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摘要：万庄子-镇罗营背斜位于平谷区西北，属北京北部山区。在前人研究的基础上，搜集相关资料，通过地球物理、地球化学、地质钻探等多种手段，利用地质构造分析、井与物探结合分析、地热地质综合研究等方法，开展万庄子-镇罗营背斜地热地质条件研究。通过研究，指出西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂、后北宫断裂控制该地区构造演化，为导热导水断裂。提出片麻岩中寻找地热资源的关键是寻找导热导水的深大断裂。明确太古宇密云岩群片麻岩可以作为很好的地热储层，万庄子-镇罗营背斜及周边具备地热资源赋存的基本条件，为地热勘探开发有利区。万庄子-镇罗营背斜及周边地热井钻凿需寻找盖层条件较好的断裂发育带。作者|王卓卓 尉小永 孟杉 杨茜婷 江剑 马静晨 王维逸 郭帅 刘哲 施立志
原题|北京平谷地区万庄子-镇罗营背斜地热地质条件研究
来源|城市地质
小编|阿热
→这是"地热能在线"的第186篇文章
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北京市开展了70多年的地热资源勘查开发工作，地热研究程度较高。北京平原区被划分为4条地热带和10个地热田（北京市地质矿产勘查开发局等，2010），这些地热田的地热储层普遍为奥陶系、寒武系和蓟县系层状热储。以往研究成果认为北京燕山隆起区天然温泉的形成分布与燕山期花岗岩体关系密切（柯柏林等，2019），但未在其中发现天然温泉。北京北部山区花岗片麻岩中地热资源相对贫瘠，尚未进行过系统研究。笔者通过对比国内外地热资源勘探开发现状及温泉出露情况（刘哲等，2016;Waber et al.,2017；张七道等，2021），认为北京北部山区花岗片麻岩中具备赋存地热资源条件。平谷区为地热开发新区，地热勘查相对较少，近年来在万庄子-镇罗营背斜核部及翼部开凿了几眼地热井（郭帅，2020），展现出一定的地热资源前景。本文在前人工作的基础上，利用地球物理、地球化学、地质钻探等多种手段，开展平谷地区万庄子-镇罗营背斜地热地质条件研究，为今后该地区地热资源的勘探开发指明方向。
万庄子-镇罗营背斜位于北京市平谷区大华山镇境内。万庄子-镇罗营背斜在大地构造单元上位于一级构造单元中朝准地台，二级构造单元燕山台褶带，三级构造单元蓟县中拗褶及四级构造单元平谷中穹断中（王挺梅，1979；北京市地质矿产局，1991）。万庄子-镇罗营背斜为一走向北东，轴向NE45°，轴面倾向南东，核部平缓开阔的背斜。此背斜向南西倾伏，隐伏于第四系之下，倾伏角20°。其核部由太古宇密云岩群花岗片麻岩组成，两翼为中元古界岩层。东南翼地层出露较宽，西北翼出露地层较窄。背斜核部在地貌上表现为大的侵蚀河谷地貌，主体被第四系覆盖。水峪—大华山一带为该背斜的核部，该背斜的构造发育自西向东受西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂、后北宫断裂控制（图1）。通过地质剖面图（图2）可以看出，万庄子-镇罗营背斜核部出露太古宇片麻岩（ArWgn），上覆地层从老到新依次为常州沟组三段、四段，串岭沟组，团山子组、大红峪组一段、二段，高于庄组一段、二段和三段。万庄子-镇罗营背斜上部及翼部断裂比较发育，大型的断裂有西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂、后北宫-水峪东断裂。其中西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂和后北宫断裂控制了万庄子-镇罗营背斜的形态。西牛角峪-江米洞断裂为压性逆断层，断层走向北东45°，出露长度1.5 km左右，上盘岩性为太古宇片麻岩，下盘岩性为常州沟组石英砂岩。江米洞村东密云岩群片麻岩掩覆于常州沟组石英砂岩之上，断层面倾向南东，倾角75～80°，该断裂及次级断裂影响带地层比较破碎，可能形成地热水赋存的有利空间。大华山断裂走向北东45°，断层面倾向南东，倾角75～80°，该断裂上盘为太古宇片麻岩，下盘为中元古界常州沟组。上盘太古宇密云岩群掩覆于下盘常州沟组石英砂岩之上，破碎带宽10～15 m，出露长度大于9 km，构造岩以压碎岩、压裂岩为主，为压性逆断层，其附近伴生众多小断裂及破碎带。大华山断裂附近井孔、地热井平热3号及浅井的水温高于周边地区，表明大华山断裂为导热导水断裂，起到了重要的导热导水作用。后北宫断裂：断层面产状稳定，倾向为北西280°，倾角为80°，断距大于70 m。沿断层有正长斑岩及半碱性脉岩活动，为压扭性逆断层。该断裂北西盘为片麻岩，南东盘为石英砂岩，两边产状不一。平谷地区发育的地层按时代由老到新为太古宇密云岩群，中元古界长城系常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组、高于庄组和新生界第四系。图1 研究区构造及附近70 m地温等值线图
Fig.1 structural diagram of the study area and isomap of 70 m research area and nearby
图2 研究区地质剖面图
Fig.2 Geological section of the study area
太古宇密云岩群：平谷地区密云岩群岩性自上而下为榴辉变粒岩、角闪辉石片麻岩、花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩、辉石角闪斜长片麻岩、黑云母角闪斜长片麻岩等，局部地区混合岩化强烈。该地层部分地区出露，尤其是在背斜核部。万庄子-镇罗营背斜主要发育花岗片麻岩。中元古界长城系常州沟组：呈大面积串状出露。岩性主要为长石石英砂岩、石英岩、岩屑石英砂岩等，与太古宇密云岩群地层呈角度不整合接触。串岭沟组：呈细条带状出露。岩性为绿、灰褐、浅黄色硅质富钾页岩、粉砂质富钾页岩为主，夹褐色薄层粉砂岩及硅质白云质灰岩，与下伏常州沟组为整合接触。团山子组：呈条带状出露。岩性以灰、黄、绿色中厚层硅质白云质灰岩为主，夹薄层硅质富钾页岩及石英砂岩，底部具3～4 m厚的涡卷灰岩，与其下伏串岭沟组为连续过渡沉积。大红峪组：呈片状出露。岩性为紫、灰绿色粉砂质富钾页岩、泥质灰岩、深灰色厚层白云质灰岩夹火山角砾岩，上部以紫红色、褐色气孔状粗面岩、安山质玄武岩及凝灰质砂岩为主，夹灰白、紫红色石英砂岩及硅质白云质灰岩，该组与下伏团山子组之间有明显的沉积间断，为不整合接触。高于庄组：呈片状分布。出露于研究区西北部。下部岩性主要为灰色厚层砂质、粉砂质白云岩，中部为灰色中厚层瘤状白云岩夹纹层状白云岩，上部为紫红色页片状含砾屑白云岩夹页岩。新生界第四系：主要分布在北部与东部山前局部地区，岩性以砂卵砾石、砂砾卵漂石、黏土质砂为主，夹有黏土层，沉积厚度一般为10～100 m。
万庄子-镇罗营背斜为一走向北东，轴向NE45°，轴面倾向南东，核部平缓开阔的背斜。该背斜为典型的断背斜，断裂发育。背斜西翼为向东南倾的正断裂，背斜东翼为向西北倾的正断裂。研究区自西向东发育北东向的西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂和后北宫断裂，为导热导水断裂，为地下热量上涌提供了通道，同时背斜构造可以成为很好的聚热构造。钻井揭露和地表出露地层由老到新为太古宇密云岩群，中元古界长城系常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组、高于庄组和新生界第四系。太古宇以上地层可以作为很好的热储盖层。因此，万庄子-镇罗营背斜断裂附近的太古宇花岗片麻岩，可以成为很好的线状热储。通过周边地热井及浅井测温数据，绘制万庄子-镇罗营背斜及附近70 m地温等值线图。从图1可以看出，70 m地温等值线在背斜核部胡家店—大华山—水峪一线数值最高，从核部到两翼温度逐渐降低，说明该地区地下具有地热资源，且万庄-镇罗营背斜具有一定的聚热作用。研究区附近浅层地温普遍较高，地温异常明显，整体上地温场呈东高西低的趋势，且地温场和万庄-镇罗营背斜核部发育位置一致。70 m地温等值线在江米洞附近出现垂直于核部温度等值线的拐弯，经分析原因有2点：1）江米洞井温较高，且位于江米洞断裂附近；2）大华山断裂西侧测温井较少。据此推测江米洞断裂为导热导水断裂。本文收集了平热2、平热3和京平2号地热井地球物理测井、井温资料和地温梯度等资料。通过分析前人资料可以看出，区内主要地层为第四系、长城系和太古宇。长城系的地热增温率为0.154～1.11℃·（100 m)-1，平均地热增温率为0.63℃·（100 m)-1；太古宇的地热增温率为1.80～5.07℃·（100 m)-1，平均3.435℃·（100 m)-1。太古宇的地热增温率明显高于长城系的地热增温率，且该区太古宇片麻岩的地温梯度高于平均地温梯度2.5℃·（100 m)-1，为地热高值异常区。经过研究认为：由于断裂的沟通和背斜的聚热作用，造成研究区太古宇断裂破碎带地层地热资源丰富。万庄子-镇罗营背斜的地热储层为太古宇片麻岩，热储盖层为第四纪砂砾、砂黏和长城纪地层。背斜核部第四系直接覆盖在太古宇片麻岩之上，背斜两翼出露的地层为长城系高于庄组、常州沟组或串岭沟组。长城系在背斜各个部位分布情况各不相同。背斜西北翼出露地层为长城系高于庄组、大红峪组、串岭沟组和常州沟组，在西北角背斜西侧存在向斜，向斜核心部位出露地层为长城系高于庄组三段。背斜核部为山谷，向斜核心部位为山峰。背斜西侧地层通过断裂与背斜核部接触，大角度西倾斜；背斜东侧地层通过断裂与背斜核部接触，小角度东倾。太古宇片麻岩作为地热储层，为受断裂控制的带状热储，该热储沿着断裂或其次级断裂展布。为了充分分析地热储层特征，在实验室进行了4个样品的岩石热导率、比热容和干密度的测量，测量数据见表1。由于万庄子-镇罗营背斜核部及两侧风化严重，采样难度较大，仅在万庄子-镇罗营背斜东南翼采集到新鲜样品。岩石热导率是计算高质量大地热流最为重要的参数之一，对岩石热导率的测量有利于以后开展区域热流分布、岩石圈热结构、浅表温度场的分布及地热资源评价等工作，因此不同的学者对渤海湾盆地、中国西北部盆地的岩石开展了热导率的测试工作，并建立起这些盆地相应的岩石热导率柱（常健等，2016；邱楠生，2002）。本次岩石样品热导率测试是在中国科学院地质与地球物理研究所，采用德国生产的TCS(thermal conduc⁃tivity scanning）自动扫描仪，进行测量。该仪器的测量范围为0.2～25 W·m-1·K-1，测量精度为±3%。通过表1可以看出，万庄子附近出露的花岗片麻岩密度变化不大，为2.44～2.50 g·cm-3；热导率变化较大，平均值为4.77～5.46 W·m-1·K-1；比热容变化较小，为790.38～824.81 kJ·℃-1·kg-1。GB/T 11615-2010《地热资源地质勘查规范》中花岗岩的比热容为794 kJ·℃-1·kg-1，密度2700kg·cm-3，热导率2.721 W·m-1·K-1。该区花岗片麻岩与地热资源地质勘查规范（GB/T 11615-2010）中花岗岩相比，密度相对较小，比热容接近，热导率相对较高。本次研究作者取地表出露太古宇花岗片麻岩，这些岩石跟目的层岩石为同一层位。风化程度不同可引起同种岩性同地层岩石热导率的不同，本次样品采集通过从地面向深部挖掘、切割、钻凿等方法，选取未风化的岩石进行测试，以求更接近目的层岩石。通过测试可以看出，该区花岗岩岩石热导率高，可能跟花岗岩中主要成分有关。该区花岗片麻岩的比热容跟花岗岩接近，密度差别不大，热导率远大于花岗岩热导率，有利于热量传递。
地球物理方法在地热资源勘探开发中具有重要的作用（张文洋，2006；黄健良等，2009；马文杰等，2017；宋继伟等，2018；郑宇轩等，2018）。利用地球物理方法可以确定断裂发育情况，可以明确水的赋存情况，也可以分析断裂活动特征及其对地热影响。通过地质与地球物理方法，开展断裂活动特征及对地热影响分析，其分析内容如下：通过对断裂特征及演化史分析，明确大华山断裂、后北宫-水峪东断裂、西牛角峪-江米洞断裂主要为燕山期活动的断裂。西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂和后北宫-水峪东断裂控制了万庄子-镇罗营背斜核部的发育。表1 万庄子-镇罗营背斜花岗片麻岩热导率、密度、比热容测试结果数据表
Tab.1 Data Table of thermal conductivity,Density and specific heat capacity of anticline granite Gneiss
大华山断裂具有多期活动性。中元古代长城期为张性同沉积断裂，南东盘下降，断距达600 m，造成断裂两侧常州沟组沉积厚度的较大差异。燕山旋回此断裂再次活动，转为南东盘急遽上升。根据地层对比，此期活动逆冲断距达1 000～1 200 m，喜山旋回此断裂继续活动。根据地震会战资料（北京市地震地质会战办公室，1977），南东盘以0.65 mm·a-1的速度不断上升，沿断裂带有弱震发生。该断裂对研究区构造及岩浆活动有明显的控制作用，断裂北西褶皱、断裂构造均较发育；断裂南东侧地层具有南倾单斜特征，断裂构造发育。西牛角峪-江米洞断裂以左行滑移为主，断距约1 000 m。西牛角峪-江米洞断裂形成于燕山晚期。挂甲峪南侧两条近东西向断裂为印支期开始活动，燕山期为主要活动期，喜山期继续活动的断裂。导热导水构造是指为深部热流和地下水的运移和分布提供通道和空间条件的构造。断裂和背斜均可以形成很好的导热导水构造（宾德智等，2002）。全球热流统计资料显示，全球热流的分布与地质构造有着密切关系。在构造活动相对稳定的地区，地热流值较低：而在构造活动较强烈的地区，地热流值则较高。同时，就地热异常区（带）的分布来看，多数情况下是由于地下热水通过断裂系统上涌而形成地热异常，因此，地热资源形成与聚集的主要控制因素是断裂（班文韬等，2018）。柯柏林等在2019年开展了北京西山谷积山背斜地热系统成因模式及远景区预测，指出下苇甸穹窿构造具有形成地热系统的地热地质条件。本区为背斜构造，地质构造同谷积山具有一定的相似性，可形成聚热构造。通过分析万庄子-镇罗营背斜及周边地热井温度及地温场可以看出，万庄子-镇罗营背斜对地热具有一定的控制作用，背斜核部70 m地温较高，同时在断裂附近，如西牛角峪江米洞断裂附近，地热增温率及井底地温较高。因此万庄子-镇罗营背斜和周边断裂对地热具有明显的控制作用。由于该区地热储层为太古宇花岗片麻岩，为典型的带状热储，地热富集主要受断裂活动控制。在确定钻井井位前，需要寻找导热、导水断裂，圈定地热异常区。挂甲峪村地热井的前期勘查主要是采用可控源音频大地电磁测深方法识别断裂位置。图3-a为可控源音频大地电磁测深平面布置图，图3-b为测线剖面解释图，结合区域地质情况，发现在剖面1 000点和1 500点处存在低阻异常，推断该处存在2条小断裂，F1和F2（图3-c）。在F1小断裂附近布置井位，钻探出温度44℃、水量737 m、井深2 272 m的地热井。图3 大地电磁测深断裂识别
Fig.3 Detotic electromagnetic sounding fault recognition
地热资源的赋存，一般需要具备导热通道、热储层、热储盖层、地热增温率高4个基本条件。万庄子-镇罗营背斜周边发育多条断裂，有利于地热从深部传导。根据构造特征分析，大华山断裂和后北宫断裂，倾角较陡，切割较深，为深部热流上升提供了极为良好的通道；大华山断裂为反转构造，多期反复的构造运动提供了间歇性运移通道，有利于热量的运移和封存；另外，主断裂附近伴生众多小断裂及破碎带，也起到了重要的导热导水作用。通过图3和表2可以看出，平热3号井位于峪口镇东南，万庄子-镇罗营背斜核部，大华山断裂和后北宫-水峪东断裂之间，靠近大华山断裂；平热2号井位于万庄子-镇罗营背斜核部，熊耳寨-马房-夏垫断裂带与靠山集-西樊各庄断裂交汇带；京平2号井位于麻子峪-黄松峪断裂北侧，且位于万庄子-镇罗营背斜东南翼。研究区断裂发育，断裂及次生断裂的存在，使得太古宇花岗片麻岩地层比较破碎，断裂破碎带可形成带状热储。平热3号井、平热2号井、京平2号井热储层为太古宇密云岩群，为灰白色花岗片麻岩，钻遇地层见表2。平热3号井钻凿过程中出现比较严重的漏失，表明断裂十分发育。平热2号井密云岩群岩石硬度较高，进尺缓慢，无明显漏失。京平2号井1 803.34～2 272 m段在钻探过程中，由于井壁破碎，出现塌孔，同时出现比较强烈的漏失，表明该段裂隙十分发育，为主要热储层段。可见京平2号井和平热3号井较平热2号井断裂发育。通过对比可以看出，断裂发育程度对地热资源的保存具有控制作用。热储盖层的岩性一般较为致密，具有隔断与浅部冷水的联系，保持地下热水温度的作用。本区热储层上覆地层为第四系和长城系。第四系厚度0～50 m，岩性主要为砂黏、黏砂、砂砾石，保温性能较好。长城系厚度0～800 m，岩性主要为灰色、灰白色石英砂岩。通过表2可以看出，平热3号井上部仅覆盖23 m第四纪地层，盖层条件较差。平热2号井和京平2号井上覆盖层厚度较大，具有很好的盖层条件。盖层条件对地热资源的富集具有一定的作用。表2 研究区地热井相关数据表
Tab.2 Data sheet of related geothermal Wells of the study area
平谷区存在2个地温异常区，分别为后北宫—刘家店—东辛庄地温异常区和马坊—滨河—山东庄—南独乐河地温异常区域（方梁等，2014）。研究区位于后北宫—刘家店—东辛庄地温异常区，地温梯度较高。万庄子-镇罗营背斜及周边地热增温率较高在后北宫—刘家店—东辛庄地温异常区处于高位，可达3.43℃·（100 m)-1。本文搜集整理了平热3、平热2、和京平2共3眼地热井物理测井井温资料（图4）。在埋深2 000 m以上地层的井温梯度一致性较差，其中，长城系的井温梯度为1.11～0.154℃·（100 m)-1，平均井温梯度为0.63℃·（100m)-1；太古宇的地热增温率为1.80～5.07℃·（100 m)-1。太古宇密云岩群片麻岩地热增温率平热3号井为5.025 7℃·（100 m)-1，平热2号井为1.045 7℃·（100 m)-1，京平2号井为2.441℃·（100 m)-1。热储中平热3号井地热增温率最高，京平2号井次之，平热2号井最低。由地热增温率数据可以看出，地热增温率越高，地热条件越好。图4 平热2、平热3、京平2号井井温曲线图
Fig.4 Temperature graph of geothermal wells of Pingre 2,Pingre 3 and Jingping 2
平热3号井位于万庄子-镇罗营背斜核部，大华山断裂和后北宫-水峪东断裂之间，靠近大华山断裂，上部发育很薄的第四系，650 m温度为38.5℃，地热增温率较高，地热条件较好。平热2号井位于熊耳寨-马房-夏垫断裂带与靠山集-西樊各庄断裂交汇带附近，属山前地带，地下水循环交替强烈，地热热量不易富集，平热2号井2 150 m处井温为37.4℃，地热增温率较低，地热条件一般。京平2号井位于万庄子-镇罗营背斜东南翼，麻子峪-黄松峪断裂北侧，该井2 225 m井底温度55.109℃，上部有第四系和长城系常州沟组。有大断裂并且盖层条件较好，地热增温率较高，地热条件较好。通过以上分析可以看出，万庄子-镇罗营背斜及周边具备地热资源赋存的条件，该区地热资源丰富，为地热勘探开发有利区。
万庄子-镇罗营背斜轴向NE45°，轴面倾向南东，核部平缓开阔。西牛角峪-江米洞断裂、大华山断裂和后北宫断裂控制了万庄子-镇罗营背斜的形态。万庄子-镇罗营背斜周边是地热聚集区，具备导热导水通道、热储盖层、热储层3个基本条件，地温梯度相对较高，可作为下一步地热开发的重点区域。片麻岩中寻找地热资源关键是寻找导热导水的深大断裂。平热3号和京平2号的钻凿成功，明确片麻岩也可以作为很好的热2储，为地热勘探开发指出了新的方向，为在北京东北部山区寻找地热资源开辟了新的领域。
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