浙江省大地热流及其地热资源意义

Terrestrial Heat Flow in Zhejiang Province and Its Significance of Geothermal Resources

摘要

为深入了解浙江区域地热背景，本文整理了浙江53眼中深层地热井的连续测温资料，并实测、收集相关岩石热导率数据110组，最终筛选并计算了23个新的大地热流值，取值区间在61.7~87.9 mW/m²，平均值73.7 mW/m²，高于全国均值. 结果表明，在北东向和北西向深大断裂的控制下，形成了浙东北嘉兴‒慈溪‒宁波、浙西南遂昌‒兰溪‒浦江高热流值地热单元和浙中安吉‒新昌‒温岭低热流值地热单元. 上述地热单元的分布与浙江莫霍面、居里面等地壳结构的特征面分布特征基本一致，与浙江大型白垩纪断陷盆地和新生代沉积盆地在空间上吻合度较高，与现代地壳运动和构造活动性密切相关.

关键词

大地热流 / 传导型 / 对流型 / 地温梯度 / 热导率 / 地热系统 / 地热能

Key words

terrestrial heat flow / conductivity / convection / geothermal gradient / thermal conductivity / the geothermal system / geothermal energy

大地热流是反映地热背景的主要参数，是开展地热地质工作的基础. 大地热流在数值上等于单位面积、单位时间内由地表散发到大气中的热量， 它比地温梯度更能确切地反映一个地区的热状态.

全国现有1 230个实测大地热流数据（含海域）（胡圣标等，2001；姜光政等，2016）. 浙江在此方面研究程度较低，一直沿用1992年中国科学院与浙江石油勘探处合作开展的浙江大地热流测量工作成果，大地热流数据点仅29个（阮万才等，1994）.

本文系统收集了浙江2010年以来施工的地热井（72眼）的测温成果资料（53组）、浅层地温调查评价项目成果资料、补充测试了典型岩石类型热导率31组，在对收集和实测数据进行筛选、校正和质量评定的基础上，新增大地热流值等数据23组，并进行了数据质量评估，充实了浙江大地热流数据库和浙江省大地热流值. 在此基础上，结合浙江省居里面（何长友，1987）及地质构造研究（孔祥儒等，1995）成果，对浙江省寻找中深层地热资源的方向进行了探讨.

1 深部热背景

地表热流值分布与地幔热流在上导过程中因地层结构不同而发生热流再分配有关，也与高放射性地质体、岩浆活动等高热流背景有关，通常以地幔热流和放射性生热为主（旷健等，2020）.

浙江省岩石圈的相关研究结果表明，浙江整体地壳厚度变化具有西厚东薄的趋势，在浙西北区域（扬子板块）厚约37.7 km，浙东南区域（华南褶皱系）厚约31 km. 居里面由浙西北向浙东南亦自深变浅. 莫霍面、居里面的变化与深部构造、岩浆活动及深大断裂密切相关，全省被江山‒绍兴拼合带、温州‒镇海深断裂带分隔成三块，呈现明显的块断性，奠定了我省深部热结构的基础.

岩浆与火山作用也是影响区域热背景的重要条件之一（张森琦等，2021）. 浙江火山与岩浆活动强烈，全省范围内分布有10个岩浆房，但以中生代时期为主，距今最近一次火山活动发生在250万年前，已和周围地层温度达到了平衡，对现今的地热热源影响不大.

岩石生热率是影响大地热流的另一主要因素，浙江暂无系统研究成果，但根据李海亭（2015）对浙江干热岩的研究，浙东南地区高于浙西北地区.

总体而言，浙江地区无特殊的局部强放射性高热岩体，无近期岩浆活动和火山活动的高温岩浆热源；在正常或略为偏高的大地热流背景值的基础上，地热水沿岩石孔隙或深大断裂径流过程中，将岩层中的热流“收集”起来，形成热水和温水. 深部热水在上涌通道的浅部形成局部热流异常，其温度的高低主要取决于地下水的循环深度，在成因上多属于板块内部基岩裂隙深循环对流型的水热系统（徐梓矿等，2021）. 研究浙江省大地热流的分布及其与地质构造环境的关系是浙江地热资源勘查的重要手段之一.

2 钻孔测温数据

2.1　数据筛选

地热增温模式主要分为传导型和对流型. 传导型即不受地下水垂向对流的影响，以正常的地温梯度线性（或分段线性）增温的模式；对流型指钻孔全孔或部分井段受到地下水上涌或下渗的影响产生非线性增温的模式. 传导型地热井的连续稳态测温数据是大地热流研究的前提条件（何丽娟等，2001；徐明等，2010；徐明等，2011；李卫卫等，2014；胡圣标和黄少鹏，2015）.

在本次研究中主要结合温度‒深度曲线形态及实际钻孔的结构、岩性特征进行科学的区分和筛选. 理论上，全孔岩性均一的情况下，传导型地热井测温曲线为直线型，实际在不同深度会出现因岩性变化而导致的地温梯度分段线性特征，这种岩性变化引起的分段线性不会对地温场的研究产生干扰.

据胡圣标和黄少鹏（2015）的研究成果，受地下水对流等影响的测温曲线，可呈现多种形态（图1）：（1）地下水水头高的自流井表现为“三角型”测温曲线特征，不能用于大地热流计算； （2）地下水水头较高的非自流井表现为某一段测温曲线的“上凸型”，一般不用于大地热流计算； （3）地下水水头低的地热井表现为突变的左偏拐角形态，该类型若对流段浅，对深部温度影响小可取深部温度数据进行研究，否则不能用于计算.

另外，本次研究表明，部分地热井井温曲线的变化和井结构有关，固井段和裸孔段在短时间未达到热平衡的情况下，固井材料会产生类似岩性的变化.

本次共收集53组钻孔测温数据，均为成井结束24 h后采用测井仪进行连续测温的成果，钻孔测温深度在800~3 200 m之间，均为非稳态测温. 测温数据曲线表明，多数钻孔的测温曲线属传导型，其温度‒深度曲线或者全井段线性或者分段线性或近底段呈线性，处理后可用于地温场的研究，部分钻孔受地下水活动（热对流）影响较大，不适宜用作地温场研究. 本次按照地级市进行了逐一的统计、分类，最终得出地热井测温曲线的类型，并对测温数据质量进行评价、筛选. 筛选原则如下：（1）有智能数字测井系统连续的测温数据；（2）测温曲线形态接近直线型，没有明显由地下水对流引起的波动；（3）井深较深，浅部受地下水对流影响，深部无影响的测温曲线. 在此基础上选择高质量的测温数据23组进行后期的研究和计算， 具体见图2~图5.

2.2　数据处理

稳态的测温数据是决定大地热流计算可信度的关键因素. 由于孔内温度受钻探的影响，必须在停钻后相当长时间才能达到平衡时的稳态温度. 据胡圣标和黄少鹏（2015）：稳态时间随钻井深度呈现指数增加，钻进扰动温度幅度恢复90%，所需时间相当于钻探时间的0.5~1.5倍，钻井温度扰动幅度恢复99%，所需时间为钻探时间的10~20倍. 由于浙江绝大部分的地热钻探是生产性钻探，测温数据均为停钻24 h后测量，成井后不再复测，为非稳态测温数据，必须经过科学的处理才能用作地温场研究.

本次利用胡圣标和黄少鹏（2015）提出的替代方案即利用井底温度、中性点温度、恒温层温度来确定准稳态测温曲线. 相对而言，井底段受到的干扰最小、恢复较快，理论上停钻24 h，可以恢复75%~80%；同一钻孔，在同一深度不同时间的两次以上的测温曲线的交点称作中性点，该点井液与围岩温度处于平衡，无需恢复较长时间；恒温层温度是一个浅部的稳态温度，相当于一个已知的参数， 因此，在没有稳态测温数据的情况下，可根据已有资料梳理出单个钻孔不同深部不同时间测量的井底温度、同一深度不同时间测温曲线的交点即中性点温度，再结合恒温层温度绘制准稳态曲线，再进行线性拟合求取所需段的地温梯度.

本文对于3个关键点数据选取说明如下：恒温点温度数据来源于浙江省主要城市浅层地温能调查项目测量成果；有两次以上相同深度连续测温数据的井（例如长热1井）求取中性点温度（图6）；部分地热井有不同深度的两次测温数据，则利用两次井底的测温数据（例如湖山RT4井）（图7）；对于大部分没有两次测温数据的，本次选取井底50~200 m段的2~3个数据作为关键点（例如西岙1井）（图8）. 关键点数据提取后，采用Origin软件进行趋势拟合，求取准稳态曲线，再进行线性回归分析，求取所需的地温梯度（图6~图8）.

3 地温梯度

地温梯度是指地球内部恒温带以下地温随深度的变化率， 准确的地温梯度是由特定深度段内稳态或准稳态的温度‒深度曲线即测温曲线进行线性回归来求取（胡圣标和黄少鹏，2015）. 井底段线性拟合得出的地温梯度和该井段岩性相对应的热导率被一起用于大地热流值的计算. 本次利用上述整理的准稳态测温曲线共计求取井底段地温梯度数据23个，结合公开发表的1992年石油勘探处的29组数据，共获得全省大地热流计算段地温梯度52组，测点分布较均匀.

4 岩石热导率

岩石热导率值的测试和选取是大地热流研究工作中十分重要的问题. 岩石热导率表示岩石导热能力的大小，主要取决于岩石的化学成分、矿物成分、结构和构造、孔隙度、含水状况、温度和压力等. 同一类岩石热导率由于矿物组成、结构差异等也会在一定范围内变化. 对于采集岩石样品较少，甚至无岩石样品的热流估算孔，各类岩石的平均热导率值可采用邻孔或本构造单元其他钻孔同类岩石的平均热导率值代替（熊亮萍等，1993）. 选取替代的热导率值时，需根据岩石实际矿物含量、孔隙度等物化性质的差异做调整. 浙江省地热井岩心热导率系统性测量很少，本次计算的数据来源主要有以下3个方面：

（1）在浙东南地区针对不同地层进行岩石采样并测试数据，共计采取31块岩性标本，其中浅部新鲜基岩26块，深部岩心样品5块，主要为浙东南地区火山岩和侵入岩，样品在实验室进行标准化处理后采用HotDiskTPS2500s热常数分析仪进行测试分析. 对于26个浅部新鲜基岩，属非原位样，热导率受温度、压力、孔隙度、饱水率等影响，与深部原位岩心存在差异（王一波等，2019），需经过矫正后使用.由于本次采取的26块新鲜基岩全部是凝灰岩或花岗岩，所以根据王一波等（2019）的研究成果，本次主要进行温度和压力校正，校正后的热导率值才参与计算.

（2）1992年中国科学院地质研究所与浙江石油勘探处合作，测定的29组石油孔代表性岩石的数据，数据质量高. 临孔或相同构造单元的孔与之对比取值.

（3）熊亮萍等（1993）针对中国东南地区岩石热导率的研究成果中对区内109个钻孔721块样品进行了多种方法的检测、核验，结果十分一致，数据可靠，用于相同岩性取值的参考.

根据以上原则，本次工作实测浙东地区火山岩花岗岩类热导率数据31组，收集整理与我省多种岩性相类似的中国东南地区岩石热导率值、浅层地温能钻孔岩性热导率值以及前人石油钻孔岩石热导率值等不同岩性热导率79组. 将本次筛选的23眼地热井热流计算段岩性与得到的110组热导率数据对应岩性进行详细地对比、分析不同岩性的加权平均，结合岩石的矿物组成、时代、密度、埋藏深度（温度和压力环境）等因素综合考虑，科学校正后，尽量合理取值.

结果表明，本次用于分析的52个钻孔（含前人29个）岩石样品的热导率值在2.0~ 4.0 W/m/K范围之内.

侵入岩、火山碎屑岩的热导率变化幅度较小，其中50%样品的热导率值为3.0~4.0 W/m/K，砂岩和泥岩热导率值的变化幅度较大.

5 大地热流值

大地热流数值上等于垂直地温梯度与岩石热导率的乘积， 根据目前国内外通用的大地热流值数据质量的评价标准，可将大地热流值数据分为4类（姜光政等，2016）（表1），本次也参考该标准对计算的热流值数据质量进行质量评价（表2）.

本次计算出23个新的大地热流值（表2），结合前人的29个大地热流值数据，重新绘制了浙江省大地热流等值线图（图9）.

浙江省52个实测热流值在61.67~ 87.92 mW/m²，平均73.74 mW/m²，高于中国东南部大陆的平均热流值68 mW/m². 本次热流测点虽遍及省内各构造单元，但测点仍不够多，仅从总体上勾画全省热流分布的格局.

整体来看，存在3个较为明显的地热单元，可以理解为受不同构造控制的相对独立的3个地热系统（庞忠和等，2015）：

（1）浙东北嘉兴‒慈溪‒宁波北西向高热流值地热单元. 该区主要受长兴‒奉化北西向断裂和湖州‒嘉善东西向断裂约束，在地质单元上与浙江的杭嘉湖平原和宁波盆地范围大部分重叠，以白垩系断陷盆地和新生代沉积盆地为主要地质构造单元. 莫霍面埋深小于30 km，居里面埋深小于28 km，在慈溪平原和象山的强热流区，居里面埋深多小于26 km，是典型的居里面浅埋区. 区内现有地热点20余处，是省内地热资源最丰富的地区. 地热点多受北东向断裂或北东向与北西向、东西向断裂交汇控制，其中嘉兴运热1井为省内目前温度最高的地热点（64 ℃）.

（2）浙西南北东向遂昌‒兰溪‒浦江高热流值地热单元. 该区与北东向江山‒绍兴拼合带走向一致，在中部区域被北西向孝丰‒三门湾断裂截断，整个高背景区与浙江最大的白垩系金衢盆地几乎套合. 西南的衢州段莫霍面小于30 km，居里面埋深均小于28 km，是典型的地壳隆升区域. 区内已有地热点及异常点30多处，绝大多数与萤石矿伴生，属于浙江古泉华最为集中区域，反映了从古至今热液的强烈活动特征. 地热点多受北东向控盆断裂和盆内规模较大的北西向次级断裂控制，目前揭露地热水深度多在1 000 m以浅，平均温度40 ℃左右，整体表现出北东向断裂控热，北西向断裂控水的基本特征，深部具有探出中高温地热资源潜力. 该区是省内目前已探明水热型地热资源最丰富的区域之一，浙江唯一的中国温泉之城武义就位于该区.

（3）浙中安吉‒闲林‒新昌‒温岭北西向低热流值地热单元.该区主要受北西向长兴‒奉化、孝丰‒三门湾以及北东向丽水‒余姚3条大断裂控制，形成反“L”型低值区域，结合深部地质背景分析，该区莫霍面埋深多大于30 km，永嘉‒仙居居里面埋深大于28 km，天台‒闲林一线居里面也呈现北西向高值条带或串珠状分布. 三门‒温州一线恰属于温州‒镇海北北东向断裂的弱活动区，区内目前发现地热点10余处，大多数受北西向张性断裂控制，温度普遍低于40 ℃，仅在多组断裂交汇部位存在3处温度大于40 ℃的地热点.

综上，省内热流值最高的区域为长河凹陷、宁波盆地以及金衢盆地中部，反映了热流量的分布与断陷盆地、地壳结构和现代地壳运动产生的构造活动存在密切的相关性（Chapman and Furlong， 1977）. 在地壳结构差异不大的情况下，新构造运动产生的影响往往大于地壳结构的影响（庞忠和等，2020），比如省内地热赋存条件最好的温州‒镇海断裂的活动段为北部的三门‒镇海段，其余为弱活动或不活动段，恰好与热流值的高低分布相对应.

6 结论

（1）本次研究新增浙江省大地热流值数据23组，更新了浙江地温场研究相关图件，为浙江省地热地质研究工作提供了重要的数据支撑和参考依据.

（2）整体来看，浙江省存在3个比较明显的地热单元：浙东北嘉兴‒慈溪‒宁波北西向高热流值地热系统、浙西南北东向遂昌‒兰溪‒浦江高热流值地热系统、浙中安吉‒闲林‒新昌‒温岭北西向低热流值地热单元. 热流值最高的区域为长河凹陷、宁波盆地以及金衢盆地中部等沉积盆地区.

（3）地热系统的分布主要受北东向江山‒绍兴拼合带、丽水余姚大断裂以及北西向长兴‒奉化、孝丰三门湾断裂的控制. 与浙江莫霍面、居里面等地壳结构的特征面分布特征基本一致，与浙江大型白垩纪断陷盆地和新生代沉积盆地在空间上吻合度较高，与现代地壳运动和构造活动性密切相关.

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基金资助

浙江省地质专项资金项目(2018010)

中国科学院学部咨询评议项目(2020-DX03-B-007)