沧东断裂(天津段)特征及导水导热性质分析

1 沧东断裂(天津段)特征及导水导热性质分析 摘要:沧东断裂是华北平原区一条规模较大的隐伏断裂,构造演绎经历了中、新生代两个裂陷旋回,一直为地热地质工作者所关注。深入研究沧东断裂构造特征,对认识天津地区地热形成机理,回灌总体布局具有深刻的意义。作者分析认为沧东断裂(天津段)是发育于地壳上部的大型拆离滑脱构造,深部构造不具备控制天津地热热源的条件,断裂顶部具有明显的热对流特征。在导水特征上,除局部有一定的差异性外,总体上具有广泛的水平和垂向上断裂带向两侧的迳流能力。 关键词:沧东断裂 导水 导热 流体特征 1.引言 沧东断裂是华北地区东部一条重要断裂,全部被新生界覆盖,是上世纪60年代依据地球物理资料确定的(图1)。《天津市区域地质志》 研究认为沧东断裂是产生在由古生界地层组成的背 斜上,属印支--燕山旋回的产物,断裂活动控制着 中生界和新生界的沉积,是天津地区一条重要的深 大断裂[1]。高站武等地震学者研究认为沧东断裂是 发育于上地壳的上陡下缓的铲状断裂,断面于10km 深处的上地壳底部变为近水平的拆离滑脱面。断裂 的主要形态、不同区段的产状和活动强度 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出鲜 明的分段性,现今不是活动断裂[2]。 众多的地热勘探成果及科研资料均表明,沧东 断裂在垂向上切穿了天津地区现开采的主要热储 层,并在断裂带附近表现出较强的水热活动特征, 所以普遍认为它是一条重要的导水导热通道,但认 识比较笼统。笔者根据近几年一些新的钻探资料和物化探成果,在分析沧东断裂构造特征的基础上,研究其导水导热规律,取得了一些的新的认识1。 2. 沧东断裂(天津段)的基本特征 2.1深部物理场特征 国家地震局地球物理 勘探中心于1995年运用深 地震宽角反射/折射探测 技术得到沧东断裂北部 (天津段)的地壳上地幔 结构剖面(图2),研究认 为沧县隆起和黄骅坳陷地 壳分上中下三层:上地壳 最大岩石波速6.3km/s ,沧 县隆起厚16km ,黄骅坳陷 厚12km ;中地壳岩石波速 6.3-6.8km/s ,厚度稳定, 为8km ;下地壳岩石波速6.8-8.0km/s 之间,形态与中地壳相似,厚9-10km 左右。值得注意的是,沧县 隆起和黄骅坳陷中、下地壳速度结构横向连续,但上地壳速度结构明显不同,沧东断裂正是此结构的分界。所以说,沧东断裂深部构造在剖面上表现为上陡、下缓的铲状断面以极缓的倾角延伸至10km 深处,是一条发育于上地壳,断深在上地壳底部、中地壳上部,倾向在水平上延伸数10km 的大型拆离断裂,与深切地壳甚至岩石圈、地幔的郯庐断裂截然不同。 2.2地质构造特征 图1 沧东断裂(天津段)构造位置图 Fig1 The T ectonic Position Sketch Of The Cangdong Structure 1 主要断裂 2 古近系缺失线 图2 沧县隆起和黄骅坳陷地壳、上地幔速度结构剖面 (据国家地震局地球物理勘探中心 1995年) Fig.2 The Framework Section Of Upper Mantle ’s Velocity In Cangxian Uplist And Huanghua Depression 沧东断裂总体走向NE ,为阶梯式向东倾斜的正断层,倾角约30~45°,断距1000~6000m 不等,总体上具有北浅南深的特征。沧东断裂在天津地区的延伸长度约60km ,被北西向的断裂切割成数段,是沧县隆起和黄骅坳陷共有的主要边界断裂(图1)。该断裂产状变化较大, 平面上追踪NNE 和NWW 两组断裂呈锯齿状分布,断面呈平面状和铲状,断裂倾角约30-40O ,垂直断距3-5km ,水平断距3-4km 。沧东断裂西侧为沧县隆起,基岩以古生界为主,顶板埋深在1000-2000m ;东侧为黄骅坳陷,堆积的古近系孔店组很薄,主要以沙河街组和东营组为主,厚度约3-5km ,西侧的前古生界地层与东侧的新近系地层对接(图3)。 2.3 沧东断裂的北部边界的确定 关于沧东断裂北端界限问题,天津市地矿部门和地震部门根据沧东断裂北延伸线的东西两侧重力异常等值线及地震垂直形变等值线分布特征,认为沧东断裂越过宁河向北延伸至蓟运河断裂(宝坻断裂东段)。《河北省北京市天津市区域地质志》对“沧州-大名深断裂亦 称沧东断裂”的描述中,以推测方式表示了沧东断裂继续向北延伸至唐山的结论[3] 。就目前掌握的资料,笔者认为沧东断裂北端断至蓟运河断裂附近。原因在于蓟运河断裂南北两侧分属两个不同的构造体系,北侧为一系列NNE 向、古生界碳酸盐岩及含煤碎屑岩强裂褶皱组成的地质建造体构成,基岩埋深在500-700m 以浅,背向斜构造多在蓟运河断裂附近消失,唯独 车轴山向斜核部越过蓟运河,在宁河县西双庄附近才消失[4] (图4 ),所处构造单元属于燕山造山带内宝坻~唐山凹褶。而在蓟运河断裂以南,以沧东断裂为界,断裂西侧为基岩埋深较浅的古生界潜山,东侧为巨厚的古近系堆积,属典型的华北断陷盆地的“断陷”---“坳陷”结构。 3. 沧东断裂导热特征分析 研究沧东断裂的导热作用,主要从两个方面,一是看沧东断裂是否对形成地热的热源有构造控制作用,将产热层上抬,为天津地热异常形成较短的导热通道,二是通过地热井揭露,通过地温场分布特征研究沧东断裂在地壳浅部的导热作用。 3.1深部控热条件 众多的研究表明[5,6] ,华北断陷盆地地热热源主要为中地壳花岗岩放射性元素生成热和上地幔软流圈传导热。沧东断裂在上地壳底部即转化为近乎水平的走滑断裂(图2),不具备将产生放射生成热的中地壳和产生深部热流的上地幔向上抬升的条件。再者,像沧东断裂这样的铲状正断裂发育有一个重要的特点,当断裂倾角随断裂两盘块体旋转(掀斜)而逐渐变小时,断裂上盘重力对断裂发展所起的作用越来越小,最后以致消失而转变成阻止断裂活动的摩擦力,因此,沧东断裂在上地壳深部也不会有大规模的热源物质上涌,形成较短的导热“通道”。 3.2浅部导热作用 3.1.1地温场水平分布特征 天津市主要地热田盖层平均地温梯度最高值如表1所示,靠近沧东断裂盖层平均地温梯度最高值在8.3℃/100m 以上,而远离沧东断裂的地热田,盖层平均地温梯度值明显偏低。在山岭子地热田勘探中还发现,靠近沧东断裂构造部位的地热井进入古生界几乎成一条陡倾 图3 北塘凹陷EW 向地质剖面图 Fig4 The EW Direction Geological Section Of Beitang Concave 图4 蓟运河北侧地质构造略图 Fig2 The Sketch Of Geological T ectonic On The North Side Of Jiyun River 的直线,地温梯度介于0-1℃/100m ;远离沧东断裂,古生界地温梯度增为1.0-2.7℃/100m。并且地温梯度高值区中心与基岩浅埋区并不重合,而是明显地偏向沧东断裂。可见在断裂附近,特别是断裂交汇地带,热流活动强烈,基岩热储层表现为较低的热导率、而松散盖层的 地温梯度则显著增高[7] 。 表1 天津市主要地热田基本数据表 Table 1 The Basic Datum Table of Main Geothermal Field In Tianjin 地热田 构造部位 埋深(m ) 东断裂(km ) 最高值(℃/100m) 代表井号 周良庄 王草庄凸起 880 32 5.5 王3 王兰庄 双窑凸起 1000 24 8.0 JH-01 山岭子 潘庄凸起 1200 2 8.3 SR-11 万家码头 小韩庄凸起 1000 2 8.8 增3 3.1.2地温场垂向分布特征 沧东断裂(天津段)主要穿过山岭子、万家码头地热田,在目前人工钻探揭露所能及深度内,钻遇沧东断裂和远离沧东断裂的地热井都比较多,为分析沧东断裂周围垂向地温场分布特征提供了条件。如在山岭子地热田,SR2井深1400m ,井口水温96℃,相距4.5km 的SR6井在同样深度同一层中热储层温度只有70℃。从测井温度曲线分析,也就是说,从地热井所揭露的现象分析,沧东断裂带附近基岩井段(奥陶系、寒武系、雾迷山组),不同产水层连通性好,存在着上下水热对流现象。 3.1.3 热储温度的平面分布特征 为进一步探讨沧东断裂的导热特征,以山岭子地热田雾迷山组地热井为例进行分析。如图5所示,Ⅰ区距沧东断裂约2km ,地热井井口温度(以下同)在97-102℃之间;Ⅱ区距沧东断裂约2-18km ,温度在88-96℃之间;Ⅲ距沧东断裂约18km 以西,温度在81-86℃之间,虽然这里有其它如基岩顶板埋深造成的影响,但不难看出沧东断裂导热作用对雾迷山组热储层温度影响之大。除此之外,山岭子地热田最高温度的明化镇组热水井(DL-32:井深1150m ,井温80℃)、奥陶系热水井(DL-16:井深2500m ,井温75℃)、寒武系热水井(DL-14:井深1721m ,井温96℃)均出现在沧东断裂带附近。 总之,沧东断裂深部不具备控制天 津地热热源的构造条件。但浅部具有明 显的导热特征。导热方式是在基岩中以水为介质,将相对深部热储层中的高位热能通过断裂破损通道及岩体裂隙以对流为主的方式传递到浅部,其最大效果在紧邻沧东断裂的构造裂隙发育部位,并对松散盖层的热储层有一定的影响。 4. 沧东断裂带导水特征分析 图5 沧东断裂热对流影响温度分区图 Fig.5 The Temperature Distribution Map Affected By Cangdong Structure ’s Thermal Convection 1--雾迷山组地热井; 2--明化镇组地热井; 3--井号; 4---温度分区线 除去某些特殊的构造位置或地层缺失区,总的来说,天津地区所有热储层的水质变化都呈现出明显的水平方向上从北东向南西(与地下热水的迳流方向基本一致),垂向上从上至下,矿化度逐渐增加的特征(见表2)。以雾迷山组基岩热储层为例,从华北断坳区最北端的天津地区现有的热水井王2至最南端的唐官屯JH03,矿化度由1.0mg/l 渐增至5.9mg/l (图6)。但对表2和图5进行综合对比分析发现,在沧东断裂带附近,各基岩热储层之间有较好的联通性,表现为在水平方向上,从北部的DL19井到最南的DG43井,矿化度仅相差0.4g/l ,远小于其西侧地区;尤其在海河断裂以南,矿化度增加缓慢,在图5中表现为矿化度等值线西密东疏的不等距特征(浅灰色所示);并且其东侧的馆陶组 (其埋藏深度与基岩相当)因沧 东断裂顶端断入,其水质与基岩 水相似,水位降幅与同年度的基岩水水位几乎等幅,而沧东断裂 没有影响到的明化镇组地热井却完全没有该现象,14 C 测得年龄还远大于下部馆陶组年龄。这些现象基本可以说明,沧东断裂带及两盘岩体具有从NE 向SW ,从W 向E 较强的迳流能力。垂直方向上,沧东断裂带附近各基岩热储层的水质相差甚微,尤其在沧县隆起区水质普查较差的奥陶系热水在此带(浅灰色所示)附近和雾迷山组水质没有显明差异。沧东断裂带附近的水质分布特征说明,沧东断裂带无论在水平方向还是在垂直方向上都具有较强的地下热流体迳流能力。 表2 各热储层在不同的构造单元内有代表性的水质类型及矿化度(mg/l )统计表 Tabie.2 The Statistics Of Representative Water Quality From Various Thermal Reservoirs In Different Tectonic Units 注:表中“缺失”表示地层缺失;“-”代表暂无热水井。水质类型各符号的意义:H =HCO 3、S=SO 4。 但是,根据最新的地热钻井资料,沧东断裂的导热作用是分区分段的。2006年10月在山岭子地热田施工SR28地热井时,钻进到1672m 时开始漏浆,1721m 发生严重漏浆(只进不出),1745m 时上部地层垮塌,钻遇岩性具明显断裂带特征。事故处理后对1672-1745m 进 行试水,水温97℃,水量55m 3 /h ,动水位达153.5m ,水位降深过大,未能成井。后继续钻 进至蓟县系雾迷山组2278.99m 成井,抽水试验结果水温102℃,水量133m 3 /h ,动水位71.35m 热储层 沧县隆起 沧东断裂带(见图5) 黄骅坳陷 最北 中部 最南 最北 中部 最南 最北 中部 最南 明化镇组 0.5 H-Na 1.2-1.6 Cl.H-Na 2.56 S.Cl-Na - 1.3 H.Cl-Na 1.7 Cl.H-Na 0.39 H-Na 1.0 H.Cl-Na 2.26 Cl.H-Na 馆陶组 缺失 1.8 Cl.H-Na 2.2 Cl.H-Na - 1.7-1.8 Cl.H-Na - 0.53 H-Na 1.7-1.9 Cl.H-Na 4.35 Cl.H-Na 奥陶系 1.0 H-Na 4.5-4.8 S.Cl-Na - 缺失 1.8- 2.0 Cl.H-Na - - - 39.8 Cl-Na 寒武系 1.0 H.S-Na 1.8 Cl.S.H-Na - 1.7-1.8 Cl.H.S-Na - - - - - 雾迷山组 1.0 H.S.Cl-Na 2.0 Cl.S-Na 5.9 Cl.S-Na 1.6 Cl.H-Na 1.9 Cl.H-Na 2.0 Cl.H-Na - - - 图6 雾迷山组热流体矿化度与水质类型分布图 Fig.6 The Distribution Map Of TDS And Water Quality Type From Wumishan Formation ’s Geolthermal Liquid [8]。两次试水段距离约有500m,但流量相差78m3/h,温度相差5℃,折算地温梯度为1℃/100m。与天津地区远离沧东断裂的其它地热田内部雾迷山组增温率基本相同,可见,沧东断裂在该处虽断穿了雾迷山组热储层,但断裂带并未形成上下水力联系通道,没有导水导热对流现象发生。分析认为沧东断裂经历了正-逆-正断层性质的变动,在不同区段、不同层位的产状、活动强度及岩性的影响,在导水导热方面会表现出局部的差异性,绝不是整条断裂都具有强烈的导水导热特征。 5. 结语 沧东断裂(天津段)是一条隐伏的、控制沧县隆起与黄骅坳陷地质建造的重要断裂,断深在上地壳底部、中地壳上部,倾向在水平上延伸数10km,其断裂北端越过宁河,与蓟运河断裂相接的大型拆离断裂。 沧东断裂不具备控制天津地热热源的深部构造条件,但在上地壳浅部能将下部热储层高位热能以热对流形式传递到浅部,影响范围随远离断裂带而减弱。整体上断裂带及两盘岩体具有广泛的从NE向SW,从W向E较强的径流能力,在局部有一定的差异性。 参考文献: [1] 地质矿产部地质专报,《天津市区域地质志》,地质出版社,1982年.198~199 [2] 高战武徐杰宋长青等,华北沧东断裂的构造特征《地震地质》2000.22,395-404 [3] 河北省地质矿产局.《河北省北京市天津市地质志》[M]. 北京:地质出版社,1989 [4] 天津地热勘查开发 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院.《天津市宁河北应急开发工程地下水资源 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 》(内部报告, 2004) [5] 陈墨香《华北地热》[M].北京:科学出版社,1988.200 [6] 天津地热勘查开发设计院.《天津地区地热形成机理》(内部报告,2004) [7] 廖志杰,陈振霞.天津市山岭子地热田地下热水.北京大学学报(自然科学版),1993, 29(2):224-232 [8] 天津地热勘查开发设计院.《天津市东丽湖旅游度假村SR28地热井完井报告》(内部报 告,2006) The Analysis About Cangdong Structure(Tianjin Segment) Character And Its Hydrothermal Conductivity Rules Zhao-sumin,Gao-baozhu,Li-xuemei,Li-huijuan (Tianjin Geothermal Exploration And Development Designing Institute, Tianjin,300250) Abstract:Cangong structure is a biggish scale hidden structure in Huabei Plain, tectonic evolvement goes through twice split-collapse cycle from Mesozonic Era to Cenozonic Era, so it has been concerned by geologist all the time. To deeply study the tectonic character of the Cangdong strcutre will help to know the mechanism to form the geothermal resource in Tianjin area, and has profound significance to overall arrangement of gehthermal reinjection, This paper’s authors deem: Congdong structure is a large-scale tear-slip tectonic deve loping in upper Earth’s crust, its deep tectonic not possesses the conditions to control the geothermal source, but its top possesses obvious character of thermal c onvection. In hydraulic conductivity’s character, it has extensive runoff ability on horizontal and vertical direction, but the ability differs in different segment by reason of tectonic, attitude, activity intension and lithology. Keyword: Congdong structure Transmissivity Thhermal Conduction Liquid Character