0 引言
在“碳达峰、碳中和”双碳目标背景下,地球内部的地热资源因其具有安全稳定、低碳环保、储量丰富和利用率高等特点,成为近些年全球绿色清洁能源中最具竞争力的新能源
[1-2]。地热资源尤其是中、深层优质地热资源在全球分布是极不均匀的,也不是无处不在的。因而,中、深层地热资源的成因机制及其在地球内的分布状态等成为制约其大规模开发利用的首要因素。国外已发现中、深层优质地热资源主要分布在欧洲的莱茵地堑、非洲的东非裂谷和美洲的黄石公园等板内伸展拉张区。目前我国已发现的中、深层地热资源主要分布在中、新生代地堑(裂谷)和断陷盆地中,如当雄—羊八井地堑、雷琼裂谷、汾渭地堑、共和盆地、渤海湾盆地、苏北盆地和关中盆地等。
新生代印度-欧亚板块碰撞的远程效应导致汾渭地堑发生强烈的伸展作用,频发的火山活动和中、小地震,以及比较密集的温泉,这些都显示汾渭地堑中存在较为丰富的地热资源。尤其是近几年,在运城盆地、忻州盆地和大同盆地天镇—阳高一带钻获多个中、高温地热能储层,显示汾渭地堑断陷盆地中富集中、深层优质地热资源。本文在系统收集区内地质构造、构造地貌和深部地球物理探测成果的基础上,综合分析了地热系统形成的根源,即深部热构造,特别是软流圈底辟状态,莫霍面隆、凹分布状态,居里等温面埋深特征,壳、幔低速高导体的层位及分布,中、深层热储热聚敛过程以及壳内控热构造特征,浅表释热构造分布等,系统探讨了汾渭地堑带中、深层地热资源形成的热源机制和动力学过程,评价源、通、储、盖条件并划分了控热构造类型。地热资源形成机制的研究,对地热资源类型的划分、靶区定位和高效勘探开发具有重要的理论意义和实用价值。
1 大地构造背景
汾渭地堑又名汾渭裂谷,是包括山西地堑(山西裂谷)和渭河盆地的一个特殊构造单元,位于华北地块中西部,整体呈S形NNE向展布
[3],南北长度约1 400 km,东西宽20~100 km。汾渭地堑北面与阴山—燕山构造带相邻,南接秦岭—大别构造带,是华北地块中东部块体与西部鄂尔多斯块体交汇部位,是夹持于太行山脉和吕梁山脉之间的一条巨型断陷带(
图1)
[4-5]。汾渭地堑是中国东部最典型的活动构造地貌类型,是华北地块上地震、火山、中深层地热资源最为集中的强活动构造带
[6],也是世界上发育最晚的大陆板内地堑带之一
[7],新生代挽近时期大规模火山溢流玄武岩呈夹层产出在黄土地貌之上,亦是世所罕见。
我国大陆板块位于太平洋板块、印度板块和菲律宾板块的交汇位置,晚中生代—新生代不同块体的相互作用使得我国大陆区构造变形复杂,岩石圈热结构与热活动时空差异较大。中国西部地区受新生代以来欧亚板块与印度板块持续汇聚挤压及造山后伸展作用的影响,形成了被称为第三极的青藏高原,发育双地壳结构,岩石圈随之增厚,具有冷幔热壳特征;中国东部地区由于中生代以来太平洋板块和菲律宾板块连续俯冲消减作用,形成了世界上最典型的沟-弧-盆体系,同时伴随着岩石圈减薄和克拉通破坏
[8],具有冷壳热幔特征。鄂尔多斯地块与华北东部块体在中—新生代均具有逆时针旋转特征,从而导致两者交界部位的汾渭地堑成为世界上最大的新生代板内地堑之一
[4,9],独特的大地构造位置决定了汾渭地堑特征性的岩石圈温度场和丰富的中、深层地热资源。
2 构造单元特征
汾渭地堑为新生代陆内地堑,局部具有裂谷特征,总体由一系列雁行式斜列的新生代断陷盆地组成,由北向南依次为大同盆地、忻定盆地、太原盆地和临汾盆地、运城盆地和渭河盆地(
图2)。地堑中盆地展布方向主要为NEE和NNE向,在平面上呈右行左阶式斜列。其中大同盆地、太原盆地和运城盆地为NEE向展布,较为宽阔,地震震级小、频率高;忻州和临汾盆地为NNE向展布,相对狭窄,地震震级大、频率低
[6,10-11]。
地堑内部各断陷盆地之间发育次级隆起或凸起构造,由南至北依次有峨眉台隆起、柴庄隆起、灵石隆起、石岭关隆起和恒山隆起等(
图2)。断陷盆地东西两侧边缘发育大型边山断裂,断裂多呈上陡下缓的铲式,总体走向为NE向或NNE向,普遍发育断层三角面,新生代正断式右行走滑特征明显
[12]。盆缘NE向断裂多为高角度正断裂,断距较大;而盆缘和盆内NNE向断裂多为右行走滑正断裂
[13⇓-15],盆地内NW向或EW向断裂新生代均具有左行走滑特征;盆地之间围限隆起的断裂除恒山隆起南北两侧为伸展正断层外,其他均具有挤压逆冲特征,断裂走向多为NW、NE或近EW向。
汾渭地堑中几个盆地在断层组合、盆地对称性和盆地沉降中心等构造样式方面存在较大差异。尤其是地堑北段的大同盆地与其他盆地存在明显的差异,大同盆地具有对称构造样式,而其他盆地都具不对称发育的特点,指示了大同盆地与汾渭地堑中其他断陷盆地形成的动力学背景具有一定的差异。
地堑北段大同盆地北西侧受口泉山—天镇边界断裂(云门山断裂)控制,南东侧受恒山北—六棱山边界断裂控制,两条边山控盆断裂均为区域性断裂,规模大、切割深,并具有上陡下缓的铲式平移正断性质。大同盆地可进一步划分为朔州断阶、怀仁凹陷、黄花梁凸起、后所凹陷和浑源断阶等多个次级构造单元。盆地四周为中低山环绕,除东面相连于河北阳原盆地外,四周均以断层与山地相隔。盆内中部黄花梁地区为玄武岩隆起(
图3a)
[16],盆内次级断裂往往具有高角度正断层性质,在剖面上表现为“负花状”构造特征,在深部受主干深大断裂控制,整体表现为复合地堑特征
[5,17-18]。
汾渭地堑由南至北各断陷盆地沉降中心也存在明显而独特的差异性。大同盆地沉降中心位于盆地两侧,但南东侧沉降中心的地层沉积厚度较北西侧大,表现为两侧深中间浅(
图3a),
具有典型的地幔主动上隆伸展断陷的特征
[16];大同盆地南侧相对于北侧沉降快,在纵向上表现为向南做掀斜式运动
[19]。而在汾渭地堑的最北端,天镇—阳高盆地一带中部隆起特征更明显,盆地中间发育多个隆起山地,显示新生代强烈的差异性升降运动,导致太古宙的片麻岩和新生代碎屑岩直接接触(
图3b),这种强烈的差异性升降运动和深切割活动的盆山边界断裂,对地热流体的运移和中、深层热储形成具有显著的控制作用。
3 深部地球物理特征
汾渭地堑中重、磁、电、震等地球物理特征明显,具有明显的重力负异常和较高的磁异常,地震活动强烈
[6,20],反映地堑所在区域存在地幔物质上涌,这也是新生代地堑区构造-岩浆-成矿的根源
[17,21]。
居里等温面作为岩石圈的温度界面,展示了大陆地壳磁性层、区域地下温度场及热力场的分布特征,在大地构造、地震、火山、矿产、油气和地热等研究中都有非常重要的意义
[22]。汾渭地堑带与周边相比,其居里等温面呈隆起特征,周边为居里面凹陷区(
图4)
[16,21,23]。汾渭地堑带内居里等温面总体展布与地堑形态相似,整体呈NE向展布的隆起带,东边浅,西边深
[23];隆起带轴线与地堑中央轴线延伸方向基本一致,其顶部等深线呈多个椭圆状,为次一级隆起区,并且与各断陷盆地对应(
图4);居里等温面的高低与上地幔起伏具有正相关性,大同盆地一带居里等温面隆起区也对应地壳厚度相对较薄的区域。
居里等温面的埋藏深度减小指示有地幔上升热流,是幔源上涌的结果,也是幔源生热的重要标志
[24]。地堑中有多个次级断陷盆地,居里等温面埋深较浅,如临汾-运城盆地、忻州-太原盆地、应县-代县盆地和大同盆地。渭河盆地居里等温面深度为20~26 km,大部分仅为20 km;临汾-运城盆地居里等温面深度为18~22 km,盆地中心集中埋深19 km左右;大同盆地内居里等温面深度为20~26 km,大部分居里等温面在24 km以内,大同盆地北部的阳高—天镇一带最浅部分甚至低于18 km
[23]。在盆地内居里等温面位于中地壳的上部,而且该部位具有低速高导体(温度高达600 ℃)等物理特性,因此,在此部位可能为部分熔融,使盆地地区形成地热异常区。盆地内的居里等温面等深线具有明显的方向性,和控制温度界面的盆缘断裂构造延伸方向基本一致。幔源物质上涌产热,造成局部高热异常,形成地热区,所以推断大同盆地下存在地幔上隆。这些幔源热沿岩石圈断裂和地壳断裂传入盆地内部,为深部地热资源提供热源。相对于周边地区,地堑北段大同盆地,尤其是盆地东北段天镇—阳高一带十分有利于中、深层热储层赋存。
莫霍面隆起形态也指示地幔热物质的上隆运动,较薄的厚度加上隆的形态有利于深部的热量向上传导,为干热岩的孕热环境提供良好的条件。地堑南段的渭河盆地莫霍面埋深仅25~41 km,莫霍界面相对两侧明显上隆,与鄂尔多斯地台相比,上隆幅度大约10 km,呈突变形态;与秦岭褶皱带比,上隆幅度4~5 km,呈渐变形态,而盆地北部较南部浅近10 km,盆地中心平均30 km
[25-26]。太原盆地莫霍面埋深18~24 km,相较周边至少抬升了2~4 km
[27]。地堑北段莫霍面整体由西向东变浅,在地堑中央即断陷盆地轴部的莫霍面深度较两侧明显处于较浅位置
[16],整个地堑内部莫霍面深度较为稳定,为33~40 km,变化不大(
图4),仅从莫霍面数据来看,地堑中央整体都具有较好的中、深层地热资源孕热条件,但5个断陷盆地之间的莫霍面有一定区别,尤其是断陷盆地与周围山地相比,莫霍面有明显隆起特征。
山西地震震中主要集中分布在汾渭地堑中的盆地,而且地震震中几乎没有分布在居里面隆起带正上方,而是在高温区和低温区之间,即温度梯度带上(
图5),也就是说,盆山接合部位地震相对集中且震级较大。其一,在这特殊的部位存在着由于温差造成的热应力,热应力叠加在区域NE向伸展构造应力场上
[28],使交界处较硬的岩石中积累巨大的综合应力,导致地震发生
[29];其二,地堑带中盆地轴部都是高热流区,由于高温使岩石能干性减弱,容易发生失稳滑动,但缓慢的蠕滑不能累积发生大地震的应力,所以无大震
[23];其三,高温韧性流变层的存在使上部地壳与下覆壳幔有解耦作用,使区域NE向伸展应力场传递的机械能量转移到上覆韧-脆性剪切带中,造成NW向剪切带左旋滑动,从而使两者叠合部位的脆性中上地壳应力集中
[28];其四,流变层中热物质可沿深大断裂通道上涌,热传递能使围岩增温,形成水平向温度梯度而产生附加热应力场,与区域应力场叠加后,造成地震更倾向于在热储温度异常区的边界带或地热梯度带上发生
[17]。
由地震震源深度与居里等温面位置分布关系图(
图5)可以看出,汾渭地堑中地震的震源具有明显的分层性,即多震层。这种分层性在地堑北段的大同—天镇表现更为明显,除少数发生在33 km深度的下地壳和5 km深度的上地壳外,震源深度多分布在10~20 km的中、下地壳,且主要集中在盆地北西侧的断裂带下部,也是深层地热资源(干热岩)比较富集的地方,所以,无论在时间上还是空间上,地震与地热都具有很强的相关性
[30]。总体而言,大部分内陆地震分布于地壳减薄的拉伸盆地中,如研究区所属的伸展断陷盆地,深部发生底辟作用,软流圈上隆,由于上地幔物质为橄榄岩,熔点高,保持了韧-脆性状态,而下地壳局部发生熔融或部分熔融,地壳深部的固态-半固态高温流变物质通过热传导将来自地幔的热量传递到中地壳
[28,31-32]。在中地壳由于温度降低,地壳物质发生韧-脆性变形,此过程聚集大量的热能,能量累计达到一定的值后会导致地震发生,所以地震也往往发生在中、下地壳的脆-韧性过渡带。热量上移,继续向上部地壳过渡到脆-韧性变形层,该层同样能积累大量的热能,并且由于流体含量减少,岩石多呈高温固态,是十分理想的干热岩(固热能)开发区。可以认为深层地热资源(干热岩)与地震存在某种必然的联系
[29,33],地热能的汇聚打破了地质体的热应力和地应力的平衡就可以引发地震。地壳深部的热运动仍然是引发地震的主要原因,所以开发干热岩(固热能)具有取热减灾减排作用;地球内热的形成与运移是造成各种构造运动的重要原因之一。在韧-脆性剪切带完成能量的积累后,由于断裂带附近能量易于释放,导致震源中心往往位于断裂带附近,所以深层的干热岩热储也位于10~20 km的深度,深部地震震源层是良好的储热层,也即第一热储层。由于热的再次传导,盆地中5 km左右深度也有热聚敛而形成更浅层的震源,这一深度也是优质干热岩勘探开发的目标层位,亦即第二热储层
[28,34]。
汾渭地堑地壳中均发现了明显的低速高导层,如大同盆地南端的五台地区中、下地壳内有低速高导体存在,其埋深为17~22 km;太原盆地中、下地壳内低速高导体埋深20~25 km;临汾-运城盆地地壳内低速高导体埋深14~18 km,而且在盆地内呈现西陡东缓的拱起状态,至两侧山区逐渐变薄以至消失
[35];大同盆地地幔中还存在明显的低波速异常,且与长白-日本岛弧的低波速为一条
[36]。总体而言,地堑中沿盆地延伸方向壳内低速高导层普遍存在,但高导层的规模、形态和埋深均有区别;盆地70~80 km的深处为上地幔高导体,即软流层的顶界深度,说明这里地幔软流层也上涌,从而比较浅
[17,37]。中、下地壳低速高导体往往呈熔融或半熔融状态,其温度高达600 ℃以上,不仅具有导热作用,还向外输送热量。盆地中6级以上地震震源区,一般来说均位于地下10~20 km的深度范围内,即上地幔隆起区斜坡带的中层地壳上部,其下部壳内低速高导层加厚,地壳介质平均速度及莫霍面界面速度偏低,震源区都明显存在于深断裂或NW和NE向断裂交汇处。地幔隆起作用,不仅使岩石圈和地壳减薄、断陷,同时还会引起断裂发展到上地幔或软流圈,导致地幔热物质快速上涌和岩浆强烈活动,以及上地幔低速层变浅和壳内低速层出现。因此,火山活动与熔岩溢出作用是地幔物质上涌和岩浆活动的具体表现
[38]。
深部韧性剪切带组成矿物定向排列,可使岩石的波速、电性产生各向异性行为,导致低速高导层产生,该层往往为干热岩的热源层。如天镇-阳高盆地地壳中3~15 km深度范围内存在多个低阻层,低阻体表现为封闭的圈层,随深度增加低阻体范围增大,电阻率值减小。盆地浅表有一层极薄的低阻层,为年轻的沉积盖层;在10~20 km深处为一低阻异常区,核心层位于20 km深度附近
[39],这种中下地壳深度(15~40 km)的低阻异常集中分布于发育正断层的地堑盆地内,可能与幔源熔/流体有关。在盆地下部存在深度达到6 km的1~10 Ω·m的低阻体,并在8~12 km深度广泛分布
[40]。较浅深度存在的高温幔源熔/流体可能是盆地地热异常的主要原因之一,而深部的低速低阻异常体是大同火山群第四纪强烈火山活动的直接热源,也是部分熔融体形成的直接热源。从分布来看,这些中、下地壳层位的低阻体主要位于盆地的北西侧,且可能与上地幔直接相连。这种深部热源物质的上涌可能是导致该区域北西侧和南东侧居里等温面与莫霍面形态相异的原因。
4 构造-热演化
汾渭地堑的形成总体可分为4个阶段,即基底形成阶段、洋陆演化阶段、板内多期次变形阶段和伸展断陷阶段
[41]。
(1)太古宙大陆板块初始形成期。壳幔分异和克拉通化,形成了经中、深变质作用和混合岩化作用形成的太古界太华岩群和集宁岩群麻粒岩、片麻岩等为代表的结晶基底,以及以秦岭群、五台群基性变质火山岩、侵入岩为代表的变质基底,地球演化早期吸集的原始热转化为以被封存的岩浆热为基底的塑性变形提供了大量的热能。
(2)元古宙—石炭纪为地壳平稳升降的洋陆演化期
[41-42]。基底和盖层同步演化,形成了元古宙、早古生代海相碎屑岩-碳酸盐岩沉积构造,以及石炭纪海陆交互相的碎屑岩、碳酸盐岩和可燃有机岩(煤)互层。元古宙岩浆活动的规模较小,吕梁期岩浆岩主要为脉状变质辉绿岩和变质云煌岩、变质花岗岩;中、新元古代岩浆岩主要为辉绿岩墙。高温岩浆热物质在冷却过程中沿深切的断裂系统发生了大规模的向上运移(逃逸),封存的岩浆热及放射性元素衰变热大规模向外释放。
(3)晚古生代—中生代板内多期次变形期。包括汾渭地堑在内的整个华北进入陆内演化阶段,形成了二叠系河湖相陆源碎屑岩、侏罗系冲积-湖积为主的含煤碎屑岩和火山沉积岩,以及白垩系冲洪积为主的陆相碎屑岩。燕山运动期,壳幔相互作用引起垂向物质和能量的交换,地球深部岩浆热活动导致华北克拉通破坏,岩石圈发生拆沉减薄,整个华北区发生了NW-SE伸展拉张和NE-SW挤压收缩,表现为大规模的NNE向逆冲推覆、北东向逆断层和北西向正断层为主的构造形迹,并伴随强烈的基性、中酸性、偏碱性熔岩和各类火山碎屑岩发育
[13,42]。
(4)新生代地堑断陷期。此时也是中、深层地热资源形成的关键地质时期,可分为演化特征差异较大的4个构造运动阶段,即始新世—中新世走滑裂陷阶段、上新世—早更新世盆地断陷阶段、更新世走滑剪切拉张和火山强烈活动阶段、全新世差异性伸展断陷阶段。新生代地堑北段大同断陷盆地总体是在拉张构造环境下以继承性断裂活动为主,以中生代燕山期断裂的复活与反向发展为特征。新生代,在汾渭地堑北部大同盆地阳原和黄花梁两地发现三期玄武岩,其岩石学及地球化学特征与典型的大陆地堑火山岩完全一致
[43],而其他断陷盆地均未发现火山岩,显示新生代汾渭地堑中5个盆地的演化存在一定的差异。大同盆地中新生代玄武岩中还发现有大量幔源包体,表明大同盆地深部存在活动地幔上涌。
汾渭地堑新生代伸展断陷的动力学来源,除了与太平洋板块向欧亚板块俯冲产生的弧后扩张,即太平洋板块向欧亚板块俯冲导致地幔上涌而形成主动伸展
[35,40]有关外,还与青藏高原新生代侧向挤出导致的右旋走滑剪切拉张作用有关,是印度-欧亚板块碰撞的远程效应和太平洋板块向欧亚板块俯冲共同作用的结果,即耦合伸展模式
[4-5,15,44-45]。古近纪,印度板块快速向北漂移和与欧亚大陆持续的汇聚碰撞作用,造成了青藏高原的快速隆升,从而对中国西部盆山原构造格局的形成和古生态环境的演变产生了深刻的影响
[46-47]。同时,这种持续碰撞作用的远程效应,致使青藏高原地块东北缘对鄂尔多斯地块产生推挤作用,引起鄂尔多斯地块逆时针旋转
[48-49],汾渭地堑带西侧的地块向北运动。而太平洋板块向欧亚板块深俯冲,也引起了华北板块东部地块逆时针旋转
[4,7],汾渭地堑东侧的地块向南运动,从而导致汾渭地堑构造应力场发生了明显转换,主压应力方向变为NE-SW向,两侧发育了两条NNE向的走滑断层,构成右行右阶式走滑剪切特征,汾渭地堑开始伸展裂陷
[50-51]。在地堑两侧的大型右旋剪切力偶及软流圈底辟、地幔上隆作用下,地幔热物质向上运移,莫霍等温面以下的物质逐步形成似层状、透镜状高温熔融体。这种熔融体不仅引起汾渭地堑带下地壳物质增温过高,也为岩石圈强烈减薄提供了热动力。下地壳物质过高的增温引起莫霍面及居里等温面弧形突起,这种弧形突起为其上部高温熔融体的形成提供了极为有利的聚热条件(
图6)。早期已形成的断裂系统处于右旋剪切拉张状态,沿着软流圈岩浆热物质上涌的隆起带轴部发育成一系列几何轮廓分明的NNW向拉张和NNE向剪切拉张的断陷盆地。断陷盆地两侧发育深切割铲式正断层,其深部尾端与近水平的固态韧性剪切层接触,成为优质导热构造。多层高温熔融体的热能通过韧性剪切带和这些上陡下缓的铲式正断层在水平方向和垂直方向传输,地球深部的热能被再次分配(
图6)。在这些断陷盆地之间,由于局部剪切挤压而形成横向隆起,地幔软流圈热物质上涌和玄武岩喷发造成地堑带地壳减薄和升温
[13,38],地壳的升温使得岩层由脆性向韧性转化,地壳深部形成了近水平的纯剪切固态韧性剪切伸展流变层(
图6),不仅为后期地壳的局部隆升提供了温压条件,是地壳浅层热隆伸展断陷的主控因素,而且也为中深层热储层提供了源源不断的热源。
在新近纪—第四纪时期,由于受到NNW-SSE向的伸展拉张作用,边界断裂再次强烈活动,盆地中次级高陡正断层进入强烈活动期(
图6),汾渭地堑进入断陷拉张阶段,隆起区、沉降区表现为断块掀斜式运动,并伴随有大量火山、地震作用,汾渭地堑进一步发育成熟,浅层次的高陡正断层为冷水的下降及热水的上升提供了必然的通道。中新世时期地堑南北两段开始破裂形成渭河、运城断陷和大同断陷,断陷幅度不大
[10,13,45,52]。上新世时期各断陷盆地快速断陷沉降,接受大量的河流相物质,盆地边缘地带快速隆起,盆地内次级隆起、凹陷也开始形成。所以,这一时期是地堑内部各断陷(湖)盆地的主要形成时期
[13,19,53],中深层地热资源的厚度适中、导热率较低的保温阻热盖层也逐渐形成(
图6)。
更新世时期,地堑内各断陷盆地接受湖相物质的沉积,同时期由于右旋剪切拉张,地堑北部大同盆地中火山活动和熔岩溢出活动剧烈,盆地底部玄武岩浆涌出
[54],大同和周围山体的地块再次发生差异性升降运动,将军庙地块和熊耳山抬升成为台地
[13,53]。盆地底部玄武岩浆大规模涌出带出了一部分深部热能,为中深层的热储层提供了部分热能并叠加来源于深部热传导的热能,中深层地热资源热能进入聚敛高峰期,因而,火山活动是研究区中深层地热资源的附加热源。最终,汾渭地堑中深层地热系统的热聚敛过程伴随构造演化而完成。
全新世时期,地堑新构造运动较为强烈。地堑总体处于NNW-SSE向拉张应力状态
[15]。该时期浅层正断层活动较前期而言更为强烈,各断陷盆地差异性发展。盆地内普遍发育黄土,地堑内部均为新生代河流相沉积堆积,大同盆地受隐伏断裂控制又发生了大规模陆相火山喷发。地堑的两侧规模大、切割深的边界断裂发生持续伸展走滑运动,这些边界断裂都继承了晚中生代的构造格局,在新生代时期形成伸展断陷
[12,55]。
盆地地球物理与热结构存在显著的差异性特征,表明汾渭地堑深部热结构与地温梯度分布特征控制了地堑盆地的伸展剪切,而伸展剪切又控制着地堑盆地构造样式和构造演化过程。在基底隆起区,可产生局部相对高地温,在华北板块新生代断陷盆地中的凹中隆构造区产生高地温异常
[56]。由于具有特殊的深部热结构,大同盆地为纯剪切伸展断陷盆地,从而形成了两侧深中间浅的对称构造样式和凹中隆的构造格局,并且在盆地中心区地温梯度较盆地两侧高。
5 源、通、储、盖条件
优质地热资源的形成必须具备适宜的源、通、储、盖条件,即动态的高温热源、良好的导热导水通道、稳定的隔热保温盖层和规模较大的热储层。热源是地热系统中最重要的组成部分,是地热能是否为可再生能源的决定因素。由前面的分析可知,汾渭地堑北段的大同盆地—忻州盆地一带地壳厚度与周边比较,整体较薄;地壳中低速低阻层和上地幔中的低速高导体埋藏均较浅
[35,37],局部熔融软流圈具有强烈底辟上涌,莫霍面和居里等温面均存在局部隆起现象(
图6),这些特殊的壳幔组构形成了区内中、深层地热资源优质的动态热源,是中、深层地热能可再生、热聚敛强度大的保障。汾渭地堑大同盆地一带具有蕴藏丰富中深层地热资源的特殊的地质构造条件,地堑边界发育活动性强烈的云门山断裂、六棱山断裂、恒山北断裂、天镇-阳高盆地北缘断裂等深切割的岩石圈断裂、地壳断裂以及基底断裂构造系统
[57],具有良好的导热聚热作用,也是温泉、热泉甚至沸泉出露的主要场所。
汾渭地堑中的断陷盆地是高热流区,热流值平均为70~79 mW/m
2,明显高于中国大陆平均热流值(50~65 mW/m
2),两侧的造山带是低热流区,热流值平均值为46~58 mW/m
2[17,29]。渭河盆地大地热流值平均为67~76 mW/m
2,盆地内部东、西部热流值有差异;临汾-运城盆地内热流值平均为71~81 mW/m
2,大同盆地内热流值远大于周围山区的热流值(37.7~46.1 mW/m
2),特别是大同盆地东北部天镇—阳高一带,大地热流值为75.3~79.5 mW/m
2[58-59]。渭河盆地、忻州盆地和大同盆地中大地热流值的分布整体呈长椭圆形,高值区位于盆地中心,其长轴方向与区域构造线的方向一致。地堑中的热流分布特点表明其热源深度较大,地堑中热流与软流圈、岩石圈系统的扰动及新构造运动剧烈程度有关,而且随着岩石圈的逐渐减薄以及新构造运动的加剧,热流值不断增高。所以汾渭地堑区域高热流主要是由来自软流圈的传导热转换;局部热异常是由岩浆热物质转移到地壳形成韧性流变层以及沿多孔破裂系统的流体对流而引起的
[60-61]。
汾渭地堑中的断陷盆地在新生代经历了强烈沉降,堆积了较厚的新生代沉积。新生代松散沉积物厚度总体由北向南增厚,最大厚度分别为渭河盆地6 000~7 000 m、运城盆地4 500 m~5 500、太原盆地3 000 m~3 800、大同盆地2 400 m~3 000和忻定盆地1 000 m~2 000。这些厚层的松散沉积物导热率低,具有很好的隔热保温作用,能有效阻止盖层之下的热向上耗散,是良好的保温盖层
[62]。而地堑北端的大同盆地的新生代沉积物厚度虽然不是最大,但在第四纪发育有疏松多孔的黄土-古土壤沉积层、湖相层和火山层;7~13万年间强烈的火山活动导致盆地中松散或半胶结的新生代沉积物间夹有气孔、裂隙较发育的玄武质熔岩层
[51],从而在大同盆地形成了厚度适中、导热率低(仅为1.2~2.4 W/(m·K))、分布较稳定的隔热保温盖层,是汾渭地堑中保温盖层最优良的盆地。汾渭地堑中的基底均由太古宙、元古宙花岗质片麻岩、斜长角闪岩等组成,这些岩石致密坚硬,块状构造发育。采集忻州盆地中花岗质片麻岩、斜长角闪岩岩心样,获得其导热率为2.8~4.6 W/(m·K)。汾渭地堑中变质基底均表现出较高的导热率特征,加之这些基底变质岩石埋藏较深,分布广,因而成为目前汾渭地堑内干热岩勘探开发的目标储层。
地壳浅部地热资源的形成需要导热通道自下而上地传递深部热源的热量,导热通道与围岩之间存在一定的物性差异,深大断裂尤其是盆山边界控盆成山的深大断裂往往是深部热源导热的良好通道,深大断裂因其岩层相对比较破碎,导热率相对围岩较低,一般表现为相对低阻的区域,且与深部热源相连,可将深部热源(或者岩浆热物质)传导至地热系统的根部
[57]。因此,大同盆地两侧的深大断裂——吕梁山东南缘断裂(包括天镇—阳高断裂等)、太行山西北缘断裂(包括六棱山断裂等)、太原盆地东西两侧的太谷—祁县大断裂和晋祠—交城大断裂、运城盆地南北两侧的中条山北缘断裂和双泉—临猗断裂以及渭河盆地南北缘的断裂等,是汾渭地堑内最主要的控盆成山断裂
[38,55,57],其切割深,规模大,新生代活动剧烈,是优良的导热通道。深部热源沿深大断裂向上运移,中浅部断层控制热量在盆地内运移,这些断裂系统形成了研究区复杂的控热构造系统(
图6)。深部热源沿导热通道到达浅部岩石时,热量向四周扩散,沿浅部断层和基岩与覆盖层之间的破碎带,尤其是角度不整合面发生侧向运移,从而形成中、深层热储;沿高陡断裂(盆内导水作用良好的次级断裂)向下运移的地下水接触到侧向运移的热量,就会被加热,从而反向运移到地壳浅部成为水热型地热资源。因此,中、深层地热资源与浅层地热资源具有同源共生的特征;浅层地热资源如果受到高陡断裂构造控制,那么在该断裂深部延伸处或旁侧能够发育温度较高的中、深层地热资源。
总体而言,汾渭地堑中地热系统具有完美的源、通、储、盖“四位一体”资源潜力条件,尤其是渭河盆地、运城盆地、忻定盆地和大同盆地一带,中、深层地热资源具有良好的动态热源、活动的热通道和优质的稳定保温盖层等条件,在地下水较丰富的中浅层,水热型地热资源极为丰富,而地下水较贫乏的中深层,则具有巨量干热岩型地热资源。
6 结论
汾渭地堑中、深层地热资源的形成有较复杂的地质背景,新生代构造演化和构造变形机制也是中、高温热储热聚敛的成因。
(1)印度-欧亚板块持续碰撞的远程效应是汾渭地堑新生代伸展拉张的构造背景;软流圈底辟、上地幔热隆起、莫霍面和居里等温面抬升以及地壳强烈拉张减薄,是研究区地热系统中地温场较高和中、深层地热资源富集的深部构造背景;中、下地壳的纯剪切伸展是地壳拉张减薄的主导机制,也是中、深层热储热聚敛的动力。
(2)地幔传导热是目标热储最根本的动态热源,埋藏较浅的上地幔内和壳内的低速高导层是良好的导热体和热能汇集中心,是中、深层热储的直接热源和震源层。
(3)切割较深并在新生代具有强烈活动的边山断裂、控盆断裂具有良好的导热功能,其对地热资源的形成和展布具有明显的控制作用,是良好的导热构造和释热构造。
(4)夹有孔隙极为发育的火山岩的厚层状新生代松散沉积物,导热率极低,具有良好的阻热保温效果,是优质的热盖层。发育韧性剪切变形的变质基底不仅是干热岩型地热资源(固热能)目标层,也是浅层水热型地热资源良好的热源层。
感谢杨巍然教授对本文的编写提出了许多建设性意见;感谢评审专家及编辑在审稿过程中对本文提出的宝贵修改意见。
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