我国陆区热状态及控热要素

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.10.13

摘要/Abstract

摘要：

区域热状态代表一个地区大地热流的主要来源,解决了区域热源的基本问题,可为区域地热资源的研究提供基础背景。本文基于我国近年来开展的区域热流测量和深孔测温工作,分析了我国陆区壳幔热流比,并将我国陆区划分为壳源生热高温地热区、幔源生热中低温地热区、壳幔热源平衡低温地热区和壳幔热源平衡中高温地热区4种类型区。其中,壳源生热高温地热区位于藏南、川西、滇西,幔源生热中低温地热区主要位于松辽盆地、华北盆地、长江中下游等我国东部广大地区,壳幔热源平衡中高温地热区分布于东南沿海地区、四川盆地和云贵高原,西北广大内陆地区则属于壳幔热源平衡低温地热区。在此基础上,选择青藏高原东北部、腾冲地区、东南沿海和华北盆地等典型地热区,系统分析了区域地温场特征、热流分布、地壳热结构等盆地尺度的区域热状态和主控因素。青藏高原增厚地壳中的低速体构成了以壳源热为主的高热流异常;腾冲地区深部以局部岩浆囊形式存在的岩浆,则构成了以其为代表的近代火山区地热系统的主要控热要素;东南沿海大面积分布的高产热岩体生热构成了热流中重要的热流分量,而以华北盆地为代表的盆地基底起伏和深大断裂则控制了盆地“坳中凸”地热异常区的地温分布。最后,总结了包括壳幔架构、构造热事件、地层岩性、断裂构造等影响区域热状态的深部—浅部因素,建立了控制我国陆区区域热状态的多级要素体系,为不同地区地热资源勘查和热源条件分析提供了科学依据。

关键词: 大地热流, 壳幔热流比, 地温场特征, 控热因素

Abstract:

The thermal state of a region is crucial for understanding the main source of geothermal heat flow in the region, which help to solve the basic problem of regional heat source, and provide a basis for the study of the regional geothermal resources. Based on the regional geothermal measurements and deep borehole temperature logging carried out in China in recent years, this paper analyzes the crust-to-mantle heat flow ratio in China’s land area and divides the land area into four geothermal zonal types, namely high-temperature geothermal zone with a crustal heat source, medium- and low-temperature geothermal zone with a mantle heat source, low-temperature geothermal equilibrium zone with a crust-mantle heat source, and medium- and high-temperature geothermal equilibrium zone with a crust-mantle heat source. On this basis, typical geothermal zones—such as the northeastern Tibetan Plateau, the Tengchong area, the southeastern coastal area, and the North China Basin—are selected to systematically analyze the basin-scale regional thermal state and its main controlling factors, such as the characteristics of the regional geothermal field, the distribution of heat flow, and the crustal-mantle thermal structure. The paper summarizes the deep and shallow geologic factors affecting the regional thermal state—including crust-mantle architecture, tectono-thermal events, stratigraphic lithology, fracture structure, etc.—and establishes multilevel controlling factors of regional thermal states, providing a scientific basis for the geothermal resource exploration and heat source condition analysis in different regions.

Key words: heat flow, crust-mantle heat flow ratio, geothermal field characteristics, thermal control factors

中图分类号:

P314
P641

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图/表 15

图1 我国陆区地热背景图 I—壳源生热高温地热区; II—幔源生热中低温地热区; III—壳幔热源平衡低温地热区; IV—壳幔热源平衡中高温地热区。

Fig.1 Geothermal equilibrium zones in China’s land area

表1 壳幔生热中低温区主要地热系统地热背景特征统计表

Table 1 Statistics on geothermal characteristics of major geothermal systems in medium- and low-temperature geothermal zones under crust-mantle heating

类型	主要地热区	q_c/q_m	大地热流值q/ (mW·m^-2)	壳源热流值q_c/ (mW·m^-2)	幔源热流值q_m/ (mW·m^-2)	主要热储温度/℃	热储分布范围
沉积盆地传导型	松辽盆地	0.6~1.0	55~70	20~30	30~40	25~90	区内大面积分布, 有多个主要热储层
	华北平原	0.6~1.0	55~85	15~35	30~50	25~120
	关中平原	0.8~1.0	65~75	20~30	30~50	25~90
	下辽河盆地	0.4~0.6	65~70	15~25	40~50	25~60	区内大面积分布, 热储层较单一或非主要储层面积较小
	河淮盆地	0.6~1.0	55~60	15~30	30~50	40~60
	苏北盆地	0.6~0.8	65~75	20~30	40~50	40~60
	江汉盆地	0.6~1.0	50~60	25~35	20~40	25~90
隆起山地对流型	辽东半岛	0.6~1.0	55~65	15~25	30~50	25~90	沿断裂呈带状分布
	胶东半岛	0.6~0.8	65~75	15~25	40~60	25~90
	燕山—太行山	0.4~1.2	45~65	15~30	20~40	25~90

图2 青藏高原东北部地质简图及现有地热勘探深孔分布

Fig.2 Geologic sketch map of the northeastern Tibetan Plateau and distribution of existing deep boreholes for geothermal exploration

图3 青藏高原东北部已有深孔稳态(或近似稳态)测温曲线及地温梯度 (a) 同仁盆地DR1孔; (b) 平安地区PAR2孔。

Fig.3 Steady-state (or near-steady-state) logging and geothermal gradient curves of deep boreholes in the northeastern Tibetan Plateau. (a) Borehole DR1, Tongren Basin; (b) Borehole PAR2, Ping’an area.

图4 腾冲地区岩浆囊分布示意图(据文献[11])

Fig.4 Magma sacs in Tengchong area. Adapted from [11].

图5 腾冲地区地热气体3He/4He—4He/20Ne关系图

Fig.5 3He/4He—4He/20Ne plot for geothermal gas, Tengchong area

表2 腾冲地区地热深孔测温一览表

Table 2 Geothermal parameters of deep geothermal boreholes in Tengchone area

序号	钻孔名称	东经/(°)	北纬/(°)	钻孔深度/m	测温深度/m	主要岩性	热流计算段深度/m	地温梯度/ (℃·km^-1)	热流/ (mW·m^-2)
1	腾冲	98.483 333	25.033 333	600	600	花岗岩、玄武岩	0~600	39.2	118.1
2	地热大队	98.5	24.983 333	600	97	玄武岩	30~70	51.9	88.88
3^*	TCKZ	98.492 714	25.213 889	1 222.24	1 200	火山岩、花岗岩	0~1 200	42.2	109.7
4^*	ZH01	98.607 952	25.241 438	1 980.18	1 900	花岗岩	0~1 140	40.6	105.6

图6 腾冲地区深孔测温及地温梯度 (a) 腾冲马站科钻TCKZ孔; (b) 腾冲中和村ZH01孔。

Fig.6 Deep borehole temperature logging and geothermal gradient in Tengchong area. (a) TCKZ for scientific drilling, Mazhan area. (b) ZH01, Zhonghe village.

图7 腾冲地区地壳热结构

Fig.7 Crustal thermal structure in Tengchong area

图8 东南沿海不同地区地热气体3He/4He—4He/20Ne关系图(据文献[57]修改)

Fig.8 3He/4He—4He/20Ne plot for geothermal gas,southeastern coastal area. Modified from [57].

图9 东南沿海黄砂洞地热田热流配分示意图

Fig.9 Heat flow distribution in Huangshadong geothermal field, southeastern coastal area

图10 华北地区近年施工的部分深钻分布图

Fig.10 Distribution of some deep geothermal boreholes constructed in recent years in North China

表3 近年来华北地区部分地热深钻详情一览表

Table 3 Geothermal parameters of selected geothermal deep boreholes, northern China

钻孔编号	构造位置	经度/(°)	纬度/(°)	终孔深度/m	终孔地层	基岩深度/m	孔底温度/℃	热流/(mW·m^-2)
GRY1-SD	陈庄潜凸	118.55	37.67	2 500.58	新太古界泰山岩群	1 243	104.2	71.9
GRY1-HB	沧县隆起	116.18	38.21	4 025.82	长城系高于庄组	1 326.6	107.5	59.7
D35	高阳低凸起	115.94	38.87	3 853	蓟县系雾迷山组	3 660	120.88	57.0
M-1	马头营凸起	118.70	39.20	4 500	太古宇变质岩系	1 376	157	73.0
M-5	马头营凸起	118.76	39.20	4 000	太古宇变质岩系	1 401.5	120.32	64.8

图11 华北地区深孔测温及地温梯度 a—陈庄潜凸;b—沧县隆起;c—高阳低凸起;d—马头营凸起。

Fig.11 Temperature logging and geothermal gradient curves of deep boreholes, northern China. (a) Chenzhuang uplift. (b) Cangxian uplift. (c) Gaoyang lower uplift. (d) Matouying uplift.

表4 影响我国陆区区域热状态的多级因素

Table 4 Multilevel factors affecting the regional thermal state

一级因素	二级因素	三级因素	典型地热系统
浅部因素	地层岩性	基底起伏	华北传导—对流复合地热系统
	地层岩性	高放射性岩体分布	华南中低温对流型地热系统
	断裂构造	盖层—基底断裂	广大山区对流型地热系统
	断裂构造	地壳—岩石圈断裂	郯庐断裂带地热系统
深部因素	壳幔架构	地壳减薄	华北克拉通东部
	壳幔架构	地壳增厚	青藏高原
	构造热事件	壳内火山岩浆囊	腾冲地区
	构造热事件	壳内低速体	青藏高原共和盆地

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