夏墊斷裂帶對地熱資源分布的影響
——以通州西集地區為例

張進平，袁利娟

（北京市地熱研究院，北京 102218）

0 前言

夏墊斷裂帶是首都東部地區一條北北東向的巖石圈尺度的區域性深斷裂帶，其形成和演化對于北京平原地區的構造演化起著至關重要的作用(何付兵等，2013；衛萬順，2008)。該斷裂帶新生代斷距大(可達3～4km)、延伸較長(可達70km)，切割深(巖石圈尺度)(江娃利等，2000；高景華等，2008)，是控制大廠凹陷形成和演化的盆地邊界斷層，構成了大廠凹陷與大興隆起的分界線。因夏墊斷裂帶在歷史上發生過多次強震活動，國內外眾多專家學者借助地質、微地貌、物探、化探、鉆探等不同方法，對夏墊斷裂帶的活動性、空間構造形態等特征進行過探討(高戰武等，2010；江娃利等，2000；徐錫偉等，2008)。

但前人從未對夏墊斷裂如何影響華北平原礦產資源的形成、分布等特征這一課題進行過探討。2015年10月，北京市地熱研究院在通州區西集鎮夏墊斷裂附近成功鉆鑿一眼出水溫度為92℃的地熱井，實現了北京市通州地區中溫地熱資源勘探工作的突破（鄒登亮等，2015)。本文以北京市通州區西集鎮夏墊斷裂兩側鉆鑿成功的3眼地熱井的實鉆編錄、記錄和測溫等資料，從斷裂對地熱系統中儲蓋組合、賦水性和地溫這三個因素的影響來討論夏墊斷裂對區內地熱資源分布特征的控制作用，為北京市乃至京津冀地區夏墊斷裂沿線地熱資源的開發利用提供理論依據，為京津冀一體化發展規劃提供綠色能源保障。

1 工作區概況

1.1 區域地質概況

工作區位于北京市通州區西集鎮，總面積約192km2。工作區的大地構造位置處于華北斷拗（Ⅱ級構造單元）內的大廠新斷陷（Ⅲ級構造單元）和大興迭隆起（Ⅲ級構造單元）兩個構造單元交匯處的中部，覓子店新凹陷（Ⅳ級構造單元）和牛堡屯-大孫各莊迭凹陷（Ⅳ級構造單元）兩個構造單元交匯處的中部（圖1）（北京市地質礦產局，1982）。區域內地層層序有新到老發育有新生界第四系、新近系、古近系；古生界寒武系；中上元古界青白口系、薊縣系、長城系和太古界（圖2）。

圖1 工作區大地構造圖Fig.1 Tectonic map of the study area

夏墊斷裂是區內的主要斷裂，橫穿工作區，呈北東-南西向展布，傾向南東，傾角大于70°。夏墊斷裂帶是是劃分大興迭隆起和大廠新斷陷的分界線，該斷裂帶由兩條產狀相近的正斷層和多條次級斷裂組成，形成于新生代，并在全新世有過多次活動(北京市地質礦產局，1982；徐錫偉等，2002；彭一民等，1981)。主干斷裂對斷裂帶附近地層影響大，地層沉積受斷裂帶控制明顯，自北西向南東逐級下沉。受夏墊斷裂帶的影響，斷裂上下兩盤基巖埋深變化大。斷裂下盤自東向西基巖埋深變淺；而斷裂上盤基巖埋深普遍大于1500m，且向南東方向埋深逐漸增加，在西集鎮中心南約4km的凹陷中心處，基巖埋深超過4000m（劉清曉等，2008)（圖2）。

1.2 區域內地熱資源開發現狀

工作區內地熱資源勘查開發工作較晚。2009年底北京市平原區已鉆鑿成功地熱井472眼，但西集鎮地熱資源勘查開發工作剛剛開展。到2011年4月和8月，西集鎮先后實施成功兩眼地熱井通熱-18和京通-2，兩眼井出水溫度在55℃左右，出水量分別為709 m3/d和1162 m3/d（表1）。2015年10月，北京市地熱研究院在這一地區鉆鑿成功一眼地熱井西集-1，出水量為3073 m3/d，出水溫度達92℃，達到中溫地熱資源的要求，這口井也是首次在通州地區發現中溫地熱資源。恰逢京津冀協同發展計劃和通州城市副中心定位的提出，西集-1井的鉆鑿成功一定程度上推動了通州新城地熱資源開發利用工作。

圖2 工作區基巖構造圖Fig.2 Bedrock structure of study area

2 夏墊斷裂對地熱資源分布的影響

2.1 對儲-蓋層分布的控制作用

工作區內主要蓋層為新生界松散沉積層。夏墊斷裂對工作區內蓋層的控制體現在斷裂上下盤蓋層厚度的差異上。

夏墊斷裂是一條同沉積斷裂，它在活動過程中上下兩盤同時接受沉積，從而造成了上下兩盤相同層位巖層厚度不同。因為夏墊斷裂在新生代形成，并在這一時期同時沉積，使得斷裂下降盤（東部）相對上升盤（西部），其新生界古近系厚度明顯增大。位于夏墊斷裂上升盤京通-2其新生界厚度為575m，而位于斷裂附近的通熱-18，揭露斷裂附近下降盤的新生界厚度為1522m。而通熱-18東南部的西集-1，同樣揭露斷裂下降盤的新生界，其新生界厚度增至2817m。反映了夏墊斷裂控制下，地熱系統蓋層厚度的增加。此外，通熱-18和西集-1新生界厚度相差近1300m，揭示了夏墊斷裂可能從兩者之間穿過，并形成了一千余米的斷距。

在斷裂活動過程中，下盤基巖塊體上翹側（西部）不斷上升，導致京通-2井處的新生界古近系（Es）被剝蝕而基本缺失(表1)。而在新近系，這種不均一的斷陷作用顯著減弱，經過長期剝蝕的隆起與被充填的凹陷之間，高差減小，近于準平原狀態，形成了新生界掩蓋下基巖結構呈凹凸相間配置的構造格局，遂造成了工作區內夏墊斷裂控制下蓋層厚度，以及由此產生的儲層埋藏深度的差異上。

表1 工區內及周邊已有地熱井及石油勘探孔一覽表Tab.1 Existing geothermal wells and oil exploration hole surrounding work area

工作區內主要熱儲層，為元古界薊縣系霧迷山組白云巖儲層。夏墊斷裂控制下熱儲層埋藏深度，呈現出區域內自西向東增加的趨勢。位于工作區西部的京通-2，其薊縣系熱儲層埋藏深度為1086m。位于其東北部約7.3km的通熱-18，其熱儲層埋藏深度為2613m。而位于通熱-18東南約1.3km的西集-1，實際編錄顯示其熱儲埋藏深度為3180m。同樣位于斷裂下降盤的廠-3，實鉆資料顯示該處熱儲層埋藏深度大于3200m（表1）。

2.2 對儲層賦水性的影響

夏墊斷裂帶自北東向南西貫穿整個工作區，寬度約1500m，斷距超過1300m。切穿新生界新近系、古近系、古生界寒武系、元古界青白口系、薊縣系等地層，對工區地熱系統的熱水循環具有特殊意義。

夏墊斷裂是一個典型的張性斷裂，是應力集中釋放造成的破裂形變。通常意義上，斷裂對儲層賦水性的影響體現在兩方面(汪集旸等，1993)。

首先，當斷裂斷距較大且存在厚層隔水層時，原來聯通的含水層可被切斷變成相對獨立，導致含水層與外界聯系減弱，甚至斷絕，不利于供水，也正是由于這種作用使得大的斷層往往成為含水系統的邊界(張人權等，1986)。工作區內夏墊斷裂帶導致斷層上盤和下盤的斷距超過1300m，但工作區內隔水層厚度小（青白口系厚度213m），但夏墊斷裂這種邊沉積邊活動的形態使得上盤和下盤的含水層尚未被完全錯開，夏墊斷裂有成為理想的貯水空間和導水通道的可能性。

第二，在元古界薊縣系白云巖和古生界灰巖這些脆性巖層中，斷裂對地層的影響表現為斷裂中心部分多形成疏松多孔的角礫巖，兩側一定范圍內則為張開度及裂隙率都增大的裂隙增強帶，導水能力良好。工作區內3眼井在鉆井過程中的漏失變化很好的揭示了這一特征。

距離夏墊斷裂約10km的京通-2井實鉆結果顯示（圖3），自575m處進入古生界寒武系后，小漏失不間斷，漏失速度一般小于10 m3/8h，最大不超過20 m3/8h。實踐經驗表明這種漏失量可以認為是寒武系灰巖及薊縣系白云巖的巖溶裂隙較發育情況下導致的漏失量。夏墊斷裂對該處含水層的賦水性影響不明顯。

位于夏墊斷裂附近的通熱-18井實鉆結果顯示其鉆進過程中多處發生強烈漏失現象（圖3）。1710～1853m，鉆進時漏失 194m3；2857～2956m，漏失 400 m3；3020～3070m，漏失 120 m3；3099m 處在沖孔時，地層坍塌。揭示了斷層導致的裂隙增強帶導致的大空隙情況。

西集-1井同樣位于斷裂帶影響范圍內，但西集-1地熱井在0～2817m段一直位于新生界泥質較多的塑性巖層內，斷裂對其兩側巖層的裂隙增強不明顯，故鉆進過程中未發生明顯漏失現象。但在2817m處進入寒武系灰巖和薊縣系白云巖這些脆性巖層后，偶有漏失發生。且在3000m左右在替漿時，發生地層坍塌，揭示了此深度上地層破碎情況較嚴重（圖3）。

通過對這三口井的實鉆結果的分析研究，可揭示夏墊斷裂帶對工作區內古生界寒武系和元古界薊縣系地層的影響。通熱-18井和西集-1井兩個鉆孔揭露薊縣系霧迷山組灰巖深度處的夏墊斷裂時，巖溶裂隙發育，斷層形成的帶局部破碎、以及斷層導致的裂隙增強帶形成一個理想的貯水空間和導水通道，熱儲層的賦水性提高。

圖3 地熱井漏失情況統計Fig.3 Drilling Dropout in Geothermal Wells

2.3 對地溫場的影響

本文收集了工作區內3眼地熱井（京通-2、通熱-18和西集-1）的測溫數據，3三眼井的測溫段深度分別為 30～2800m，100～3200m、300～3400m，其中西集-1井2000～2400m未采集到測溫數據。數據采集工作均為北京市地質工程勘察院井下作業公司采用SKD3000B型車載測井儀完成測試。

京通-2井位于大興凸起內，地溫曲線（圖4）主體呈線性，表現出傳導為主導的傳熱過程。地溫梯度為1.8℃/100m。通熱-18井位于大興凸起邊緣，鉆遇主干斷裂夏墊斷裂，地溫曲線（圖4）表現出傳導為主的傳熱過程，但在1700～1800m表現出一定的對流傳熱特征。1700m處，地溫呈現出一個陡增的特征，隨后地溫又隨深度增加呈現出緩慢增長的趨勢。可能原因是夏墊斷裂作為工作區內的主要導熱通道，深部熱源沿夏墊斷裂迅速上升。但在1700～1800m處，巖溶發育（圖3），在對流的疊加下，地溫迅速降低。巖溶發育段以上，巖層孔隙度降低，地溫重新表現出熱傳導的特征。西集-1井同樣位于大興凸起邊緣，鉆遇主干斷裂夏墊斷裂，地溫曲線（圖4）同樣表現出傳導為主的傳熱過程。

西集-1井測溫曲線顯示其新生界底板處（深度為2817m）地溫為71.4℃。通熱-18井相同深度處（2817m）地溫為74.71℃。而京通-2井2800m地溫為64℃，明顯小于西集-1井與通熱-18井相同深度處的地溫。導致這一現象的可能原因是深部循環的高溫地下水沿著夏墊斷裂上升（圖2），地溫分布受對流傳導控制，導致分布于斷裂處的西集-1井與通熱-18井低溫相對較高。2400m以深普遍存在西集-1井與通熱-18井的深部地溫比相同深度處京通-2井的深部地溫高近10℃的這種情況，揭示了高溫的深部地熱水沿著夏墊斷裂上升導致的局部溫度升高（圖4）。

西集-1和通熱-18在淺部（1700m以淺）與京通-2的地溫差異較小，可能原因是夏墊斷裂在新生界地層中的孔隙增大程度較弱，深部地下水的上升受阻，西集-1和通熱-18兩眼井中地溫變化以熱傳導為主，與京通-2井中地溫分布的控制因素相同，所以3眼井的地溫差異較小。而深部通熱-18井和西集-1井的地溫比京通-2相同深度處地溫顯著偏高，這個變化可能是由于夏墊斷裂切割深部基巖，形成了導熱通道，使得在斷裂附近的通熱-18和西集-1地溫要顯著高于相同深度處，遠離斷裂的京通-2。

圖4 工作區內地熱井溫度-深度圖Fig.4 Depth profiles of temperature in geothermal wells

3 結論

夏墊斷裂是區內主要的斷裂構造，主要從對區域內熱儲-蓋層組合、儲層賦水性和地溫場3方面來控制工作區內地熱資源的分布。斷裂帶兩側地層錯動大，斷裂控制下斷裂兩側蓋層厚度的差異，以及由此形成的熱儲層埋藏深度差異大。斷裂帶影響范圍內，巖石破碎，是區內主要的導水、導熱通道。