崇礼冬奥场馆区域地质构造控热特征分析

刘永平

(河北省煤田地质局第四地质队,河北宣化 075100)

引言

张家口市崇礼区地热资源丰富，2022年冬奥会将在崇礼举办，利用地热给冬奥会供暖，对绿色奥运、环保奥运具有十分重要的意义。河北省煤田地质局《《张家口市崇礼区冬奥会场馆及周边地区地热资源调查》项目，在此基础上，通过对崇礼区地质构造控制地热的分析与研究，对崇礼冬奥会场馆区域的构造控热特征有如下认识。

1 研究区地形地貌

研究区地貌类型按成因划分为侵蚀构造型地貌、构造剥蚀型地貌和河流侵蚀堆积地貌类；按形态划分为高中区、中山区、低山区和河谷区四种形态。高中山区以阴山山脉为主，冬奥运场馆区域为中山区，海拔高度为1 000～1 500m，其地貌特征为“山连山、沟套沟”，低山区主要由花岗片麻岩和中酸性火成岩组成，山地坡度为20°～35°。河谷区主要为清水河、白河两条河谷。

2 控热构造主干断裂的特征

2.1 研究区大地构造位置

2.2 研究区构造特征

冬奥会场馆及其周边区域周边以断层为主，褶皱不发育，断裂构造构成本区主要的构造骨架。区内，发育有34条断裂(图1)，其中以阴山纬向构造带为主，即主要发育EW向构造断层，新华夏系构造带区未出现，只在周边赤城附近。在诸多断裂中，以尚义—平泉深大断裂规模最大，该断裂及其次生的断裂形成调查区的主干断裂。

图1 研究区区域构造简图Figure 1 A sketch tectonic map of study area

2.3 研究区地层及地热地质

区内分布在尚义-平泉深大断裂两侧的基底地层主要为太古宇崇礼群和古元古界红旗营子群变质岩及燕山、海西期侵入岩。局部赋存有中生界侏罗系下花园组，在区内河谷及山麓带沉积有新生界第四系。研究区外围分布有中元古界长城系和蓟县系。

研究区位于冀北山地地下热水区和冀西北山间盆地地下热水区的交汇部位。尚义-平泉深大断裂北侧为垻上高原属于冀北山地地下热水区，分布多处地热资源，如赤城汤泉、隆化北汤泉等。南侧为冀西北山间盆地，包括阳原-蔚县盆地、怀来山间盆地等，属于冀西北山间盆地地下热水区，分布有多处温泉群，如宣化赵川的白庙温泉、阳原三马坊温泉、赤城塘子营温泉群等。

2.4 主干断裂的规模

据中国地质大学(北京)邓刘洋，刘胜等人研究，尚义—平泉深大断裂，该深大断裂深度超过25km。经遥感解译、电磁探测、氡气测量等手段勘查，证明该断裂切割深度均在1 500m以深。在出露地段，断层形成较连续的破碎带20～100m。以电法测量资料推测，断裂破碎带宽度在100～500m以上。断裂破碎带主要由压扁砾岩、碎裂岩、碎斑岩、构造片岩、糜棱岩等构成，裂隙发育。

2.5 主干断裂活动时间及断裂力学性质

该深大断裂活动时间自太古界末开始存在，主要活动时间，在元古代早期至中生代早期。在吕梁、海西、燕山等阶段，在燕山期以后活动较少。该断裂活动，主要是各类岩浆岩的侵入。对地热影响显著的岩浆岩，是燕山期花岗岩的侵入。崇礼地区花岗岩分布广泛，花岗岩多以岩株侵入形式存在。

断裂性质由于受断层断裂多期影响，具有压性—张性反复演化多期运动的特点。目前断层以挤压性质为主，具有为逆冲断层的特征，断层面向北倾斜，倾角80°。

3 主干断裂对成热、储热的影响

3.1 构造导热形成

区域内地下水垂直水力联系不明显，大气降水直接补给较少，多为次级断裂的侧向补给。大气降水经由第四系含水层，或直接经次级断裂下渗至深部热储，地热流体存储空间为深大断裂及次级断裂破碎带。在区域地温梯度条件下吸取围岩传导热和放射性生热而增温，并与周围的围岩发生溶滤作用。热水温度升高，上部岩层封闭或半封闭透水性差，造成热源通过岩层裂隙上升，在冷、热水对流的影响下，产生压力，沿岩层开放性裂隙流出，形成温泉。

3.2 地热梯度变化

本次调查分析崇礼其周边区域三口地热井资料，70m以浅的第四系，基岩风化带，地热梯度为0.85～ 0.89℃/100m;大面积分布的片麻岩、岩浆岩地温梯度1.4～ 2.8℃/100m;断裂带附近局部地温梯度扩大4.5℃/100m。据此推断，断层是主要的导热构造。

3.3 构造储热

新生代以来，地表及断裂构造的上部裂隙黄土碳酸岩、绢云母、绿泥石、氧化铁质和硅质等充填，在垂向对深大断裂内部热水起到一定保温作用；断裂带的的裂隙从而构成良好的储水空间。该深大断裂是本区的主要导热构造和储热构造。犹易两条断裂交会处，是地下热水的富集场所，是我们寻找地热的理想靶区。例如赤城汤泉，该温泉为NE、NW向主干断裂次级断裂交汇部位形成温度68℃，水量743m3/d的温泉。

4 主干断裂对热源物质的控制

4.1 地球物理特征

主干断裂区域布格重力特征异常：据河北省煤田二队1996年地热资源调查报告深部重力勘测结果分析，区内布格重力异常值-120～-105mgal，处于张家口北部垻上地区布格重力值变化范围的顶部，在山区属于较好的地温场反映。

主干断裂区域航磁特征异常；据《河北省崇礼-赤城地区航空综合物探测量工作总结报告》[2]可知，探明的下两间房-东榆树沟-后沟磁场和草场沟-大边-云州磁场以及崇礼-镇宁堡-赤城低值异常带，大致都在主干断裂周围。下两间房-东榆树沟-后沟磁场位于主干断裂和其一次级深大断裂区域内,总场极值最高达4 700nT；与中元古代超基性岩侵入相吻合。草场沟-大边-云州磁场位于主干断裂以北，总场极值范围为-200～400nT,为构造引起的深部热液活动给磁性地层造成的热退磁所致。崇礼-镇宁堡-赤城低值异常带与主干断裂相吻合。

4.2 本区热流值特征

根据中国科学院地质研究所资料及以往地热资料可知，研究区热流范围在35～39 mW/m2，处于山区热流值变化范围的顶部，在山区属于较好的地温场反映区。根据《中国大陆地区大地热流数据汇编》(第三版)，本区地温梯度1.44C°/100m，热导率0.65W/m·K,热流35mW/m2,恒温带平均深度30m。

本次对崇礼地区调查实测热流值：地温梯度2.2C°，热导率1.59W/m·K,热流35mW/m2,恒温带平均深度30m。

4.3 岩浆岩放射性生热率

调查区属于岩浆活动较强烈的地区。根据区域构造和岩性分析可知，火山活动形成中生代白垩系下统张家口组一套火山岩，主要岩性有石英粗面岩、粗面安山岩、流纹岩等。侵入活动多次进行，分为太古宙、早元古代、中元古代、海西晚期和燕山早期。岩性主要为二长杂岩岩体。通过对本区岩浆岩放射性生热率测算：花岗岩放射性生热率最高为5.785μW/m3，平均生热率3.029μW/m3；片麻岩放射性生热率0.914μW/m3；正长岩放射性生热率1.269μW/m3；二长岩放射性生热率1.533μW/m3。花岗岩放射性生热率最高，经计算，2.5km厚度的花岗岩对大地热流的贡献为7.57mW/m2，在本区大地热流中的贡献率为21.6%。

4.4 主干断裂对花岗岩的控制

本区特殊大地构造背景下形成的深大断裂对燕山期花岗岩的侵入起着绝对控制作用。崇礼区内花岗岩沿断层走向广泛分布，其侵入类型，有岩株、岩基。有的岩基厚度远大于2.5km;如此厚度的花岗岩，提供了充足的热源。

5 研究区地热成因模型分析

地热资源的形成的关键要素为：热源，热储介质(水)，盖层和储热构造。

5.1 热源

水热型地热资源的热源：按形成类型划分，可分为岩浆余热型、地壳放射性热源型、上地幔热源型和机械热源型四种。根据本次调查，通过对放射性生热率与区域地热地质条件分析，调查区地热资源的热源主要是上地幔热源与放射性热源。热流值范围在35～39 mW/m2，，处于山区热流值变化范围的顶部，属于较好的地温场反映区。

研究区内有花岗岩分布，其单位体积的放热量平均为2.9μW/m3，略高于世界花岗岩的平均值2.5μW/m3，花岗岩岩体的放射性对热形成提供了辅助热源。

5.2 热储介质(水)

一是大气降水沿风化带网状裂隙径流和侧向径流，二是过去构造运动封闭在深大断裂中的水。

5.3 盖层

尚义-平泉深断裂南北两侧大面积出露太古宇崇礼群和古元古界红旗营子群片麻岩、变粒岩与燕山、海西期侵入岩。据汪集旸对各类岩石热导率的研究[6]，片麻岩、变粒岩等作为盖层，其隔热、隔水性能相对较差，易造成地热资源的散失，可定为不良盖层。但根据罗舜浩、张兵、徐世光等对带状热储的研究[7]，不良盖层带状热储若封闭封性能好，同时，围岩又多为富水性弱的岩层，与外界导通渠道不畅，热源不易散失，对地热资源影响不大，所以盖层条件对于带状热储的热储温度的控制所起到的作用有限。同时，在沟谷中存在第四系良好覆盖层，但其厚度一般不超过100m，起到一定的隔热作用。

5.4 储热构造

研究区内大面积分布太古宇崇礼群和古元古界红旗营子群变质岩及燕山、海西期侵入岩，垂向上于地表往下几千米无富水性强的含水层，深部地下水只在断裂破碎带中聚积、赋存，形成带状储水空间。

尚义—平泉深大断裂及其次级断裂是本区最主要的断裂，该断裂的断距均较大，破碎带宽度在100～500m以上，切割深度均在1 500m以深(据收集的航磁综合解译深断裂切割深度大于10km)，裂隙发育。目前其表现为逆冲断层，受断裂多期活动的影响，深大断裂具有压性—张性演化特征，形成较连续的破碎带，从而构成良好的储水空间。

断裂破碎带主要由压扁砾岩、碎裂岩、碎斑岩、构造片岩、糜棱岩等构成，裂隙发育。其主要活动时期在吕梁、海西、燕山等阶段，在燕山期以后活动较少。断裂活动时期的地下水封闭在断裂深部，地下水的赋存使断裂破碎带深部可能处于张性导通状态。新生代以来，上部裂隙充填有碳酸岩、绢云母、绿泥石、氧化铁质和硅质等，在垂向上阻隔了地下水的流通，也对深大断裂内部热水起到一定保温作用。

6 成热模型分析

本区特殊大地构造背景下形成的深大断裂对地热资源的形成起到关键作用，既为热储，也是地下水的径流通道。大气降水，或原封闭在在断层中的水，沿着风化带网状裂隙，或直接通过次级断裂侧向径流至破碎带深部贮水空间。地壳深部上地幔热流通过热传导方式上升、扩散，与岩浆岩放射性生热共同对深大断裂破碎带深部地下水加温形成地下热水。形成的地下热水或在深大断裂深部贮存，或通过次级断裂上涌，途中岩浆岩放射性加热，在谷底静水压力差大、裂隙阻力小的部位上涌形成温泉，条件不具备的地方在次级断裂中赋存。

推测分析本区的地热水资源模型是：上地幔与岩浆岩放射性供热—深大断裂导热通道—深大断裂破碎带与次级断裂热储—断裂裂隙带直接或侧向径流补水的带状热储(图2)。

图2 推测研究区地热资源模型Figure 2 Inferred study area geothermal resource model

7 结论

(1)经过区域内地热成因概念模型与尚义-平泉深大断裂及其次级断裂特征分析，崇礼冬奥会场馆及附近尚义-平泉深大断裂两侧次级构造破碎带底部在较好的贮水空间，在地下也有足够的温度对地下水加热。热储赋存深度较大。

(2)尚义-平泉深大断裂两侧次级构造具有以下两种赋存形式：①深大断裂破碎带深部，上覆有泥砂充填的隔水层；②赋存于深大断裂交汇连通的次级断裂内。

(3)断裂两侧均为地热远景区。