中国冀中坳陷南部地壳热结构及热异常机制

《Frontiers in Earth Science》：Crustal thermal structure and thermal anomaly mechanism in the southern part of the Jizhong Depression, China

地热流场测定与热结构模型构建揭示华北地台北中国海坳陷南部济彤凹陷高扬地热场岩石热物性参数及热结构特征。基于地热井测井数据和岩石热物理性质测试，计算得出地表地热流值为67.19 mW/m2，莫霍温度介于697.16-774.54℃，居里点深度22.38-24.09 km，热 lithosphere 厚度58.14-75.16 km。研究建立地质构造-热物性-热流场耦合模型，证实深大断裂对热物质运移的调控作用及碎屑岩盖层隔热效应对地热富集的显著贡献。

　　地球的热结构是理解地壳和上地幔热演化过程的重要科学依据，尤其在沉积盆地中，它不仅反映了地壳热状态，还对深部地热资源的形成与分布具有关键影响。本文聚焦于中国华北克拉通内的济中坳陷，特别是其南部区域的高阳地热田，通过地热井测温、岩石热物性测试以及区域地球物理勘探等方法，初步确定了该地区的地表热流值和地壳热结构特征，并构建了区域地壳热结构的概念模型，以评估深部地热资源的分布情况。研究结果不仅揭示了高阳地热田的地热特征，还进一步解释了地热异常的形成机制，为该地区的地热资源勘探与开发提供了理论基础和数据支持。

高阳地热田的地表热流值被测定为67.19毫瓦/平方米，这一数值表明该区域的地热活动较为活跃，相较于全球平均水平（约42.5毫瓦/平方米）更具热源潜力。同时，莫霍面温度（地壳与地幔的交界面）在697.16°C至774.54°C之间，显示出该区域地壳相对较冷，而地幔则较为热，这种热差异可能是地热异常形成的关键因素之一。此外，该地区的居里点深度（岩石磁性消失的临界深度）在22.38公里至24.09公里之间，与先前研究结果基本一致，进一步验证了模型的准确性。地壳热层厚度则在58.14公里至75.16公里之间，表明该区域的地壳热层较厚，为深部热能向地表的传导提供了有利条件。

地热异常的形成机制涉及多个地质因素的综合作用。首先，区域内的深部断裂带对热能的传导起到了关键作用。这些断裂带不仅贯穿地壳，还允许深部地幔物质和岩浆向上侵入，从而为地热资源的形成提供了物理通道。其次，地壳中的不同岩层具有不同的热传导特性。例如，沉积层中的砂岩和泥岩通常具有较低的热传导能力，而地壳底部的白云岩则表现出较高的热传导性。这种差异导致了热流在地壳中的分布不均，使得热能更容易在某些区域聚集。此外，深部地下水的循环作用也增强了热对流，特别是在断裂带附近的碳酸盐岩中，地下水的流动促进了热能的转移和积累。

研究还指出，地壳热层的热传导特性受到多种因素的影响，包括岩层的矿物成分、颗粒大小、密度、孔隙度、温度和压力等。其中，热传导能力与温度呈负相关，即温度越高，热传导能力越弱。因此，在测定岩石热传导率时，必须考虑其在地下的实际温度。通过使用薄层分析仪进行非稳态热传导测试，研究团队获得了高阳地热田不同深度岩石的热传导率数据，并对这些数据进行了温度修正。修正后的热传导率数据为地热梯度的计算提供了可靠依据，进一步支持了热流值的测定。

地热梯度的计算是研究地表热流的重要环节。通过采用最小二乘法对高阳地热田中古近纪至新近纪地层的温度-深度曲线进行拟合，研究团队获得了该区域地热梯度的平均值为29°C/km。这一梯度值表明地热能的分布具有一定的规律性，且在一定范围内与地表热流值呈正相关。同时，不同岩层的热传导率差异也影响了地热梯度的计算结果。例如，浅层砂岩由于其较低的热传导能力，导致地热梯度波动较大，甚至在某些深度出现负值，而深层白云岩则因较高的热传导能力，使得地热梯度相对稳定。

在地壳热结构的分析中，研究团队结合了区域地球物理勘探数据和地热井的热物性参数，构建了地壳分层模型。根据这一模型，地壳被划分为上地壳、中地壳和下地壳三个部分，其热传导率和放射性热产生率均被测定并用于计算热流值。结果显示，上地壳的放射性热产生率为10.09毫瓦/平方米，中地壳为6.09毫瓦/平方米，下地壳为2.23毫瓦/平方米，三者合计为地壳热流的主要组成部分。同时，地幔热流占总热流的62%，表明深部热源对该区域的热结构具有主导作用。这一发现为理解该地区的热演化过程提供了新的视角，也支持了地热资源的深部勘探和开发。

研究还进一步探讨了地热异常的形成机制。首先，地壳结构对热能的传导具有显著影响。在高阳地热田所在区域，由于地壳的多阶段构造活动，形成了多个低热传导性的凹陷区和高热传导性的隆起区。热能从低热传导性的凹陷区向高热传导性的隆起区集中，这种热流的汇聚过程有助于形成高温地热储层。其次，地下水的循环作用增强了热对流，使得深部热能能够更有效地传递到地表。特别是在断裂带附近，地下水的流动促进了热能的输送，并在裂隙发育的碳酸盐岩中形成了热能积累效应。此外，覆盖在地热储层之上的厚层砂泥岩作为热绝缘层，有效阻挡了地表热能的流失，从而为高温地热储层的形成提供了有利条件。

地热资源的分布不仅受到热传导和热对流的影响，还与地壳和地幔热流的相互作用密切相关。研究团队通过分析地壳和地幔热流的分层情况，揭示了高阳地热田的热结构特征。其中，地壳热流和地幔热流的比例为0.38，表明地壳在热能传输过程中起到了重要的通道作用，而地幔则是主要的热源。这一比例的确定为地热资源的勘探提供了理论支持，同时也为区域地热系统的动态演化提供了依据。此外，地壳热层厚度和居里点深度的测定结果进一步确认了该地区的热结构特征，为深部热能的传导路径和热能积累机制提供了数据支撑。

研究还发现，高阳地热田的地热资源分布受到构造活动的深刻影响。在地壳的多阶段演化过程中，某些区域经历了地壳变薄和热能上涌，形成了地热异常。同时，深部断裂带的存在为热能的传输提供了通道，使得深部地幔热能能够更有效地向地表输送。这些构造特征与热传导机制的相互作用，共同促成了高阳地热田的高温地热储层形成。此外，地壳顶部的厚层砂泥岩作为热绝缘层，有效抑制了热能的散失，从而为地热资源的保存和集中提供了有利条件。

综上所述，本研究通过综合分析地热井测温、岩石热物性测试和区域地球物理勘探数据，揭示了高阳地热田的热结构特征及其与地热资源分布的关系。研究结果表明，该区域的地壳热层较厚，地幔热流占主导地位，且深部断裂带和热绝缘层共同促进了地热资源的形成和积累。这些发现不仅为华北克拉通内济中坳陷的地热资源勘探提供了科学依据，也为理解该地区的地壳热演化过程和构造活动提供了新的视角。此外，研究还强调了热传导与热对流在地热资源形成中的重要作用，以及构造活动对热能分布的影响。这些成果为未来地热资源的高效开发和地壳热结构的进一步研究奠定了基础。