摘要
张家口怀来盆地位于华北克拉通构造活跃区，地热资源丰富。后郝窑与奚家堡两地热系统地理位置相近，但在地热特征上表现出显著差异，为研究板内地热系统的控制机制提供了理想案例。本文综合地质构造、水文地质、水化学与热储特征等多源数据，揭示了断裂构造与岩性组合对两地热系统差异演化的共同控制作用。研究结果表明，后郝窑地热系统受北西—南东向与北北西—北东东向断裂交汇控制，结合碳酸盐岩破碎带，形成高渗透性热对流系统，水化学类型为SO4-Na型，温度达80～90 ℃，热源主要来自深部岩浆活动。奚家堡地热系统则位于隆起带，受隐伏断裂与片麻岩-花岗岩接触带控制，热储以白云岩破碎带为主，水化学类型自补给区的HCO3-Na·Mg型渐变为中心的SO4-Na型，温度约64 ℃。两地热系统的差异主要源于断裂连通性与岩性渗透性的非均质性。本研究为华北克拉通板内地热资源的勘探与可持续开发提供了理论依据。
Abstract
The Huailai Basin in Zhangjiakou is located in a tectonically active area of the North China Craton, rich in geothermal resources. The Houhaoyao and Xijiabao geothermal systems, despite their geographical proximity, exhibit significant differences in geothermal characteristics, providing an ideal case for studying the controlling mechanisms of intraplate geothermal systems. This study integrates multi-source data, including geological structures, hydrogeology, hydrochemistry, and thermal reservoir characteristics, to reveal the combined control of fault structures and lithological combinations on the differential evolution of the two geothermal systems. The results indicate that the Houhaoyao geothermal system is controlled by the intersection of NW-SE and NNW-NEE trending faults, combined with fractured carbonate rock zones, forming a high-permeability thermal convection system. Its hydrochemical type is SO4-Na, with temperatures reaching 80-90 ℃, and the heat source is primarily derived from deep magmatic activity. In contrast, the Xijiabao geothermal system is located in an uplift zone, controlled by concealed faults and the contact zone between gneiss and granite. Its thermal reservoir is mainly composed of fractured dolomite zones, with the hydrochemical type transitioning from HCO3-Na·Mg in the recharge area to SO4-Na in the center, and a temperature of approximately 64 ℃. The differences between the two geothermal systems primarily stem from the heterogeneity in fault connectivity and lithological permeability. This study provides a theoretical basis for the exploration and sustainable development of intraplate geothermal resources in the North China Craton.
Keywords
0 引言
地热资源作为一种可再生清洁能源，在国家能源结构转型与碳中和目标实现中具有重要地位（王贵玲和陆川，2022）。华北克拉通是中国重要的地热资源富集区，其热状态与岩石圈结构经历了长期的演化过程（朱日祥等，2012）。自中生代以来（约 125 Ma 前），克拉通东部发生显著的岩石圈减薄与构造活化，原有的厚冷古老岩石圈被薄热的软流圈或大洋型地幔所替代（朱日祥和郑天愉，2009；Li and Santosh，2014）。这一深部过程导致华北东部大地热流值升高，地温梯度增大，为地热资源的形成提供了有利条件（付明希等，2004）。近年来，华北克拉通地热系统研究取得重要进展。何丽娟等综合热流、热岩石圈厚度、盆地热历史及热模拟结果，从地热学角度剖析了克拉通破坏机制，认为大地幔楔内活跃地幔对流所引起的热-化学侵蚀在中生代岩石圈减薄中起关键作用，而晚中生代以来的岩石圈减薄则与伸展作用密切相关（Xu，2007）。这些深部过程直接控制了华北地区的地热分布格局（郑丽英，2015）。
然而，板内地热系统的分布极不均一，即使在同一构造单元内，相邻地热系统也常表现出显著差异，为地热资源的精确探测与高效开发带来挑战 （石圣等，2021）。与火山型地热系统不同，板内地热系统通常缺乏近期火山活动，其热源主要来自地壳深部或上地幔热流，以及放射性生热元素的衰变热（李林果和李百祥，2017）。该类系统的形成与分布受深部构造背景、断裂系统、岩性组合及水文地质条件等多因素共同控制（张进平和袁利娟，2018； 孙紫坚等，2024）。在具体地热田研究方面，牛驼镇地热田揭示了地幔热柱与断裂构造对流体和热运移的控制作用（刘宏凯等，2024）；雄安新区深部岩溶热储研究识别出雾迷山组沉积后存在的3套不整合面与 4 期岩溶作用，其中燕山—早喜山期表生岩溶是岩溶热储形成的关键期（郭瑞婧等，2023）；胶东半岛研究提出了隆起—凹陷分流聚热模式，解释了不同构造单元地热分布的差异（史猛等，2021）。这些成果深化了对板内地热系统形成机制的理解，也为进一步勘探开发奠定了理论基础（张德忠等， 2013；蒋林等，2013①）。
怀来盆地位于华北克拉通北缘，是张家口地区重要的地热资源富集区。该区处于山西断隆与燕山台褶带的交接部位，地质构造复杂，新生代以来构造活动强烈，发育多组不同方向的断裂系统，为深部热流上涌创造了有利条件。尽管前人对怀来盆地地热资源开展过一定研究，但多侧重于地热地质条件的定性描述或单一地热田的局部特征，对同一盆地内相邻地热系统的差异缺乏系统阐释。本文以张家口怀来盆地为研究区，聚焦后郝窑与奚家堡—五营梁两个典型地热系统，通过集成地质构造、水文地质、水化学与热储特征等多源数据，揭示不同地热区的岩性组合与热储结构差异，建立流体循环—热量传输概念模型，提出怀来盆地地热系统的成因模式，阐明断裂构造与岩性组合共同控制下的板内地热系统差异演化机制。
1 研究区概况
怀来盆地位于河北省张家口市东南部，地处华北克拉通北缘，为山西断隆与燕山台褶带两大Ⅱ级构造单元的交接部位（图1a）。研究区地理坐标范围为东经 113°50'～116°30'，北纬 39°30'～42°10'，总面积约3.68万 km²。本文重点研究盆地内的后郝窑与奚家堡—五营梁两个地热系统。区域大地构造上，研究区位于燕山台褶带与山西断隆交接附近的后城断凹（Ⅳ2 14）与涿鹿褶皱束（Ⅳ2 12）（苏永强等， 2024）。区内断裂构造极为发育，主要受尚义—赤城深断裂（近东西向）与大河南—赤城深断裂（北北东向）两大区域性深断裂控制，并衍生一系列北东、北西及近东西向大断裂与活动断裂（如蔚县—延庆大断裂、洋河大断裂等）（李泓泉等，2020），构成复杂的构造格局，为深部热流上涌与地下水深循环提供了有利通道（雷晓东等，2022）。区域地层自太古宇至新生界均有出露（唐杰等，2023）。太古宇桑干群（Ars）片麻岩与元古宇蓟县系雾迷山组（Jxw）白云岩构成区域主要结晶基底与碳酸盐岩热储。中生代以侏罗系—白垩系火山岩（如张家口组 J3z）与碎屑岩为主，伴随大规模燕山期花岗岩侵入（如大海坨岩体）（甄世民等，2021）。新生界主要为河湖相松散沉积物，广泛填充于断陷盆地中，构成重要的孔隙型热储盖层。
图1研究区大地构造位置及地热系统范围分布图
a—大地构造位置图；b—奚家堡—五营梁地热系统分布位置图；c—后郝窑地热系统分布位置图；1—I级构造单元界线；2—Ⅱ级构造单元界线；3—Ⅲ级构造单元界线；4—Ⅳ级构造单元界线；5—地热系统；6—后城断凹；7—涿鹿褶皱束
后郝窑与奚家堡地热系统虽同处怀来盆地，且均位于深大断裂交汇部位（图1b、c），但二者在地热显示、热储结构及水文地球化学特征上存在差异，是揭示板内地热系统差异演化的理想对比案例。后郝窑地热系统及奚家堡—五营梁地热系统均分布于平原盆地区，受断裂构造控制明显；后郝窑地热系统位于永定河南岸，官厅水库西岸，其研究程度较高，单井涌水量最大约 45 m3 /h，最高温度可达 88.6℃，面积约 3.7 km2；奚家堡—五营梁地热系统位于狼山乡西南部，包括奚家堡村、五营梁村及老营洼村的东部，地处官厅水库北岸，面积达 12.12 km2，最大涌水量约 50 m3 /h，最高温度约 69℃，开发利用程度较低。
2 研究方法
本研究采用多学科交叉的综合研究方法，在野外调查的基础上系统集成地质、水文地质及水文地球化学数据，以揭示两个地热系统的成因机制。
首先对研究区内典型温泉、热水井、冷泉及重要地表水体进行采样调查，通过系统收集并分析区域地质图、构造纲要图及怀来盆地代表性地层资料，厘清研究区的断裂体系、地层岩性分布及深部构造背景；重点分析控制地热系统的主要断裂的产状、性质及其交汇关系。通过水位及温度等值线图，结合地热系统地形、地貌、地质构造等，初步分析地热水补-径-排条件及热储的储-盖组合关系等。
其次通过系统采集典型地热井（泉）地热水样品，获得水化学全分析、稳定同位素（δD，δ18O）等测试结果（表1），判断地热水化学类型、补给来源及地热流体的循环的深度等。
表1后郝窑与奚家堡—五营梁地热系统地下水样品检测数据汇总
最后结合怀来盆地地球物理特征，并整合典型地质剖面及水化学特征等，对地热系统内的含水岩组进行了系统划分，明确了各热储层位；利用地热水观测数据，进一步分析了地热流体压力场与温度场的空间分布特征及其动态变化规律。在此基础上，综合地质信息，建立了能够反映地热流体补给、径流、排泄条件的水文地质概念模型（图2）。
图2后郝窑热储结构剖面示意图
3 结果
3.1 地热系统结构与热储特征
后郝窑地热系统呈现出典型的断裂主导型对流系统特征。其热异常区（≥25℃）面积约 3.7 km²，呈北西—南东向延伸的椭圆形，与主控断裂的走向高度一致。热储结构具有明显的垂向分层性：基底为太古宇片麻岩与侏罗系火山岩构成的裂隙型热储；其上为新近系（N2）河湖相粗砂砾石层，构成下部孔隙储水层；第四系（Q）砂砾层则形成中部孔隙储水层。这种“裂隙-孔隙”复合型热储结构，配合主控断裂与北东东向断裂的多组交汇，创造了极佳的热流体垂向运移与侧向存储空间。系统的温度梯度显著，从基底到浅部，温度由88.6℃逐渐降至40~60℃，显示出强烈的深部热源影响。
奚家堡—五营梁地热系统则表现为隆起带控制的岩溶-裂隙系统。其热异常区面积达 12.12 km2，远大于后郝窑系统，且长轴呈北东东—南西西向展布，与区域隆起带走向一致。热储层位主要为蓟县系雾迷山组白云岩破碎带，局部可能涉及太古宙片麻岩与燕山期花岗岩的接触带。上覆的新近系（N2）半胶结砾石层及第四系松散层构成了有效的隔热盖层（图3）。该系统温度相对较低，最高温度为 69℃，高温中心位于五营梁村西北，热异常范围虽大但温度梯度相对平缓。
图3奚家堡热储结构剖面示意图
表2后郝窑与奚家堡—五营梁地热系统基本特征对比
3.2 水文地球化学特征
两个地热系统的水化学特征表现出显著差异，反映了不同的水-岩相互作用过程和循环路径。后郝窑地热流体为典型的 SO4-Na 型水，矿化度 0.88~1.20 g/L，F- （8~19.5 mg/L）和 H2SiO3（80~100 mg/L）。这种水化学组成指示了深部高温水-岩相互作用特征：SO4 2- 可能来源于深部H2S的氧化，高浓度的F-和H2SiO3则通常与岩浆热液活动或高温花岗岩的水-岩相互作用有关（卢玲敏等，2025）。水化学动态长期稳定，说明其循环路径深且受外界影响小。
图4后郝窑与奚家堡—五营梁地热系统水化学类型Piper 三线图
相比之下，奚家堡—五营梁地热系统的水化学特征呈现出明显的空间分带性。系统中心区（五营梁）为 SO4-Na 型水（图4、图5），与后郝窑类似但温度较低；向周边过渡为 HCO3·SO4-Ca·Mg·Na 型水 （南甘庄）；而在北部补给区（青山庄）则表现为 HCO3-Na·Mg型冷水。这种水化学分带揭示了热流体从补给区到排泄区的完整演变序列：大气降水在北部山区入渗，经历深循环加热后，在上升过程中与不同围岩发生水-岩相互作用，最终在隆起带构造有利部位聚集。
同时根据 δD、δ18O 测试结果及地热温标估算，后郝窑地热系统补给高程约 1530 m，与取样点高差约 1000 m，循环深度约 4.3 km，循环年龄 4000～5000 a；而奚家堡地热系统补给高程约1370 m，与取样点高差约 800 m，循环深度约 3.4 km，循环年龄 3000～4000 a。从数据上看后郝窑地热系统在补给高程、循环深度、循环年龄方面明显比奚家堡地热系统均要偏大。
图5奚家堡地热系统地下水水化学类型分布及成因模式
3.3 断裂构造体系与控热模式
两个地热系统的构造控制模式存在本质区别。后郝窑地热系统受多组断裂交汇控制（图6a），特别是北西向的f7-8断裂与北东东向的f10、f11、f12断裂的交汇处，形成了面状散流的地下热水垂直补给带。这些断裂不仅是深部热流上升的通道，也控制了热田基底形态的发育——沿f7-8断裂发育的北北西向槽谷为新近系热水储水层的分布提供了空间。地球物理资料显示，低阻异常（<10 Ω·m）与高温热水分布范围高度吻合（图6b），且电阻率越低，地热水温越高，清晰地勾勒出热流体在主控断裂带的富集特征。
图6后郝窑地热系统断裂展布图（a）与视电阻率-温度等值线图（b）
奚家堡—五营梁地热系统则受隆起带与隐伏断裂联合控制。该系统位于怀来盆地中的土木— 狼山隆起带上，基底埋深较浅（约 150 m）。黑山寺—狼山—古城隐伏断裂、狼山—方冲村断裂等构成的断裂系统为深部热流上升提供了通道，而北侧的片麻岩与花岗岩接触带可能构成了流体的侧向输导层。地球物理探测揭示的视电阻率不连续带与推测的蔚县—延庆大断裂位置吻合，且低阻中心与地热高温点对应（图7），表明白云岩破碎带是主要的热储空间。
图7奚家堡地热系统视电阻率分布图
a—AB/2=150 m视电阻率等值线图；b—AB/2=210 m视电阻率等值线图；c—AB/2=320 m视电阻率等值线图
4 讨论
4.1 断裂构造、岩性组合对地热系统的控制机制
断裂构造、岩性组合对地热系统的控制机制 （康凤新等，2023）。断裂系统在板内地热形成中扮演着双重角色：既是深部热流上升的通道，也是浅部热储空间的形成因素。断裂连通性决定地热系统热传输效率。后郝窑地热系统的高温特征 （88.6℃）主要得益于其优越的断裂连通性—北西向 f7-8 断裂与多组北东东向断裂交汇形成高渗透性 “构造节点”，为深部热流快速上涌提供高效通道。地球物理资料显示，在怀来盆地下部 6～8 km 深度存在明显的低速体（祝治平等，1997；李予红等， 2022②），其位置与这些断裂有较强的对应性，同时电测深资料显示低阻异常约 12 Ω·m（图6b），且与高温高压中心完全重合。车用太等（2001）研究进一步证实，后郝窑热田区断裂活动强度与热水温度、压力正相关，表明热水的高孔隙压力降低断层面摩擦强度，促进断裂活动，形成热-力耦合正反馈机制。奚家堡—五营梁地热系统主要受隐伏断裂与岩性接触带控制，断裂垂向连通性相对较差。虽处于上黄旗—乌龙沟深断裂与蔚县南山—狼山断裂交汇部位，但主要控热构造为隐伏断裂与片麻岩-花岗岩接触带，缺乏多组断裂密集交汇，导致深部热流上升路径曲折、热损失大，最终表现为温度较低（69℃）但分布广的特征（张伟等，2021）。该构造配置使系统更依赖侧向热传输，而非后郝窑式的垂向直接对流。断裂体系空间组合还控制热异常展布形态。后郝窑热田被 f2、f3、f4、f5、f9 断裂（图6a）围限呈不规则菱形，热异常呈北西向椭圆形分布于其中，清晰反映断裂系统对热田边界的控制（雷晓东等，2018）。奚家堡—五营梁热田则受北东东向断裂与隆起带联合控制，热异常呈北东东向展布，与区域构造线方向一致。
岩性组合通过控制岩石热物理性质与水力特性，深刻影响地热系统储集能力与热传递效率。后郝窑地热系统的岩性组合形成独特的“裂隙-孔隙” 双重热储结构。太古宇片麻岩与侏罗系火山岩在构造作用下形成的破碎带，提供主要深部热储空间与垂向运移通道。尤为关键的是，上覆新近系（N2） 河湖相粗砂砾石层具大孔隙、高渗透性，且分布于基岩槽谷底部，形成良好的天然储热库（毛小平等， 2018）。该岩性组合配合断裂构造，使后郝窑系统能有效捕获与储存深部上涌热流体，形成高温地热系统。热储模拟显示，该系统热流垂向分量占主导，符合对流型地热系统特征。奚家堡—五营梁地热系统的岩性组合构成典型“岩溶-裂隙”热储系统。蓟县系雾迷山组白云岩在构造作用下形成的破碎带与岩溶裂隙，提供主要热储空间。白云岩热导率较高，利于深部热流传导，但其裂隙网络连通性通常不如火山岩区密集断裂网络。上覆新近系 （N2）半胶结砾石层与第四系松散层构成有效隔热盖层，但相较于后郝窑系统新近系巨砾石层，其储集能力有限。该岩性组合决定系统以侧向径流为主的补-排特征，热流体在白云岩裂隙网络中缓慢流动，与围岩充分热交换，导致温度较低但分布广（高洪雷等，2023）。岩性差异还直接影响水-岩相互作用过程。后郝窑系统片麻岩与火山岩富含长石等矿物，在高温水-岩作用下更易释放 Na+、SiO2等组分，形成SO4-Na型水并富集H2SiO3。奚家堡—五营梁系统白云岩区水-岩作用则以溶解-沉淀为主，水化学类型表现出自补给区至排泄区的连续演变序列（范艳霞等，2022）。
断裂系统的精细识别是寻找高温地热资源的关键。后郝窑模型表明，不同方向断裂的交汇部位，特别是北西向与北东东向断裂的交汇区，是寻找高温地热系统的有利靶区。地球物理方法（如电阻率法）可有效识别这些高渗透带，电阻率低值异常区往往对应着高温流体富集带。其次，岩性组合的配置关系决定了地热资源的储集能力。理想的储盖组合（如后郝窑系统的新近系巨砾石层与上覆隔水层）能够形成高效的热储系统。在勘探中应重点关注不同岩性接触带和构造破碎带，特别是碳酸盐岩与火山岩的接触部位（柯柏林等，2019）。
4.2 深部热源与热机制探讨
怀来盆地两地热系统的差异也反映深部热源性质与热传递机制的不同。后郝窑地热系统显示更强的深部热流影响，其热源可能包括：（1）深部岩浆囊或残余岩浆热—区域地球物理资料显示怀来盆地深部存在低速体，可能为残余岩浆房；（2）地壳深部热流—华北克拉通破坏导致的岩石圈减薄使地幔热流上涌；（3）构造摩擦热—新构造运动在断裂带产生的机械热。水化学证据（高 F-、H2SiO3、 SO4 2-）与蚀变矿物组合（绢云母化、碳酸盐化、硅化等）均支持深部高温流体参与。综合热流测算表明，后郝窑地区热流值可能达80~90 mW/m2，远高于华北克拉通平均值（约 64 mW/m2）（姜光政等， 2016）。奚家堡—五营梁地热系统热源机制更多与区域地质背景相关：（1）深部岩体余热—北侧大海陀花岗岩体（γ5 2）为地壳浅部提供额外热源；（2）正常地热增温—在隆起带背景下，正常大地热流在基岩突起部位聚集；（3）深循环加热—大气降水深循环至地壳较深处被正常地温加热。该系统温度较低且分布均匀，表明缺乏局部高强度热源，更可能受区域热背景控制。两地热系统热机制差异也得益于地球物理证据支持。后郝窑地区地温梯度明显高于奚家堡—五营梁地区，且电阻率与温度呈明显负相关，指示集中热流上涌特征。奚家堡—五营梁地区则表现为相对均匀的热分布模式，符合隆起背景热聚集模型。
4.3 板内地热系统成因模式
基于以上分析，本文建立了怀来盆地两种典型的板内地热系统成因模式（图8、图9），揭示了断裂构造与岩性组合共同控制下的地热系统差异演化机制。后郝窑成因模式描述了在多组断裂交汇部位形成的高温地热系统。该模型的关键要素包括： （1）深大断裂交汇形成高渗透带，成为深部热流快速上涌的通道；（2）碳酸盐岩破碎带与新近系高孔渗砂砾岩共同构成优质热储；（3）局部高强度热源 （岩浆热或地壳深部热流）提供热动力；（4）垂向对流主导的热流体运移模式。这种模型对应着高温、高产能的地热系统，但分布范围通常有限（祖金华等，1997）。
图8后郝窑地热系统成因模式图
图9奚家堡地热系统成因模式图
奚家堡隆起带径流-上升模型描述了在基底隆起与断裂复合部位形成的中低温地热系统。该模型的关键要素包括：（1）基底隆起配合隐伏断裂构成热流上升的有利部位；（2）白云岩破碎带或岩性接触带提供主要热储空间；（3）区域大地热流配合深部岩体余热构成主要热源；（4）侧向径流-局部上升的热流体运移模式。这种模型对应着温度中等但分布广泛的地热系统，更适合区域规模开发利用。
5 结论
通过对怀来盆地后郝窑和奚家堡—五营梁两个地热系统的对比研究，得出以下主要结论：
（1）后郝窑地热系统受北西—南东向断裂及北北西—北东东向断裂交汇控制，结合碳酸盐岩破碎带，形成高渗透性热对流系统。该系统温度高 （80～90℃），分布范围相对集中，水化学类型为 SO4-Na 型，热源主要源于深部岩浆活动，表现为断裂交汇对流成因模式。
（2）奚家堡地热系统位于隆起带，受隐伏断裂和片麻岩-花岗岩接触带影响，岩性以白云岩破碎带为主。该系统温度较低（约64℃），但分布范围广泛，水化学从补给区 HCO3-Na·Mg 型渐变为中心 SO4-Na型，热源主要与区域大地热流和深部岩体余热相关，表现为隆起带径流-上升成因模式。
（3）断裂构造与岩性组合的耦合关系共同控制了两个地热系统的差异演化。断裂系统的连通性决定了深部热流上升效率，而岩性组合则影响了热储空间结构和流体运移方式。后郝窑系统以垂向对流为主导，而奚家堡—五营梁系统则以侧向径流为主要特征。
（4）未来的地热勘探应重点关注断裂交汇部位与有利岩性组合的耦合区，可采用综合地球物理地球化学方法识别深部热异常，以期实现地热资源的精准勘探。
注释
① 张德忠，刘志刚，卢红柳.2013. 河北地热[R]. 衡水: 河北省地矿局第三水文工程地质大队.
② 李予红，夏华宗，刘文涛，李贝德，王国晨 .2022. 张家口地热资源分布规律研究[R]. 石家庄: 河北省地矿局国土资源勘查中心.
