鶯歌海盆地現今地溫場及熱結構研究

鄭 峰,宋榮彩,董貴宇,陳海雯,王迎春,張 超,吳 濤,鄭華安,梁玉凱

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 海南分公司,?？?570312;3.中國海油南海油氣能源院士工作站,?？?570312)

南海北部沉積盆地熱體制研究開始于21世紀初期[1],近年來,許多學者對南海北部陸緣沉積盆地地熱特征做了相應研究。單競男等[2]通過南海北部瓊東南盆地大地熱流數據與巖石熱物性參數,結合盆地內的四條地震剖面,計算了瓊東南盆地的巖石圈熱結構與深部莫霍面溫度;唐曉音等[3]通過收集整理珠江口盆地熱流數據與巖石熱物性參數,對珠江口盆地巖石圈熱結構進行了深入研究;其他學者也對北部灣盆地、南海西北次海盆、東部次海盆、北部大陸架和南沙海槽的熱結構做了許多研究[1,4-7],而對于鶯歌海盆地地熱資源的研究目前僅限于大地熱流平面展布特征、熱物性參數分析等[1,4,8-10]。

本文收集整理前人所發表的鶯歌海盆地及其周緣鉆井測溫、大地熱流、巖石熱物性資料以及橫跨盆地的地震剖面等數據[8-17],并通過鉆井實際取樣,對鶯歌海盆地9口鉆井巖芯樣品進行了分析測試,新增了鶯歌海盆地13個巖石熱物性參數,在此基礎上基于一維穩態熱傳導方程,計算并繪制出鶯歌海盆地現今地溫場不同深度平面分布圖;并在中德合作所測的地震剖面基礎上,運用地熱學計算方法,算得測線位置處的殼、幔熱流值分配關系,對其深部熱結構特征進行了探討。本文的研究成果豐富了鶯歌海盆地的地熱學參數,為盆地地熱資源的整體評價以及構造熱演化的研究工作提供參考。

1 構造與沉積特征

南海是西太平洋最大的邊緣海,地理位置上處于歐亞、印澳、太平洋板塊和菲律賓4個板塊相互作用的結合部,在其北部陸緣附近,形成了包括鶯歌海盆地、瓊東南盆地、北部灣盆地、珠江口盆地在內的眾多盆地[18-19],其構造演化歷史非常復雜,導致其特殊的沉積充填特征[20-22]。

鶯歌海盆地位于海南島西部,中南半島東部,盆地整體樣式呈菱形,盆地整體面積為 12.7×104km2,是南海西北部大陸邊緣沉積的新生代走滑伸展盆地,主要受北西向、北北西和近南北走向的基底斷裂帶控制(圖 1)[23-25]。

自新生代以來,盆地充填從底部的沖積扇、河流、湖沉積向上過渡為濱淺海碎屑巖相直至半深海相沉積,總體上顯示了1個海進充填序列[26],沉積的地層自下而上分別為始新統的嶺頭組,漸新統的崖城組和陵水組,中新統的三亞組、梅山組和黃流組,上新統的鶯歌海組以及第四系的樂東組地層(圖2)[27]。

2 巖石熱物性參數

沉積盆地中巖石表現出的本身的一些熱物理性質是研究盆地沉積層及其相關的物理現象的基本參數[28],巖石的熱物性參數包括了巖石的生熱率、熱導率、比熱容、熱擴散系數、密度等參數,其中的熱導率跟生熱率是研究區域性地溫場、大地熱流、巖石圈熱結構以及恢復盆地熱歷史不可或缺的參數[9,28-30]。

本次共采集鶯歌海盆地9口鉆井13塊巖芯樣品(取樣位置見圖1),所采集樣品主要位于鶯歌海盆地中央凹陷底辟帶附近,巖性為砂巖和泥巖,地層時代來自于鶯歌海組與黃流組,采樣地點在空間上較為分散,在地層上具有一定的代表性,能夠為鶯歌海盆地提供一批新的巖石熱物性參數。本次實測了生熱率以及熱導率2個熱物性參數,其余密度等熱物性參數根據之前測試報告所得,測試結果如表1所示。

圖1 鶯歌海盆地及周緣構造圖Fig.1 Tectonic map of the Yinggehai Basin and its periphery

圖2 鶯歌海盆地地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Yinggehai Basin(修改自韓丙耀[27])

表1 巖石熱物性測試結果Table 1 Test results of rock thermal properties

2.1 巖石熱導率

巖石熱導率是巖石熱物性參數中最主要的參數之一,是用來研究地殼和上地幔熱結構及地球深部熱狀態的基礎[11]。本次巖石熱導率(λ)測試在油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)完成,所用測試儀器為德國生產的 THB(Transient Hot Bridge),熱導率測試范圍為0.01～5 W/(m·K),測試的溫度范圍為-150 ℃～200 ℃,測試原理和具體方法見文獻[31]。

2.2 巖石生熱率

巖石放射性生熱率(A)指的是單位時間、單位體積內巖石放射性元素衰變所產生的熱量,放射性元素主要是 U、Th、K 3種。對于巖石生熱率的計算,目前不少學者都提出過相應的計算方法[32-34],本文計算巖石放射性生熱率采用L.Rybach[32]所提出的經驗公式計算,即

A=0.01ρ(9.52wU+2.56wTh+3.48wK)

(1)

式中:A為巖石放射性生熱率(μW/m3),ρ為巖石密度(g/cm3),wU、wTh、wK分別為巖石樣品中U、Th、K的質量分數。放射性生熱元素(U、Th、K)含量測試由四川西冶檢測科技有限公司完成,所使用的儀器為美國生產的電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)。

2.3 測試結果

表1展示了本次所取鶯歌海盆地 9 口鉆井 13 塊巖心樣品的巖石熱導率及放射性生熱率測試結果。通過表 1 得到,黃流組巖樣的熱導率平均值為 2.61 ± 0.46 W/(m·K),鶯歌海組巖樣的熱導率平均值為 1.82±0.35 W/(m·K),整體平均值約為2.35±0.57 W/(m·K);黃流組巖樣的放射性生熱率平均值為 1.16±0.34 μW/m3,鶯歌海組巖樣的放射性生熱率平均值為 1.58±0.24 μW/m3,整體平均值為 1.30±0.24 μW/m3,與何麗娟等[35]所測試的結果基本一致。

3 地溫場分布規律及特征

3.1 現今地溫梯度特征

本文在綜合利用前人測溫數據的基礎上[10,34],又收集了部分井的測溫數據,這些溫度數據深度范圍主要在1 000～4 000 m之間,地層巖性主要是砂巖與泥巖,繪制出鶯歌海盆地部分井的地層溫度隨深度變化圖如下所示(圖3)。從圖中看出,溫度數據隨深度線性增加,體現了典型的熱傳導特征。其中,S-005與S-006樣品所在井的地溫梯度達到5.08 ℃/100 m,地溫梯度值遠高于中國平均地溫梯度(3.0 ℃/100 m)。通過數據還反映出所收集的地溫梯度分布在3.29～5.08 ℃/100 m,高于中國西部地區的四川盆地(2.28 ℃/100 m)[37]、塔里木盆地(2.00 ℃/100 m)[38]和準噶爾盆地((2.12～2.26 ℃)/100 m)[39]的地溫梯度,也較中國近海的東海(3.27 ℃/100 m)[40]與南黃海(2.86 ℃/100 m)[41]的地溫梯度都高。另外,通過前人研究成果可知,鶯歌海盆地現今平均大地熱流值為 74.7±10 mW/m2[15],高于中國大陸地區(61.5±13.9 mW/m2)[42],也比東海(70.6 mW/m2)[40]與南黃海(69 mW/m2)[41]高,由此可見,鶯歌海盆地屬于“典型”熱盆。

圖3 鶯歌海盆地實測鉆孔溫度-深度變化圖Fig.3 Temperature-depth variation of measured boreholes in the Yinggehai Basin

3.2 現今地溫場特征

在對測溫數據分析的基礎上,結合巖石的生熱率與熱導率等熱物性參數,通過熱傳導方程計算了盆地不同深度的地層溫度,并繪制出鶯歌海盆地不同深度的地層溫度分布圖。

在計算沉積盆地淺層地溫時,一般不考慮巖石熱導率與生熱率隨時間和位置的變化[2],故采用一維穩態熱傳導方程進行計算,公式如下式(2)[43]

tz=t0+(q0Z)/K-(AZ2)/2K

(2)

式中:tz為所求取界面的溫度(℃),t0為海底溫度(℃),q0為海底熱流值(mW/m2),Z為所計算的深度(km),A為計算層段頂部的沉積巖石放射性生熱率(μW/m3),K為沉積巖石熱導率(W/(m·K))。

對于海底溫度t0,本文計算使用施小斌等[10]所使用的計算公式:

t0=-8.7946 lgZ+62.958

(3)

t0=exp(6.506617-0.7352185 lgZ)

(4)

在上式中,Z代表海底深度(m),計算規則參考前人研究所得,當海底深度Z<600 m,按照公式(3)進行計算,計算結果>25 ℃ 時,取三亞年平均氣溫 25 ℃;當600 m≤Z<2 800 m時,按公式(4)進行計算;當海底深度Z>2 800 m時,海底溫度基本趨于穩定(2.2 ℃)[44]。

而由于部分井測試數據并不完整,一部分井只有巖石熱導率數據或者巖石放射性生熱率,所以根據本次實測以及前人所在鶯歌海盆地及其附近所得成果[8-14],對于未測定巖石熱物性參數的井,放射性生熱率A取平均值1.77 μW/m3,巖石熱導率K取平均值為 1.93 W/(m·K)。通過式(2)計算得到鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m及3 000 m深度處的地層溫度,采用 Kriging 插值法[45]對鶯歌海盆地及周緣溫度數據進行插值處理,得到鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深度界面處的地溫分布圖(圖4)。

圖4 鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深度界面溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution at the 1 000 m,2 000 m and 3 000 m depth interface in the Yinggehai Basin

鶯歌海盆地1 000 m深度地層溫度分布在40 ℃～85 ℃之間,地層溫度由中央向盆地北西、南東區域逐漸降低。其中在河內凹陷、鶯西斜坡及中央凹陷附近的溫度普遍較高,地層溫度>60 ℃,在盆地北西角落、鶯東斜坡部分地區以及盆地南東角落附近溫度略低,計算的地層溫度<60 ℃。分析其原因,可能受到斷裂帶以及中央泥底辟活動的控制,導致盆地在地溫梯度上存在明顯差異,最終計算得到的地層溫度最大差值達到45 ℃。

鶯歌海盆地2 000 m深度地層溫度大部分分布于60 ℃～130 ℃之間,局部溫度>130 ℃,地層溫度較高的區域主要是河內凹陷—臨高凸起南西方向—泥底辟一帶,在河內凹陷附近的地層溫度>130 ℃,為全盆最高溫分布區,地層溫度分布特征大體上與1 000 m深度保持一致。鶯歌海盆地3 000 m深度溫度與2 000 m 深度溫度分布特征基本保持一致,沿著河內凹陷—臨高凸起南西方向—中央泥底辟一帶地層溫度普遍較高,總體上3 000 m深度地層溫度介于80 ℃～200 ℃。在河內凹陷附近地層溫度>180 ℃,在臨高凸起南東向及中央底辟帶部分地區地層溫度>140 ℃。

盆地現今地溫場受到構造活動性強弱、斷裂構造分布、地殼厚度、最后一次熱事件等諸多因素的影響[46]。從總體上看,鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m 深度處的溫度分布特征基本一致,盆地內的斷裂構造與地殼厚度對地溫場分布有明顯的控制作用,在斷裂發育處與中央凹陷地殼減薄處熱異常非常明顯;而鶯西斜坡因缺少數據點的控制,所以在斷裂發育處溫度較低。

造成鶯歌海盆地現今地溫場異常的原因之一可能是斷裂活動的影響。鶯歌海盆地自開始形成以來,受到一系列北西—南東向的走滑斷裂的控制,誘使盆地局部發生張性破裂產生底辟構造,加劇了地層的破裂程度[47],導致鶯歌海盆地巖石圈產生許多斷裂構造,為深部熱物質上涌提供了“熱通道”,造成現今地溫異常;另外,巖石圈減薄也是導致局部熱的重要原因之一,自新生代以來,鶯歌海盆地經歷了幾次拉伸運動,造成盆地中央凹陷區巖石圈大幅減薄(最薄處僅 5～7 km[48]),隨著深部地幔熱物質上涌,現今地溫場發生變化,導致溫度上升,使得地表溫度與地表熱流升高。

4 巖石圈熱結構

4.1 計算原理

巖石圈的熱結構關系主要是指一個研究區內地殼與深部地幔熱流的配分比例及其組構關系[49],而殼、幔熱流配分影響到現今地殼、上地幔的活動性及深部溫度狀況[50]。通常情況下,在地表所測試的大地熱流值(Q0)主要由2部分組成,一部分是上部地殼巖石中 U、Th、K 等放射性元素放射性生熱產生,另一部分則由深部地幔產熱。地殼巖石生熱率隨深度采用目前普遍應用的分層階段函數模型,則地表熱流值計算公式如下:

(5)

在上式中,Q0為地表熱流(mW/m2),Qm為地幔熱流(mW/m2),Qc為地殼巖石放射性生熱(mW/m2),A為巖石生熱率(μW/m3),Zm為莫霍面埋深(m),Ai為第i個巖層中巖石放射性生熱率(μW/m3),δi為第i個巖層厚度(m)。

4.2 地殼結構模型及生熱率取值

在計算地殼熱流與地幔熱流分配之前,首先需要給出比較符合研究區實際情況的地殼結構模型[3]。中科院南海所與德國基爾大學海洋地球科學研究中心聯合中國海洋石油南海西部公司和海南省地震局于 1996 年在鶯歌海盆地附近進行了深部地震聯測獲得的地學斷面,揭示了鶯歌海盆地深部速度結構(圖5)[51],為本文的計算提供了地震波速(Vp)、地殼厚度(δ)等基本參數,測線位置見圖 1。

圖5 鶯歌海盆地AA′剖面地殼結構速度模型Fig.5 Crustal structure velocity model of AA′ section in Yinggehai Basin(修改自劉賽君等[15])

本文地殼生熱率的估算方法是將地殼分為沉積蓋層、上地殼上部、上地殼下部低速和下地殼4層進行計算,對于沉積蓋層巖石放射性生熱率,根據上文取平均值為 1.77 μW/m3。而對于地殼深部巖石放射性生熱的計算,采用L.Rybach等[52]根據大量實驗數據所提出的計算深部巖石放射性生熱率公式

lnA=B-2.17Vp

(6)

式中:B是通過實驗室大量實驗得出的常數項,對前寒武系巖石取13.7,顯生宙巖石取12.6,Vp為地震波速(km/s)。

4.3 計算結果

根據地殼結構模型以及巖石生熱率的分層階段函數進行地殼熱流的計算,其中,本條測線地理位置上位于鶯歌海盆地中央凹陷內,經鶯歌海 1 號斷裂橫跨鶯歌海盆地,整條測線總長 210 km,最終建立的地殼分層模型具體參數與生熱率計算結果如表2所示。

表2 鶯歌海盆地中央凹陷地殼結構與生熱率計算Table 2 Calculation of crustal structure and heat generation rates in the central depression of the Yinggehai Basin

根據地殼分層模型以及Vp與巖石生熱率之間的經驗公式,可計算得到深部地殼各層的生熱率(表3),并由此計算地殼熱流與地幔熱流的大小及地幔熱流在地表熱流中所占的比重。

表3 鶯歌海盆地中央凹陷地殼熱量計算表Table 3 Heat calculation of the central depression crust in the Yinggehai Basin

圖6展示了鶯歌海盆地地殼熱流、地幔熱流以及地幔熱流在地表熱流的占比值沿著計算剖面的展布情況。從圖6-A中可知,整體上本條剖面的地殼熱流自NE向著SW減小,與鶯歌海盆地地殼減薄的趨勢表現相似,并且剖面的地殼熱流從測點A5(105)處的34.6 mW/m2減小到A1(OBH11)處的 28.2 mW/m2。地幔熱流表現出自NE向著SW方向逐漸增加,變化趨勢與地表熱流相反。圖6-C展示了AA′剖面的地幔熱流在地表熱流中所占的比重,從圖中可以知道,地幔熱流在地表熱流中所占的比值范圍56%～64%,表現出從盆地邊緣向盆地中央逐漸增大的趨勢。

圖6 鶯歌海盆地中央凹陷AA′剖面各測點熱流Fig.6 Heat flow at each measuring point of AA′ section in central depression of Yinggehai Basin

鶯歌海盆地中央凹陷地殼結構與熱結構模型如圖7所示。通過本次新增及收集前人鶯歌海盆地中央凹陷及其周緣熱流數據成果計算得到,鶯歌海盆地中央凹陷大地熱流值(Q0)平均為 78.6 mW/m2,根據表2得到鶯歌海盆地中央凹陷地殼熱流(Qc)平均值為 32.4 mW/m2,則地幔熱流(Qm)約為 46.3 mW/m2,地幔熱流與地表熱流之比(Qm/Q0)約為0.59,超過海底熱流的50%,符合Wang Jiyang[53]所提出的“冷殼熱?！钡膸r石圈熱結構特征,因此,鶯歌海盆地具有“冷殼熱?！苯Y構。

5 結 論

通過實測取樣測試熱物性參數與深部溫度估算,本文揭示了鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深度界面處溫度分布特征,并根據前人地震剖面獲取的鶯歌海盆地地殼結構速度模型揭示了鶯歌海盆地中央凹陷地殼結構與熱結構,得到如下幾點認識:

a.熱導率和生熱率測試結果表明:盆地沉積層的平均熱導率為2.35 W/(m·K),平均生熱率為1.30 μW/m3,黃流組巖樣的平均熱導率高于鶯歌海組,生熱率黃流組巖樣的低于鶯歌海組。

b.鶯歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m界面處溫度分布特征基本一致,都表現出由盆地中部向邊緣降低的整體趨勢,高溫區域位于中央底辟帶附近與河內凹陷區域,與鶯歌海盆地中部地殼減薄和深大斷裂帶分布高度一致,因此,地殼減薄與深大斷裂帶疊加是鶯歌海盆地地熱資源富集的優勢區。

c.通過鶯歌海盆地中央凹陷熱結構模型看出,鶯歌海盆地地殼對地表熱流的貢獻約為32.4 mW/m2,占地表熱流的41%,地幔熱流對地表熱流的貢獻約為46.3 mW/m2,在地表熱流所占比值約為59%,表明鶯歌海盆地具有“冷殼熱?！钡奶卣?。

圖7 鶯歌海盆地中央凹陷地殼結構與熱結構模型Fig.7 Crustal structure and thermal structure model of the central depression of the Yinggehai Basin

致謝

感謝中海石油(中國)有限公司海南分公司所提供的基礎資料,感謝中海石油(中國)有限公司湛江分公司在巖石樣品采樣及測試過程中提供的幫助。