懷柔西北山前地區地熱勘查中物探方法的應用

郭 彤，丁連靖，雷曉東，付昌鴻，曹 磊，趙連海

（1.北京市地熱研究院，北京 102218；2. 北京市地質勘察技術院，北京 102218）

懷柔西北山前地區地熱勘查中物探方法的應用

郭 彤1，丁連靖2，雷曉東2，付昌鴻1，曹 磊1，趙連海1

（1.北京市地熱研究院，北京 102218；2. 北京市地質勘察技術院，北京 102218）

北京懷柔區廟城鎮西北山前地帶，地質構造復雜、水循環比較強烈，地熱勘查熱儲層為薊縣系霧迷山組白云巖。本次勘查在地質、水文地質調查和物探資料收集的基礎上，開展了重力勘探、微動測深和可控源音頻大地電磁測深（CSMAT）。在基本查明區域地質構造展布特征及深部地層組合、厚度、埋深、巖性特征等地熱地質條件基礎上，擬定了最佳井位。實鉆結果驗證了物探解譯成果，在擬定井位處成功鉆鑿一眼地熱井“京懷－1”；該井熱儲層主要為薊縣系霧迷山組，兼取寒武系底部深度裂隙水。該井涌水量為616.12m3/d，出水溫度45℃，經檢驗地熱水的水化學類型為重碳酸鈣鎂型水。

地熱勘查；綜合物探；鉆探驗證

0 前言

地熱資源已成為北京市不可或缺的重要資源之一，地熱開發已有30多年歷史，隨著開發的進一步深入，地熱勘查逐步向周邊地熱工作程度較低的地區拓展，以尋找更多的地熱異常區，更好的發掘北京地熱資源潛力。勘查區處于北京市懷柔區廟城鎮西北山前斜坡地帶，對該區的地熱地質條件的認識，大多是根據前人零星的物探成果和鉆孔資料，缺乏深部基巖鉆孔資料，是北京地熱資源開發空白區之一。鉆探和物探是目前常用的地熱勘探手段, 廣泛應用于北京市地熱資源、地下水資源勘查工作之中，其中地球物理勘探的主要作用是圈定含水破碎帶和熱儲水層的區域分布, 是勘查地熱空白區的有效手段（陳仲候，1996；李安寧等，2001；鄭東明等，2005；徐光輝等，2005），本次勘查是在地質、水文地質調查和物探資料收集的基礎上，開展了重力勘探、微動測深、可控源音頻大地電磁測深（CSMAT），根據綜合物探解譯成果，分析深部地球物理特征和地熱地質條件，成功鉆探京懷－1地熱井，井口出水溫度45℃，降深175.63 m，涌水量616.12m3/d的地下熱水井。

1 地質背景

勘查區位于燕山臺褶帶（Ⅱ1）內的密（云）懷（來）中隆斷（Ⅲ2）之昌（平）懷（柔）中穹斷（Ⅳ5）的中東部。構造較復雜，斷裂對地貌形態變化、新生代沉積物及基巖埋深，具有明顯的控制作用（圖1）。

1.1 地層

勘查區地貌上處于北京懷柔西北山前斜坡帶，第四系厚度自北西向南東加厚。西北山區出露的地層主要有白堊系，局部有巖漿巖體及小型巖脈出露；南部的鄭重山—二張營一帶的殘山出露有奧陶—寒武系；東北部（黃莊—高麗營斷裂的東側）隱伏有宰相莊巖漿巖體，巖性以花崗巖及花崗閃長巖為主（圖1）。總體來看，由于受燕山運動的影響，基巖地層大體呈北東至南西方向展布，與北東向的構造線近似一致。

1.2 構造

勘查區及周邊地區構造較為復雜，該區構造以北東向和南北向為主，東西向和北西向構造次之。其中北東向構造為：黃莊—高麗營斷裂、峰山頂東斷層和鄭重山向斜；南北向的構造為：懷柔—牛欄山斷裂帶、橋梓—前辛莊斷裂和臥龍崗—峰山頂向斜；東西向構造為橋梓—廟城斷裂；北西向構造為馬辛莊—廟城斷裂（北京地質礦產局等，1991）。

圖1 基巖地質構造圖Fig.1 bedrock geological structure map

1.3 地熱地質條件

勘查區周邊斷裂構造較為發育，黃莊—高麗營斷裂和橋梓—廟城斷裂為該區的導熱、導水通道；第四系、白堊系、侏羅系和寒武系構成了該區的熱儲蓋層；薊縣系的碳酸巖裂隙發育巖層構成了該區的熱儲。

2 地球物理探測成果分析

京懷－1地熱井布孔前，在充分收集勘查區及周邊地區水文地質、物探資料的基礎之上，開展了重力勘探、可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）、微動測深等多種勘查工作（圖2）。

圖2 勘查區物探工作實際材料圖Fig.2 Actual material map of geophysical exploration in exp loration area

圖3 ?Z磁異常等值線平面圖Fig.3 ?Z magnetic anomaly contour m ap

高精度重力測量：布設2條重力精測剖面，總長度約6.3km，比例尺1：1萬，點距 50m，主要目的是為了查明勘查區磁性體及構造的發育特征。

可控源音頻大地電磁測深（CSMAT）：布設2條剖面，剖面總長度為5.9km，點距 50 m，主要目的是為了確定該區斷裂構造的展布特征及地層的空間分布特征，為地熱鉆探布孔提供依據。

微動測深：布設了2個測點，主要目的是推測不同時代地層的埋藏深度。

2.1 平面上物探成果分析

（1）磁法測量

在收集的ΔZ磁異常等值線平面圖上（圖3），山前地區磁測值在0～650nT之間，懷柔區以南磁測值可達600nT，為宰相莊巖體的顯示。勘查區東北側磁測值相對較高，最高磁測值達400nT，深部可能存在隱伏的巖漿巖體；勘查區西南側磁測值較低，在0～100nT之間，鉆遇巖漿巖體的可能性較小，為勘查井布設的有利區。

圖4 布伽重力異常平面等值線圖Fig.4 Buga gravity anomaly contour map

圖5 重力勘查G1－G1’測線剖面圖Fig.5 Gravity exp loration G1－G1’ line prof le

圖6 重力勘查G2－G2’測線剖面圖Fig.6 Gravity exp loration G2－G2’line prof le

（2）重力勘探

在收集的布伽重力異常等值線平面圖上（圖4），勘查區的東北部布伽重力值相對較低，西南部布伽重力值相對較高，說明該區西南部第四系相對較薄，基巖埋深較淺。

高精度重力剖面（圖5、圖6）：勘查區西南側布伽重力值明顯偏高，結合布伽重力異常等值線平面圖，反映該區基巖總體埋深西南側淺，東北側較深，與區域地質條件相符。

2.2 垂向上物探成果分析

（1）微動測深

微動W1號點：在0～1783m的深度范圍內，波速在983～1565m/s之間變化，整體波速呈遞增的趨勢變化，結合地質資料推測為中生界白堊系的顯示；下伏基巖波速略大于2000m/s，推測為奧陶—寒武系的反映。

微動W2號點：在0～910m的深度范圍內，波速在1050～1223m/s之間變化，整體波速不高，變化相對較為平穩，結合地質資料推測為中生界白堊系的顯示；下伏基巖波速大于1788 m/s，升高至2014m/s，推測為奧陶—寒武系的反映。

（2）可控源音頻大地測深（CSMAT）

可控源K1－K1’測線反演電阻率斷面圖（圖7），該剖面各單點曲線總體呈HK型變化，淺部阻值相對較低，為第四系的反映；深部視電率相對較高，為基巖顯示。在測點2000～2500m之間，深部發現有明顯的高阻異常體，結合磁法資料推測為巖漿巖巖脈的反映。在測點500 m附近視電阻率曲線起伏彎曲變化較大，并形成了電阻率曲線密集帶，推斷為F1斷裂的顯示。

可控源K2—K2’測線反演電阻率斷面圖（圖8），該剖面各單點曲線總體呈H型變化，淺部阻值較低為第四系的反映；深部相對較高為基巖顯示。剖面的北側深部見有高阻體，此高阻體可能與K1—K1’所發現的為同一巖漿巖脈的反映。在測點1000 m附近，視電阻率曲線起伏彎曲變化較大，推測為F1斷裂的顯示。

圖7 K 1－K 1’可控源反演電阻率斷面圖Fig.7 K 1－K 1’controlled source inversion resistivity section

圖8 K 2－K 2’ 可控源反演電阻率斷面圖Fig.8 K 2－K 2’controlled source inversion resistivity section

綜合物探成果和地質資料，繪制可控源K1－K1’測線推斷地質斷面圖（圖9），推測勘查區附近第四系厚度0～100 m，白堊系厚度在1000～1750 m之間變化，總體呈東薄西厚、北薄南厚的趨勢變化；白堊系下伏為寒武系，總體呈現東淺西深、北淺南深的趨勢變化；寒武系底板埋深在2500～2900 m之間變化，下伏地層為薊縣系。

勘查區的西南部鉆遇隱伏巖漿巖體可能性較小，且距離F1斷裂較近，有利于熱、水的運移。因此，勘查井布設于勘查區的西南部。

圖9 可控源K 1－K 1’ 測線推斷地質斷面圖Fig.9 Geological section of controlled source K 1－K 1’ line

2.3 前期物探勘查論證與實鉆結果的對比分析

（1）地層

實鉆第四系厚度15m，與物探綜合推斷厚度小于100m相符合，說明新生界與基巖的物性差異較明顯，所用物探方法是有針對性的。第四系下伏地層為白堊系火山巖，厚度為1517m，寒武系灰巖底板為2593m，下伏地層為薊縣系霧迷山組。在地層層序、厚度和底板埋深方面，與物探方法推斷地層層序基本吻合。

（2）斷裂

可控源音頻大地電磁測深（CSMAT）在該區推斷一條F1斷裂構造，F1斷裂在勘查區南側，結合區域地質構造圖，認為F1斷裂為橋梓—廟城斷裂的中段，此斷裂對區域成井有一定的影響，為導熱通道之一。

（3）隱伏巖體

京懷－1井未鉆遇侵入巖體，但從2600m以深的薊縣系的灰色灰白色白云巖巖屑，經磨片鏡下鑒定，白云石已明顯定向排列，大理巖化強烈，說明有熱液活動存在，熱液活動可能是物探推測的侵入巖巖體引起。

2.4 鉆探成果

京懷-1井設計井深3000m，終孔深度3006.66m。鉆探成井過程中進行物探綜合測井，測井項目包括2.0m底部梯度視電阻率、0.5m電位電阻率、自然電位、自然伽馬、井斜和井溫。測井資料顯示，2599.31m處井溫已經達到51℃，同時2563～2594 m處，電阻率值很低，放射性值高；鉆井過程中2586.5～2599.31m處，鉆井液漏失20m3，綜合分析，該段地層富水性較好，確定保留此含水層段。

通過洗井、抽水試驗，獲得出水溫度45℃，降深175.63 m，涌水量616.12m3/d（25.67m3/h）的地下熱水，經北京市地質工程勘察院實驗室對熱礦水水質中的52個項目進行檢驗，地熱水的水化學類型為HCO3-－Ca2+·Mg2+（重碳酸鈣鎂型）型水。該區地熱水礦化度(TDS) 455mg/L，為淡水；pH值7.65，總硬度228mg/L，屬于弱堿性、微硬水。熱礦水類型為淡溫泉水，偏硅酸、氟含量達到理療礦水濃度，可用于供暖、洗浴、理療（中國標準出版社，2011）。

3 結論

北京懷柔廟城鎮西北山前傾斜地區，是地熱資源開發利用程度較低且地質構造復雜的地區，處山前水循環比較強烈地帶，熱儲層為薊縣系霧迷山組白云巖，地熱鉆井有一定風險。在西北山前成功打出京懷－1地熱井，使懷柔西北山前地區地熱勘查工作取得初步突破，對進一步開發利用深部地熱資源樹立了信心。

（1）通過鉆探驗證，重力、磁法、可控源大地音頻電磁測深（CSMAT）、微動測深等綜合物探方法在該區地熱勘查中，比較準確、可行，起到了規避風險，為鉆探指明方向的良好作用。重力資料能查明斷裂位置及基巖起伏情況，磁法資料能判定火山巖地層及侵入巖體的分布，微動測深可確定熱儲層埋深，可控源音頻大地電磁測深（CSMAT）可有效確定斷裂位置，了解深部熱儲構造的空間展布，為地熱鉆探孔位布置提供依據。

（2）研究區位于懷柔西北部山前，第四系厚度較薄，蓋層以白堊—侏羅系火山巖為主，厚度1500m左右，隔熱保溫性能良好；熱儲層以薊縣系霧迷山組白云巖和寒武系灰巖為主，富水性較好，F1斷裂構造（橋梓—廟城斷裂）是區內熱水深循環通道。推斷區內存在隱伏巖漿巖體，是未來開發地熱值得注意的地質風險因素。

北京市地質礦產局，中國地質大學（北京）聯合區域地質調查隊懷柔分隊，1991. 區域地質調查報告（1:5萬 懷柔縣幅）[R]. 94-110.

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中國標準出版社，2011. 中華人民共和國國家標準地熱資源地質勘查規范(GB/T 11615-2010)[S].

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The App lication of Com prehensive Geophysical M ethods on the Geothermal Exp loration in Northwest Piedmont Area of Huairou

GUO Tong1, DING Lianjing2, LEIXiaodong2, FUChanghong1, CAOLei1, KEBailin1

(1. Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 102218; 2. Beijing Institute of Geo-exploitation Technology, Beijing 102218)

Northwest piedmont regional geologic structure is complex and water circle alternate is intensive in M iaocheng Town, Huairou District. The dolomite of Wumishan Formation, Jixian System is geothermal reservoir in this area. Based on geological, hydrogeological, geophysical data, the methods of gravity, microseism and CSMAT are implemented in geothermal exploration. According to the identif cation of geology structure, strata combinative characteristics and related geothermal conditions, optimum site of geothermal exp loration is determ ined. Geophysical interpretation is proved to be accurate by drilling JH-1 geothermal well. The reservoir is carbonate rocks of Wum ishan Formation and bottom of Cambrian System. This paper shows the results of JH-1 well w ith the yield is 616.12m3/d and temperature is 45℃. The hydrochemical type is HCO3-Ca2+?Mg2+.

Geothermal exploration; Comprehensive geophysical prospecting; Drilling verif cation

A

1007-1903（2017）02-0096-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.019

郭彤（1966- ），男，本科，工程師，主要從事北京地區地熱資源勘查與評價。E-mail：515254994@qq.com