遵化市汤泉地热资源综合评价

遵化市汤泉地热资源综合评价
李学云;刘百红;陈浩辉;王林海
【摘要】为了查明汤泉地区地热资源的分布范围,确定汤泉地区地热田的地热地质条件、热储层分布特征及导热和控热构造,开展了地面地质调查、高精度磁测、高
精度重力勘探、井中温度测量、抽水试验、水质分析与同位素分析等工作,最终基
本查明了汤泉地区地层岩性、地质构造、地下热流体的动力场、温度场和流体化学场特征,进而明确了该地区地热资源的分布范围.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2014(011)006
【总页数】8页(P893-900)
【关键词】汤泉;地热;地质调查;地球物理;地球化学
【作者】李学云;刘百红;陈浩辉;王林海
【作者单位】天津市地质调查研究院,天津300191;中国石化石油物探技术研究院,
江苏南京211103;天津市地质调查研究院,天津300191;天津市地质调查研究院,天
津300191
【正文语种】中文
【中图分类】P631
1 引言
遵化市汤泉乡位于河北省东北部燕山南麓古长城脚下，因泉水沸腾如汤，故称汤泉。

尽管截止2011年底已有10余口地热井被开发利用，并且近年来，对于该区地热
资源的评价也开展了一些[1～3]。

例如在水源、热源、热储、控水、导水构造、地温场等方面都有一些论述，但并不是很系统，缺乏这些因素之间的相互关联和印证。

为了合理开发和利用汤泉地热资源，本文在收集和研究该区地质、物性、重磁等资料的基础上，系统地开展了地面地质调查、高精度磁测、高精度重力勘探、井中温度测量、抽水试验、水质分析与同位素分析等工作，不仅查明了汤泉热田的水源、热源、热储、控水、导水构造、地温场等特征，而且这些特征的相关证据之间可以互相印证。

2 技术方案与思路
采用的方法技术有：①区域地质构造、水文地质、地温场等地热地质条件研究；②岩性、地层、密度等特征分析，并在此基础上进行重磁数据采集与处理解释，进而开展工区地质构造、地温场、热储层的研究[4～16]。

3 地层与物性分析
3.1 地层条件分析
为了进一步掌握工区物性参数的变化规律，更好地为物探资料提供较可靠的解释依据，进行了物性标本的采集和测定工作。

首先对工区进行实地踏勘，按出露的岩性分地层进行了采集，对采集的样品进行了测定（表1），为物探成果的解释提供了有力的依据。

该区出露的地层主要有太古宙中太古代的水厂岩组（Ars）片麻岩、三屯营片麻岩（Sgn）、变质基性岩墙和新太古代的马兰峪岩组（Ar m）、小关庄（Xgn）片
麻岩、秋花峪（Qgn）片麻岩；中生代侏罗纪罗文峪序列的六里坪单元的中粗粒
花岗岩；新生代第四纪地层，主要为冲洪积细粒砾石、砂土及亚砂土。

厚度几米到几十米不等，北薄南厚。

出露的脉岩有古元古代的变质辉绿岩脉（Mβμ）和中生
代的辉绿岩脉（βμ）、花岗细晶岩脉（yl）、石英斑岩脉（λπ）、石英岩脉（q）。

3.2 物性及地球物理条件分析
由地层、岩性及物性（密度）可知：地层密度方面，由于新生界厚度较薄（0～
30m），平均厚度10m多厚，且覆盖区域面积有限，尽管其密度相对较小（平均约2.22×103kg／m3），但对区内重力场的贡献不大，几乎可以忽略；区内太古
界密度相对较大2.79～2.86（×103kg／m3），一定规模的太古界能够引起重力
高异常；区内酸性岩体密度相对较小2.50（×103kg／m3），一定规模的酸性岩
体能够引起重力低异常。

酸性岩体与地层密度差值在0.29～0.36（×103kg／m3），利用高精度重力测量，完全可以反映它们的地下分布状况。

这些地层、岩体间的密度差异，也会在它们的接触面和有一定的地层起伏及有一定断距的断裂部位产生重力异常。

这就为用重力方法完成任务提供了较好的地球物理前提。

4 构造分析
研究表明，断裂构造是汤泉地区地热分布的主控因素，并且构造裂隙是基本的储热、储水空间[1，2]。

工区内主要断裂构造是马兰峪至麻地断裂构造，该断裂构造在工区内呈近东西走向，在工区东部折拐呈北东向，倾向南，倾角陡，沿断裂有岩体侵入。

为了进一步了解研究区的断裂分布情况，开展了重磁测量工作。

研究区布格重力异常平面图显示整个工区处在一个较大的重力梯度带背景场上，重力梯度带北低南高，北端重力异常最低处在距汤泉乡北约1km处酸性岩体出露山前区，相对布格重力异常为－7.2×10－5 m／s2；南端布格重力异常最高处在工
区东南角，相对布格重力异常为10.6×10－5 m／s2，重力高与重力低相差
17.8×10－5 m／s2，该梯度带平均梯度值达每千米7×10－5 m／s2，布格重力
异常梯度变化很大（图1）。

表1 主要岩性密度统计一览Table 1 Lithology and density of the survey area
岩石类别岩石名称地层符号标本块数最小值最大值平均值备注沉积变质岩紫苏角闪斜长变粒岩Ars 71 2.61 3.49 2.86角闪斜长片麻岩Xgn 28 2.67 2.98 2.79矿石磁铁矿石Ars 11 2.71 3.37 3.27岩脉石英斑岩λπ36 2.32 2.63 2.51辉绿岩Mβμ22 2.76 2.88 2.85酸性岩体中粗粒二长花岗岩LJ226 2.40 2.58 2.50 1.密度单位为：×103kg／m3；2.岩性密度为实测。

根据地质及物性资料定性认为：工作区北部重力低是由密度相对较小（平均密度为2.50×103kg／m3）、埋深相对较浅、厚度相对较厚的燕山期酸性岩体引起；南部重力高是由密度相对较大（2.79～2.86×103kg／m3）、覆盖相对较浅、厚度相对较大的中、新太古界所致；中部重力梯度带为酸性岩体与太古界的接触带，酸性岩体向南逐渐收敛变陡，太古界逐渐加深变厚；新生界覆盖薄，对重力场的贡献微弱，几乎可以忽略。

根据上述构断裂造的重力场标志，结合地质资料，在综合分析的基础上推断出8条构造特征线，分别对其进行了编号，其中主要构造特征线有2条，分别是F5和F1，一般构造特征线6条，分别为F2、F3、F4、F6、F7、F8。

详见推断断裂构造图（图2）。

图1 布格重力异常平面Fig.1 Profile of Bouguer gravity anomaly
图2 推断构造特征线Fig.2 Structure derived from Bouguer gravity anomaly 然后，以人机对话的方式进行了剖面的正演计算，以进行定量解释，在这个过程中利用了工区内已知井眼处的岩性密度资料、埋深作为先验约束信息。

根据13条定量解释的剖面、酸性岩体的埋深、结合地质图上酸性岩体出露分布位置，综合绘制出了工作区酸性岩体等深线平面图与构造线对比图（图3）。

研究区已知的热源分析认为，研究区的热源来自热储断裂构造控制的高渗透率的导热地质体。

再结合研究区酸性岩体与断裂分布特征可以推断，地热能与区内酸性岩体深部热液活动有关；热液的运移或导热通道与F5构造关系密切；F5构造线是酸
性岩体与太古界的分界线，是区内的主要控制构造，F5构造线以北以酸性岩体为
主（上覆有少量太古界和新生界），以南以太古界为主，酸性岩体由工区北部边界出露部位大约以平均25°左右的倾角有起伏地向南延伸至F5后（此时酸性岩体埋
深约700～1000m），又以近80°左右的倾角向下延伸。

以此，在F5构造以北是寻找地热资源的有利区域。

分析各种处理图和化极后的极ΔT异常图，也可以推测出8条断层（图4），并且与重力解释得到的断层基本一致。

图3 酸性岩体等深线与构造特征线对比Fig.3 Overlay map of depth contours
of acid rock and structure
图4 磁测资料断层推断Fig.4 Structure deduced from magnetic prospecting
F1断层是中生代六里坪单元中粗粒二长花岗岩与老地层的接触构造线。

F5是在东西向老的断裂基础上发育的继承性断裂。

F3断层推测是中生代六里坪单元沿北东
向断层顶托形成的较新断裂，F3断层表现是张性断层，原来较老的磁性地质体，
受岩浆顶托，分成东西两个部分，两个地质的边缘，从浅部—中深部—深部的开
口宽度表现出有宽变小窄在变宽的变化趋势。

另外，ΔT航磁异常显示研究区是一个负异常中心（图5），并且北部的ΔT等值
线梯度比南部的大，说明侵入岩体的顶面深度向南逐渐加深。

这也与重力资料推断的酸性岩体的分布相吻合。

图5 汤泉地区ΔT航磁异常Fig.5 ΔTAeromanetic anomaly of the Tangquan area
5 水文与热源分析
5.1 水源分析
研究区中西部及南部出露有第四系，主要为冲洪积细粒砾石、砂土及亚砂土。

厚度几米到几十米不等，北薄南厚，透水性强。

而从地形地貌上看，研究区以北是山区，
以南是山间盆地。

研究区位于山区与盆地的过渡带，属山前丘陵地形，最高点为183m，最低点为89m，相对高差近100m，并且研究区夏季炎热多雨，这形成
了有利的地下水补给条件。

研究区上覆片麻岩透水性较强，主要接受大气降水补给、第四系孔隙水补给及北部山区侧向径流补给，继而形成分散的地下水流。

5.2 热源分析
研究区内新生代地层很薄，同时，工作区内基岩大面积裸露，盖层缺失。

这一方面造成盖层的保温作用差，使得深部传导上来的热量快速散失；另一方面，在裸露区，基岩直接接受下行地下水补给，使地温偏低。

研究区内变质深成侵入体有三屯营片麻岩（Sgn）、小关庄片麻岩（Xgn）、秋花峪片麻岩（Qgn），而三屯营片麻岩（Sgn）为迁西旋回产物，小关庄片麻岩（Xgn）、秋花峪片麻岩（Qgn）为遵化旋回产物。

皆为前第四纪侵入岩体，其余热早已散失，不构成特殊热源。

故该地热系统中地热水，系地下水在深循环过程中在正常的大地热流背景下为围岩逐渐加热所致。

5.3 控热、控水构造
5.3.1 导水构造
导水构造是隔水岩层或弱透水岩层中相对比较狭窄的强透水通道，使不同的含水层（带）或不同蓄水构造的地下水相互连通的地质构造。

重力资料推断结果中的F2断裂破碎带切穿花岗岩体，沿走向至汤泉一带，隐伏于秋花峪片麻岩之下，对断裂破碎带中水的运动起着导向作用，并使断裂破碎带中的水与秋花峪片麻岩裂隙水相互导通。

5.3.2 阻水构造
对地下水径流起阻挡作用的构造为阻水构造。

构成阻水构造的基本条件，是存在有阻隔地下水径流的不透水岩体，即阻水体。

研究区水厂组片麻岩中，发育有一条较大规模的石英斑岩脉，走向315°，倾向63°，倾角47°，风化面呈灰白色，新鲜面呈黄褐色，在鲇鱼池出露的脉体宽约
5m，沿西南向至温泉村一带，逐渐隐伏于片麻岩中。

该岩脉非常坚硬致密，属于阻水体。

该岩脉沿走向至汤泉一带，在岩脉与断裂破碎带的交汇处，岩脉阻挡了沿花岗岩断裂破碎带径流的水的去路，造成水路壅塞，使破碎带中深部热水上涌至上部秋花峪片麻岩裂隙中，并与秋花峪片麻岩裂隙水混合，形成了局部的高温异常。

5.4 热储特征
热储层是在不断交替过程中能积蓄地热水的地质构造，兼具汇集周辺分散的水流和储存地热水的两种作用。

蓄水构造相当于地下天然的蓄水容器，是由含水层（带）与隔水层构成的能够蓄积地下水的地质构造。

含水层（带）为透水的岩层或岩体，它构成蓄水构造的储水介质。

汤泉地热田发育有较大规模的片麻岩，片麻岩厚度约0～1000m，且风化严重，透水性较强，构成导水和接受补给的条件，是工作区主要的含水层（或热储层）。

片麻岩以下为中粗粒花岗岩，构成了蓄水构造的隔水边界，使片麻岩裂隙水可以积蓄起来。

另外，由花岗岩埋深等值线图可知，花岗岩隔水顶板的构造形态呈簸箕型，构成地下水径流汇集的条件。

6 地温场特征
地壳浅部地温场的影响因素有：基岩的起伏、构造形态、岩浆活动及地下水的活动等。

根据区域资料，华北地区基岩面的起伏和构造形态对地壳浅部地温场分布起着主导作用。

地下水活动在山前平原、活动断裂带附近影响较大，而岩浆活动的影响则局限于晚近期有岩浆活动的局部地段。

研究区内地处山前平原区，地形地貌较为复杂，第四系覆盖层厚度只有几米至数十
米，部分地区基岩裸露，构造断裂较为发育，地温场分布与构造断裂和地下水活动关系密切。

采用地表测温（温泉）、钻孔稳态测温法研究了区域地温场的分布状况，钻孔测温统计表如表2所示。

6.1 地温场垂向分布特征
根据测温数据和图表分析，C01和C08井的地温，在接近地表的部分主要受气温影响较大，深部曲线主要呈线性，表现出传导为主的传热过程。

其余各井，地温曲线不同段位之间所呈现出的地温梯度相差悬殊，表现出明显的对流传热特征。

6.2 地温场平面分布特征
根据研究区内现有的测温绘制的埋深等温线可知，研究区地温异常中心呈北—南西向条带状展布，这也与重力资料推断结果吻合。

地热异常中心50m埋深水温为51～54℃；100m埋深水温可达60～67℃。

7 热流体地球化学特征
7.1 地下水水化学特征
根据本次工作采取的地下热流体和冷水的水质样品分析资料，工作区内地下热水中阳离子以Na＋为主，阴离子以为主。

热水和冷水的水质没有明显的区别。

表2 地温梯度统计Table 2 Geothermal gradient of survey well井号类型段位／m地温梯度／（℃／100m）C01传导型10～86 11.7 C02传导型10～150 19.6 C03对流型16～34 42.8 39～54 0 80～120 18.0 120～190 2.6 C04对流型10～50 19.0 73～135 1.8 C05对流型30～40 38.0 40～59 3.0 60～70 54.0 70～80 4.0 C06对流型14～80 10.3 80～120 81.3 C07对流型34～54 98.5 70～150 3.6 C08传导型24～200 12.4 C09对流型3～34 1.0 39～44 0 44～54 21.0 54～100 1.5 100～115 16.7 C10对流型2～29 2.9 19～29 38 29～54 2.8
54～74 19.5 74～82 2.5 C11对流型11～34 29.1 34～40 0 C12对流型7～55 11.5 55～60 2.0 70～80 20.0 80～106 6.9 C13对流型14～29 74.7 29～49 4.0 49～59 63.0 59～64 4.0 64～79 38.0 79～109 3.7 C14对流型7～19 110.0 19～39 1.0 44～60 6.3 60～74 18.6 74～109 2.6 140～160 0.5 C15对流型
5～10 18.0 10～15 2.0 15～40 14.0 C16对流型20～33 0
热水的矿化度较冷水高，热水的总矿化度为660～800mg／L，其中Na＋含量210mg／L左右，SO24＋含量300～380mg／L。

热水中的特征离子H3BO3含
量大于1.5mg／L，H2SiO3含量83～97.5mg／L，F－含量大于7.5mg／L。

而
冷水中的这些离子较热流体中二分之一还少。

水化学类型主要为Na－SO4型、
Na－SO4－HCO3型、Ca－Na－SO4－HCO3型。

其中，热异常中心及其附近
地下水为Na－SO4型，热异常区外围地下水中Ca、HCO3离子增加，反映了第
四系地下水混入的影响。

7.2 稳定同位素特征
研究区水样的δ2H－δ18O组成见图6。

图示样品同位素组成均落在全球大气降水线（the Global Meteoric Water Line，GMWL）附近，表明研究区地下水为大
气降水起源。

区内水样的水稳定同位素组成存在明显差异。

其中，第四系地下水Y01井，及位
于热异常区边缘温度较低的基岩水C09井的同位素最为富集，其δ18O为－
56.8‰ ～－61.9‰VSMOW。

这是由于第四系浅层地下水及温度较低的基岩水
受当地大气降水补给量较大，且接受的补给高程较低；位于热异常中心的水样温度较高，其同位素亦较为亏损，如C03和C13，其δ18O为－93.8‰～－
88.7‰VSMOW。

这是由于在热异常中心，地下水中热水端元所占比例较大，反
映了热水的补给高程较高；靠近热异常中心的地下水样品，其同位素组成则位于二者之间。

如C02、C05、C14、C16，其δ18O为－89.1‰ ～－70.3‰VSMOW。

反映其为第四系孔隙水、片麻岩裂隙水与上涌地热水的混合。

7.3 氚同位素特征
据我国现有降水氚分布情况，对当前（2010年前后）实测地下水氚数据可做出相应的定性判断。

其中，当地下水氚含量为1～3TU时，为老水与新水（0～10年
内补给）的混合；3～10TU时，为新水补给（顾慰祖等，2011）。

研究区内C05和C13井地下水氚浓度为1.3～1.8TU（表3），故为老水与新水的混合。

C13和C05井皆位于热异常中心，该处地下水温度较高，分别为67.0℃和48.5℃，反映其混入了较多的热水，而热水应为老水，其年龄大于50年（热水年龄通常为n千年。

图6 研究区地下水水稳定同位素组成特征Fig.6 Theδ2H－δ18Ocharacters of
the ground water in Tangquan area
而Y01井为3.4TU，故为就地补给的新水（氚测试精度为0.nTU）。

据Y01井水文地质条件，该井位于第四系中，井深较小（～4m），含水层易获得大气降水补给，这与氚浓度解释相一致。

表3 研究区地下水氚浓度测试结果Table 3 Tritium concentration of the ground water in Tangquan area井号氚浓度／TU Y01 3.4 C05 1.3 C13 1.8
8 结语
通过地面地质调查、高精度磁测、高精度重力勘探、井中温度测量、抽水试验、水质分析与同位素分析等工作，查明了汤泉地区地层岩性、地质构造、地下热流体的动力场、温度场和流体化学场特征：
1）基于汤泉地区的地质条件、地温场及地球化学特征，该地热田其浅表第四系松散沉积层分布有限，保温作用较差，属于开放型地热田。

裸露基岩主要为太古界的老变质片麻岩，其下部为中生界花岗岩侵入体。

老变质片麻岩地质单元，岩性简单，构造复杂，风化裂隙和局部构造裂隙极为发育，为地热资源的储集层（热储层）。

2）该热储含水层水力连通性整体稍好，但连通关系复杂，裂隙发育的不均致使局部存在不规则的阻水或隔水系统。

整体上由于老变质片麻岩地质单元直接出露于地表，未见统一的隔水顶板地质岩层，因此该热储不存在严格意义上的隔水顶板，热储层化为基岩裸露区片麻岩碎屑风化裂隙和局部构造裂隙式无压力潜水含水层系统。

3）热储层主要接受大气降水补给，及北部山区侧向径流补给，第四系孔隙水补给极少。

地下水径流方向整体由北向南，由北、东、西三个方向向热储中部汇集，与通过深部断裂破碎带导水通道上涌的地下热水混合形成热流体。

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