福建沿海地区地热异常热源成因的地球物理分析

Geophysical analysis of heat source composition in the Fujian coastal geothermal anomaly area

摘要

福建沿海地区是我国东南丘陵-沿海地带重要的地热异常区,其成因机制、热源构成一直是我国地热学界关注的重要课题。本文利用热、震、磁、重资料分析了该区地热异常的成因及热量来源。结果表明:福建沿海地区剪切波“低速走廊”与政和—大埔断裂带和滨海断裂带在深部形成的铲形逆冲断层相关,其东端向下至环太平洋地热带高温热源区,西端向上至漳州、福州地表地热异常区。居里面至莫霍面之间,地温增温平缓,不具备形成现代侵入岩体异常热源的条件。花岗岩放射性生热是地表热异常的重要组成部分,放射性元素热源深度小于5 km,地下水沿导热构造“汲取”围岩放射性生热量,向热田中心汇集形成高温区。我们认为:福建沿海地热异常区的热能由深、浅两种来源组成,深部热能来源于环太平洋高温岩浆,浅部热能来源于花岗岩放射性元素生热。深部热源的热量顺铲形逆冲断层向上传输到地表,浅部热源的热量由地下水汇集到地热田中心。

关键词

福建沿海地区 / 地热异常成因 / 地球物理分析 / 铲形逆冲断层 / 放射性生热率

Key words

Fujian coastal area / heat source composition of geothermal anomaly / geophysical analysis / listric thrust fault / radioactive heat generation rate

0 引言

中国大陆东部有三个蕴藏丰富地热资源的地热异常区,由南向北分别是东南丘陵-沿海地热异常区、华北-华东地热异常区、东北地热异常区^[1]。福建沿海地区位于东南丘陵-沿海地热异常区内,是中国华南陆缘高热流区^[2⇓-4]和重要的地热活动区^[5],研究福建沿海地区地热异常成因对地热资源勘查评价、开发利用具有重要的指导意义。

福建沿海地区的地热异常主要分布在政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)之间(图1),可分为漳州高热流区和福州高热流区。漳州高热流区呈NNW向长轴的椭圆形,热流值在80~200 mW/m²。福州高热流区由两个热流高值中心组成:西南部热流高值中心呈NNW向长轴的椭圆形,热流值在80~140 mW/m²;东北部热流高值中心呈NE向长轴的椭圆形,热流值在80~220 mW/m²。漳州地热区和福州地热区的地温梯度分别在30~65 ℃/km和30~50 ℃/km,个别异常点地温梯度可高达158 ℃/km^[4]。福建沿海地区发育许多低、中、高温泉,高温泉主要分布在高热流区,中、低温泉主要发育在热流平稳区,温泉与热流分布具有较强的相关性^[6]。与福建沿海高热流区隔海峡相对的是台湾高热流区,它属于环太平洋地热带的一部分,其高热流异常主要分布在车笼埔—大尖山断裂带(F3)以东,在黎山—恒春断裂带(F4)和美仑—纵谷断裂带(F5)之间沿台湾岛长轴方向呈串珠状分布(图1)。

政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)之间大规模的构造变形以及大范围的侏罗—白垩纪酸性花岗岩体出露是福建沿海地热异常区最重要的地质特征。政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)属闽-台之间大型铲形逆冲活动断裂系^[7-8],受海-陆相互作用影响,在深部形成一系列向海缓倾斜的铲形滑脱面。铲形断裂活动导致福建沿海地区强烈变形,在深部形成有利的热传输通道,在近地表形成NE向与NW向交叉的活动断层网络。地层浅部NW向(走向在310°~340°)张性或张扭性断裂与NE向(走向在 35°~55°)压性或压扭性断裂的交汇部位是破碎带或软弱层,其构成了地下热水的良好通道和储集区,地热异常显著。除了控制该区构造变形,政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)也控制该区多期次岩浆侵入和火山喷发。福建沿海地区发育大面积的中生代酸性花岗岩体,以侏罗—白垩纪的侵入岩和火山活动为主,其中,早—中侏罗世火山-侵入岩带主要位于F1两侧,晚侏罗世—晚白垩世火山-侵入岩带主要位于F2两侧。该区花岗岩具有较高的生热率^[9],放射性元素生热产生的热流在地表热流中的比例可达40%以上^[10]。漳州市周边花岗岩体大面积裸露,漳州岩体、马坪岩体、程溪岩体和灵通山岩体都是放射性高值区,生热率平均值在2.85~4.53 μW/m³,对地表热流的贡献率在34.67%~47.68%^[11]。花岗岩放射性元素产生的热流是该区地表热流异常的重要组成部分。

由于发育大面积中生代酸性花岗岩体,人们推测该区具有良好的干热岩赋存背景,干热岩资源勘查成为主攻方向^[12]。但是,区域性铲形逆冲断层、放射性花岗岩是该地热异常区重要的热源主导因素,因此,本文围绕区域性铲形逆冲断裂、浅部近地表导热构造、放射性花岗岩体等地热异常制约因素,利用地热、地震、重、磁等数据计算反演,开展福建沿海地热异常热源成因分析,为福建沿海地区地热资源勘查评价及开发利用提供参考依据。

1 铲形逆冲断层与地热异常

政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)是福建沿海地热异常成因的区域性制约因素。福建沿海地区在约(175±5) Ma(中侏罗世)进入太平洋板块由南往北斜向俯冲为主的构造体系,在约120 Ma后(晚侏罗世早期)随太平洋板块俯冲旋转进入向西正向俯冲为主的构造体系,在约(85±5) Ma(白垩纪中期)随华南大陆东部演化为被动陆缘而处于板内伸展构造环境^[13⇓-15]。新生代之前,作为区域性主干断裂的政和—大埔断裂带(F1)和滨海断裂带(F2)都是具有右旋走滑性质的大型韧性剪切带。始新世以来,裂谷作用导致台湾海峡岩石圈伸展、大陆裂解^[16],显著地改变了海峡两侧的地层结构和断层性质,控制台湾海峡西北侧构造演化的F2和主导福建沿海地区构造演化的F1都随台湾海峡的张裂-挤压-收缩而从右旋走滑断层转变为铲形逆冲断层。近年来,海峡两岸数字地震台的数量逐年增加,极大提高了层析成像的分辨率。Zhang等^[17]利用福建省地震局地震台网的88个永久台站、台湾地震宽带阵列25个台站的2014—2015年连续地震记录,以5 Hz的采样率对两个垂直分量噪声数据每个时域获得互相关函数。互相关前,采用传统信号处理方法对每2小时长的段波频谱白化。取倍数周期绝对平均归一化抑制噪声。通过2年的叠加,来自环境噪声的表面波信号互相关在高信噪比下非常稳定。为消除具有相似路径但测量值与平均值相差很大的色散数据,基于经验格林函数提取表面波色散数据曲线进行聚类分析,共获得4 000多条色散曲线,对地壳和上地幔的剪切波速结构进行反演^[17]。

福建和台湾100多个地震台站环境噪声数据反演得到的剪切波v_S速度结构^[17]表明,F1与F2之间的福州和漳州盆地在深度小于10 km的地壳浅层呈现与较厚沉积和高热流相关的低速区,并且沿F1、F2东南倾斜方向出现与构造活动导致的成分变化相关的“低速走廊”(low-velocity corridor)。20 km深度处,v_S速度出现反转,福州和漳州盆地呈现相对高速特征,F1下方的中地壳出现低速带、F2下方的上地壳出现高速带^[17]。依据v_S速度模型提供的数据集,我们绘制了横穿研究区的Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'剖面,如图2所示(剖面位置如图1)。

由图2可以看到,福建沿海地区的地壳浅层为高速(绿色区域),台湾海峡和台湾岛的地壳浅层为低速(红色区域)。沿F1、F2东南倾斜方向的“低速走廊”(low-velocity corridor)^[17]由福建沿海地表浅层向东南方向延伸至台湾岛下方的中地壳,控制福建沿海与台湾海峡整体构造稳定性。F1、F2下方的速度结构特征表明,铲形逆冲断层由台湾岛之下过台湾海峡向上延伸至福建沿海地区出露于地表。在该区深部构造-热演化过程中,F1、F2铲形断层发挥着重要的热传输通道作用,源自太平洋地热带的高温地热能量通过铲形断层源源不断地向福建沿海地区浅部传送,在漳州、福州盆地形成高热异常区。Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'剖面(图2a,b)上,铲形断层西端对应漳州、福州高热流异常、高地温梯度异常区域,铲形断层东端对应台湾岛中、东部高热流异常、高地温梯度异常区域。

福建沿海地区濒临西太平洋活动大陆边缘。中侏罗世,太平洋板块由南往北斜向俯冲,福建沿海地区由浅海抬升为陆地;晚侏罗世早期,太平洋板块俯冲旋转、向西正向俯冲,福建沿海地区出现大规模火山侵入和局部火山喷发活动;白垩纪中期以后,古太平洋俯冲活动逐渐减弱,福建沿海地区岩浆活动逐渐停止,进入被动陆缘板内伸展环境;新生代以来,台湾以东洋壳开始形成新的俯冲活动,菲律宾板块以45°倾角沿琉球海沟向西北下插到琉球岛弧之下,在台东纵谷形成几乎直立的板块边界^[18],福建沿海地区受到来自东南方向的强烈推挤作用。台湾东部海岸山脉是菲律宾海板块西北向俯冲同时向西推挤作用的产物。福建沿海地区在中生代岩浆活动与构造变形后,一直处于被动陆缘板内伸展环境中,新生代之后来自华南被动陆缘的板内伸展作用与来自菲律宾海板块的挤压作用在台湾岛与台湾海峡之下交汇,形成西北向、斜向上仰冲的铲形逆冲断裂系统^[8,19]。地震统计^[8]表明,从台湾岛经台湾海峡到福建沿海地区,地震活动由强变弱,地震数量由多变少,并且所有震源都分布在倾角4°~10°向东缓倾斜面上,这个倾斜面的形态、倾斜方向、倾斜角度等^[8]与图2中地震剪切波v_S的“低速走廊”(low-velocity corridor)^[17]一致,勾勒出闽台铲形逆冲断裂构造系统的大致轮廓。

依据图2的剪切波v_S速度结构和图1的地热异常分布特征,我们给出了福建沿海地热异常区深部热量传输模式,如图3所示。

图3中,铲形断层作为福建沿海地热异常区的深部热量传输通道,其东端向下延伸至台湾岛之下,与环太平洋地热带高温热源区相连;西端向上延伸至福建沿海地表,向漳州、福州地热异常区输送热量。台湾岛中、东部是西太平洋古近纪岛弧火山地热带的高温地热区,也是环太平洋高温地热带的重要组成部分。其中,大屯、基隆、龟山岛火山群与东北侧的琉球岛弧相连,绿岛、兰屿火山群与南部的吕宋火山岛弧相连。环太平洋高温地热带深部熔融的岩浆热源(图3右侧红色区域)不仅为台湾中、东部地热活动提供热量,也顺铲形逆冲断层斜向上传递高温热量(图3红色箭头所指方向),成为福建沿海漳州、福州地热异常区的深部热源(图3红色“闪电”所指区域)。

2 地热成因分析

2.1 深部热状态

通过磁异常反演居里面深度,再借助大地热流约束居里面温度,可获得不同构造区地壳热状态。我们通过航磁异常功率谱计算^[20]得到了研究区居里面深度,并利用热流约束得到了该区居里面温度,结果如图4所示。

图4a中,福建沿海地区的居里点深度D_C在15.4~16.4 km,平均深度为15.9 km。总体上,居里面深度向海一侧变浅,但变化幅度在1 km以内,比较平缓。图4b是研究区莫霍面深度图^[21],莫霍面深度H_M在24.9~31.9 km,平均深度为28.7 km,最深处位于东北侧,最浅处位于西南侧。居里点深度D_C是研究地壳热结构的重要温度控制点^[22-23],图4c给出了福建沿海地区热流约束的居里温度分布特征。居里点深度受地壳温度控制,是地壳温度接近铁磁性矿物消磁温度点。实验室中,各类铁磁矿物的消磁温度大致为:磁黄铁矿300~350 ℃,磁铁矿575~585 ℃,镍铁矿760~800 ℃^[21]。数值上,居里温度T_C与岩石热导率K的乘积等于磁性层厚度D_C与大地热流Q的乘积^[24],即T_C·K=D_C·Q。依据此式,利用大地热流值可以约束居里温度。由于福建沿海地区地下水活动强烈,地下热水沿断裂上升对流,形成一系列温泉,致使局部地区地温扰动,因此,实测热流偏差较大。总体上,图4c中热流偏差最小区域与T_C=475 ℃曲线最为接近,所以本文以475 ℃作为福建沿海地区居里点平均温度^[1,20]。

由居里面深度D_C、居里点温度T_C处向上,在钻井地温、地表浅层传导地温约束下,通过积分插值(线性拟合)可得到居里面以上的各地层地温;向下,在H_M≥D_C的条件下,通过积分插值(指数拟合)可得到D_C与H_M之间的各地层地温。图5是计算得到的AB、CD剖面地层温度(剖面位置如图4b所示),其中,AB剖面靠近漳州、龙岩,CD剖面靠近福州、南平。

图5a是以漳州地热异常区为目标的温度剖面,图5b是以福州地热异常区为目标的温度剖面。可以看出,漳州、福州之下都是高温中心,而且,高温中心仅仅向下延伸到居里面为止,居里面之下温度变化趋于平缓,向海一侧(图5a的B端、图5b的D端)温度等值线“缓慢抬升”,与铲形逆冲断层向上的热传输活动相关。显然,AB、CD剖面居里面上、下温度结构特征完全是不同热源作用的结果,或者说,福建沿海地区地表地热异常是深、浅不同层次热源作用的结果,深部主要受来自东南方向(图5a的B端、图5b的D端)的深层加热作用影响,其热源是顺铲形逆冲断层上升的来自太平洋地热带的深部高温岩浆热量。浅部则为居里面之上的花岗岩放射性生热、断层控制的水热循环等热源加热的结果。图5可以看出,来自地幔的热不明显,莫霍面平均温度并不高,研究区内莫霍面温度在600~730 ℃,平均温度为650 ℃,地幔对下地壳加热产生的升温十分平缓,因此地幔热不是形成该区地表地热异常的主因。

地震折射剖面^[25]揭示,漳州盆地之下大约10.2 km深度,存在一个速度小于5.8 km/s的低速高温岩体。地震测深剖面分析^[26]认为,福州盆地下方10~15 km存在“透镜形”的低速-高导-低Q值的高温岩体。这些地震资料的解释结果与图5计算的温度分布形态吻合。

2.2 浅部热状态

最新的福建-台湾地震环境噪声反演结果给出了115.75°~122.25°E,21.25°~28.75°N范围0~120 km深度的剪切波v_S速度结构^[17]。短周期的表面波对浅层结构更敏感,因此,利用周期相关射线追踪的表面波层析成像方法可以获得浅层(<10 km)较详细的横波速度特征。图6给出了福建沿海地热异常区4 km深度的v_S等值线图,以及利用地表热流、生热率、热导率由傅里叶方程计算的4 km深度的温度T等值线图。

图6a是福建沿海地区4 km深度v_S等值线平面图,v_S在2.2~3.6 km/s,小于3.4 km/s的低速区(红色区域)包围了福州、龙岩、漳州的大片区域,大于3.4 km/s的高速区(蓝色区域)则分布在泉州—莆田一带和南平—宁德一带。福州、漳州、龙岩盆地周围剪切波速度v_S相对较低,表明这些地区的岩层相对破碎,或者沉积地层相对较厚且地温较高^[17]。图6a中还给出了受铲形断层逆冲作用、菲律宾海板块水平推挤作用共同制约的浅层网格状断裂构造体系,其中,①、②、③和④号断裂是NE向左行走滑为主的压性、压扭性断裂系,⑧、⑨、⑩、(11)和(12)号断裂是NW向右行走滑为主的张性、张扭性断裂系,(15)和(16)号断裂是近EW向断裂系^[8,27-28]。福建沿海地表网格状断裂体系使丰沛的大气水渗入地下循环加热,然后沿NW向张扭性断裂上升,形成水热对流型地热系统。图6b是地表热流、岩石热物性约束计算的4 km深度T等值线平面图,T在60~240 ℃,高温区域(红色区域)与地表高热流异常区域(图1)对应,漳州高地温区和福州高地温区被厦门-泉州之间的低温区隔离,表明来自西太平洋地热带的深部热量在顺铲形逆冲断层向上传输到福建沿海下部后,分头向漳州、福州汇聚,为浅层水热对流型地热系统提供热量。

福建沿海地热异常区有大量的温泉出露,大部分为断裂控制的中、低温水热对流系统,阻水断裂、导水-储水断裂以及断裂互相切割交汇形成的构造薄弱带,是构建地下水加热、上升通道的导热构造。导热构造是形成地热异常的重要条件。利用v_S速度模型,我们给出了导热构造的深部延伸特征,如图7所示。

图7是横穿漳州地热田、福州地热田的AB、CD剖面(剖面位置如图6a),剖面上显示了地温梯度、剪切波速度扰动dv_S、剪切波速v_S。其中,AB剖面地温梯度(图7a)在31.7~74.0 ℃/km,平均值为51.8 ℃/km;CD剖面地温梯度(图7b)在20.9~51.0 ℃/km,平均值为31.0 ℃/km。v_S剖面(图7c,f)上,7 km深度内,AB剖面v_S在3.07~3.54 km/s,平均3.29 km/s;CD剖面v_S在3.13~3.60 km/s,平均3.41 km/s。v_S结构给出了龙岩、漳州、福州等盆地地层形态。v_S的扰动dv_S^[17]剖面特征(图7b,e),可以清晰地看到漳州盆地两侧、福州盆地两侧的导热构造形态。

漳州地热田浅层地热系统是受断裂控制的对流型地热系统^{[29⇓⇓-32]}。大气降水由热田西、北、南部经由NW、NE向断层渗入,经深循环后,沿断裂交汇处上升至地表形成温泉或浅层地热水。地下热水沿基岩裂隙^[33]进入地表第四纪风化壳含水层中,与盆地补给区冷水、九龙江冷水混合,约束了图6b中漳州地热异常区形态。福州地热田浅层地热系统也是受断裂控制的以燕山晚期侵入岩为主要热储层的中、低温对流型地热系统^[34-35]。大气降水主要在盆地北部、东部山区汇入,循环至约3.5 km深度后,沿NW向构造带上升,一部分形成基岩脉状裂隙热水,另一部分形成第四纪风化壳层状孔隙热水^[36]。NW向断裂控制了热水的分布,是福州地热田的控热构造。NE、EW向构造控制了热田的北、南边界,是福州地热田的辅热构造。NE向构造在切割性、延伸性、连通性方面比NW向构造好,但由于NE向构造与地下水主径流方向垂直,未能成为控热构造^[35,37]。

前人^[19]认为福建地区出露的温泉均属断裂网格控制的中、低温水热系统,不具备形成“有岩浆热源的水热对流系统”的条件,个别高温热泉只是因为地下水沿断裂循环深度较大而已。我们认为这种认识是正确的,与本文图5的计算结果一致。福建10 km深处地温一般在100~300 ℃,不具备形成现代岩浆侵入异常热源并在地表附近形成高温地热系统的可能性,地壳浅层的增温主要依靠岩石放射性元素生热^[5]。福建沿海地区是我国重要的花岗岩分布区,花岗岩中富含U、Th、K放射性元素。前人研究^[11]表明,闽粤沿海地区的地幔热流较低,地壳热流较高,地壳高热流主要来自浅层放射性元素生热,放射性热流量占地表热流总量的40%以上或地壳热流的60%以上。

福建沿海地区地壳泊松比分布特征研究^[38]发现,该区泊松比的大小与放射性生热成因的地热异常具有一定的对应关系。图8给出了该区5 km深度泊松比与地表花岗岩样品放射性生热率点值对比结果。

图8a是利用中国大陆岩石圈速度模型(Unified Seismic Tomography models for continental China lithosphere)USTClitho2.0^[39]计算的福建沿海地区5 km深度的泊松比σ。图中,泊松比σ在0.18~0.23,以σ=0.22为界,勾绘的高泊松比区(红色区域)与图6b的高温区域对应。泊松比σ也称横向变形系数,σ越大,构造区横向变形越大。泊松比可以反映不同深度平面上地下水热活动的水平运移规模,地下水经断裂构造将盆地周边的放射性热汇聚起来并形成地热田,其水平运动规模与泊松比σ有很好的对应关系。图8a中还给出了依据华南侏罗纪和白垩纪时期的花岗岩微量元素地球化学数据^[40]得到的生热率点值,可以看出,白垩纪花岗岩生热率2.0~5.0 μW/m³和>5.0 μW/m³的点大多分布在漳州高泊松比σ中心区域。图8b-e是漳州、福州地区7 km以浅的热流、温度剖面。其中,AB剖面如图8b和c所示,热流在69.7~198.7 mW/m²,温度在20~343 ℃;CD剖面如图8d和e所示,热流在69.1~161.8 mW/m²,温度在20~235 ℃。剖面图上,岩体中的放射性生热量被地下水“冲刷”带向排泄区,形成热田中心温度高、四周温度低的分布特征。热田中心区具有最高温度和最大热流,是地下热水的排泄区^[32]。

福建沿海地区由于早期岩浆的分异作用,放射性生热元素向地表富集,地表花岗岩生热率值较高,现今地表浅层地下水运移也导致放射性元素迁移与再分布^[10]。福建沿海地区出露大面积花岗岩体,基底生热元素丰度较高,生热率背景^[9]超过2.8 μW/m³。漳州三个深孔岩心花岗岩放射性生热率在1.67~5.16 μW/m^3[40],漳州地热异常区4个出露的花岗岩体放射性生热率、对地表热流的贡献比例为^[41]:漳州岩体,4.33 μW/m³,45.57%;程溪岩体,4.53 μW/m³,47.68%;马坪岩体,3.12 μW/m³,34.67%;灵通山岩体,2.85 μW/m³,38.93%。放射性元素生热是该区上地壳的主要热源。

综上,我们认为福建沿海地热异常区的热能由深、浅两种来源组成,深部主要来自顺铲形逆冲断层传输的环太平洋地热带热能,浅部主要来自放射性元素衰变生成的热能。

2.3 地热成因模式

依据上述分析,我们给出了福建沿海地区地热异常成因模式,如图9所示。

图9所示的地热成因模式表明,铲形断层是孕育福建沿海地热异常区深部地热能的重要条件。新生代以来,菲律宾板块没有向西俯冲到台湾岛之下,而是以台东纵谷为边界向西推挤。在推挤作用下,福建沿海地区区域性主干断裂政和—大埔断裂(F1)和滨海断裂(F2)由中生代的右旋走滑大型韧性剪切带转变为新生代的铲形逆冲断裂带。东端,铲形逆冲断裂带将台湾岛东侧环太平洋高温地热带与福建沿海地热异常区连接,台湾岛东侧环太平洋高温地热带的深部热源通过铲形逆冲断层为福建沿海地热异常区提供热量;西端,铲形逆冲断裂带在福建沿海地区地表浅层发展出一系列NE向的左行平移-逆断层组(压性或压扭性)和NW向右行平移-正断层组(张性或张扭性),形成导热构造。导热构造发挥两种作用:(1)为来自铲形断层东端的深部热量提供传输通道,并在浅部汇聚于漳州、福州-莆田地热异常区;(2)为地下水循环加热提供条件,使丰沛的大气水渗入地下循环加热,然后沿NW向张扭性断裂上升,形成水热对流型地热系统。图9所示的地热成因模式表明,由于福建沿海地热异常区(主要是漳州地区)的基底生热元素丰度较高,地下水在顺盆地排泄区汇集过程中,从围岩“汲取”放射性元素生热形成的热量,并叠加导热构造传递的顺铲形逆冲断层上升的深部热量,在地热田中心形成高温区地热异常区。

福建沿海地区地热异常成因模式(图9)是中国东部^[1]、华南陆缘^[20]区域性热异常形成机制基础上的局域性热源成因模式。中、新生代以来,太平洋板块西向俯冲产生的岛弧和弧后伸展构造以及区域性地幔对流背景上叠加的局域性不稳定热扰动,导致华南陆缘岩石圈底界由西向东“波浪”状减薄、大陆边缘扩张和挤压交替、广泛发育花岗岩和强烈的火山活动,并伴随强烈的新生代断裂与断陷活动^[20]。受太平洋板块俯冲活动影响,福建沿海及台湾海峡成为中国东部最复杂的构造单元^[1],来自环太平洋高温岩浆热源的热量顺铲形逆冲断层向上传输到地表且来自花岗岩放射性生热的热量由地下水汇集到地热田中心,形成地热异常区(图9)。福建沿海地区地热异常成因模式(图9)的深部动力学背景不仅与中国东部、华南陆缘深部动力学背景^[1,20]完全吻合,而且在局域的、地壳尺度的热源成因方面对中国东部、华南陆缘区域性地热异常区进行了补充与细化。

3 主要结论

(1)地震面波反演方法的横波速度模型表明,政和—大埔缝合带下方的低速带在构造演化中起着重要作用。剪切波v_S沿政和—大埔断裂带和滨海断裂带东南倾斜方向出现与铲形断层活动相关的“低速走廊”,东端向下延伸至台湾岛之下,与环太平洋地热带高温热源区相连,西端向上延伸至福建沿海地表,通过地表NE、NW断层网络向漳州、福州地热异常区输送热量。

(2)漳州、福州地热异常区之下的高温中心仅向下延伸到居里面为止,居里面之下地层增温平缓,莫霍面平均温度不高,表明地幔热并不是形成地表地热异常的主因。

(3)花岗岩放射性生热是该区地表热异常的重要组成部分,漳州市周边花岗岩放射性生热对地表热流贡献率在34.7%~47.7%,地热异常区地下水沿导热构造“汲取”围岩放射性生热量,并在热田中心汇集形成高温中心。5 km深度的泊松比σ分布特征与放射性生热成因的地热异常区具有较好的对应关系,其中,漳州地区白垩纪花岗岩生热率大于5.0 μW/m³的点值大多分布在泊松比大于0.22的区域内。

(4)福建沿海地区地热异常的热量来自于深、浅两种热源提供热量的叠加,深部是顺铲形逆冲断层面传输的环太平洋地热带之下高温岩浆热源产生的热量,浅部是地下水汇集的来自放射性元素衰变生热产生的热量。

参考文献

[1] 张健, 方桂, 何雨蓓. 中国东部地热异常区深层高温分布特征与动力学背景[J]. 地学前缘, 2023, 30(2): 316-332.

[2] 胡圣标, 何丽娟, 汪集旸. 中国大陆地区大地热流数据汇编(第三版)[J]. 地球物理学报, 2001, 44(5): 611-626.

[3] 袁玉松, 马永生, 胡圣标, 中国南方现今地热特征[J]. 地球物理学报, 2006, 49(4): 118-1126.

[4] 姜光政, 高堋, 饶松. 中国大陆地区大地热流数据汇编(第四版)[J]. 地球物理学报, 2016, 59(8): 2892-2910.

[5] 万天丰, 褚明记, 陈明佑. 福建省岩石圈的热状态与地热资源的远景评价[J]. 地质学报, 1988(2): 178-189.

[6] 邱楠生, 唐博宁, 朱传庆. 中国大陆地区温泉分布的深部热背景[J]. 地质学报, 2022, 96(1): 195-207.

[7] 刘以宣. 南澳断裂带与滨海断裂带的基本特征及其活动性探讨[J]. 华南地震, 1986, 6(3): 1-8.

[8] 万天丰, 褚明记. 闽台铲状活动断裂[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 1987, 12(1): 21-29.

[9] 赵平, 汪集旸, 汪缉安. 中国东南地区岩石生热率分布特征[J]. 岩石学报, 1995, 11(3): 292-305.

[10] 胡圣标, 汪集旸. 中国东南地区地壳生热率与地幔热流[J]. 中国科学(B辑), 1994, 24(2): 185-193.

[11] 杨立中, 刘金辉, 孙占学, 漳州岩体放射性生热率特征及干热岩资源潜力[J]. 现代矿业, 2016(563): 123-133.

[12] 蔺文静, 陈向阳, 甘浩男, 东南沿海厦门湾-漳州盆地地热地质特征及干热岩勘查方向[J]. 地质学报, 2020, 94(7): 2066-2077.

[13] 舒良树. 华南构造演化的基本特征[J]. 地质通报, 2012, 31(7): 1035-1053.

[14] 毛建仁, 厉子龙, 叶海敏. 华南中生代构造-岩浆活动研究: 现状与前景[J]. 中国科学: 地球科学, 2014, 44: 2593-2617.

[15] 姜耀辉, 王国昌. 中国东南部晚中生代花岗岩成因与深部动力学机制: 古太平洋板块反复俯冲-后退模式[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2016, 35(6): 1073-1081.

[16] 詹文欢, 孙宗勋, 唐诚, 华南滨海断裂带及其对台湾海峡地震活动的控制作用[J]. 热带海洋学报, 2004, 23(4): 19-24.

[17] ZHANG Y, YAO H, YANG H Y, et al. 3-D crustal shear-wave velocity structure of the Taiwan Strait and Fujian, SE China, revealed by ambient noise tomography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(9): 8016-8031. https://doi.org/10.1029/2018JB015938.

[18] HO C S. A synthesis of the geologic evolution of Taiwan[J]. Tectonophysics, 1986, 125(1): 1-16.

[19] 廖志杰. 福建无岩浆热源的深循环水热系统[J]. 现代地质, 2012, 26(1): 85-98.

[20] 张健, 王蓓羽, 唐显春, 华南陆缘高热流区的壳幔温度结构与动力学背景[J]. 地球物理学报, 2018, 61(1): 3917-3932.

[21] 郝天珧, 胡卫剑, 邢健, 中国海陆1:500万莫霍面深度图及其所反映的地质内涵[J]. 地球物理学报, 2014, 57(12): 3869-3883.

[22] OKUBO Y, TSU H, OGAWA K. Estimation of Curie point temperature and geothermal structure of island arcs of Japan[J]. Tectonophysics, 1989, 159: 279-290.

[23] TANAKA A, OKUBO Y, MATSUBAYASHI O. Curie point depth based on spectrum analysis of the magnetic anomaly data in East and Southeast Asia[J]. Tectonophysics, 1999, 306(3/4): 461-470.

[24] 张健, 郝天珧, 董淼, 苏拉威西地热特征的重、磁分析[J]. 中国科学: 地球科学, 2021, 51(2): 261-275.

[25] 熊绍柏, 金东敏, 孙克忠, 福建漳州地热田及其邻近地区的地壳深部构造特征[J]. 地球物理学报, 1991, 34(1): 55-63.

[26] 廖其林, 王振明, 邱陶, 福州盆地及其周围地区地壳深部结构与构造的初步研究[J]. 地球物理学报, 1990, 33(2): 163-173.

[27] 滕吉文, 司芗, 庄庆祥, 漳州盆地精细壳、幔异常结构与潜在干热岩探讨[J]. 地球物理学报, 2019, 62(5): 1613-1632.

[28] 中国科学院地球物理研究所. 福建地热地球物理研究[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1992.

[29] 韩庆之, 庄庆祥. 漳州盆地地下热水的来源和运移途径的初步研究[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 1988, 13(3): 271-277.

[30] 庄庆祥. 漳州热田成因模拟探讨[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 1988, 13(3): 335-339.

[31] 庞忠和. 漳州盆地地热田基本特征及成因分析[J]. 地球科学信息, 1988(3): 62-63.

[32] 熊亮萍, 汪集旸, 庞忠和. 漳州热田温度场[J]. 地质科学, 1990(1): 70-80.

[33] 曾玉超, 苏正, 吴能友, 漳州地热田基岩裂隙水系统温度分布特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(3): 814-831.

[34] 徐书勇. 福州地热田水文地球化学特征[J]. 福建地质, 1987, 6(4): 288-303.

[35] 赖树钦, 王涛, 卢晓华, 福州盆地地热水微量元素特征[J]. 地质科技情报, 2008, 27(2): 80-84.

[36] 黄宏沣. 福州地下热水赋存规律地球化学特征及其热储模式[J]. 福建地质, 1988, 7(2): 124-141.

[37] 邓鼎兴. 福州地区地热资源成生规律及潜在地热异常远景区分析[J]. 华东地质, 2017, 38(2): 132-137.

[38] 邱陶兴, 廖其林, 王振明, 福建沿海地区地壳S波速度结构和泊松比分布特征[J]. 华南地震, 1991, 11(2): 23-30.

[39] HAN S, ZHANG H, XIN H, et al. USTClitho 2.0: updated unified seismic tomography models for continental China lithosphere from joint inversion of body-wave arrival times and surface-wave dispersion data[J]. Seismological Research Letters, 2022, 93(1): 201-215.

[40] 赵楠. 华南中生代岩浆岩微量元素地球化学指纹的时空演化[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2022.

[41] 杨立中. 漳州地区典型花岗岩体放射性生热特征及干热岩资源潜力研究[D]. 南昌: 东华理工大学, 2016.

基金资助

国家重点研发计划“变革性关键科学问题”重点专项(2021YFA0716002)

国家自然科学基金项目(42176052)

中国科学院战略性先导科技专项(XDB42020104)