0 引言
大地热流是指单位面积、单位时间内由地球内部传输至地表,而后散发到太空去的热量
[1],是地壳或岩石圈深部热状态在地表的综合量化表征
[2]。大地热流是地球内热的综合量化参数
[3],同时也是地球动力学研究
[4]、油气资源评价
[5]等工作中的关键参数
[6]。因此,开展大地热流测量具有重要的理论和实践意义。
陆区热流测量可以归结为地温梯度测量和对应层段的介质热导率测试
[7]。目前,在大多数国家都有专门的机构开展大地热流值的测量与汇编,国际热流委员会(IHFC)也一直开展全球大地热流的汇编与分析工作,为地热学、地球动力学研究提供了最新、最基础的热流数据
[8]。在我国,随着地质行业的蓬勃发展,相关科研和地勘单位大量开展了不同区域的热流值测量工作,我国大陆地区热流数据总量不断丰富,新成果、新认识也不断涌现。因此,本论文旨在整理分析最新热流数据的基础上,简要介绍近年来我国大地热流测量的新进展和最新成果显示的我国大陆地区大地热流值分布特征;结合测点空白区数据的填补、已有测点区域数据的更新对重点区域热流特征的新认识开展分析与总结;探讨目前存在的问题,展望未来工作的重点。
1 热流测量工作进展
1.1 我国陆区热流测量工作现状
我国陆区的热流测量工作始于20世纪70年代
[9],自1988年以来,先后开展了4次大地热流数据的汇编工作,均由中国科学院地质与地球物理所组织完成,汇编数据从167组逐渐增至1 230组,并规定了热流数据质量参考标准与分类
[10]。历次汇编数据分布如
图1[11]所示,主要分布于我国东部、中部地区和部分西部大型盆地中。数据显示中国大陆地区大地热流平均值为61.5 mW/m
2,呈现出东高、中低、西南高和西北低的特征
[2]。以上成果对我国的地热科研与资源勘查工作的发展具有基础性、指导性的意义;但仍存在着明显的不足,主要表现为热流数据总量相对较少,分布不均且质量差异较大。第一,截至2016年,我国大陆地区大地热流数据量仅为全球总数的3.5%
[8],分布密度较低,与发达国家相比有较大差距。第二,我国大地热流测点分布极不均匀,约75%的测点集中分布于东经105°以东地区
[12],且西南、西北、东北等地区有大片测点空白区
[2]。第三,受限于技术水平、钻孔数量和质量等条件,在西南、东南地区有大量低质量极值数据,仅能反映局部或浅部热状态,影响了对区域热背景的准确认识
[12]。
因此,本文以我国陆区为工作区,以填补测点空白区和满足地热异常区地热基础研究需求为主要目标,开展了大地热流值测量和已发表未汇编热流数据的筛选工作,共获得我国陆区大地热流测点共1 602组,包括:第四次热流数据汇编数据共1 230组;本文收集台湾岛热流值相关文献2篇
[13-14](删选后地热流数据共20组);已发表未汇编的大陆地区热流值相关文献15篇
[15⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-29](删选后地热流数据共92组);2019—2021年期间由中国地质调查局水文地质环境地质研究所牵头,多家科研、地调单位参与的“全国大地热流值测量与靶区优选”项目测量完成的实测热流测数据260组,其中部分数据已发表
[30⇓⇓⇓-34]。综上,现有大地热流测点分布如
图1[11]所示。
1.2 近年主要进展
1.2.1 新增热流数据统计
2016年之后,地热研究者发表了数十篇大地热流相关科研成果,本文参照历次热流汇编质量标准
[10],对已发表未汇编热流数据进行了分类统计与筛选。统计原则为质量优先,兼顾区域代表性,在大部分地区只选取A、B类高质量数据,在青藏高原中部等热流测点空白区将标准放宽至C类,剔除所有D类低质量数据;文献内须明确显示钻孔测温曲线,且测温曲线传导性特征明显,最终从大陆地区收集的200组数据
[15⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-29]中选取92组,从台湾岛收集的50组数据
[13-14]中选取20组纳入统计(
图1)。结合汇编与收集数据得出,鄂尔多斯盆地热流平均值为64.7 mW/m
2[19],塔里木盆地平均值为45.4 mW/m
2 [20],苏北平原平均值为67.9 mW/m
2 [21],郯庐断裂周边为61.4 mW/m
2 [29]。上述数据主要依靠地热井和油气井开展热流值测量,在测温段深度和热导率测试等方面质量均有提升,有效填补了部分测点空白,整体提高了我国陆区热流测点的密度,具有较好的区域代表性。
在收集整理已有热流数据的基础上,本次工作新增实测热流数据共260组,约占第四次汇编数据总量的21%;测点分布范围也获得较大拓展(
图1)。在区域上,有效填补了川藏地区、青藏高原中南部、黔桂地区、武夷山脉西侧、长白山脉沿线、东北中—北部平原区、二连盆地和银额盆地等大片测点空白区;提高了华北平原、环鄂尔多斯地热带、东南沿海和准噶尔盆地周边等地区的测点密度,全面提高了我国陆区热流背景的研究程度。填补的空白区域中,川藏地区热流平均值为85.19 mW/m
2,西藏西部平均值为83.62 mW/m
2,黔桂地区平均值为73.07 mW/m
2,武夷山脉西侧平均值为70.22 mW/m
2,东北中—北部平原区平均值为63.79 mW/m
2,这些地区面积广阔且地热资源丰富,热流数据对于区域地热基础研究和勘查具有重要的指示作用。
1.2.2 各构造分区热流特征
结合以上工作成果,我国陆区一级构造单元热流数据分布如
图1、
2所示,除地处偏远且面积狭窄的南天山结合带(IV)和印度陆块(XV)外,在其他所有一级构造单元热流数据量均有显著增加。其中,在阿尔泰—兴蒙造山系(I)、额尔齐斯—西拉木伦对接带(II)、北羌塘—三江造山系(IX)、班公湖—双湖—怒江—昌宁—孟连对接带(X)和冈底斯—喜马拉雅造山系(XIV)等构造单元原测点数量较少,现测点数量增加约一倍,此外还填补了台东—南海弧盆系(XVI) 测点空白区。
综合所有数据,统计得出的全国陆区热流平均值为64.1 mW/m
2,剔除D类数据后为63.8 mW/m
2,均高于第四次汇编平均值(以下所有统计均剔除D类数据,不再赘述),推断为本次工作获取的热流值整体相对较高所致。本次工作填补多处测点空白区,其中大部分空白区的平均热流值高于我国陆区原有热流统计平均值。现有数据显示(
图3),除青藏高原上的X、XI构造单元平均热流值略有降低之外,其他单元热流值均呈增高趋势。需要注意的是,该两处构造单元热流平均值仅降低10%左右,但区内数据量增加均超1倍。因此,青藏高原较高的热流值数据在全国数据中的占比增加,也是本次工作中全国陆区热流平均值增加的原因之一。同时,与2016年汇编数据相比,本文数据中高质量的A、B类数据占比由83.5%提升至86.3%。以上成果说明,我国陆区实际热流背景值高于前期估计值。也就是说,我国陆区的地热地质条件较前期研究显示得更为理想。
2 中国大陆地区大地热流分布特征
地热资源包括水热型地热资源、干热岩资源和浅层地热能资源。我国地热资源以水热型地热资源为主
[35],分布广泛且具有明显的规律性和分带性
[36]。水热型地热资源按热传输方式,可分为传导型和对流型
[37];按温度可分为高、中、低温地热资源(
T≥150 ℃,150 ℃>
T≥90 ℃,90 ℃>
T≥25 ℃)
[38]。其中,传导型地热资源主要分布在各大盆地中,对流型地热资源则主要分布在山区;高温地热资源主要分布在西南和东南地区,中低温地热资源则在我国陆区广泛分布,如
图4所示
[39]。
我国陆区主要热储盆地和主要对流型地热异常区的大地热流特征如
表1、
2所示,综合不同区域的热流背景和地热资源赋存条件,可分析大地热流对不同类型地热系统的影响程度。
2.1 主要沉积盆地大地热流特征
当前技术条件下,我国陆区地热地质条件较好、地热资源分布较广、开发利用程度高的盆地主要有华北平原、松辽盆地、苏北盆地、下辽河盆地、河淮盆地、关中平原、汾河谷地、共和盆地、河套平原等
[40],它们可大致归为地热地质条件较好的盆地。除上述盆地外,一些盆地仅在盆地边缘或内部一小部分区域赋存地热资源,受断陷构造拉张挤压、断裂导热等影响明显,可归为地热地质条件一般、具有一定地热资源开发潜力的盆地,主要有四川盆地、鄂尔多斯盆地、江汉盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、河西走廊诸盆地、贵德盆地等
[40]。其他盆地目前基本未探获地热资源
[36]。
如
表1所示,各盆地的热流平均值与中值接近,说明数据分布较为集中,离散程度低,区域平均值具有较好的代表性。地热地质条件较好的盆地中,除共和盆地外,热流平均值基本在55~75 mW/m
2之间,整体平均值为65.1 mW/m
2,略大于我国陆区平均值,说明传导型地热系统的分布与较高的热流背景具有良好的对应关系。地热地质条件一般的盆地热流值相对较低,整体平均值仅53.0 mW/m
2,而尚未探获地热资源的盆地整体平均值为56.1 mW/m
2。地热地质条件较好的盆地与其余两者差别巨大,说明大地热流对传导型地热系统的形成具有明显的促进作用。同时,由后两类盆地的传导型地热资源分布特征可知,大地热流值并非传导型地热资源分布的主控因素。大地热流值较低的地区,如果在合适的深部存在较好的含水层,也可形成一定规模的热储。
2.2 主要对流型地热异常区带大地热流特征
以地热区带中大部分温泉的温度划分,我国主要的对流型地热系统的分布区可大致分为热水(大部分温泉泉口温度≥60 ℃)和温水—温热水(大部分<60 ℃)地热异常区带(
图4、
表2)。
表2中各对流型地热区带大地热流平均值与中值差距相对较大,说明数据相对离散,区内地热背景差异相对较大,热流平均值仅在区域尺度上具有参考价值
[37]。
表2还显示,热水温泉地热异常区带的平均值均远高于我国陆区平均值,整体平均值为77.8 mW/m
2,说明高热流背景是热水地热资源形成的重要控制因素。而温水—温热水温泉分布区热流均值整体仅为57.7 mW/m
2,各区带内大范围存在热流值为30~50 mW/m
2的低热流背景区域,说明温水—温热水对流型地热系统的形成与区域大地热流背景关系不大。综上,高热流背景的存在可明显提高对流型地热系统的显示温度,但不是该类地热资源形成的控制因素。
3 对重点区大地热流特征的新认识
如
图5所示,基于现有全部数据绘制了全国大地热流等值线图,根据区域等值线分布特征和与我国陆区热流平均值的关系,可将我国陆区分为如下多个不同类型的热流分区。
(1)东北地区整体为热流值中等区域。中南部的松辽盆地、二连盆地、下辽河平原和辽东半岛热流值相对较高,高于我国陆区平均值。松辽盆地以东、以北地区则热流值逐渐降低,热流值最低的区域小于40 mW/m2。(2)华北地区热流值相对较高,整体高于我国陆区平均值。其中燕山山地和华北平原南部热流值相对较低,胶东半岛和华北平原中北部热流值相对较高,该区域热流值的高低与地热资源分布具有较好的一致性。(3)我国陆区东南部整体属于热流高值区,其中东南沿海和台湾岛热流值最高,地热异常区分布也最多。该区域热流值普遍高于65 mW/m2,部分区域达120 mW/m2以上,具有形成中高温地热资源的潜力。(4)藏滇地区为热流极高值区,也是我国对流型地热资源条件最好的区域。该区域热流值普遍高于70 mW/m2,热流高值区范围大,极值多,呈条带状分布。(5)面积广大的中西部地区为中低热流区。除部分盆地区外,整体热流值低于60 mW/m2,其中柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地等西部大型盆地区热流最低,基本在30~45 mW/m2之间。长江中游地区热流值也相对较低,与中西部地区相当。
得益于测点空白区的填补和区域测点密度的提升,与原有我国陆区大地热流等值线图
[41]相比,
图5中热流高值区和低值区范围缩小,热流分布整体性增强,局部细节的增加使得区域热流分布规律性增强。同时,对于部分重点地区地热背景的认知也发生了改变,主要讨论如下。
3.1 青藏高原中南部高热流区范围及分布特征
青藏高原的大地热流测量主要经历了3个阶段。(1)20世纪80年代在拉萨周边所测得的14组热流数据,揭示了青藏高原中南部整体的高热流特征,热流值高达61~348 mW/m
2[10]。(2)进入21世纪,姜光政等
[2]、金春爽等
[18]分别在改则县、尼木县等地区开展热流测量,显示羌塘盆地热流为40~70 mW/m
2,说明该区域的高热流区并不像以前认为的分布广泛。(3)2019年之后,本次工作在川藏地区和拉萨与阿里之间的广大测点空白区新增大量数据,川藏地区热流平均值为85.19 mW/m
2,西藏西部平均值为83.62 mW/m
2,且分带特征明显。在一些近南北向、周边有温泉分布的断裂周边,热流值偏大,其他区域热流值最低可达43 mW/m
2。以上数据揭示了青藏高原热流分布极为不均的特征,即热流值变化范围大(43~348 mW/m
2),且平面上变化剧烈,数十公里范围内热流值可相差数倍,东西向展布的南北向裂谷带周边热流值较高。但这些区域的热流值带有强烈的构造属性,其数据代表性尚待商榷。总体而言,对于青藏高原中南部热背景特征的认识有一定加深,但整体而言该区域热流测点仍较少,有待于进一步开展工作,深化认识。
3.2 华北平原热流值“高估”
沉积盆地内的深钻,其测温曲线一般存在多段线性段,目前的热流值测量一般采用多段计算后再参照测温段长度加权平均的方法。该热流值是否能代表这一区域的实际热流背景尚存疑问。华北平原的深钻,一般上部的沉积盖层与砂岩层地温梯度高,热导率相对较低,而高渗透性的碳酸盐岩层地温梯度则急剧降低,即便该层段热导率较高,其热流值计算结果也大多远低于上部地层(
图6[42])。这可能由于高渗透性、高热导率的碳酸盐岩可将深部热流体与热量带至孔隙型岩层下方,但却被低渗透性、低热导率的孔隙型岩层阻挡,形成局部热量累积而加热,造成沉积盖层、孔隙型岩层内的热流值高于下部地层。
同时,早期华北平原的热流值数据大部分来自于深度较浅
[43]、未揭穿碳酸盐岩层的钻孔
[44],测温段集中在沉积盖层,这就造成上述数据可能无法代表该区域整个垂向上的热流特征,即区域热流值“高估”。以雄安新区D01地热井为例
[42](
图6),明化镇组340~800 m段热流值为85.36 mW/m
2;太古宇1 717.4~2 893.5 m段热流值仅为55.65 mW/m
2。远远小于明化镇组测温段。因此,有必要对华北平原现有热流测点的测温段岩性进行统一分析,剔除“高估”值,进一步提高对该地区地热背景的认识。
3.3 长白山火山超高热流值及其构造意义
长白山是我国东北地区规模巨大的火山,其深部是否存在岩浆的问题一直有着广泛争议。本文作者通过热流测量与数值模拟等多学科联合的方法,确认了长白山天池下方高温岩浆房的存在
[45]。热流数据和物探反演模型结果(
图7)显示,天池火山口附近的热流值高达270 mW/m
2,且热流值随着其与破火山口的距离增大而减小,直至深部地震成像的地壳岩浆囊以外的长白山地热异常区,平均热流值为75.48mW/m
2。结合模型成果评估得出天池岩浆系统的岩浆房呈椭圆形,深度为8~14 km,东西轴线长度为20 km,南北轴线长度为70 km, 岩浆从软流圈持续供应。高的地表热流和地壳温度暗示着长白山火山深部的岩浆仍在活跃,火山存在爆发风险,需要加强火山监测,包括地下温度异常监测。
4 结论与讨论
(1)本文整理分析了我国陆区现有大地热流值数据共1 602组。其中收集已发表未汇编热流数据112组,项目组实测热流测数据260组,较2016年汇编数据量提升约1/3;同时有效填补了川藏地区、青藏高原中南部、黔桂地区、武夷山脉西侧、长白山脉沿线、东北中—北部平原区、二连盆地、银额盆地等大片测点空白区,提高了我国中东部的测点密度;高质量的A、B类数据占比由83.5%提升至86.3%,在覆盖范围、测点密度、数据质量等方面均有较大提升。
(2)分析了不同构造单元的大地热流特征。统计得出我国陆区大地热流平均值为63.8 mW/m2,高于第四次汇编统计值,主要为新增数据热流值较高所致。除青藏高原区域外,我国陆区一级、二级构造单元热流平均值均有提高。青藏高原诸构造单元热流值仍为最高,东南沿海地区次之。
(3)初步研究了不同类型地热系统周边的热流背景和意义。我国陆区传导型地热资源赋存条件较好、一般和暂未探获地热资源的盆地热流平均热流值分别为65.1、53.0和56.1 mW/m2。我国陆区中高温、低温对流型地热系统的平均热流值为77.8 和57.7 mW/m2。以上成果说明传导型地热资源的分布主要由大地热流背景与含水层分布两个因素控制,对流型地热资源则主要受断裂控制。热流值代表区域热源的强弱,高热流背景是大型传导型地热田、中高温地热异常区带存在的必要条件。但存在较好的水源条件时,低热流背景下足够深度的盆地内部或断裂带内也可赋存水热型地热资源。
(4)基于热流测量成果绘制我国陆区大地热流等值线图,并提出了一些新认识,主要包括:青藏高原中南部高热流区范围缩小,热流背景值高低相间;华北平原早期热流测量结果存在“高估”的可能;局部极高热流值指示长白山天池深部存在岩浆房等。
综上,近几年的热流测量与数据收集工作,加深了对全国及各区域地热背景的认识,可为区域地热基础研究及资源勘查提供更好的支撑。但是,我国陆区热流数据量整体仍较少且数据分布不均,数据质量也有待进一步提高,热流值测量工作任重道远,仍需全国地热工作者的共同努力。
京公网安备11010202008535号
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