河北牛駝鎮地熱田高溫地熱水成因分析

王永波，丁文萍，田 月，王 婧，丁 蕊

（1. 河北水文工程地質勘察院，石家莊 050021；2. 河北省地質調查院，石家莊 050081；3. 河北科技大學環境科學與工程學院，石家莊 050021）

河北牛駝鎮地熱田高溫地熱水成因分析

王永波1，丁文萍2，田 月2，王 婧2，丁 蕊3

（1. 河北水文工程地質勘察院，石家莊 050021；2. 河北省地質調查院，石家莊 050081；3. 河北科技大學環境科學與工程學院，石家莊 050021）

牛駝鎮地熱田以基巖熱儲層最優，是目前地熱田開發利用條件最好的熱儲層。牛駝鎮基巖熱儲水溫60℃～100℃，頂板埋深最淺處小于500m，一般為800～1500m，涌水量50～110 m3/h。基巖地熱水水化學類型為Cl—Na型水，偏硅酸濃度46～92mg/L，偏硼酸濃度5.0～33 mg/L，氟濃度5.41～11 mg/L，是優質的理療礦泉水。本文著重從構造運動的角度分析了牛駝鎮高溫地熱水的形成。闡述了自元古代的呂梁運動開始至二疊紀期間，研究區在經過“三降兩升”的五個地史發展期中不僅沉積了良好的基巖熱儲層，亦儲藏了豐富的水源。隨著新生代喜山運動的活躍，在牛東等斷裂的控制下，牛駝鎮凸起發育成熟，在此過程中，牛駝鎮凸起暴露地表，沉積了新近系和第四系，構成基巖熱儲的良好蓋層。另外，由于基巖熱儲巖性的熱導率較高及埋藏深度較淺，使得牛駝鎮地熱田擁有相對較高溫度的地熱水資源。

高溫地熱水；成因；構造運動；熱導率；蓋層

0 引言

牛駝鎮地熱田基巖熱儲層是牛駝鎮地熱田最具開發利用價值，也是目前主要的開發熱儲層，具有水量大、溫度高、埋藏淺的開發利用優勢，井口水溫普遍大于60℃，屬于較好的高溫地熱水。近年來隨著政府環保意識的加強，牛駝鎮地熱田得到了大力的開發，研究區內多處被評為地熱資源開發利用示范區，創造了良好的社會經濟效益（張德忠等，2013）。

牛駝鎮地熱田構造位置處于斷凸內，其地熱資源的形成在區域上具有一定的代表性和典型性。本文主要分析其基巖熱儲層高溫地熱水的成因，為地熱資源的研究提供參考。

1 地熱田概況

牛駝鎮地熱田位于河北平原中部，呈北東向展布，地熱田面積605.65km2。行政區劃包括保定市的雄縣、白洋淀溫泉城和廊坊市的固安縣、永清縣、霸州市，地處京、津、保經濟發展的腹地，交通發達，地理位置優越，是河北省地熱開發最為成熟的地熱田。據2010年數據統計，地熱田地熱水年開采量約444.393×104m3，年洗浴人數42.5657萬人次，供暖面積162.59×104m2，種植面積156畝，養殖年利潤約1000萬元（河北省地礦局第三水文工程地質大隊，2003；河北省地礦局第三水文工程地質大隊，2006）。

2 地熱地質條件

2.1 地熱地質特征

（1）地層

地熱田位于冀中臺陷的牛駝鎮斷凸內，全區自上而下分布有第四系、新近系、古近系、奧陶—寒武系、青白口系、薊縣系、長城系以及太古界。第四系和新近系明化鎮組在全區均有分布，新近系館陶組僅在地熱田東緣出現。地熱田中心部位，基巖埋深較淺，一般在1000m以內，據鉆孔地層揭露，基巖埋深最淺處在雄縣大營鎮一帶，為493.85m（A4井）。在凸起的兩翼，基巖蓋層逐漸增厚，開始有古近紀地層沉積，最厚可達4000m。下伏基巖除北部分布有厚薄不均的寒武系—奧陶系及小面積新元古界青白口系外，主要以薊縣系白云巖為主（圖1）。

圖1 牛駝鎮地熱田地熱地質特征圖Fig.1 Geothermal geological map of Niutuozhen geothermal field

（2）新生界地溫梯度

地熱田新生界地溫梯度的分布形態與下伏基巖的凸起形態完全一致，兩側梯度值變小，中心凸起部位較高，在雄縣的大營鎮和永清縣的龍虎莊一帶形成兩個島狀的梯度凸起區，高值分別為12.40℃/100m（A4井）和6.46℃/100m（A8井），見圖2、圖3（張德忠等，2013）。

2.2 地熱田熱儲特征

地熱田熱儲層主要是明化鎮組熱儲、館陶組熱儲、基巖熱儲。

（1）明化鎮組熱儲

明化鎮組熱儲全區均有分布，頂板埋深380～470m，底界埋深493～1070m，地層沉積厚度130～650m，沉積厚度由雄縣大營鎮文家營向四周呈增厚趨勢。熱儲巖性由細砂巖、中砂巖、粉砂巖組成，熱儲厚度在凸起頂部較薄，一般小于150m，向四周逐漸增厚，南部邊緣最厚為390m。熱儲中部溫度在雄縣、大營鎮和永清縣龍虎莊一帶大于50℃，其他區域一般為40℃～50℃，北部低處在35℃～40℃之間。

圖2 ｜━｜′地熱地質剖面圖Fig.2 1 - I ' Geothermal geological profile

圖3 Ⅱ━Ⅱ′地熱地質剖面圖Fig.3 II - II ' Geothermal geological profile

（2）館陶組熱儲

分布于地熱田的東部邊緣，面積105.53km2。底界埋深1217～1382m，地層厚度272～472m。主要熱儲巖性為砂巖、砂礫巖、含礫砂巖和粉砂巖，館陶組底部砂礫巖特征明顯，據鉆孔資料統計砂厚比29.5%～31.36%，A16井出水段1134.5～1217.3m，揭露砂礫巖厚度33.3m，水溫50.5℃。

（3）基巖熱儲

3000m以淺，地熱田范圍內均有基巖熱儲分布。主要地層包括古生界奧陶系、寒武系、元古界薊縣系。

寒武系—奧陶系熱儲：分布在地熱田東北部，埋深3000m以淺面積96.44km2，主要巖性為灰巖、白云巖及灰質白云巖、泥質白云巖。據鉆孔資料統計，奧陶系巖溶裂隙發育段占地層厚度的32%，寒武系占16.5%，熱儲厚度平均值為123.6m，熱儲平均溫度78.6℃。

薊縣系熱儲：地熱田范圍內除局部分布長城系熱儲外，主要為薊縣系霧迷山組熱儲，分布面積為509.21km2（包括上部基巖覆蓋部分）。薊縣系鐵嶺組分布于地熱田東北部，其上部被青白口系、寒武系—奧陶系熱儲所覆蓋，其下部為10～25m洪水莊組頁巖與迷霧山組熱儲相隔，熱儲平均埋深1500m。薊縣系霧迷山組熱儲在凸起頂部埋藏深度一般為800～1100m（淺處小于500m），東北部埋藏深度1200～2078m，是目前地熱田開發利用條件最好的熱儲（表1）。

表1 地熱田熱儲層熱儲特征表Tab.1 Thermal characteristics of thermal reservoir in geothermal field

2.3 地熱水地球化學特征

明化鎮組熱儲：礦化度＜1500mg/L，Clˉ濃度111～684mg/L，摩爾分數為23%～73%；HCO3ˉ濃度278～561 mg/L，摩爾分數為22%～67%。陽離子以Na為主，濃度為199～576 mg/L。水化學類型以HCO3·Cl—Na和Cl·HCO3—Na型為主，總硬度15～67mg/L。

薊縣系熱儲：礦化度主要在2300～3007mg/L之間，Clˉ濃 度1121～1400mg/L， 摩 爾 分 數 為75%～85%，HCO3ˉ濃度442～482 mg/L，摩爾分數為16%～19%。陽離子以Na為主，濃度為702～1100mg/L。水化學類型以Cl—Na型為主，總硬度140～220mg/L。

牛駝鎮地熱田基巖熱水中富含偏硅酸、偏硼酸和氟等化學組分，偏硅酸濃度46～92mg/L，偏硼酸濃度5.0～33 mg/L，氟濃度5.41～11 mg/L，是優質的理療礦泉水（表2）。

2.4 地熱水同位素特征

通過分析對比不同地層地下水的同位素分析結果，可知研究區內地熱水來自于古老的大氣降水，地熱水年齡在1.2～3.3萬年之間。不同層位地熱水的同位素分析結果見表3。

表2 各熱儲層水化學特征對照表Tab.2 Comparison of the chemical characteristics of the thermal reservoirs

3 高溫地熱水成因分析

高溫地熱水存在于基巖熱儲中，水溫一般大于60℃。如前所述，牛駝鎮地熱田高溫地熱水的分布形態與基巖的構造形態是一致的，即隨牛駝鎮凸起而展布，溫度高值區均在凸起部位，凸起兩翼溫度較低。構造凸起區基巖埋深淺，其上部具有較大的地溫梯度和熱流值，兩側凹陷區較低。

3.1 地熱資源與地質構造的關系

地質構造不僅是地熱資源中水源和熱儲層的間接創造者，構造斷裂亦為水源與熱源的流通提供了有利通道。

研究區基底形成于太古代至早元古代，呂梁運動以后，地殼發生激烈沉降，地臺下沉，形成了以薊縣為中心的臺內淺海盆地，伴隨著長期的海侵活動，區內沉積了以海相碳酸鹽巖為主的元古界（河北省地質礦產局，1989）。在此期間，發生了鐵嶺和薊縣運動造成兩次沉積間斷，特別是薊縣運動，使拗陷整體上升為陸，在大氣降水的沖刷、淋濾作用下，元古界碳酸鹽巖經歷了兩次巖溶化發育時期，使埋藏其中的海相同生沉積水被驅替為大氣降水，發展成巖溶—裂隙儲集型淡水（河北省地礦局第三水文工程地質大隊，1990）。

古生代初期（寒武紀—中奧陶紀）發生海侵，導致中上元古界巖溶裂隙水鹽化。中奧陶紀末，加里東運動發生，使盆地整體上升為陸，這次沉積間斷，使區內缺失上奧陶紀（O3）—下石炭紀（C1）地層，中奧陶紀以前地層全部裸露地表，處于風化剝蝕和沖刷作用的淋濾環境，形成第三次巖溶發育時期，使含水系統的鹽化水再次被大氣降水滲入混合和交替而成為淡化水。至此，經過三次巖溶化的中、上元古代及寒武紀、中—下奧陶紀地層中海成沉積水被大氣降水混合交替置換，再次成為巖溶-裂隙型淡水。

表3 牛駝鎮地熱田同位素測定結果表Tab.3 Test results of Niutuozhen geothermal field

中石炭紀（C2）開始，華北地臺整體下沉，接受沉積，形成了海陸交互相地層。二疊紀開始，海水退卻，成為陸相沉積。至此，元古代地層全部被上古生代地層所覆蓋，進入埋藏封閉階段，賦存于其中的古溶濾水處于相對穩定發展階段，并在溫、壓條件及地球化學環境下接受正向變質。

二疊紀末的海西運動，地臺開始上升直至整個中生代，古生代及以前地層裸露地表，特別是晚侏羅世至白堊紀的強烈構造活動，使元古代和下古生代地層拱起，牛東、牛南、容城、大興斷裂開始形成。新生代古新世早期，經過短暫的隆起后，于古新世末進入整體下沉和發育階段，接受了孔店組、沙河街組的沉積。始新世末期的喜山運動Ⅰ幕，構造活動加劇，牛東、牛南、大興等斷裂復活，牛駝鎮凸起開始形成。凸起的形成為牛駝鎮地熱田提供了優質的基巖熱儲層，即元古界薊縣系、長城系和古生界奧陶系、寒武系熱儲層。

喜山運動Ⅱ幕，本區仍受牛東、大興等斷裂控制，使凸起、凹陷進一步分化，牛駝鎮凸起發育成熟（圖4）。在此期間，牛駝鎮凸起暴露地表，致使沙河街組、孔店組遭至剝蝕缺失并接受大氣降水的補給。中新世晚期，本區再次下沉，廣泛沉積了明化鎮組和第四系，構成基巖熱儲的良好蓋層。

圖4 地質構造圖Fig.4 Geological structure map

3.2 高溫地熱水與巖性的關系

基巖熱儲層巖性主要元古界白云巖、泥質白云巖和古生界灰巖、白云巖，主要以白云巖為主。白云巖具有較高的熱導率（表4），比上第三系巖石（砂、泥巖）大2～3倍（陳墨香，1988），是良好的導熱體。根據測溫資料統計，高溫地熱水多出現在以白云巖為主的元古界薊縣紀熱儲層中，水溫大于65℃（表5）。

表4 牛駝鎮凸起及兩側凹陷地溫狀況比較表Tab.4 Comparison of ground temperature of Niutuozhen bulge and sunken on both sides

3.3 高溫地熱水與蓋層的關系

牛駝鎮地熱田基巖熱儲層包括奧陶系、寒武系和薊縣系熱儲，其中薊縣系分布最廣，分布面積達509.21km2，是主要熱儲層。其蓋層為新近系和第四系（圖2、圖3），蓋層厚度一般在1000m左右。

基巖白云巖具有較高的熱導率，使得地球深處的熱量，在熱傳導的作用下向基巖集中，當遇到斷裂或裂隙發育的構造時，熱量沿斷裂通道上涌，在有一定厚度的蓋層保溫下，為熱循環的形成創造了條件。這也是凸起部位的地溫有明顯的增高的原因。另外第四系巖性為粘土、粉質粘土、粉土及砂，新近系巖性為砂巖，巖石熱導率均較低，是下覆基巖保存熱量的良好屏障。

4 結語

牛駝鎮地熱田地熱資源豐富，質優，具有非常廣闊的開發利用前景。明化鎮組熱儲和基巖熱儲在全區均有分布，館陶組熱儲僅分布于地熱田的東部邊緣。基巖熱儲層，熱水溫度大于60℃，溫度高，埋藏淺，是開發條件最好，也是目前主要開發熱儲層。

通過分析，牛駝鎮地熱田得益于牛駝鎮凸起的形成。基巖高溫地熱水的形成與地質構造存在著重要的聯系，以白云巖為主的熱儲巖性、沉積的巨厚的砂巖蓋層亦為基巖高溫地熱水的形成提供了有利的地質環境。牛駝鎮凸起暴露地表，沉積了新近系和第四系，構成基巖熱儲的良好蓋層。由于蓋層的巖石熱導率較低而基巖熱儲巖性的熱導率較高，為基巖熱儲創造了良好的熱循環系統。

［1］張德忠，劉志剛，等.河北地熱［M］.北京：地質出版社.2013：155～163.

［2］河北省地礦局第三水文工程地質大隊.河北省保定市地熱資源調查評價報告［R］.2003：96～97.

［6］河北省地質礦產局. 河北省北京市天津市區域地質志［M］. 北京：地質出版社，1989：539～546.

［3］河北省地礦局第三水文工程地質大隊.河北省熱資源調查評價匯總報告［R］.2006：117～118.

［4］河北省地質礦產局第三水文地質工程地質大隊地熱分隊.河北省牛駝鎮地熱田勘查報告［R］.1990：44～47.

［5］陳墨香. 華北地熱［M］.北京：科學出版社. 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，主要從事水文地質、工程地質、環境地質，E-mail：fengzheng20040813@126.com