小湯山地區地下熱水運移規律研究

0地下熱水與地下斷裂的交叉構造根據多年來北京活動斷裂結果[1.8]，在北京及其周邊地區及附近發現了五起新地表或近地表活動的地質證據和標志（圖1）。小湯山地區位于黃莊—高麗營斷裂(北段),南口—孫河斷裂(北段)兩條活動較為強烈的斷裂交叉部位,同時也是地熱開發研究程度較高地區。因為就同一條斷裂而言,在地下熱水參與斷裂活動的地段不易形成地震,地下熱水未參與斷裂活動的地段發生地震的可能性大。利用2009、2011兩年的中國地震臺網中心數字地震觀測資料,分析該區域的ML0.8-3地震震中分布,結合小湯山地區地溫場特征,研究斷裂構造活動過程對地下熱水運移的影響,分析地下熱水在斷裂構造部位的運移規律。1主要活動的中斷和活動1.1黃莊—高麗營斷裂以下簡稱“se黃莊—高麗營斷裂是北京地區一條主要的隱伏斷裂,北起懷柔廟城一帶,向西南經北七家、衙門口、蘆井、曉幼營,至房山南,總體走向NNE-NE,傾向SE,傾角55°~75°,全長約100km。黃莊—高麗營斷裂發育于早白堊世初,明顯控制了下白堊統的分布。在新生代它是控制北京坳陷西界的主控斷裂。黃莊—高麗營斷裂(北段),懷柔—北七家段為全新世活動。北京地震地質會戰期間實施的淺層人工地震探測表明,高麗營附近斷裂兩側第四系落差達140~280m,由此計算得到斷裂北段第四系平均垂直滑動速率0.11~0.17mm/a。1.2w、國內及廢緣斷裂帶南口—孫河斷裂是北京平原北部一條重要的隱伏斷裂,斷裂西端起自南口,往東南經七間房、百泉莊、東三旗,至孫河鎮東北,總體走向北55°西,長約58km,由一系列NWW向次級斷裂呈右階斜列組成。第四系厚度變化表明,該斷裂有可能延伸到通縣西北一帶。斷裂西北段(東三旗以西,長約26km)為傾向SW的正斷裂,傾角70°左右,控制馬池口凹陷的發育;東南段(東三旗以東,長約32km)傾向NE,控制斷裂東北側順義凹陷的南界。從斷裂控制的第四紀凹陷與地貌組合關系及西北段與東南段傾向相反等特征分析,該斷裂除具有強烈的傾滑活動外,還具有較明顯的左旋平移活動。大地測量資料也證實了該斷裂的這一活動特征。江娃利等(2001)在昌平舊縣曾開挖過探槽,發現南口—孫河斷裂全新世期間有過3次古地震事件,最新1次古地震時間為距今3987~3670年之間。張世民等(2007)根據鉆孔聯合剖面分析,南口-孫河斷裂(北段)60kaBP以來表現為多期活動,累計垂直位錯量約為27.5m。斷裂帶3個活躍期是60~47kaBP、36~28kaBP與16kaBP以來,其余時段為相對平靜期。斷裂帶的平均垂直位錯速率,距今60~37ka之間約為0.35mm/a,37~32ka之間為0mm/a,32~12ka之間為0.78mm/a,12ka以來為0.35mm/a。2小湯山地熱田熱儲層精細結構及斷裂發育小湯山地熱田在構造上處于NW向的南口—孫河斷裂與NE向的黃莊—高麗營斷裂交匯以北的三角地帶。這兩條斷裂構造形成了小湯山地熱田西南和東南邊界,其西南與沙河地熱田相鄰,東南與后沙峪地熱田相鄰。除此之外,熱田內還發育有多條小規模的斷裂,這些斷裂均形成于燕山期,時代新、活動性較強。經過多年的地熱地質工作,證明了活動性深大斷裂將地下深部的熱傳遞到淺部,構成了小湯山地熱田明顯的地熱異常[10,11,12,13,14,16]。小湯山地熱田屬沉積盆地傳導型地熱系統,其熱儲由賦水性強的地層所構成,屬層狀熱儲。根據組成熱儲的各地層的時代、巖性特征、流體賦存類型等特征,確定研究區是海相碳酸鹽沉積為主的基巖巖溶裂隙型熱儲,基巖熱儲在垂向上有3個熱儲層疊置分布:上部寒武系熱儲層、中部薊縣系鐵嶺組熱儲層和下部薊縣系霧迷山組熱儲層,3個熱儲層間的水力聯系是通過地質構造關系建立起來的。小湯山地熱田受區域地質構造的影響,斷裂發育,為深部熱源向淺部運移提供了通道,是地熱田形成的重要條件之一。經地球物理勘探及地熱鉆井資料證實,熱田內發育的主要斷裂有:阿蘇衛—小湯山鎮斷裂、后牛坊—小湯山鎮斷裂、大柳樹—葫蘆河斷裂、常興莊—后藺溝斷裂、電信療養院—后藺溝斷裂、于家墳斷裂、尚信斷裂和葫蘆河北斷裂;熱田邊界為南口—孫河斷裂和黃莊—高麗營斷裂。3數字地震觀測和地溫場3.1ml0.83地震維度的地震分布研究區為40.05o~40.26oN,116.1o~116.61oE的范圍,圖2為研究區ML0.8~3的累計地震頻次圖,從圖2可以看到,2007-2012年地震頻次累計曲線的斜率變化不大,可以認為研究區內地震活動這5年變化不大。利用2009、2011兩年的中國地震臺網中心數字地震觀測資料,分析該區域的ML0.8~3地震震中分布。經前人研究,地下熱水對斷裂有強烈的弱化作用,同一組斷裂中,地下熱水參與得愈強烈,水對斷裂的弱化作用程度愈高,斷裂的滑移幅度則愈大。同一條斷裂的不同地段,由于所處流體地質條件的不同,各區段內可能產生地震會有明顯的差異;在地下熱水參與的斷裂地段,由于斷層兩盤剪切應力顯著下降,造成斷層垂直落差幅度增加,同時不易形成地震,該段的剪切應力則向斷層的地下熱水未參與的地段轉移,發生地震的可能性大。由ML0.8~3地震震中分布圖(圖3、圖4)可以看到,研究區內南口—孫河斷裂(北段)地震分布較多,黃莊—高麗營斷裂(北段)次之;南口—孫河斷裂(東沙各莊段以南)地震分布較少。3.2熱-32井地層單位和區域內等溫線分布小湯山地熱田內有2個地溫高值區,西北區在最高地溫為55℃,東南區最高地溫為60℃。西北區55℃等溫線以小湯山鎮為中心圈定,面積約0.85km2。東南區60℃等溫線以湯熱-7、湯熱-11、湯熱-22井的范圍圈定,面積約3km2。地溫場等溫線分布表現為北部相對密集,南部相對稀疏,即由北部高溫區向北,地層溫度迅速減小,向東、南、西3個方向,地層溫度減小緩慢,較好的反映整個地熱田地溫場的客觀形態。通過近年來地熱資源的開發,由地熱井的測溫資料和出水溫度可以知道,南口—孫河斷裂由近山前到作為小湯山地熱田的西南邊界,昌熱-1井2500m為44.8℃,沙熱-15井2800m為61.6℃,地溫均較低;高溫區始于鄭各莊附近,沙熱-17井2490m為71℃,沙熱-21井2500m為73.8℃,向東南進入后沙峪地熱田溫度增高,最高為順后熱-1井3100m為90.9℃。4活動斷裂地震根據多年來北京地區活動斷裂研究成果,南口—孫河斷裂(北段)是活動較為強烈斷裂。由中國地震臺網中心數字地震觀測資料,2007-2012年研究區內地震活動這5年變化不大,結合地震震中分布和地溫場特征可以看出,研究區內南口—孫河斷裂(北段)地震分布較多,地溫均較低,為地下熱水參與較少地段;南口—孫河斷裂(東沙各莊段以