王宇涵

(中國石化石油工程地球物理公司華東分公司,江蘇南京 210000)

牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏靥幒颖笔【硟?nèi),發(fā)育在冀中坳陷牛駝鎮(zhèn)斷凸內(nèi)[1],西靠容城凸起,南鄰高陽低凸起,周邊發(fā)育徐水凹陷、保定凹陷等一系列凹陷,面積605.65 km2(圖1)?；鶐r熱儲(chǔ)溫度高、埋深淺、涌水量豐富,地?zé)崽飪?nèi)井口水溫大部分超過60 ℃,高溫地?zé)崴虡I(yè)價(jià)值很高[2],為了更深入探索地?zé)豳Y源,實(shí)現(xiàn)“地下透明雄安”的目標(biāo),以具有典型代表的牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镞M(jìn)行地?zé)岢刹剡^程及成因研究。

圖1 牛駝鎮(zhèn)及周邊地區(qū)構(gòu)造分布

1 成藏演化

中生代之前牛駝鎮(zhèn)地區(qū)以大面積構(gòu)造抬升為主,印支-燕山運(yùn)動(dòng)擠壓隆升使得中生界沉積地層基本剝蝕殆盡[3]。以XA2020-A測線所在地區(qū)為例(圖2),牛駝鎮(zhèn)凸起形成前后構(gòu)造演化主要?jiǎng)澐譃?個(gè)階段[4]。

牛駝鎮(zhèn)凸起發(fā)育前潛山內(nèi)幕形成期(侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)):晚中生代,蒙古-鄂霍次克洋閉合活動(dòng)以及古太平洋板塊俯沖,華北克拉通盆地由近南北向收縮開始轉(zhuǎn)換為北西西-南東東向伸展。在此背景下,華北克拉通東部巖石圈發(fā)生較大程度減薄,軟流圈呈蘑菇云狀大規(guī)模上涌,造成冀中地區(qū)元古界地層隆起、甚至出露地表發(fā)生鹽溶作用。

牛駝鎮(zhèn)凸起形成期(古近紀(jì)):該時(shí)期渤海灣盆地逐漸發(fā)育,受太行山山前斷層及一系列次級斷層作用的影響,牛駝鎮(zhèn)地區(qū)出現(xiàn)劇烈伸展構(gòu)造活動(dòng),冀中坳陷同時(shí)發(fā)生斷陷活動(dòng),這一過程直至古近紀(jì)末才結(jié)束,并表現(xiàn)出顯著的幕式特征。古新世-早始新世時(shí)期,太行山山前斷層、大興斷層、牛東斷層進(jìn)入活動(dòng)期,在其上盤相應(yīng)地發(fā)育徐水凹陷、大河鎮(zhèn)洼槽和霸縣凹陷,凸中有凹、凹中有凸的構(gòu)造形態(tài)逐漸形成;早-中始新世時(shí)期,太行山山前斷層活動(dòng)開始減弱,而大興斷層、牛東斷層等繼續(xù)強(qiáng)烈活動(dòng),與此同時(shí)開始發(fā)育部分次級斷層,凸起的地層被剝蝕,中元古界地層開始出露地表;晚始新世-漸新世時(shí)期,霸縣凹陷沉積地層比廊固凹陷厚,沉積-沉降中心遷移至霸縣凹陷,斷陷活動(dòng)多發(fā)于徐水凹陷、霸縣凹陷,而兩凹陷中間的大河鎮(zhèn)洼槽內(nèi)未發(fā)生沉積,在斷層劇烈拉伸作用下,斷層下盤開始大規(guī)模抬升,進(jìn)而凸起成型,至此,冀中坳陷凸中有凹、凹中存凸的構(gòu)造形態(tài)得以穩(wěn)定;東營期末,在小范圍抬升作用下,早期地層受到強(qiáng)烈剝蝕,館陶組底部區(qū)域性不整合面得以出現(xiàn)。

牛駝鎮(zhèn)凸起埋藏期(新近紀(jì)-第四紀(jì)):斷層活動(dòng)弱,主要發(fā)生熱沉降作用,形成館陶組、明化鎮(zhèn)組和平原組地層。

2 牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锍刹匾?/h2>

牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏貙佑衫系叫路謩e為太古界、長城系、薊縣系、青白口系、寒武系-奧陶系、古近系、新近系、第四系,第四系和新近系明化鎮(zhèn)組地層遍及整個(gè)地?zé)崽飬^(qū)域內(nèi),新近系館陶組地層僅分布于地?zé)崽飽|側(cè)[5]。其中,地?zé)崽镏胁课恢没鶐r埋深小于1 000 m,屬于厚度適中的地層,在牛駝鎮(zhèn)凸起兩翼,蓋層厚度逐漸增厚;同時(shí),古近系地層出現(xiàn),最大沉積深度約4 000 m,薊縣系白云巖是下伏基巖的主要巖性?？傮w上,構(gòu)造演化使得牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镏胁炕鶐r埋深淺,蓋層較薄,有利于地?zé)醾鲗?dǎo),是牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锍刹氐挠欣蛩?同時(shí)斷層與裂縫也是地下水及熱源的關(guān)鍵路徑。

2.1 蓋層

蓋層位于儲(chǔ)層頂部同時(shí)可以阻隔熱量散發(fā),對于地?zé)岢练e系統(tǒng)具有關(guān)鍵作用。Rybach(1978)等人把蓋層形容為毛毯,將蓋層的保溫作用稱為毛毯效應(yīng)[6]。通常蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)較低,能夠保留大部分基底能量,將大氣降水阻隔在儲(chǔ)層之外,分布范圍大、地層厚、發(fā)育穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層,能夠促進(jìn)盆地和坳陷的熱能賦存。

牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)蓋層發(fā)育于始新世末喜山運(yùn)動(dòng)II幕,由于大興斷裂和牛東斷層的活動(dòng),凸起逐漸出露地表,新近系明化鎮(zhèn)組和第四系地層作為牛駝鎮(zhèn)地區(qū)的蓋層,沉積巖性主要包括黏土、砂巖、含礫砂巖,巖石熱導(dǎo)率較低、導(dǎo)熱性很弱,為基巖熱儲(chǔ)形成了優(yōu)良蓋層[1]。

牛駝鎮(zhèn)基巖熱儲(chǔ)產(chǎn)生的熱量通過裂縫向上運(yùn)移,在蓋層良好的隔水隔熱及保溫性能下,促進(jìn)地?zé)崽锷傻臒崮鼙４媪己?蓋層厚度為在800～1 400 m,地幔深處的熱量經(jīng)過蓋層向地表散發(fā),傳熱速率明顯小于下伏基巖,對牛駝鎮(zhèn)地區(qū)地?zé)豳Y源的富集與成藏具有關(guān)鍵作用。

2.2 熱儲(chǔ)層

牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锝?jīng)歷了海侵、海退、地殼隆起和下沉等劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后,沉積了海相、陸相、海陸交互相地層[1]。新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)前,由于經(jīng)受持續(xù)的海侵、海退活動(dòng),發(fā)育了較厚的海相碳酸鹽巖地層;在凹陷向上發(fā)育成陸地并經(jīng)受大氣降水、沖刷、溶濾后,成為多層疊置的巖溶-裂隙地?zé)醿?chǔ)集空間,為熱儲(chǔ)層形成奠定了基礎(chǔ);受喜馬拉雅活動(dòng)影響,該區(qū)域地層逐漸沉降,同時(shí)大范圍沉積明化鎮(zhèn)組和第四系地層,其中明化鎮(zhèn)組成為牛駝鎮(zhèn)地區(qū)的孔隙型儲(chǔ)層。

牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽餆醿?chǔ)層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、基巖(圖3)。

新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)分布范圍廣,埋深淺、巖石較粗、膠結(jié)疏松、含水層出水能力強(qiáng)且較為均勻;熱儲(chǔ)層巖性主要為細(xì)砂巖、中砂巖,厚度150～400 m,凸起中心薄,邊緣逐步增厚;熱儲(chǔ)層中部及中南部溫度高于北部溫度,通常中部區(qū)域高于50 ℃,北部熱儲(chǔ)溫度為35～50 ℃(表1)。

表1 地?zé)崽餆醿?chǔ)層熱儲(chǔ)特征

新近系館陶組熱儲(chǔ)位于東面凹陷區(qū)域,面積105.53 km2,厚度大多為200～400 m,武清-霸縣斷凹內(nèi)最厚達(dá)500 m,熱儲(chǔ)中部溫度45～65 ℃,平均熱儲(chǔ)溫度為53 ℃,出水能力適中。

基巖熱儲(chǔ)主要包括寒武系-奧陶系裂隙熱儲(chǔ)和薊縣系巖溶裂隙熱儲(chǔ)。其中,寒武系-奧陶系裂隙熱儲(chǔ)位于牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽飽|北部,面積為96.44 km2,巖性由灰?guī)r、白云巖及灰質(zhì)白云巖組成;儲(chǔ)層厚度適中,奧陶系巖溶裂隙熱儲(chǔ)的儲(chǔ)厚比為32.0%,寒武系熱儲(chǔ)部分占16.5%,平均溫度達(dá)78.6 ℃。

薊縣系巖溶裂隙熱儲(chǔ)面積為509.21 km2,大部分為霧迷山組地層,在牛駝鎮(zhèn)凸起頂部埋藏深度為800～1 100 m,東北區(qū)域埋藏深度1 200～2 078 m,該熱儲(chǔ)為牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镒顑?yōu)熱儲(chǔ)[7];其次,為長城系熱儲(chǔ),巖性包括灰質(zhì)白云巖、白云巖,熱儲(chǔ)層溫度高,平均溫度80.5 ℃,平均熱儲(chǔ)厚度51.8 m,儲(chǔ)厚比為30%,儲(chǔ)量豐富,具有較好的開發(fā)潛力。

2.3 斷層及裂縫

地?zé)醿?chǔ)層中的斷裂和小型裂縫是地?zé)崴魍ǖ穆窂絒7]。由于侏羅系-白堊系持續(xù)的劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),牛駝鎮(zhèn)凸起分別發(fā)育了牛東、牛南、容城、大興等多條斷裂,古近系早期,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)更加劇烈,長期發(fā)育的生長性斷層開始將結(jié)晶基底打斷,成為深部地?zé)崴挠欣ǖ?起到了促進(jìn)地?zé)崃黧w聚集、地?zé)崴畬α餮h(huán)的積極作用[8]。

復(fù)雜的斷層及裂縫對牛駝鎮(zhèn)巖溶發(fā)育分布形態(tài)和巖溶古地貌形成的格局產(chǎn)生了一定影響。在持續(xù)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下,地層中產(chǎn)生的微裂縫及不同形態(tài)的斷裂成為地下熱儲(chǔ)的滲流路徑和儲(chǔ)集空間,使得熱儲(chǔ)的滲流性能得以優(yōu)化;而成熟的裂縫系統(tǒng)則對孔隙水和地下水流動(dòng)和孔洞生長起到了積極作用。隨著斷裂運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),滲流帶厚度也增大,滲流作用也隨之增強(qiáng)。斷裂構(gòu)造活動(dòng)為巖溶作用提供了動(dòng)力,從而逐步形成完整的孔洞縫系統(tǒng),使得深部熱源能夠更加快速、便捷地抵達(dá)淺層地層,從而淺部地層溫度隨之升高[9]。

因此,地?zé)嵯到y(tǒng)中的斷裂及次生斷裂、細(xì)小裂縫構(gòu)成了地?zé)崴闹匾\(yùn)移滲流系統(tǒng),來源于地幔深處的地?zé)崮芰?順著斷裂及裂縫向地表上移,為儲(chǔ)層供給能量。

2.4 地溫梯度

牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镏猩显沤缁茁∑鹱饔米尩責(zé)崽镏苓叞枷輩^(qū)地溫比新生界的地溫梯度低,蓋層地溫梯度范圍為4.86～7.64 ℃/100 m,平均值5.6 ℃/100 m,屬于傳導(dǎo)型地溫場;霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的地溫梯度平均值為0.62 ℃/100 m,表現(xiàn)出強(qiáng)對流傳熱特性,屬于對流-傳導(dǎo)復(fù)合型地?zé)嵯到y(tǒng)[10]。

研究區(qū)地?zé)峋乃宦裆顬?0～110 m,位于常溫層以上,地溫受控于氣溫的高低變化而有規(guī)律的增減。在900 m以淺地層,第四系、新近系明化鎮(zhèn)組作為蓋層,其溫度-深度曲線基本為線性趨勢,以傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳熱;在900 m以深地層,溫度-深度曲線走向變陡,地溫梯度值變小,平均值僅0.62 ℃/100 m,以對流形式進(jìn)行傳熱(圖4)。巖性大部分為薊縣系霧迷山組白云巖,熱導(dǎo)率高于上覆地層巖性,因此地溫梯度變小?？傮w上,新近系、第四系蓋層為傳導(dǎo)型傳熱,下伏基巖儲(chǔ)層為對流傳熱形式,整個(gè)系統(tǒng)則為對流和傳導(dǎo)相結(jié)合的地?zé)嵯到y(tǒng)。

圖4 中國陸域典型地區(qū)地溫曲線

牛駝鎮(zhèn)及周邊地溫梯度高低相間且呈帶狀分布(圖5),溫度隨地層的凸起與凹陷而改變,凸起地區(qū)地溫梯度普遍高于凹陷地區(qū)。雄安地區(qū)西部沿太行山東側(cè)地區(qū),地溫梯度均低于2.5 ℃/100 m,而由牛駝鎮(zhèn)-高陽-寧晉凸起構(gòu)成的中央隆起帶,地溫梯度高于前者區(qū)域,為3.2～6.0 ℃/100 m;其中,牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起,頂面構(gòu)造埋深分布范圍在700～1 000 m,底界埋深分布于2 000～2 500 m,熱儲(chǔ)溫度為60～85 ℃[11]。

圖5 雄安新區(qū)及周邊古潛山地溫梯度等值線

由表2所示,在熱儲(chǔ)層900 m以深地層,地溫梯度小于上覆蓋層。從縱向來看,蓋層的地溫梯度為5.1 ℃/100 m,儲(chǔ)層的地溫梯度為0.62 ℃/100 m,地?zé)崽飪?chǔ)層呈現(xiàn)劇烈的對流活動(dòng),是熱能賦存和地?zé)崴匀幌聺B的基本條件[7],也為地下水加熱及流通提供了強(qiáng)有力的支撐;蓋層保溫性能好,是地下熱能得以保存富集的重要因素。

表2 牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)各井口地溫梯度-深度

2.5 莫霍面變化特征

莫霍面埋深規(guī)律是熱源的重要影響因素。由河北省莫霍面埋深規(guī)律圖(圖6)所示[12],西部和北部埋深大,東部較淺,其中,牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锼诘木┙虮Ｈ堑貛裘媛裆顬?5 km,較西北部區(qū)域少了10 km。莫霍面埋深的增減與地?zé)崮芰肯蛏细驳貙拥膫鲗?dǎo)通道距離呈正向關(guān)系,若距離短則所用時(shí)間越少,使地?zé)岣?、更快地向上凸起區(qū)匯聚,從而生成高溫異常。

圖6 河北省莫霍面等值線

3 地?zé)崽锍梢蚰Ｊ?/h2>

雄安地區(qū)地?zé)岬男纬芍饕芸赜诹压扰璧匦偷蒯Ｔ?在第四系、新近系蓋層以傳統(tǒng)傳熱為主,在下部基巖熱儲(chǔ)以熱對流方式為主,屬于對流-傳導(dǎo)型復(fù)合式地?zé)嵯到y(tǒng),在牛駝鎮(zhèn)地區(qū)形成了一套成熟的地下水循環(huán)系統(tǒng)[10]?；鶐r熱儲(chǔ)的熱量來源于太行山、燕山地下水山前側(cè)向徑流,大氣降水沿巖層裂隙和孔隙滲入地下后,經(jīng)加熱后的地?zé)崴患诨鶐r熱儲(chǔ)層中。巖溶熱儲(chǔ)中的地?zé)崴乇磉\(yùn)移的路徑是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后生成的斷裂及次生斷裂,而巖溶-裂隙則構(gòu)成了地?zé)崴畟?cè)向運(yùn)移的路徑。

以牛駝鎮(zhèn)所在的華北盆地為例,其地?zé)岢刹刂骺匾蛩丶俺刹啬Ｊ饺鐖D7所示,華北盆地屬于斷陷盆地,由多個(gè)豐富的次級坳陷和隆起組成,是在華北地臺(tái)上逐漸發(fā)育起來的。盆地內(nèi)呈現(xiàn)出凹陷與凸起相間發(fā)育的特征,這種“凹中凸”特征促進(jìn)了地層和古潛山的相互疊加,形成了上部地層為沉積層含水系統(tǒng)、下部地層為基巖對流型水熱系統(tǒng)的地?zé)嵯到y(tǒng)。牛駝鎮(zhèn)地區(qū)呈“洼隆”相間的構(gòu)造形式[13],北東向的背斜為隆起地區(qū),在核部區(qū)域存在多種斷裂,古近系地層厚度較薄,下伏基巖基本為碳酸鹽巖;新近系沉積地區(qū)屬于凹陷區(qū),沉積厚度大[14];巖石熱導(dǎo)率也不盡相同,基巖的熱導(dǎo)率是古近系巖石的2～3倍,基巖屬于良好的導(dǎo)熱巖層。由于凹陷和凸起基巖彼此起伏和斷裂的構(gòu)造活動(dòng),熱流從地層深處向上傳導(dǎo)時(shí),會(huì)發(fā)生重新分配并富集成藏,牛駝鎮(zhèn)凸起的高熱導(dǎo)率地層促使熱流更易傳導(dǎo),進(jìn)而使得熱流向凸起部位集中。

圖7 華北盆地復(fù)合型水熱系統(tǒng)成因模式

華北盆地的熱源主要為上地幔熱量和基巖花崗巖殼中的放射性熱量[15]通過熱傳導(dǎo)的形式向上運(yùn)移,并在高孔高滲的含水層處生成熱儲(chǔ),蓋層的保溫性能良好,下部基巖熱儲(chǔ)熱對流過程中,在經(jīng)流中小型裂隙及區(qū)域性深大斷裂時(shí)進(jìn)行導(dǎo)水導(dǎo)熱傳輸。華北區(qū)域位于上地幔隆起區(qū)域,熱源存在地層較淺部位,具有產(chǎn)生地?zé)豳Y源的有利條件,地?zé)豳Y源主要通過傳導(dǎo)的形式來傳遞、積聚熱量,雖然熱傳導(dǎo)效率不高,但可流通范圍廣,能夠流向大部分區(qū)域。

4 結(jié)論

1)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽飿?gòu)造演化分為四個(gè)階段:古新世-早始新世強(qiáng)烈斷陷階段、早中始新世持續(xù)斷陷階段、晚始新世-漸新世斷陷晚期、新近紀(jì)-第四紀(jì)穩(wěn)定沉積期。區(qū)內(nèi)發(fā)育較多構(gòu)造斷裂,發(fā)育深大斷裂為牛東斷裂,起到積極控制作用,成為地?zé)崽锏膶?dǎo)水運(yùn)移通道。

2)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏臉?gòu)造特征為地?zé)豳Y源的傳導(dǎo)和賦存提供了良好條件。地?zé)崽锷w層主要為新近系和第四系地層,巖性組成為砂巖和砂泥巖,地溫梯度較高、導(dǎo)熱性差,有利于地?zé)豳Y源保存;熱儲(chǔ)主要為白云巖基巖熱儲(chǔ),其地溫梯度值較小,且熱對流性能良好,發(fā)育豐富的大斷層及次生小斷裂。

3)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽餆嵩粗饕艿饺A北地幔熱柱的積極作用,來自大地深處的熱量經(jīng)過地幔熱柱傳遞到地層淺處,熱量經(jīng)過斷裂通道到達(dá)熱儲(chǔ)層,形成熱循環(huán)系統(tǒng),為地?zé)崽锟沙掷m(xù)開發(fā)利用提供保障。