地下水中氚含量分布在2.2～11.7TU范围内，暗示了第四系浅部含水层中地下水来自于1954年至今补给的地下水，特别是Y-7样品中氚含量为11.7TU，与通州区内现今背景自然界中的宇宙射线产生的平均3H含量接近（北京市地质勘察技术院，2016），表明该处地下水与大气降水联系紧密。研究区内溪水中氚含量为4.6TU，验证了溪水来源于大气降水和地下水的混合补给。地热水中氚含量测试结果表明：地热水与第四系浅部含水层几乎无水力联系。

研究区内溪水中14C含量为90.7pMC，但同时3H含量为4.6TU，低氚含量揭示了溪水来源于地下水与大气降水的混合补给，而较高的14C含量代表着C02的开放系统。其余各浅部含水层中地下水14C含量分布在33.6～78.3pMC间，代表着不同程度的CO2封闭系统。其中14C含量最高的Y-7，其3H含量也为浅层地下水系统中3H含量最高值（1 1.7TU），两者吻合程度较好。地热水中14C含量测试结果表明蓟县系热储层中地热水与平原区蓟县系热储层中地热水年龄相仿，研究区内花岗岩热储层内地热水年龄最轻，可能通过断裂运移至浅部含水层。

6结论

通过对研究区内已有成果资料的综合分析，并结合地温场分布特征和热流体化学特征，深入探讨了研究区内的地热地质特征，主要取得以下结论。

（1）研究区内热储构造发育，NEE向与NS向断裂是本区主要断裂系统，在其主干的交汇部位，形成热水通道。

（2）研究区内热储层主要为蓟县系雾迷山组，全区除西北部山前地带花岗岩侵入导致一定深度内蓟县系雾迷山组缺失外，蓟县雾迷山组地层在研究区内普遍存在，储层内岩溶裂隙发育，尤其是以京延11地热井为代表，单井出水能力达5009m3/d，出水温度可达80°C，是延庆地区已知的出水量最大，水温最高的地热井，显示出该套热储层的优良地热资源潜力。

（3）延庆盆地内地热以传导为主导的传热过程，而热储层和盖层岩石热导率的差异使得平面上温度差異呈现出构造控制的趋势。断裂交汇处多成为高温中心，显示出了断裂对地热资源展布的控制作用。

（4）研究区内蓟县系热储层中的地下水与第四系含水层及浅部基岩含水层中地下水几乎不存在水力联系，地热水可能更多地是来源于1.5-4.6万年前的大气降水补给。