地温场的应用

区域地质构造对地温场的控制作用~

我们已经知道大地热流的概念是单位时间由地球内部通过单位地球表面积散失的热量（MW/m2），是地球内热在地表可直接测得的一个物理量，它是一个综合参数，能反映地区地热场的基本特点，同时在地热地质学理论上可以把大地热流分解成两个部分，一部分来自地球深部，称为地幔热流（qm）；另一部分则源于地壳岩石的放射性，称为地壳热流（qc）。
Q=qc+qm:qc和qm都是地壳厚度的函数，但变化方向不同，qm反映的是岩石深部的状态，与一个地区的构造活动性密切关联，高温物质上涌，岩石圈则变薄，qm同地壳厚度常有负相关的经，qc则相反。由于地球内部主要的放射性元素铀、钍、钾都是亲石元素，地壳厚度愈大，地壳所含的放射性元素就可能越多，就越大。与地壳厚度呈正相关，根据陈墨香的研究，我国大地热流值可以分为5个构造区：华北—东北构造区、华南构造区、中南构造区、西北构造区、西南构造区。各区的实测热流值如表2-1所示。

表2-1　中国大陆及各构造区大地热流统计表　单位：MW/m2

各区热流值以西南构造区最高，为70～85MW/m2，西北构造区最低，为43～47MW/m2。华北—东北构造区平均热流值为43～47MW/m2，与全国平均值接近。华南构造区平均热流值为66～70MW/m2，比全国平均值略高，中南平均热流值为60～63MW/m2，但根据油田关于阿尔多斯盆地和四川盆地实测热流值资料，只有40～60MW/m2，所以取50MW/m2作为中南构造区的期望值是合适的。总的看，我国大地热流分布，同大地构造密切相关，我国西南地区，沿雅鲁藏布江缝合带，高热流值（91～364MW/m2,）向北按构造阶梯下降，到准格尔盆地只有33～44MW/m2，成为冷盆，我国东部是台湾板缘地带，热流值最高，为80～120MW/m2，超过台湾海峡到东南沿海燕山期造山带，降为60～100MW/m2，到江汉盆地大地热流值只有57～69MW/m2，也是由现代构造活动强的高热流地带向构造活动弱的低热流地带递变。
在大型盆地中，大地热流值分布同基底的构造形态直接相关，隆起区为相对高热流区，拗陷区为相对低热流区，如华北盆地。
地质历史中的岩浆活动对地温场会产生一定的影响，一般认为近期的岩浆活动对当地的温度场有大的影响，而更新世以前发生的岩浆活动由于经过长时间的冷却，岩浆余热散失殆尽，对地温场已无影响。地下水的活动对地表地温场有影响，一般在盆缘山前地带地下水补给区，降水下渗，使围岩温度降低，形成山前总和冲积扇冷水盆地，而在地下水深循环上升地带，是盆地中的高角度断裂带，地下热水上涌，形成地热梯度异常带，盖层地热梯度可以高达6℃～8℃/100m，而在隆起山区的温泉都是开启型的地下水沿深断裂带深循环，形成沿深断裂带的脉状对流热水系统。

(一)浅层地温场平面分布特征
根据1983年北京水文地质工程地质公司提交的北京市平原区浅层地温普查成果和本次野外实测地温资料，北京平原区地下深度70m，地温在13.88℃～30.26℃之间变化。为了研究方便，将其划分为地温场正常区(≤14℃)、地温场偏高区(>14℃，≤15℃)和地温异常区(>15℃)三个级别。
北京城区地温异常区主要分布在北京城区以北，表现为北东－南西向或北西－南东向条带状，海淀、南口和小汤山围成的区域内以及东部顺义、通州之间异常集中，线性特征明显，北村西南三条异常呈北东向等间距排列，其东北端不同程度的北西向扭曲(钉子状);城区南部由于资料少，未发现地温高于15℃的异常，地温偏高区零星分布，形状不规则(仅在大兴东至通州南东一带呈现一定的断续北东向分布)，其余大部分地区地温正常。北京平原区地温异常分布见图9－11。各地区主要地温异常分述如下。

图9－11 北京平原区地下70m深度地温分布图

(1)南口异常。位于南口地区西南，流村－洼里一带，面积41km2，地温异常大于16℃的有两块，面积为15km2。
(2)阳坊异常。位于阳坊镇附近，前白虎间－双塔一带，呈东西向块状分布，面积为16.6km2，异常峰值大于16℃。
(3)沙河异常。位于沙河地区北，北至姜屯、东沙屯，面积为23.6km2，大于16℃的面积有8.8km2。
(4)小汤山异常。位于大汤山东南，异常呈椭圆状，面积为20.7km2，大于16℃的面积有17.5km2。
(5)洼里异常。分布在洼里周围，北至北七家，南至北太平庄，西到昆明湖，面积为100km2，大于16℃的地温异常面积有50.6km2。
(6)牛栏山西异常。范围包括官志卷、晏子庄及相各庄等，面积为68km2，异常呈北西向的条带状分布，大于16℃的面积为3.3km2。
(7)首都机场东异常。为一北东向分布的窄条状异常，北起米各庄，南至北马坊，面积21.6km2，大于16℃的异常面积为11.8km2。
(8)北河村异常。位于潮白河边，范围包括西树行、史各庄、官庄等，面积为16km2，异常最高达17.1℃。
在平原区内还分布较多面积小于10km2的地温异常区，在此不一一描述。除了局部异常区外，在平原区内，大部分地区的地温属于正常温度，一般温度为14℃。
上述地温异常的分布和温度变化特征与地质构造有密切的关系，如洼里地温异常和首都机场地温异常，多口地热井证实与断裂构造有关。
(二)浅层地温场垂直方向变化规律
根据浅层地温监测资料统计结果，北京平原区地下2m至地表范围内受季节气候变化影响较大。1～2月是北京最冷的季节，地下0.5m处的温度已降至0℃以下，而地下1m处的温度仍在0℃以上，说明了该地区的冻土层在0.5～1.0m之间。地下2～10m间温度受季节气候的变化影响逐渐减少;地下深度10m以下，几乎不受当地季节气候的变化影响;地下100m范围内地层由浅至深，温度由低到高，温度值的变化范围在12℃～16℃。总的来说，北京平原区地下10m范围内的温度受季节气候的影响;地下深度10m以下的温度不受季节的影响，主要受地球内部热力控制。下面两个地区的测试结果能直观地看出这个特点。
1.北京永丰地区用友软件园观测结果
北京永丰地区用友软件园观测站地下温度长期观测结果见图9－12。从图中可以看出不同深度处的温度随时间的变化。在10m以上地层温度受季节气温变化影响，曲线随着季度气候变化，曲线起伏变化大;10m以下地层温度随气温变化很小，曲线起伏基本平直。
2.北京奥林匹克公园浅层地温测试结果
北京奥林匹克公园浅层地温测试结果见图9－13，测试时间为2007年12月10日。从图中可以看出，多条观测曲线显示温度随深度增加的变化规律，总体上地层温度随深度的增加而升高。表层10m深度内受大气温度的影响，温度差异较大，地下10m以下温度基本上保持较为平稳的递增趋势。

温度是各种地质作用得以发生的重要条件和主导因素。研究盆地地温场,不仅可以揭示盆地的基底构造形态和热结构,为盆地的构造演化、热演化过程和盆地的成因动力学分析提供依据,更重要的是随着对石油、天然气、地热资源生成规律和演化过程的深入研究和勘探开发,人们愈加注意到,盆地地温场对储层结构研究、探索能源分布和勘探开发布局都具有重要的理论意义和实际价值。对于寻找石油天然气,需要针对性地研究现今地温场及古地温场的演化;但对于寻找、开发利用地热来说,着重对现今地温场的研究和应用。

1.古地温对储层结构影响分析

以四川盆地为例,四川盆地现今地温梯度为2.0～2.5℃/100m,但近年来通过镜质体反射率法、矿物包裹体测温法、粘土矿物相转变法以及裂变径迹法等多种手段进行古地温研究之后发现,四川盆地早白垩世末至始新世期间古地温梯度曾高达3.2～4.8℃/100m,上三叠统底部最高古地温曾高达160～280℃。高古地温加速了孔隙型储层化学作用进程和层间介质流动,众所周知,温度每增加10℃,化学反应速度可增加一倍。无论是孔隙型储层胶结、充填或矿物自生加大,温度都是一个最积极、最活跃的因素。温度,特别是温差,还能加速层间介质的流动或循环,不断带入新的物质,为岩石致密化提供必要的物质保障,可见,高古地温对四川盆地超低孔隙储层的致密化作用具有重要影响(伍大茂,1998)。

2.圈定基底凸凹构造特征

前面多次提到,来自地壳深部的均匀热流,它的流向和流量的分配决定于传导介质的总热阻,热流总是向热阻最小的方向流动。因此,地壳深部均一的热流向上传导时,热流向热阻最小的基岩凸起区集中,使凸起区的热流逐渐增加,并对上覆盖层地温梯度有很大影响,二者有一定的对应关系。根据天津地区大量资料分析,当基岩埋深不大时,基底地层温度越高,则盖层平均地温梯度越大。因此,当基岩岩性不明,可以利用盖层平均地温梯度值来定性判定基岩岩性。在相同地质条件下,盖层地温梯度与基岩埋深成反比关系,当基岩埋深不清,可以利用盖层平均地温梯度值的大小,判断基岩起伏情况。也就是说,在一定条件下,盖层地温梯度与基底岩性和基岩埋深是可以相互印证的。王兰庄地热田在勘探初期,曾参照基岩地层温度和盖层平均地温梯度图,对基底岩性不清地段,进行了岩性界面的修改,修改后的地质图符合地质变化规律并在后来的勘探中得到验证。

3.垂向测温曲线与储层特征分析

在垂向测温曲线中,增温较慢或地温梯度较小的部位是储层热对流强烈的部位,也是区域主要的赋水层位。图2-21和图2-22分别为天津地区WR-63井、WR-73井基岩段的井温曲线。从图中可以看出,WR-63井和WR-73井热流状态明显不同。WR-63井1400～2700m段井温曲线紊乱,但仔细分析一下,也能看出其中的一些规律。1500m处地温为92.2℃,2700m处地温为92.8℃,1500～2700m长达1200m的深度范围内几乎没有增温。对照地层和所处的构造部位,1500～2700m均为雾迷山组,且 WR-63井处于中、新元古界潜山的最顶段,构造裂隙发育,故1500～2700m间热传递以热对流形式为主,几乎没有热传导成分。

图2-21 WR-63井温曲线图

图2-22 WR-73井温曲线图

图2-23 印尼BEL-02、BEL-03温度-压力测井曲线

WR-73井井温曲线大致可以分为3段,1100～1250m间增温幅度较小,1250～2715m间具有一定的增温率,2715～3140m间增温幅度更小。对照地层,1100～1250m为奥陶系,岩溶裂隙发育,热传导与热对流相互叠加,且似乎热对流成分大于热传导成分。1250～2715m间为寒武系和青白口系,热传递以热传导为主导形式。2715～3140m间为雾迷山组,各种类型的孔、洞、缝发育,热传导与热对流相互叠加,以热对流为主。

印尼巴厘能源公司与石油天然气总公司(Pertamina)联合对百度谷地热进行勘探中钻了3个勘探孔,其中BEL-02井和BEL-03井井口压力低,产能小,单井3～4MW,这个产量在高温地热田里属于中低产量。一方面原因是储层条件较差,另一方面成井工艺有问题。从百度谷地热井测温剖面看,下入井内的第3套技术套管的位置约在1480～1870m位置,该套管外已实施水泥浆固井,将套管与井壁的环状间隙封闭了。从地热井测温剖面(图2-23)可以看出,BEL02井在1520～1870m井段的井温梯度极低,呈一条倾角极陡的线,在这350m井段内温度只增加了约6℃,即井温梯度为1.71℃/100m。但是,在该井目前的生产井段,即套管以下的裸眼井段,井温梯度均大于此数,从1870～2230m约为10.0℃/100m,在2230～2400m约为28.8℃/100m。这样的井温梯度说明:小梯度段是热对流段,而大梯度段是热传导段。热对流段是有流体(高温热水)流动的,而热传导段是相对隔水、隔热的。可以认为该地热井井身结构错误在于将有水的对流段用套管“固井”封隔死了,而留作现在出水的井段是透水性差的热传导段。

再从图2-23中看BEL-03井的测温剖面,其1490～1910m的热对流段也基本上被井套管“固井”封隔了,只是没有像BEL-02井那样底脚部分未全封死(郑克棪,2008)。

4.推测断裂位置

由于基底深大断裂控制区域地温场,在掌握了区域地温场特征以后,可以推测控制地温场的基底断裂带的大致位置和走向。虽然沿断裂分布的地温场受盖层厚度、基岩岩性、结构特征以及地下水的影响,变化范围较大(盖层越厚,变化范围越大),但通过统计、回归分析,仍可推测出断裂带的大致位置或者断裂带的交会部位,只要这个断裂是较大的导水导热断裂。

5.布置物探工作、确定勘探靶区

地温场调查成本低,风险小,成果可利用度高,是勘查开发地热一个非常重要的环节。

在一个地热地质空白区,针对农用机井和水文孔开展地温场调查,内容包括井位(可采用GPS卫星定位仪进行坐标定位)、井身结构、地层岩性、水位,并建立机井档案,在水量、水位稳定后测量井口出水温度;同时选择长期不用的、较深的(一般大于200m)水文孔进行地温的稳态测量工作,稳态测温间隔一周1次、连续测量3次以上,以使所得数据连续、真实、可靠。综合分析取得的温度数据,作出定深温度分布图或盖层平均地温梯度图,选择温度相对高的区域,结合基础地质条件分析,确定地面物探工作方法和技术方案,为勘探靶区确定提供依据。

6.生态环境影响分析

从鄂尔多斯盆地大地热流值与生态环境格局分析可知,盆地东北部和南部的大地热流值较高,平均为65.3～67.3mW/m²,生态环境相对较好;而西北部(东经107°30'以西,北纬37°以北)大地热流值最低,平均为55mW/m²,生态环境最劣,荒漠化最为严重。这就是说,大地热流决定了一个地区地表温度的下限,它是区域生态系统发育与演变过程中一个重要的物种限制因子。由于生物物种的多样性决定了生态系统的稳定性,大地热流也是决定区域生态系统稳健性的一个重要指标。具初步研究,维持地表生态系统延续所需大地热流的临界值是57mW/m²,小于此值的地区自然生态系统脆弱,反之,自然生态系统稳健。

局部的地热异常能够对植物的不同变化产生影响,反之亦可帮助我们确定地热异常区。如河北省遵化市马兰峪温泉、秦皇岛热水头和汤泉寺温泉以及平山县温塘热泉等地热分布范围,基本都是借助植物在地热异常区和非异常区生长的明显差异来确定的。因为植物生长离不开地下水,不同水质和水温的地下水对植物生长又有显著的影响,所以,有时从植物的外貌上就能清楚地反映出这种差异(黄尚瑶, 1986)。

7.地震活动性分析

以扬子、华南地区为例,其地温梯度普遍在20～25℃/km之间,表明扬子克拉通和华南造山带内部现今构造活动具稳定性特征。虽然华南地区中生代岩浆作用强烈,地壳曾经“活化”,但其热效应已然消失,对区域地温梯度未见增高作用。这种稳定性可从中国大陆地震分布图上得到非常清楚的反映,中国南方扬子地块与华南造山带内部大于5级的地震分布频率明显低于华北和滇、藏地区,这一特征从另一侧面印证了区域地温梯度特征与地震活动性的关系。

地热异常区往往就是地震活动的地区或地段。如山东临沂市汤头温泉,恰是1668年7月25日震惊全国的、震级M=8.5的强震震中所在区;河北怀来地热异常区也是地震活动频繁地区;广东省东山湖热泉、新州热泉、红十月热泉都是六级地震震中区;1972年3月30日在广东省信宜附近发生一次三级构造地震,使西江热水钻孔孔底温度增高4℃。原因在于地震活动与区域主控断裂、活动断裂关系密切,而地热异常区常常受主干断裂控制,所以,地震活动区往往与地热异常区重叠(徐世光,2009)。

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