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地?zé)豳Y源開發(fā)利用

北京市平原區(qū)北部孫河斷裂的地?zé)岬刭|(zhì)特征

 北京市分布有較為豐富的地?zé)豳Y源, 在平原區(qū)基巖中地下熱水的分布明顯受斷裂的控制。
 
  自物探、鉆探資料及地質(zhì)分析反映北京南口至孫河兩地確定有一條北西向斷裂以來, 由于該斷裂大部分隱伏于平原區(qū)新生界地層之下, 一直到現(xiàn)在很多地質(zhì)工作者及文獻(xiàn)資料都將該斷裂稱為南口—孫河斷裂① 。1983 年田世義②根據(jù)電阻率測(cè)深資料認(rèn)為南口—孫河斷裂是一條不連續(xù)的斷裂, 將南口—孫河斷裂解體為南口斷裂和孫河斷裂。1986年楊松筠③根據(jù)重力勘探資料進(jìn)一步確定了南口斷裂和孫河斷裂的展布位置。現(xiàn)在普遍認(rèn)為南口斷裂和孫河斷裂共同構(gòu)成南口—孫河斷裂帶。孫河斷裂是首都圈平原區(qū)一條重要的隱伏活動(dòng)斷裂, 其地震活動(dòng)性受到廣泛關(guān)注。近年來,伴隨著地?zé)豳Y源的勘探, 在孫河斷裂區(qū)域進(jìn)行了多項(xiàng)可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)和數(shù)眼地?zé)徙@井等勘查工作, 進(jìn)一步提高了對(duì)孫河斷裂特征的認(rèn)識(shí)。
 
  1 孫河斷裂的特征
 
  1.1 區(qū)域地質(zhì)特征
 
  孫河斷裂區(qū)域上大致沿孫河鎮(zhèn)至沙子營村一線展布, 該斷裂是后沙峪凹陷與來廣營凸起兩個(gè)構(gòu)造單元的分界線。斷裂走向NW— SE, 傾向NE。斷裂的北東盤第四紀(jì)以來表現(xiàn)為強(qiáng)烈斷陷,第四系厚度1 000 m左右, 斷裂南西盤第四系厚度僅200 ～ 500 m。孫河斷裂西端切斷了黃莊—高麗營斷裂, 東端切斷了順義斷裂(圖1)。孫河斷裂上、下盤第四系下伏地層為上侏羅統(tǒng)。
 
  1.2 地球物理特征
 
  1.2.1 重力特征
 
  在研究區(qū)的布伽重力等值線平面圖上,布伽重力值總體由西南向東北降低, 后沙峪一帶為重力低值區(qū), 最低值-26 ×10-5 m/s2 , 鉆孔揭露表明, 后沙峪區(qū)域?yàn)榈谒募o(jì)沉積凹陷, 第四系厚度1 000 m左右。
 
  沙子營—孫河一線為2 ～ 3 km寬的布伽重力等值線密集帶, 該密集帶是孫河斷裂的反映。從重力密集帶影響范圍分析, 孫河斷裂并非由一條斷裂構(gòu)成, 應(yīng)是由多條斷裂組成的一條斷裂構(gòu)造帶。
 
  重力水平梯度曲線上10— 26號(hào)點(diǎn)之間出現(xiàn)了較寬的重力梯度異常, 其中10— 16號(hào)點(diǎn)最高重力梯度值達(dá)4.5 ×10-5 m/(s2· km)。從異常強(qiáng)度上分析, 10— 16號(hào)點(diǎn)區(qū)域?yàn)閷O河斷裂構(gòu)造帶西南端與來廣營凸起分界的主干斷裂(圖2(b)中F1)。16— 26號(hào)點(diǎn)區(qū)域的重力水平梯度也顯示有次級(jí)斷裂的存在。
 
  1.2.2 電阻率測(cè)深特征
 
  電阻率等值線斷面圖中1— 2號(hào)點(diǎn)區(qū)域呈等值線密集帶, 該密集帶的位置與重力水平梯度最高值點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。1— 2號(hào)點(diǎn)區(qū)域?yàn)閷O河斷裂帶西南端與來廣營凸起分界主干斷裂(F1)的顯示。
 
  1.2.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深特征
 
  從可控源音頻大地電磁測(cè)深剖面圖上看, 橫向上視電阻率曲線有一定的起伏變化,剖面的20— 30號(hào)、50— 60 號(hào)及70— 80號(hào)點(diǎn)區(qū)域均出現(xiàn)了視電阻率曲線的彎曲臺(tái)階, 并且與重力水平梯度高值區(qū)比較吻合, 因此推斷解釋為孫河斷裂的次級(jí)斷裂(F2、F3、F4)的反映。
 
  1.2.4 綜合分析
 
  從上述孫河斷裂的重力、電阻率測(cè)深及可控
 
  源音頻大地電磁測(cè)深綜合特征來看, 孫河斷裂實(shí)際表現(xiàn)為一條斷裂帶, 現(xiàn)有資料可初步識(shí)別出4條斷裂(F1、F2、F3、F4), 斷裂帶寬度約3 km左右。F1是后沙峪凹陷與來廣營凸起構(gòu)造單元的分界斷裂, 為主干斷裂。F2、F3、F4 為次級(jí)斷裂, 分布于后沙峪凹陷內(nèi), 呈階梯狀特征, 對(duì)第四系的沉積厚度有控制作用。
  Fig.3 GeothermalgeologicalprofileofSunhefaultzoneQ.第四系;J3.中生界上侏羅統(tǒng);C— P.石炭系—二疊系;O.奧陶系;∈ .寒武系;Qn.上元古界青白口系1.3 孫河斷裂的多期活動(dòng)性近幾年, 為了解深層地?zé)豳Y源, 在孫河斷裂帶兩側(cè)鉆探了數(shù)眼地?zé)峋?/a>, 最深的來熱-2地?zé)峋?/a>4 051 m, 基本揭示了其深部的地質(zhì)構(gòu)造條件(圖3)。從圖3中反映的地層接觸關(guān)系可以看出, 斷裂上盤時(shí)代老的地層(C— P、O— ∈ 、Qn)蓋在了下盤時(shí)代新的地層(J3 、C— P、O)之上, 說明孫河斷裂晚侏羅世后的構(gòu)造活動(dòng)為逆掩性質(zhì), 上盤上升強(qiáng)烈。斷裂上、下盤地層厚度對(duì)比, 晚侏羅世—第三紀(jì)時(shí)期上盤上侏羅統(tǒng)(J3 )地層遭受強(qiáng)烈剝蝕至少2 000 m。第四紀(jì)時(shí)期孫河斷裂又繼承早期斷裂面活動(dòng)表現(xiàn)為張性, 上盤累計(jì)下降幅度達(dá)千米左右。晚侏羅世以來, 孫河斷裂至少有兩期大的性質(zhì)相反的構(gòu)造活動(dòng)。
 
 
  2.1 導(dǎo)熱作用
 
  南口—孫河斷裂帶在第四紀(jì)時(shí)期存在強(qiáng)烈的活動(dòng), 對(duì)后沙峪第四紀(jì)凹陷具有重要的控制作用。
 
  該斷裂帶晚更新世(60 ka)以來表現(xiàn)為多期活動(dòng)特征。黃莊—高麗營斷裂是一條深大斷裂, 1978年國家地震局地質(zhì)研究所研究認(rèn)為該斷裂斷至上地幔的第一個(gè)界面, 斷深約50 km。近期研究[ 7] 認(rèn)為, 黃莊—高麗營斷裂錯(cuò)斷了全部第四系地層,斷裂面直達(dá)地表, 具有多期活動(dòng)的特點(diǎn), 該斷裂挽近期常發(fā)生小地震活動(dòng)。黃莊—高麗營斷裂溝通了上地幔熱源, 是北京平原區(qū)重要的導(dǎo)熱構(gòu)造。
 
  孫河斷裂錯(cuò)斷了黃莊—高麗營斷裂, 與其形成了良好的熱流溝通, 因此, 孫河斷裂也具有良好的導(dǎo)熱性能, 成為后沙峪地?zé)崽?/a>的重要導(dǎo)熱通道。
  經(jīng)5眼地?zé)?/a>井統(tǒng)計(jì), 本區(qū)各時(shí)代地層平均地溫梯度第四系為2.54 ℃ /hm、侏羅系2.59 ℃ /hm、石炭系—二疊系1.62 ℃ /hm、奧陶系—寒武系1.72℃ /hm、青白口系4.70 ℃ /hm, 與北京平原區(qū)地層的平均地溫梯度對(duì)比, 該區(qū)侏羅系、奧陶系—寒武系、青白口系地溫梯度明顯偏高(表1)。
 
  
  區(qū)塊地溫梯度/(℃/hm)
 
  Q J C— P O— ∈ Qn
 
  后沙峪 2.54 2.59 1.62 1.72 4.70
 
  北京平原3.00 1.80 2.00 1.00 2.30
 
  從圖3中的地溫特征可以看出, 地溫等值線在孫河斷裂帶部位呈向上增高凸起, 向兩側(cè)地溫逐漸降低, 地溫最高點(diǎn)在順后熱-1地?zé)峋?/a>部位。
  其原因是孫河斷裂帶高熱導(dǎo)率的奧陶系、寒武系和青白口系碳酸鹽巖較兩側(cè)相對(duì)呈構(gòu)造凸起, 深部熱流在沿孫河斷裂向淺部傳導(dǎo)運(yùn)移過程中, 熱流趨于向凸起部位聚集, 凸起部位發(fā)育次級(jí)斷裂構(gòu)造更有利于熱流的傳導(dǎo)。這一特征在京津唐地區(qū)構(gòu)造凸起地?zé)崽?/a>具有普遍的規(guī)律, 地溫場(chǎng)在凹中凸起部位高, 凹陷部位相對(duì)低。
 
  孫河斷裂區(qū)域第四系下伏地層為侏羅系, 巖性主要為火山巖類。鉆孔揭露侏羅系厚度1 066 ～1 830 m, 層底深度2 115 ～ 2 746 m。從物探資料和鉆孔資料反映, 孫河斷裂及其影響帶寬度達(dá)3 ～4 km, 致使侏羅系火山巖地層斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 地?zé)峋?/a>鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)鉆井液大量向裂隙發(fā)育地層中漏失(表2)。地?zé)?/a>井的產(chǎn)能測(cè)試表明,該區(qū)侏羅系火山巖地層孔隙度高, 儲(chǔ)水和滲透條件好。順后熱-2地?zé)?/a>井946 ～ 2 327 m井段地球物理測(cè)井解釋富水層19層, 厚度115 m, 聲波孔隙度3.8% ～ 19.5%, 儲(chǔ)集層系數(shù)8.3%。順熱-6地?zé)峋? 701 ～ 2 812 m井       段測(cè)井解釋富水層38層, 厚度238 m, 聲波孔隙度2.9% ～ 18.4%, 儲(chǔ)集層系數(shù)20.9%。以上兩個(gè)地?zé)峋目紫抖群蛢?chǔ)集層系數(shù)表明了本區(qū)侏羅系火山巖構(gòu)造裂隙發(fā)育,同時(shí)具有裂隙發(fā)育的不均一性。
 
  2.3 后沙峪地?zé)崽?/a>的特征
 
  后沙峪地?zé)崽?/a>是北京10個(gè)地?zé)崽镏籟 11] , 同時(shí)又是北京地區(qū)唯一發(fā)育侏羅系火山巖斷裂構(gòu)造裂隙熱儲(chǔ)的地?zé)崽铫堍茛?。地?zé)崽镂髂喜刻幱趯O河斷裂帶區(qū)域, 地?zé)峋衣兜牡貙佑行律绲谒南?Q)、中生界上侏羅統(tǒng)(J3 )、古生界石炭系—二疊系(C— P)、奧陶系(O)、寒武系(∈ )及上元古界青白口系(Qn), 地?zé)峋?a href="http://www.rijz.cn/t/地?zé)岬刭|(zhì).html" >地?zé)岬刭|(zhì)特征見表3。
 
  第四系巖性為粘土、砂、砂礫, 侏羅系巖性主要為安山巖、安山質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖,石炭系—二疊系巖性主要為石英砂巖、砂巖、粉砂巖、碳質(zhì)泥(頁)巖、煤巖, 奧陶系巖性主要為灰?guī)r、白云巖, 寒武系巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、鮞?；?guī)r、頁巖, 青白口系巖性主要為泥灰?guī)r、石英砂巖、頁巖。
 
  從表3地?zé)峋衣兜牡貙雍穸瓤梢钥闯? 石炭系—二疊系、奧陶系—寒武系地層的厚度較正常沉積厚度明顯變薄, 并且?guī)r石地層單位有缺失,而北京地區(qū)的沉積相比較穩(wěn)定, 可以確定孫河斷裂構(gòu)造帶的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是造成該區(qū)地?zé)峋笔У貙拥脑? 反映出次級(jí)張性斷層構(gòu)造發(fā)育。在孫河斷裂帶區(qū)域的地?zé)峋? 侏羅系火山巖地層均發(fā)育斷裂構(gòu)造裂隙, 鉆井液出現(xiàn)大量漏失。順后熱-2和順后熱-6地?zé)峋耆曰鹕綆r構(gòu)造裂隙地層為含水層, 涌水量達(dá)1 840 ～ 1 965 m3 /d, 單位涌水量為18.2 ～ 58.8 m3 /(d·m)。順后熱-8和順后熱-9地?zé)峋詩W陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙層為含水層, 涌水量1 368 ～ 1 538 m3 /d, 單位涌水量13.5 ～ 21.1 m3 /(d· m)。順后熱-1和順熱-6為下套管后射孔成井, 受成井工藝的影響, 涌水量相對(duì)較低, 不能完全反映實(shí)際水文地質(zhì)條件。
 
  從地?zé)崽锬壳暗責(zé)峋漠a(chǎn)能狀況看, 火山巖構(gòu)造裂隙含水層較碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層的富水性要強(qiáng)一些。
 
 
  后沙峪地?zé)崽?a href="http://www.rijz.cn/t/地?zé)崴?html" >地?zé)崴?/a>的化學(xué)成分見表4。與北京其他地?zé)崽锏?a href="http://www.rijz.cn/t/地?zé)崴?html" >地?zé)崴?/a>比較, 后沙峪地?zé)崽锞哂懈叩V化度、高硫酸鹽和高氯化物特征, 偏硼酸含量也較高。熱礦水類型主要為氟、偏硅酸型(圖4)。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型, 為高pH值的堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na·Ca水型, 為弱堿性水;順后熱-1地?zé)峋腔鹕綆r與碳酸鹽巖的混合取水井,為SO4 -Na水型。地?zé)崴?/a>的水型差異表明, 火山巖裂隙水富集氯離子(Cl-), 碳酸鹽巖巖溶水富集重碳酸根離子(HCO-
  3 )和鈣離子(Ca2 +)。說明后沙峪地?zé)崽锏牡責(zé)崴衅洫?dú)特的形成演化特征,處于由基巖冷水補(bǔ)給到地?zé)崴畯搅餮莼哪┒恕?/div>
 
  2.3.3 地?zé)岣患?guī)律預(yù)測(cè)
 
  圖3中反映深部熱流向?qū)O河斷裂上盤構(gòu)造凸起部位聚集的規(guī)律, 是比較典型的構(gòu)造凸起型儲(chǔ)熱構(gòu)造。最高位處的順后熱-1地?zé)峋? 100 m的地溫達(dá)到90.9 ℃, 向東南來廣營凸起構(gòu)造單元來熱-2 地?zé)峋? 950 m處的地溫僅為95.1 ℃, 向東北后沙峪凹陷中心部位地溫降低幅度較大。由于孫河斷裂上盤斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 淺部侏羅系火山巖形成地?zé)岣患臉?gòu)造裂隙熱儲(chǔ), 深部還發(fā)育奧陶系、寒武系及薊縣系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲(chǔ), 發(fā)育3 套溫度高富水性好的熱儲(chǔ)地質(zhì)結(jié)構(gòu)在北京地區(qū)是獨(dú)一無二的。根據(jù)上述地?zé)岬刭|(zhì)條件的綜合分析, 可以推斷孫河斷裂上盤奧陶系、寒武系及薊縣系熱儲(chǔ)處于構(gòu)造凸起部位, 北西向延伸的孫河斷裂帶區(qū)域是后沙峪地?zé)崽锏牡責(zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/資源.html" >資源富集區(qū)。依據(jù)順后熱-1地?zé)峋Y料并結(jié)合北京平原區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)條件推斷, 3 700 m深可見到薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)層, 推斷地溫可達(dá)101℃左右, 鉆探深度4 000 m的地?zé)峋鏊疁囟瓤蛇_(dá)到100 ℃。北京地區(qū)目前地?zé)崴淖?a href="http://www.rijz.cn/t/高溫.html" >高溫度為88℃, 孫河斷裂帶是北京最有望突破100 ℃地?zé)崴母叩販貐^(qū)。
 
  3 結(jié) 論
 
  (1)通過重力、電阻率測(cè)深、可控源音頻大地電磁測(cè)深多種物探資料的推斷解釋, 結(jié)合地?zé)徙@井揭露的地?zé)岬刭|(zhì)成果, 初步說明孫河斷裂是一條寬約3 km的斷裂構(gòu)造帶, 斷裂上盤次級(jí)斷裂構(gòu)造裂隙非常發(fā)育。
 
  (2)孫河斷裂具有多期活動(dòng)的特征, 晚侏羅世以來至少有兩期大的性質(zhì)相反的構(gòu)造活動(dòng)。晚侏羅世后的構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)為逆掩性質(zhì), 第四紀(jì)時(shí)期斷裂活動(dòng)表現(xiàn)為張性。
 
  (3)孫河斷裂對(duì)后沙峪地?zé)崽镂髂喜繀^(qū)域的地?zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/地質(zhì)條件.html" >地質(zhì)條件具有控制作用, 具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)水性能。后沙峪地?zé)崽镂髂喜渴菢?gòu)造凸起型儲(chǔ)熱構(gòu)造, 北西向延伸的孫河斷裂帶區(qū)域是后沙峪地?zé)崽锏牡責(zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/資源.html" >資源富集區(qū)。
 
  (4)受孫河斷裂的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造, 侏羅系火山巖地層的構(gòu)造裂隙非常發(fā)育, 火山巖裂隙熱儲(chǔ)導(dǎo)水、儲(chǔ)水條件優(yōu)越。后沙峪地?zé)崽飺碛匈_系火山巖、奧陶系和寒武系及薊縣系碳酸鹽巖3套熱儲(chǔ), 地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富。
 
  (5)后沙峪地?zé)崽锏責(zé)崴哂懈叩V化度、高硫酸鹽和高氯化物的特征, 主要為氟、偏硅酸型熱礦水。侏羅系火山巖裂隙水為SO4· Cl-Na水型,為高pH值堿性水;奧陶系、寒武系碳酸鹽巖巖溶水為SO4·HCO3 -Na· Ca水型, 為弱堿性水。地?zé)崴莫?dú)特水型特征表明, 后沙峪地?zé)崽锾幱谟苫鶐r冷水補(bǔ)給到地?zé)崴畯搅餮莼哪┒恕?/div>