北京市小汤山地区地温场特征及地下热水成因模式分析
王泽龙１吕金波１周训２
（１．北京市地质调查研究院北京；２．中国地质大学北京１０００８３）
摘要：小汤山地热田位于北京平原北部，在北西向南Ｅｌ—孙河断裂、北东向黄庄一高丽营断裂和北东东向阿苏卫＿，Ｊ、汤山断裂交汇构成的三角形地块上，地热田面积８６．５ｋｍ２。热田属于岩溶裂隙介质沉积盆地传导型地热系统，有寒武系热储、蓟县系铁岭组热储和蓟县系雾迷山组热储３个基岩热储。本区地下热水的热源来自盆地深部较均一的热流，补给来源主要是在北部和西部燕山山区的大气降水。地下热水在黄庄一高丽营深大断裂附近与深部热源沟通，一部分继续向平原区深部的基岩储层运移，另一部分沿大柳树一葫芦河断裂和碳酸盐岩地层向北部运移、赋存，在阿苏卫－－ｔｌ，汤山镇断裂处遇阻，沿碳酸盐岩岩溶裂隙排泄，上升至地表，形成小汤山温泉。一个地区的地温状况是该区地质构造条件和地质历史的综合反映，本文针对北京市小汤山地区地温场特征进行研究，分析地下热水的成因，建立地热地质成因模式。关键词：地热，地温场，成因模式，小汤山
１序言北京市是世界上有地热资源的６个首都之一，地热资源比较丰富，开发历史悠久。小汤山镇位于北京市昌平区东南，南距北京城区安定门约２７ｋｍ，其地热开发最早，至今仍在开发利用。小汤山地区较为系统的地热勘查工作始于１９５６年，２０世纪内地质勘察部门对小汤山地下热矿水进行了多项专题研究。较有价值的是，１９８５年提交的《北京市小汤山地热田地下热水资源评价勘察报告》…和１９９８年完成的《北京市小汤山地区地热资源勘探报告》‘２１。进入２１世纪，伴随着该区地热勘查与开发工作的进展，一系列地热研究相继开展。２０００年，潘小平等进行了地热温标的研究，指出地热温度的变化与热田水位动态有着较好的对应关系，开采量稳定，水位趋稳，水温也趋于稳定¨ｏ。２００２年，增瑞祥等专题研究了热田开采与水位的关系，指出热田水位一直呈下降趋势，年均下降１．７８ｍ，说明热田的补给量小于开采量，属消耗型地热田Ｈｊ。２００３年，张道富等研究断裂构造与地温场的密切关系，描绘了大柳树一葫芦河断裂的形态和产状，指出它与地温场的关系怕。。２００６年，吕金波等重点研究地下热水水文地球化学特征，提出了京北地热系统的成因模式旧１。一个地区的地温状况是该区地质构造条件和地质历史的综合反映，因此，在已知区深入研究地下热水的地温场特征，分析其成因模式，可以为地热资源开发提供可参考依据，１０６降低地热开发风险。本文在此背景下，在前人勘查与研究工作的基础上，进一步分析小汤山地区地下热水的地质一水文地质条件，针对北京小汤山地区地温场特征进行研究，分析其成因模式，建立热储层地质结构模型和地热模型，对促进本地区地热资源的科学规划与利用，维持地热资源的持续性和生态系统整体性，支持资源、环境和经济的协调发展具有重要的意义，同时也可以提供地热研究实例，丰富地热学的相关理论。
２区域地质概况及地热地质
２．１区域地质概况小汤山地热田位于北京平原北部、马池口凹陷的东南侧；在北西向南口—孙河断裂、北东向黄庄一高丽营断裂和北东东向阿苏卫一小汤山断裂交汇构成的三角形地块上，地热田面积约８６．５ｋｍ２。
由图１可见，研究区的地层受区域性构造的影响，呈现了单斜构造的特征，由北而南，地层由老到新排列，依次是蓟县系的雾迷山组、洪水庄组、铁岭组，青白Ｉ＝Ｉ系的下马岭组、龙山组、景儿峪组及未连续揭示的寒武系和侏罗系。地层走向近东西，倾向南，略偏东，倾角２００一３００，受断层的影响，局部呈小型褶曲，产状变化较大。
团－园ｚ囹，因４田ｓ圈ｓ囤，回ｓ回９回１０囵··图１小汤山地热地质剖面图１一正断层；２—逆断层；３一地层界线；４—剖面线；５—侏罗系；卜寒武系；７一青白口系；
８—蓟县系铁岭组；９—蓟县系洪水庄组；ｌＯ一蓟县系雾迷山组；１１—热水井
构造线走向以北东为主，局部为北西、近东西、北北东甚至近南北向偏转。这些构造形迹均为中生代燕山期和新生代喜马拉雅期构造运动所形成。中新世以来，新构造运动使北东向黄庄一高丽营断裂和北西向南口一孙河断裂具有较强的活动性，对第四系沉积厚度控制作用明显０７Ｉ。就与小汤山地热田相关的构造特征分述如下：黄庄一高丽营断裂是华北平原与太行山之分界，为深大断裂。研究区附近，根据物探资料推断分布于洼里一燕丹一西王路一线，断裂走向２５。～３０。。新生代以来断裂具有较强的正断活动。南口一孙河断裂为区域性北西向断裂，其西北端止于北东向南Ｉ＝ｉ山前断裂，向东南经旧县、化庄、东沙各庄、海青落、上辛堡延至孙河，总体走向３１０。左右，全长４０ｋｍ。
阿苏卫一小汤山镇断裂呈北东东走向，长度约５ｋｍ。基本上控制小汤山地热田的北
部边界，为逆断层，具有阻水性质。倾向南东，倾角４５０一５００。大柳树一葫芦河断裂长度约５ｋｍ。走向ＮＷ３４３。，倾向７３。，倾角２８。一４７０。深度等
１０７值线形态特征南段疏缓，北段紧密，即南缓北陡的断面特点，也就是说此断裂向北逐渐收敛、消失，向南更加疏展，与黄庄一高丽营断裂会合。断裂与地温场关系密切。‘后牛坊一小汤山镇断裂呈近南北走向，长度约３ｋｍ。
２．２地热地质小汤山地热田属沉积盆地传导型地热系统，其热储由赋水性强的地层所构成，属层状热储。根据组成热储的各地层的时代、岩性特征、流体赋存类型等特征，确定研究区是海相碳酸盐沉积为主的基岩岩溶裂隙型热储，基岩热储在垂向上有３个热储层叠置分布：上部寒武系热储层、中部蓟县系铁岭组热储层和下部蓟县系雾迷山组热储层，３个热储层间的水力联系是通过地质构造关系建立起来的一Ｊ。小汤山地热田水位的变化除受固体潮影响外，开采量与补给量差额的增减，直接影响着各储层水位的变化。３个热储层生产井开采地下热水的时间比较集中，经调研基本集中在每年１１月至次年３月开采地下热水，开采量约占年开采总量的７９％左右。每年冬季开采量大时，水位明显下降，用水高峰期过后，随着开采量的递减水位逐渐回升，这种趋势持续到８、９月份达到最高值，以后随着开采量渐渐增加，水位逐年下降，到用水量高峰期降到每年的最低值。
３地温场特征
３．１热源分析小汤山的花岗岩侵入体，在小汤山、大汤山、阿苏卫和百善一带，多呈脉状穿插到雾迷山组、洪水庄组、铁岭组之中，厚度不一，视厚度几厘米至３６ｍ，均为燕山期花岗岩体，距今的时间已在１００Ｍａ以上。根据Ｓｍｉｔｈ和Ｓｈａｗ（１９７５）计算了侵入深度ｌＯｋｍ的各种规模侵入体的冷凝时间，可以知道，１００Ｍａ以前的侵入岩体，即使体积为１０６ｋｍ３，
其温度也已恢复到围岩的环境温度，不可能构成地热系统的热源并形成有开采价值的热田。因此，小汤山花岗岩侵入体不可能成为该地热系统的特殊热源。华北盆地的大地热流平均值为６３±１２ｍＷ／ｍ２，小汤山地热田处于华北盆地的东北隅，在区域的大背景上，相当于北京地区的大地热流值６５ｍＷ／ｍ２。所以说，小汤山地热田与华北地区的地热田同属传导型地热田，其热的来源，来自地下深部较均一的热流在向地壳浅部传输过程中进行再分配的结果。北京平原区处于幔隆和幔坎部位，地表距地幔相对较浅。幔隆之上的地壳结构简单，以碳酸盐岩为主，导热能力强。深大断裂和活动断裂主要分布在幔隆之上，深大断裂断入地幔，成为热源和热通道。在导热的深大断裂作用下，热流体在一定的深度范围内有对流形式存在，热传递以传导和对流形式同时出现，与深大断裂相伴生的断裂，勾通了深部地层与热储层的水力联系，造成热能储存和运移的空间及通道，使深部高温热水在相对较浅部位集中，又由于隔热保温层厚度的差异及平面上分布的特点形成了本区的地热异常。３．２地温场平面特征１９９８利用热水井测温及抽水试验出水温度资料，结合热田构造、热储层组合特征等，绘制出热田区１０００ｍ深度处的地层等温线图（图２）。由图２可见。小汤山地热田内有２个地温高值区，西北区最高地温为５５℃，东南区１０８图２小汤山埋深１０００ＩＤａ地温等值线图最高地温为６０。Ｃ。西北区５５℃等温线以小汤山镇为中心圈定，面积约０．８５ｋｍ２。东南区
６０。Ｅ等温线以汤热一７、汤热一１ｌ、汤热一２２井的范围圈定，面积约３ｋｍ２。整个地热田４０℃等温线以汤热一５、汤热一３４、汤热一９井为边界圈定，面积约１７ｋｍ２。
地温场等温线分布表现为北部相对密集，南部相对稀疏，即由北部高温区向北，地层
温度迅速递减，向东、．南、西３个方向，地层温度递减缓慢，较好的反映整个地热田地温场的客观形态。
３．３地温场与地质构造的关系小汤山地区的地质构造格局，决定了该区地温场展布特点。异常区的展布方向与基岩构造的延伸方向一致，以北北东向为主。导热构造对热传递的控制作用还表现在：地热异常区的延伸方向与断裂线相平行，热异常中心不在凸起的最高部位，是靠近主干断裂，特别是有与主干断裂相伴生的断裂时，其相汇部位更会造成热能储存和运移的空间及通道，成为地热异常的核心部位。地温场分布与构造密切相关，高温区内都有导热性断裂发育，分析原因：近东西向阿苏卫一小汤山断裂是小汤山地热田的西北边界，为逆断层，有局部花岗岩侵入，具有阻水性质。西北高温区内发育南北向的后牛坊一小汤山断裂，该断裂在小汤山镇东与近东西向阿苏卫一小汤山断裂相交，热水被北东向断裂阻隔后上升，形成小汤山温泉和西北高温区。东南高温区内有北西向的大柳树一葫芦河断裂发育，该断裂是小汤山地热田内一条重要的导热性断裂，其延伸方向与高温区长轴方向一致，此高温区内的热水井距大柳树一葫芦河断裂越近，出水温度越高，出水量也越大，说明大柳树一葫芦河断裂具有很好的导热导水性，导通了深部热源，使地下热水在断裂附近富集。大柳树一葫芦河断裂北部断裂收敛处的汤热一３４井只有４３℃，中部的汤热一３８、汤热－３２井温度为５５。Ｅ，南部各井温度都超过６５＇ｔ１２，可谓相对高温区，这一高温区与其南部的６５０Ｃ的区域地温场相联系。跨过近东西向阿苏卫一小汤山断裂，即小汤山地热田的１０９