冀中坳陷雄縣地熱田主控因素及成因模式

曹瑛倬，鮑志東，魯鍇，徐世琦，王貴玲，袁淑琴，季漢成

1.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院，成都 610000

4.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050061

5.中國石油大港油田公司勘探開發研究院，天津 300000

0 引言

雄縣地熱田位于渤海灣盆地冀中坳陷中北部，面積320 km2，近北東—南西向展布，臨近霸縣凹陷及廊固凹陷，地熱田大部分位于牛駝鎮凸起部位，形態同牛駝鎮凸起構造較為相似。整個地熱田呈北東方向展布，具有熱儲分布面積廣，儲量大，埋藏淺，溫度高，水質優等五大特點[1]。

自20世紀80年代起，諸多學者對雄縣地熱田進行了研究[2-11]，形成了較為豐富的研究成果，但是對雄縣地熱田主控因素及成因模式的探討還不夠深入，本文將從“源、通、儲、蓋”這四方面對雄縣地熱田進行探究，為雄縣地熱田的進一步開發利用提供依據。

1 地質概況

研究區主要地熱儲層為薊縣系霧迷山組海相碳酸鹽巖地層，蓋層為上部第三系、第四系碎屑巖，部分地區殘存古近系地層。研究區大營鎮附近霧迷山組地層埋深最淺，為493.85 m，其他凸起部位基巖埋深在1 000 m左右[1]。研究區在歷史時期經歷了多期構造運動[3-4,8]，這也導致了霧迷山組沉積不久，芹峪運動導致霧迷山組抬升至地表，隨后薊縣運動導致全區隆升，地層遭受剝蝕作用直至早寒武紀，薊縣運動造成了約137 Ma的沉積間斷，之后研究區繼續沉降并接受了寒武—奧陶系地層沉積；加里東時期，研究區再次發生抬升運動，導致志留系和泥盆系地層沉積缺失，并使奧陶系頂部遭受長期剝蝕，加里東運動造成了持續約120 Ma的沉積間斷；中石炭世開始以后，研究區發生區域沉降，沉積了一套石炭—二疊紀海陸交互相地層；印支運動末期，研究區整體上隆遭受剝蝕，印支運動造成了約30 Ma的沉積間斷；燕山期研究區內構造運動強烈，白堊紀末期，研究區持續隆升遭受剝蝕，霧迷山組地層出露，燕山運動造成了約64 Ma的沉積間斷；古近紀為牛駝鎮凸起形成期，研究區內部分地區出現沉積間斷現象；新近紀起，研究區構造運動減弱，全區普遍沉降接受沉積。各個時期構造運動造成雄縣地區地層分布自下而上為太古界基底，長城系，薊縣系，古近系（部分地區），新近系及第四系。長期以來的構造作用導致雄縣地熱田邊界受多條斷層控制，西部受容城斷裂及保定—徐水斷裂控制，南部的牛南斷裂將研究區同饒陽凹陷分開，東部發育牛東斷裂（圖1），多期抬升運動及斷裂帶的發育有助于巖溶作用的進行，促進了研究區地熱系統的形成。

圖1 研究區地質構造圖Fig.1 Geological structural map of the Xiongxian geothermal area

2 雄縣地熱田主控因素

雄縣地熱田屬于沉積盆地水熱型地熱田，除受構造作用影響之外，還受到多種因素共同影響，主要形成過程是大氣降水沿斷裂等導水通道補充至地下水（可存在封存水），地下水經過深部循環，自地層中加熱后，沿部分斷裂上涌，補充至凸起的高部位。因此，本文將從“源、通、儲、蓋”四個方面系統探究雄縣地熱田發育的主控因素。

2.1 熱源特征

2.1.1 熱源特征

雄縣地熱田的熱源為上地幔熱量傳導及上地幔上部的花崗巖中放射性元素的衰變熱[12]。據調研結果顯示，研究區莫霍面深度在35～36 km，有利于上地幔熱量的傳導，而華北地區巨厚的花崗巖體，特別是酸性花崗巖體的放射性衰變熱對于上部大地熱流的貢獻非常可觀，資料顯示，京津冀平原花崗巖地殼放射性元素衰變產熱量對大地熱流的貢獻高達50%～62%[13]，這兩部分熱源不斷地補充，使得研究區平均大地熱流值達到79.1 m W/m2，遠遠超過全球平均大地熱流值62 m W/m2，具有形成優良地熱田的有利條件。

2.1.2 地溫場特征

地溫場是地質發展歷史與地質現狀對其影響的綜合體現，地溫梯度是指單位深度內溫度的變化率，地溫梯度是反映地溫場的直觀手段。閆敦實等[13]曾提出地溫梯度同基底起伏有一定的相關性，本文進行了深入探究。利用測溫數據進行了單井的溫度一深度曲線繪制，計算蓋層及儲層的地溫梯度[14]，從縱向、橫向兩個維度討論雄縣地熱田地溫場特征。本文選取研究區典型井來進行上部蓋層及霧迷山組儲層地溫梯度的測算，選用公式如下：

式中：G表示地溫梯度，T表示當前選取計算層段溫度，Z表示當前選取計算層段深度，T0和Z0分別代表恒溫帶的溫度和深度，本次研究在假定純傳導條件下進行，恒溫帶深度選取28.56 m，溫度14.5℃（儲層地溫梯度計算方法同理）。

根據計算所得的地溫梯度數據繪制圖2，如圖所示，在縱向上，可以明顯地看出上部蓋層和儲層之間存在著明顯的地溫梯度變化，隨著深度的增加，地層由新變老，地溫梯度從大變小，地溫增加的速率也逐漸放緩，上部蓋層鉆遇泥巖比例越高，地溫梯度越大（圖2）。對于研究區來說，除構造高點部位，霧迷山組儲層埋深在500 m以內，多數地熱井鉆遇霧迷山組地層深度為900～1 100 m，雄縣地熱田蓋層地溫梯度平均為4.54℃/100 m，霧迷山組儲層地溫梯度平均為0.87℃/100 m，上部第三系和第四系地層泥巖砂巖配置關系較好，所形成的蓋層隔熱效果明顯，可以較好地保存下部霧迷山組熱儲的熱量，有利于地熱田的形成。

圖2 雄縣地熱田鉆井溫度—深度曲線圖Fig.2 Temperature?depth logs in the cap rock of the Xiongxian geothermal field

在測算地溫梯度的基礎上，結合研究區構造特征，編制出雄縣地熱田1 000 m深度地熱地質剖面圖及蓋層地溫梯度圖，在平面展布上，雄縣地熱田中部及南部具有較高的蓋層地溫梯度值，地溫梯度相對高值區位于凸起部位，相對低值區為靠近廊固凹陷、霸縣凹陷、饒陽凹陷附近，總體地溫梯度分布形態與牛駝鎮凸起構造形態一致，呈北東—南西向展布（圖3，4）。結合繪制的雄縣地熱田地熱地質剖面圖分析，研究區內容2井附近蓋層地溫梯度為3.24℃/100 m，數值相對于其他凸起部位略低，判斷沿保定—徐水斷層及容城斷裂有來自于太行山及燕山山脈的大氣降水補給，由于補給區冷水沿斷裂匯入，導致蓋層地溫梯度降低；此外雄3井及雄103井區域出現較為反常的地溫梯度高值，判斷由于這兩口井距離牛東斷裂較近，可能存在一條深部導水斷層，深部熱水沿導水斷層上涌補充，出現局部水熱對流現象，導致雄縣地熱田南部出現蓋層地溫梯度高值。

圖3 雄縣地熱田地熱地質圖（據王貴玲等[15]，修改）Fig.3 Geological profile of the Xiongxian geothermal field(modified from Wang et al.[15])

2.2 水源特征

2.2.1 地熱水氫氧同位素特征

研究地下熱水的同位素特征有助于確定地下水的來源，幫助建立地熱田成因模式，指導后期地熱田的開發利用。本次研究將測定的研究區地下熱水的氫氧同位素含量同研究區大氣降水線進行比較，探究研究區地下水補給來源。從圖5可以看出，雄縣地熱田熱水的δD和δ18O值分別為-66.1‰～-86.9‰和-7.5‰～-11.18‰，研究區霧迷山組儲層地下熱水同位素值均落在華北地區大氣降水線附近，大部分數據點位于降水線下方，證實研究區地下水補給主要來自于大氣降水，但是測得數據點δ18O值漂移現象明顯。雄縣地熱田霧迷山組為白云巖儲層，理想狀態下測得δ18O值應當為-20.43‰[7]，研究區霧迷山組地層δ18O值明顯增大，指示地下水經歷了較長時間的運移，并在運移過程中同碳酸鹽巖地層發生水巖反應。

圖5 雄縣地熱田氫、氧同位素分布特征Fig.5 Hydrogen and oxygen isotopic characteristics from the Xiongxian geothermal field

2.2.2 地熱水14C年齡特征

對地下熱水進行14C測年的意義在于確定地熱流體年齡，從而為地熱流體的起源、成因及所經歷的地質年代提供依據[16]。

根據表1所示，雄縣地熱田14C年齡大約在1.7～2.4萬年之間，結合研究區平面展布特征分析，可以得出研究區霧迷山組地層水年齡自北西方向至南東向逐漸增大，說明地下熱水運移方向同樣為自北西方向至南東向運移。另一方面，由于研究區霧迷山組地層形成時間應當距今1 200 Ma左右，測定研究區霧迷山組地熱水14C年齡遠遠小于地層形成時間，可以直接排除研究區霧迷山組地熱水來自于地層封存水這一觀點，再結合上文提到的δD和δ18O值特征，可以判斷研究區霧迷山組熱水來自于大氣降水，由現代降水和古大氣降水混合而成。

表1 雄縣地熱田及周邊區域14C年齡測定結果表（據張德忠等[17]）Table 1 Radiocation ages of carbon from the Xiongxian geothermal field and nearby area（after Zhang et al.[17]）

2.2.3 地熱水礦化度特征

圖4 雄縣地熱田蓋層地溫梯度等值線圖Fig.4 Geothermal gradient map for the cap rock of the Xiongxian geothermal field

本次研究在前人成果基礎上[18-20]，重新評定研究區地熱水礦化度分布特征，由于牛駝鎮凸起埋藏較淺，易于接受大氣降水補給，總體礦化度較低。根據表2分析結果顯示，研究區霧迷山組地熱水水化學類型為Cl·HCO3-Na和Cl-Na型，總體礦化度在1 900～3 500 mg/L，據前期調研資料顯示，在靠近太行山及燕山山脈的山前地帶，地層水礦化度為400～700 mg/L，水化學類型主要為HCO3-Na型。結合研究區內各井平面分布，分析地熱水礦化度的總體變化趨勢，可以推測出地下水的運移過程。礦化度自研究區西部、西北部向東南部逐漸增大，同時地熱水逐漸由Cl·HCO3-Na型向Cl-Na型過渡，初步判斷水源補給來自于研究區西北部的太行山及燕山山脈。

表2 雄縣地熱田霧迷山組地層水化學特征（部分數據來自李飛等[21]）Table 2 Groundwater chemistry characteristics of the Wumishan Formation in the Xiongxian geothermal field（after Li et al.[21]）

2.2.4 熱水補給高程及循環深度預測

通過預測補給高程，結合δD值變化，可以對研究區地下水補給區補給海拔進行判斷[22]，已有研究將雄縣地熱田地熱水的δD值同天津地熱田霧迷山組地熱水進行對比，判斷雄縣地熱田霧迷山組地熱水補給區海拔高于天津地熱田霧迷山組地熱水補給區，結合牛駝鎮凸起地理位置，推測雄縣地熱田霧迷山組地熱水的補給區位于研究區西北部的太行山及燕山山脈海拔500 m以上的區域[9]。本文在此基礎上，對雄縣地熱田熱水循環深度進行預測。地熱水循環深度計算公式為：

式中：Z為預測循環深度，m；Z0為恒溫帶埋深，m；TR為熱儲溫度，℃；T0為補給區多年平均溫度，℃；△T為地溫梯度，℃/100 m。

調研得到河北地區年平均溫度為12.7℃，恒溫帶埋深選取28.56 m，太行山、燕山山前地溫梯度T0<2.0℃/m[1]，本文選取2.0℃/m，熱儲溫度T R為80℃，對地熱水最小循環深度進行預測。利用上述參數，計算預測雄縣地熱田的地熱水循環深度約為3 500 m。

2.3 運移通道特征

雄縣地熱田熱水水源主要來自于研究區西北部的太行山及燕山山脈，受大氣降水補給，水源沿山前深大斷裂、地層不整合面及各條區內斷裂運移至牛駝鎮凸起，在這一過程當中，研究區西北部的容城斷裂，西南部的保定—徐水斷裂，東部的牛東斷裂發揮了巨大作用。上文研究結果表明，大氣降水經深大斷裂進入地層循環，受地殼傳導熱及基底放射熱加熱升溫，研究區雄104井和D13井在鉆井過程中發生鉆具放空及鉆井液漏失現象，顯示研究區霧迷山組地層縫洞較為發育，地下熱水可在地層壓力的作用下沿縫洞系統上涌至第三系與霧迷山組的不整合面，此時，由于之前構造運動導致地層受到抬升剝蝕風化形成的風化殼可作為輸導層，為地下熱水運移提供優勢通道。

2.4 地熱儲—蓋特征

由于研究區霧迷山組地層沉積時代久遠、埋藏深度較大，經歷的構造及成巖作用比較復雜，儲層物性整體表現為非均質性極強的特征。根據研究區對薊縣系霧迷山組部分巖心分析結果顯示，目的層孔隙度分布于3.0%～8.0%，平均孔隙度為3.75%，滲透率范圍為（0.01～100.2）×10-2μm2，具有低孔高滲的特點。通過野外剖面及巖心觀察，研究區裂縫及溶孔、溶洞十分發育，可形成縫洞結合型儲層（圖6）。

圖6 研究區霧迷山組儲層特征Fig.6 Reservoir characteristics of the Wumishan Formation in the study area

研究區霧迷山組地層主要巖性為白云巖，再加之收到多期構造抬升作用影響，巖溶作用十分發育。通過本次研究發現研究區共發育四種巖溶類型，分別為：準同生巖溶、表生巖溶、受斷裂控制巖溶和埋藏巖溶，而研究區內裂縫的發育有助于地熱儲層改造[23]。

對于早期的構造縫來說，控制著晚期斷裂帶附近的巖溶作用；斷裂帶附近的構造裂縫為巖溶發育提供物質通道，增加了地表水和地下水向下淋濾時同碳酸鹽巖地層的接觸面積；在平面上，溶蝕作用常常沿著斷裂帶的方向發育；在垂向上，后期的溶孔常常分布于早期的斷裂帶附近，在多個斷裂帶的交匯處（如保定—容南斷裂，容城—容南斷裂，牛東—牛南斷裂），有可能在深部形成大的溶蝕洞穴。

對于非構造縫來說，主要是加快巖溶作用的進程，促進巖溶的發育；不斷增強的溶蝕作用將地層發育的微小裂縫連通，進而發育成大裂縫、大溶洞，通過縫洞系統來改善研究區霧迷山組儲層的物性。非構造縫可改善儲層的儲滲能力，尤其是與構造縫的相互連通，為地下水和地表水的垂向運移提供了有利條件。

若是從高、低角度縫角度區分考慮，由于研究區霧迷山組地層在印支運動以及燕山—早喜山期出露地表，接受大氣淡水淋濾、風化作用，導致了其下伏地層中巖溶作用的發生，高角度裂縫的存在，為大氣淡水的下滲提供了通道，從而擴大了溶蝕孔洞發育帶的厚度，同時也增強了巖溶發育的強度。而在中—深埋藏條件下，儲集層內部流體可沿低角度裂縫的流動，擴大了儲集層橫向溶蝕范圍，低角度縫的存在，增加了水和碳酸鹽巖地層的接觸，小孔洞之間出現了連通，從而改善地層的儲滲性能。

研究區霧迷山組熱儲上部直接覆蓋第三系、第四系砂泥巖地層[24]，孔隙度較高，導熱性差，地溫梯度普遍較高，可作為良好的保溫層，加之霧迷山組與上部地層不整合接觸，通常具有一層黏土風化殼，起到了良好的隔水作用。因此研究區霧迷山組熱儲厚度大，縫洞系統發育，上部砂泥巖地層隔熱保溫效果顯著，儲蓋配置條件優異。

3 雄縣地熱田成因模式

雄縣地熱田屬于沉積盆地水熱型地熱田[24]，地熱田受到來自于太行山及燕山山脈的大氣降水補給，地下水源沿山前斷裂帶運移，經由保定—徐水斷裂，容城斷裂，牛東斷裂，通過徐水凹陷、廊固凹陷，自研究區北、西兩個方向對地下熱水進行補充。以牛東斷裂為例，該斷裂是牛駝鎮凸起和霸縣凹陷的構造邊界斷裂，古近紀前，研究區受到擠壓應力作用，牛東斷層性質為逆斷層，古近紀起，研究區發生強烈構造反轉，牛東斷層同時出現走滑運動的特點。目前研究成果顯示，前期擠壓應力下，斷層兩側易形成順斷層走向的壓扭性斷裂，這類斷裂具有橫向局部阻水，縱向導水的特征，在這種先壓后張的兩期構造應力作用疊加下，斷層附近的破碎帶導水能力會大大增加[25]，斷裂帶周圍可形成地下巖溶管道徑流，也有助于在牛東斷裂與牛南斷裂交匯處產生地熱水富集。深部地層中的地熱水沿導水斷層上涌后，與上部的地下水混合，進一步提升凸起部位儲層的地溫，導致鉆井測溫曲線上的地溫梯度突變，這一異常現象也得到了驗證（圖2），分布在斷裂帶附近的部分井在剛進入霧迷山組地層時的地溫變化明顯大于下部地層。基于上述分析提出雄縣地熱田成因模式（圖7）。

圖7 雄縣地熱田成因模式Fig.7 Genetic model of the Xiongxian geothermal field

4 結論

（1）雄縣地熱田為沉積盆地水熱型地熱田，邊界受牛東斷裂、牛南斷裂、容城斷裂控制，展布形態同牛駝鎮凸起類似，地熱儲層為中上元古界薊縣系霧迷山組白云巖，井溫平均在65℃以上，孔隙度3%～8%，滲透率>3×10-2μm2，地下水化學類型自北東至南西向由Cl·HCO3-Na型過渡至Cl-Na型，礦化度逐漸增大。

（2）研究區熱源來自于深部地殼熱傳導及放射熱，蓋層地溫梯度平均為4.54℃/100 m，霧迷山組儲層地溫梯度平均為0.87℃/100 m，熱儲溫度約為65℃，蓋層主要為第三系和第四系的砂泥巖，儲層埋深淺，儲蓋配置良好，保溫效果優異，開發利用前景較好。

（3）裂縫對研究區霧迷山組儲層改造效果明顯，多期的構造抬升作用導致霧迷山組地層多次出露地表接受大氣淡水淋濾，裂縫的發育有助于縫洞巖溶系統的形成，從垂向及橫向兩個方向對儲層進行改造，增加儲集及滲流運移能力。

（4）雄縣地熱田成因模式可概括為：來自于太行山及燕山山脈海拔500 m以上的現代大氣降水及古大氣降水，沿保定—徐水斷裂、容城斷裂、牛東斷裂及研究區內縫洞巖溶系統匯入牛駝鎮凸起，另外在牛東斷裂附近可能存在一條深部導水斷層，深部熱水沿導水斷層上涌補充，導致雄縣地熱田南部出現地溫梯度高值，研究區地熱水循環深度約為3 500 m。