利用自然伽馬測井計(jì)算準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率及其熱流貢獻(xiàn)

饒松，朱傳慶，廖宗寶，姜光政，胡圣標(biāo)，汪集旸

1中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3中國石油大學(xué)（北京），北京 102249

4中海油研究總院，北京 100027

1 引言

地殼巖石中含有60多種不穩(wěn)定核素，這些自然放射性核素衰變釋放出的熱能是地球內(nèi)部的主導(dǎo)熱源.但并不是所有的放射性元素都對生熱有貢獻(xiàn)，放射性元素生熱必須具備三個(gè)條件：①具有足夠的豐度；②生熱量大；③半衰期與地球年齡相當(dāng).在地球發(fā)展的整個(gè)歷史時(shí)期中，能為地球提供大量熱能的放射性同位素只有鈾、釷和鉀這三種元素.放射性元素的時(shí)空分布對地球內(nèi)部溫度場的影響很大，地表熱流中來自放射性元素生熱的熱流貢獻(xiàn)可以達(dá)到30%～40%甚至50%（邦特巴思，1988；邱楠生等，2004）.

單位體積巖石中所含放射性元素在單位時(shí)間內(nèi)衰變所釋放的能量稱為巖石放射性生熱率，它是描述巖石熱物理性質(zhì)的基本參數(shù)之一，也是研究一個(gè)地區(qū)深部熱狀態(tài)、巖石圈熱-流變學(xué)結(jié)構(gòu)等深部物理特征以及構(gòu)造-熱演化等動力學(xué)過程必不可少的有效參數(shù)（胡圣標(biāo)等，1994；Hu etal.，1994；Wang etal.，2000；汪集旸等，2001；Shi etal.，2002；Liu etal.，2004；He etal.，2008）.對于含油氣盆地，沉積層生熱率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，對盆地現(xiàn)今地溫場計(jì)算、熱史恢復(fù)、烴源巖熱演化模擬和油氣資源評價(jià)等都具有重要意義（汪集旸和汪輯安，1986；王良書等，1991，1996；何麗娟，1999；He etal.，2001；2002）.

目前，確定地殼巖石放射性生熱率的方法主要包括三種：一是通過地球化學(xué)方法（ICP-MS和XRF）直接測量巖石樣品中放射性產(chǎn)熱元素U、Th、K元素的含量，結(jié)合巖石密度測量結(jié)果，采用一些學(xué)者提出的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算巖石樣品放射性生熱率（Birch，1954；Rybach，1976；Wollenberg and Smith，1987），這種方法獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，是目前最常用的確定巖石生熱率的方法，但需要在研究區(qū)采集相當(dāng)數(shù)量的有代表性的巖樣，且測試耗時(shí)較長，成本較高；二是根據(jù)地震波速估算巖石生熱率（王良書等，1996；Rybach，1986），這種方法獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，主要用于地殼深部（中、下地殼）巖石生熱率的估算；三是采用地球物理測井方法直接深入鉆孔測量井壁巖石中天然放射性強(qiáng)度（自然伽馬測井）或U、Th、K元素的含量（自然伽馬能譜測井）換算成巖石生熱率，最常見的是通過自然伽馬（GR）與生熱率（A）的相關(guān)關(guān)系，將自然伽馬測井值直接換算成巖石生熱率（Rybach，1986；Bucker etal.，1996；駱淼等，2008；Bucker etal.，2001；Norden and Forster，2006）.在GR-A相關(guān)關(guān)系可靠的基礎(chǔ)上，這種方法獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量依然很高，且方便快捷，彌補(bǔ)了地球化學(xué)方法耗時(shí)長、成本高和需要系統(tǒng)巖石樣品的弊端.

作者收集了準(zhǔn)噶爾盆地不同構(gòu)造單元16口代表性鉆孔自然伽馬測井曲線，采用不同學(xué)者提出的GR-A經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，分別計(jì)算了6120個(gè)沉積層生熱率，通過與實(shí)測生熱率的對比，確定了適用于研究區(qū)的GR-A經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，據(jù)此建立了準(zhǔn)噶爾盆地地層生熱率柱.此外，結(jié)合地震轉(zhuǎn)換波探測揭示的沉積層結(jié)構(gòu)，計(jì)算了研究區(qū)沉積層生熱的熱流貢獻(xiàn)，以盆參2井為例定量分析了沉積層熱流的增溫效應(yīng).本次工作是關(guān)于準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率及其熱流貢獻(xiàn)的首次系統(tǒng)性研究，是研究區(qū)現(xiàn)今地溫場和巖石圈熱結(jié)構(gòu)最新研究進(jìn)展的一部分，該研究成果將為盆地深層—超深層烴源巖熱史研究、熱演化模擬和油氣資源評價(jià)提供可靠的地?zé)釋W(xué)依據(jù).

2 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部，處于東經(jīng)81°～92°、北緯43°～48°之間，是我國西部重要的含油氣盆地.盆地平面形狀呈南寬北窄的近三角形，東西長700km，南北寬370km，面積13.4×104km2，沉積層最大厚度可達(dá)15km（陳業(yè)全和王偉鋒，2004）.從現(xiàn)今大地構(gòu)造位置上看，準(zhǔn)噶爾盆地位于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊及塔里木板塊的三角地帶，是哈薩克斯坦板塊的東延部分，為三面被古生代縫合線包圍的晚石炭世到第四紀(jì)發(fā)展起來的典型的多旋回疊合盆地（陳發(fā)景等，2005；張朝軍等，2006），具有由早古生界褶皺基底和前寒武系結(jié)晶基底組成的“雙層基底”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（邵學(xué)鐘等，2008；趙俊猛等，2008），經(jīng)歷了多期構(gòu)造-熱演化（潘長春等，1997；Wang etal.，2001；Qiu etal.，2005）.以整體構(gòu)造演化特征為背景，根據(jù)盆地各區(qū)構(gòu)造演化和含油氣方面的差異性，準(zhǔn)噶爾盆地可以劃分為6個(gè)一級構(gòu)造單元共44個(gè)二級構(gòu)造單元（楊海波等，2004），如圖1所示.

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造單元劃分（據(jù)楊海波等，2004）與計(jì)算沉積層生熱率鉆井、地震轉(zhuǎn)換波測線分布（據(jù)邵學(xué)鐘等，2008）I—烏倫古坳陷（Wulungu Depression）；Ⅱ—陸梁隆起（Luliang Uplift）；Ⅲ—中央坳陷（Central Depression）；Ⅳ—西部隆起（Western Uplift）；Ⅴ—北天山山前坳陷（Southern Depression）；Ⅵ—東部隆起（Eastern Uplift）.Fig.1 Distribution of structural units（after Yang etal.，2004），the calculated boreholes of heat production rate and seismic converted wave survey line（after Shao etal.，2008）in Junggar Basin

關(guān)于現(xiàn)今地溫場和巖石圈熱結(jié)構(gòu)最新研究表明（饒松等，2013），準(zhǔn)噶爾盆地現(xiàn)今地溫梯度平均21.3±3.7℃·km-1，大地?zé)崃髌骄?2.5±7.4mW·m-2，表現(xiàn)為低地溫梯度、低大地?zé)崃鞯摹袄洹迸杼卣?準(zhǔn)噶爾盆地大地?zé)崃髋c地溫梯度分布規(guī)律基本一致，主要受控于基底的構(gòu)造形態(tài)，東部隆起最高，陸梁隆起次之，烏倫古凹陷、中央凹陷和西部隆起較低，北天山山前坳陷最低.準(zhǔn)噶爾盆地地殼熱流介于18.8～26.0mW·m-2，地幔熱流介于16.5～23.7mW·m-2，殼幔熱流比值變化于0.79～1.58，屬于典型的“冷殼冷幔”型熱結(jié)構(gòu).

3 原理與方法

3.1 自然伽馬測井原理

自然伽馬測井是最常見的放射性測井方法之一，記錄的是地層中所含放射性元素衰變時(shí)放出的伽馬射線強(qiáng)度，它既可以在套管井中進(jìn)行測量，也可以在空井和油基泥漿井中進(jìn)行測量，由于其廣泛的應(yīng)用范圍使其成為最常見的地球物理測井方法之一（張勝業(yè)和潘玉鈴，2004）.目前，自然伽馬測井不僅在油氣勘探中用于劃分巖性、確定泥質(zhì)含量、地層對比，而且在古環(huán)境、古氣候恢復(fù)方面日益受到關(guān)注（宋子齊等，2009；李建紅和周倫先，2008；陳中紅等，2004）.

自然伽馬測井的原理是：γ射線探測器探測到地層的γ射線，并將γ射線變換成電脈沖信號（每一道γ射線變換成一個(gè)電脈沖信號），此脈沖信號送入井下的放大器進(jìn)行放大，然后送入地面的放大器再次進(jìn)行放大（其原因是脈沖信號通過電纜之后會有所衰減）.由于脈沖信號中混合一些干擾信號，需經(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，排除干擾，將一些有畸變的信號送入整形器進(jìn)行整形.歸一后的波形送入計(jì)數(shù)率計(jì)電路，此電路把脈沖信號變換成與單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)成正比的電位差，記錄儀連續(xù)記錄電位差，最后得到自然伽馬測井曲線.自然伽馬測井最常用的單位是API（美國石油學(xué)會—American Petroleum Institute推薦使用）.

3.2 利用自然伽馬測井計(jì)算生熱率的理論基礎(chǔ)和方法

自然伽馬測井記錄的是沉積地層中來自于U、Th和K總的伽馬強(qiáng)度，其對生熱率A／（μW·m-3）的貢獻(xiàn)可以用下式描述（Rybach，1976）：

式中，ρ是巖石密度（單位為kg·m-3）；CU、CTh、CK分別為放射性元素U、Th、K的含量，單位分別為ppm（×106）、ppm（×106）、%.

由于自然伽馬測井儀對U、Th和K的敏感性與方程（1）中相應(yīng)的生熱系數(shù)具有相似的比例，且地殼巖石中Th／U、K／U比例是恒定的，因此在特定的鉆孔深度間隔內(nèi)，自然伽馬測井計(jì)數(shù)與生熱率之間必定存在著簡單的線性關(guān)系，這便構(gòu)成了利用自然伽馬測井直接計(jì)算巖石生熱率的理論基礎(chǔ).

1986年，Rybach通過實(shí)測生熱率與自然伽馬計(jì)數(shù)的對比，最早提出GR-A的線性關(guān)系：

1996年，Bucker and Rybach（1996）基于大量鉆孔巖心實(shí)測資料，通過最小二乘法擬合，對GR-A的線性關(guān)系做了進(jìn)一步修正，這也是目前使用最為廣泛的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（Bucker etal.，2001；Norder and Forster，2006）：

駱淼等（2008）通過對中國大陸科學(xué)鉆探（CCSD）主孔100～5000m自然放射性測井（自然伽馬和自然伽馬能譜）與實(shí)測生熱率數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，建立了新的GR-A線性關(guān)系：

3.3 研究區(qū)GR-A經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

截止到目前，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率研究極少，僅邱楠生（2002）實(shí)測了盆地8口鉆孔共45個(gè)巖心樣品的生熱率.由于取芯深度和測井深度之間可能存在的差異，以及自然伽馬測井中統(tǒng)計(jì)漲幅現(xiàn)象的存在，因此很難通過僅有的45個(gè)實(shí)測生熱率值和自然伽馬測井計(jì)數(shù)來直接建立或者判識研究區(qū)GRA的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.

收集了準(zhǔn)噶爾盆地16口代表性鉆孔的自然伽馬測井曲線，其測量間隔均為0.125m.圖2為分別采用以上不同經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果的對比，三者變化趨勢完全一樣，只是計(jì)算獲得的生熱率值存在差異，其中利用Bucker and Rybach（1996）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到的生熱率最大，Rybach（1986）次之，駱淼等（2008）最??；對于生熱率值較大的巖性段（如莫深1井6783～6800m泥巖段、石120井2452～2476m泥巖段），三者差異較大，而對于生熱率值較小的巖性段（如莫深1井6890～6900m凝灰?guī)r段、石120井2486～2498m砂礫巖段），三者差異較小.

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地莫深1井6750～6900m（a）和石120井2450～2600m（b）自然伽馬與計(jì)算生熱率曲線Fig.2 The curves of GR logging and calculated heat production rate in 6750～6900minterval of Well Ms1（a）and 2450～2600minterval of Well S120（b）in Junggar Basin

在保證數(shù)據(jù)有效分析的前提下，為了提高數(shù)據(jù)分析的效率，作者對自然伽馬測井曲線進(jìn)行1／80抽析，即每10m取一個(gè)自然伽馬測井值，如對于莫深1井，分別提取500、510、520m，…，7480、7490、7500m深度共701個(gè)自然伽馬測井值.然后，分別采用以上不同經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，各計(jì)算了16口鉆孔共6120個(gè)沉積層生熱率.準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率計(jì)算值和實(shí)測值的統(tǒng)計(jì)對比表明，利用Bucker and Rybach（1996）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到的6120個(gè)生熱率與45個(gè)實(shí)測生熱率，具有非常相近的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（前者為1.179±0.339μW·m-3，后者為1.137±0.331μW·m-3，邱楠生，2002），如表1所示，以及最相似的頻率分布特征（圖3）.因此，Bucker and Rybach（1996）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式最適用于準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率的計(jì)算.

4 計(jì)算結(jié)果

利用Bucker and Rybach（1996）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的6120個(gè)沉積層生熱率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3b和表1所示.準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率值相對比較集中，大致變化于0.2～2.2μW·m-3之間，主體介于0.8～1.6μW·m-3，占計(jì)算值的81%.從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層平均生熱率為1.179±0.339μW·m-3.這一計(jì)算結(jié)果與邱楠生（2002）45個(gè)實(shí)測生熱率平均值1.137±0.331μW·m-3非常相近，與倪守城等（1999）對新疆北部地區(qū)巖石生熱率研究結(jié)果也基本一致.總體上，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層平均生熱率與塔里木盆地1.196±0.886μW·m-31）《中國陸域海相沉積盆地現(xiàn)今地溫場與巖石圈熱結(jié)構(gòu)》，北京：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究報(bào)告，2011年11月接近，低于西部柴達(dá)木盆地（邱楠生，2002），與中國東部地區(qū)特別是東南浙、閩、粵等地相比則更低（趙平等，1995）.

表1 利用不同GR-A經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算的生熱率與實(shí)測生熱率的對比Table 1 Comparisons of measured and calculated heat production rate by different GR-Aempirical relationships

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地利用自然伽馬測井計(jì)算的沉積層生熱率與實(shí)測生熱率統(tǒng)計(jì)直方圖（a）為利用Rybach（1986）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的生熱率；（b）為利用Bucker and Rybach（1996）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的生熱率；（c）為利用駱淼等（2008）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的生熱率；（d）為邱楠生（2002）實(shí)測沉積層生熱率.Fig.3 Histograms of measured and calculated heat production rate by different GR—A empirical relationships（a），（b）and（c）is calculated heat production rate by GR—A empirical relationship of Rybach（1986），Bucker and Rybach（1996）and Luo etal.（2008），respectively.（d）is measured heat production rate by Qiu（2002）.

圖4 所示為準(zhǔn)噶爾盆地北天山山前坳陷西湖1、霍10井，中央坳陷莫深1、瑪13、瑪東1井，西部隆起沙門1、中佳1、金龍6、風(fēng)城1井，陸梁隆起陸9、石120、陸東1、滴中1井，烏倫古坳陷倫參1井，和東部隆起石樹1、臺8井共16口鉆孔的生熱率隨深度變化，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.由圖4和表2可以看出，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率總體上具有隨著深度增加（時(shí)代變老）逐漸降低的趨勢，如莫深1井上組合沉積層生熱率相對較大，下第三系生熱率平均為1.477μW·m-3；中組合沉積層生熱率次之，其中白堊系生熱率平均為1.534μW·m-3，侏羅系生熱率平均為1.157μW·m-3；下組合沉積層生熱率最低，其中三疊系生熱率平均為1.076μW·m-3，二疊系生熱率平均為0.998μW·m-3，石炭系生熱率平均為0.872μW·m-3.再如，金龍6井白堊系平均生熱率為1.030μW·m-3，侏羅系為0.823μW·m-3，三疊系為0.921μW·m-3、二疊系和石炭系生熱率很低，分別僅為0.529μW·m-3和0.440μW·m-3.

此外，從沉積層生熱率的離散程度來看，準(zhǔn)噶爾盆地下組合要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中—上組合，中—上組合生熱率隨深度基本呈線性展布，生熱率值突變并不多見，而下組合中沉積層生熱率“尖峰狀”和“箱狀”變化更加普遍，如風(fēng)城1井4100～4600m井段、臺8井2650～2880m井段頻繁地出現(xiàn)多個(gè)高生熱率“尖峰”，陸東1井3900～4400m井段、4810～5050m井段出現(xiàn)了高生熱率“箱”.這可能反映了盆地石炭紀(jì)—二疊紀(jì)構(gòu)造—熱活躍期沉積環(huán)境和巖石類型的頻繁變化.

對6120個(gè)計(jì)算生熱率值按照層位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，建立了準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率柱（圖5）.總體上看，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率隨著時(shí)代變老，生熱率呈現(xiàn)出遞減趨勢：第四系平均生熱率最高，為1.309μW·m-3；新近系平均生熱率次之，為1.250μW·m-3；古近系和白堊系平均生熱率相當(dāng)，均為1.238μW·m-3；侏羅系、三疊系平均生熱率相對較低，分別為1.141μW·m-3和1.071μW·m-3；二疊系和石炭系生熱率最低，平均分別僅為0.997μW·m-3和0.881μW·m-3.準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率隨著時(shí)代變老（埋深增加）逐漸降低的現(xiàn)象，可能體現(xiàn)了地殼放射性元素U、Th和K40向地殼淺部富集的普遍規(guī)律.

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地不同沉積層生熱率平均值柱狀圖Fig.5 The average heat production rate columns of the sedimentary formation in Junggar Basin

5 討論

5.1 準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流貢獻(xiàn)

地表熱流（q）是地球內(nèi)熱在地表的直接反映，它由兩部分組成，即地殼巖石中U、Th、K等放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱量（地殼熱流，qc）和來自地球深部的熱量（地幔熱流，qm）.地殼熱流中，來自沉積層放射性生熱的熱流貢獻(xiàn)（沉積層熱流，qs）取決于兩個(gè)因素：沉積層厚度和沉積層放射性元素豐度（沉積層生熱率）.沉積層熱流可以用以下公式計(jì)算：

沉積層熱流在地殼熱流和地表熱流中的比例可以分別用f1和f2表示：

式中，qi為沉積層中第i層放射性生熱的熱流貢獻(xiàn)，Ai為沉積層中第i層的生熱率，Zi為沉積層中第i層的厚度，n為沉積層的層數(shù).

在準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率柱建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合邵學(xué)鐘等（2008）采用天然地震轉(zhuǎn)換波測深方法揭示的沉積層結(jié)構(gòu)，計(jì)算了4條轉(zhuǎn)換波測線共250個(gè)測點(diǎn)（測點(diǎn)位置如圖1所示）沉積層熱流值，通過Kringing插值方法，編制了準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流等值線圖（圖6）.結(jié)果表明，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流平均值為7.9mW·m-2，約占平均地殼熱流24.6mW·m-2的29.2%和平均大地?zé)崃?2.5mW·m-2的19.6%.由此看來，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流是地殼熱流和地表熱流的重要組成部分，一定程度上彌補(bǔ)了盆地深部“冷”幔結(jié)構(gòu)的較低熱流.區(qū)域上，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流分布特征與盆地沉積層厚度大體一致，表現(xiàn)為中央坳陷最大，平均大于13mW·m-2，阜康凹陷和沙灣凹陷甚至超過15mW·m-2；北天山山前沖斷帶變化較大，霍瑪吐背斜帶普遍大于13mW·m-2，阜康斷裂帶介于7～13mW·m-2，齊古斷褶帶變化于5～13mW·m-2，四棵樹凹陷普遍小于7mW·m-2；陸梁隆起和西部隆起次之，介于3～7mW·m-2，平均約為5mW·m-2；東部隆起和烏倫古坳陷沉積層熱流很低，普遍小于5mW·m-2.

圖7為準(zhǔn)噶爾盆地地震轉(zhuǎn)換波測線Ⅱ和Ⅲ沉積層熱流及其在地殼熱流和地表熱流的比例.測線Ⅱ近東西走向，經(jīng)過盆地西部隆起車排子凸起、紅車斷裂帶，中央坳陷沙灣凹陷、莫南凸起、阜康凹陷，東部隆起北三臺凸起、沙奇凸起、石樹溝凹陷、黃草湖凸起等共9個(gè)二級構(gòu)造單元；測線Ⅲ近南北走向，依次穿過北天山山前沖斷帶齊古斷褶帶、霍瑪吐背斜帶，中央坳陷莫南凸起、沙灣凹陷、莫索灣凸起、盆1井西凹陷、達(dá)巴松凸起，陸梁隆起夏鹽凸起、三個(gè)泉凸起、英西凹陷、石英灘凸起，烏倫古坳陷索索泉凹陷、紅巖斷階帶等共13個(gè)二級構(gòu)造單元.由圖7a可以明顯看出，測線Ⅱ從西部隆起→中央坳陷→東部隆起，沉積層熱流從低→高→低，沉積層熱流在地殼熱流和地表熱流的比例變化規(guī)律與沉積層熱流一致，表現(xiàn)為坳陷高、隆起低，其中中央坳陷沉積層熱流約15mW·m-2，占地殼熱流比例超過50%，在地表熱流中的貢獻(xiàn)超過40%.圖5b展示的測線Ⅲ沉積層熱流貢獻(xiàn)變化規(guī)律與測線Ⅱ一致，從北天山山前坳陷→中央坳陷→陸梁隆起→烏倫古坳陷，沉積層熱流貢獻(xiàn)從低→高→低→低變化.

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流等值線圖Fig.6 The contour map of heat flow contribution of the sedimentary formation in Junggar Basin

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地地震轉(zhuǎn)換波測線Ⅱ和Ⅲ沉積層熱流貢獻(xiàn)（a1）、（b1）分別為測線Ⅱ和Ⅲ沉積層熱流；（a2）、（b2）分別為測線Ⅱ和Ⅲ沉積層熱流在地殼熱流中的比值；（a3）、（b3）分別為測線Ⅱ和Ⅲ沉積層熱流在地表熱流中的比值.Fig.7 The heat flow contribution of the sedimentary formation of seismic converted wave survey lineⅡandⅢin Junggar Basin（a1），（b1）is sedimentary formation heat flow of survey lineⅡandⅢ，respectively.（a2）、（b2）is the proportion of sedimentary formation heat flow in crustal heat flow of survey lineⅡandⅢ，respectively.（a3）、（b3）is the proportion of sedimentary formation heat flow in terrestrial heat flow of survey lineⅡandⅢ，respectively.

5.2 準(zhǔn)噶爾盆地沉積層放射性生熱的增溫意義

以上對不同沉積層放射性生熱率的統(tǒng)計(jì)及盆地沉積層熱流貢獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果表明，準(zhǔn)噶爾盆地沉積層放射性生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)平均為7.9mW·m-2，約占地表熱流值42.5mW·m-2的19.6%.這種增溫效應(yīng)直觀地體現(xiàn)在地?zé)崽荻壬?，使得現(xiàn)今的平均地?zé)崽荻?1.3℃·km-1中約有3.6℃·km-1是由沉積層放射性生熱引起的（準(zhǔn)噶爾盆地平均巖石熱導(dǎo)率為2.209W·（m·K）-1（饒松等，2013）.

準(zhǔn)噶爾盆地新生代以來獨(dú)特的大地構(gòu)造活動性塑造了盆地地殼厚度大、地溫梯度小、主體油氣藏埋深大的油氣地質(zhì)背景，沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng)顯然會增加深層（埋深超過4500m）和超深層（埋深大于6000m）烴源層的受熱溫度，促進(jìn)烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化，這對于準(zhǔn)噶爾盆地以低地溫梯度、低大地?zé)崃鳛樘卣鞯摹袄渑琛钡挠蜌赓Y源評價(jià)、勘探目標(biāo)優(yōu)選無疑意義重大.

作者以準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷盆參2井（鉆井位置如圖1所示）為例，定量計(jì)算沉積層放射性生熱的熱效應(yīng).盆參2井完鉆井深5300m，完鉆層位為下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s，未穿），自上而下鉆遇第四系西域組（Q1x），新近系獨(dú)山子組（N2d）、塔西河組（N1t）、沙灣組（N1s），古近系安集海河組（E3a）、紫泥泉子組（E1-2z）、上白堊統(tǒng)東溝組（K2d）、下白堊統(tǒng)吐谷魯群（K1tg），上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q），中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）、西山窯組（J2x），下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）.其中齊古組與頭屯河組不整合接觸，剝蝕厚度約200m；紫泥泉子組與東溝組不整合接觸，剝蝕厚度約260m（李平平等，2006；周路等，2007）.鉆探結(jié)果和油氣源對比研究均表明，下侏羅統(tǒng)三工河組和八道灣組（J1b，三工河組以下，盆參2井未鉆遇）為區(qū)域性有效烴源巖，現(xiàn)今仍處于低成熟—成熟演化階段（陸鵬慶，2010；丁安娜等，1996）.

在考慮和忽略沉積層放射性生熱的兩種情況下，采用一維非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)源熱的熱傳導(dǎo)方程，分別計(jì)算盆參2井三工河組底部溫度史和現(xiàn)今溫度隨深度的變化：

計(jì)算過程中，平均地表溫度取15℃，沉積層熱導(dǎo)率和地表熱流據(jù)饒松等（2013）最新研究成果，盆地?zé)崃餮莼穮⒖糛iu etal.（2005），整個(gè)計(jì)算過程在PRAI公司開發(fā)的BasinMod 1-D軟件中完成.

圖8所示為盆參2井沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng).從三工河組底部溫度史和現(xiàn)今溫度隨深度的變化的計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）在考慮和忽略沉積層放射性生熱的兩種情況下，計(jì)算的三工河組底部溫度差異從古至今逐漸增大，現(xiàn)今二者差異最大；（2）在考慮和忽略沉積層放射性生熱的兩種情況下，計(jì)算的現(xiàn)今溫度差異隨深度增加逐漸增大，在井底5300m深度二者現(xiàn)今溫度分別為115.3℃和108.0℃，相差達(dá)7.3℃.按照以上規(guī)律，越往深層，沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng)將越明顯，約在8000m深度，沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng)將超過10℃.按照油氣有機(jī)成因理論，烴源巖熱演化與時(shí)間成線性關(guān)系，而與溫度呈指數(shù)關(guān)系，即溫度每增加10℃，反應(yīng)速率將增加1倍.因此，沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng)能夠有效促進(jìn)準(zhǔn)噶爾盆地深層—超深層烴源巖熱演化，很顯然，這對于地溫梯度小、主體油氣藏埋深大的準(zhǔn)噶爾盆地的油氣資源評價(jià)和勘探目標(biāo)優(yōu)選具有重要意義.

6 結(jié)論與認(rèn)識

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地盆參2井沉積層放射性生熱的增溫效應(yīng)（a）J1s底部溫度史；（b）現(xiàn)今溫度隨深度的變化.Fig.8 The warming effect of sedimentary formation heat flow and influence to thermal evolution of the J1s source rocks of Well Pc2in Junggar Basin（a）The temperature history in the bottom of J1s；（b）The change of present geotemperature with depth.

沉積層放射性生熱的熱流貢獻(xiàn)（沉積層熱流）是地表熱流的重要組成部分，能夠有效促進(jìn)中國西部以低地溫梯度、低大地?zé)崃鳛樘卣鞯摹袄渑琛钡纳顚印顚訜N源巖增溫和熱演化.本文利用自然伽馬測井曲線計(jì)算了準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率，并據(jù)此計(jì)算了研究區(qū)沉積層放射性生熱的熱流貢獻(xiàn)，得到如下結(jié)論和認(rèn)識：

（1）通過生熱率計(jì)算值與實(shí)測值的統(tǒng)計(jì)對比，確定了Bucker and Rybach（1996）GR-A經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式同樣適用于準(zhǔn)噶爾盆地沉積層生熱率的計(jì)算；

（2）準(zhǔn)噶爾盆地沉積層平均生熱率為1.179±0.339μW·m-3，總體上隨著時(shí)代變老，沉積層生熱率呈現(xiàn)出遞減趨勢，第四系最高，石炭系最低；

（3）準(zhǔn)噶爾盆地沉積層熱流平均為7.9±4.9mW·m-2，約占地殼熱流的29.2%和地表熱流的19.6%，區(qū)域上與盆地沉積層厚度大體一致，表現(xiàn)為中央坳陷最高，北天山山前沖斷帶變化較大，陸梁隆起和西部隆起次之，東部隆起和烏倫古坳陷沉積層熱流最低；

（4）沉積層熱流能夠有效提高深層—超深層烴源層的受熱溫度，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)熱演化.沉積層熱流的增溫效應(yīng)，對于地溫梯度小、主體油氣藏埋深大的準(zhǔn)噶爾盆地油氣資源評價(jià)和勘探目標(biāo)優(yōu)選具有重要意義.

致 謝 鉆孔自然伽馬測井等資料收集中得到中國石油勘探開發(fā)研究院、新疆油田勘探開發(fā)研究院和新疆油田勘探處的大力幫助，兩位匿名審稿專家對本文提出了細(xì)致、寶貴的修改意見，在此一并致謝！

Birch F.1954.Heat from radioactivity.Nuclear Geology.New York：Wiley，148-174.

Bücker C，Rybach L.1996.A simple method to determine heat production from gamma-ray logs.Marine and Petroleum Geology，13（4）：373-375.

Bucker C，Jarrard R D，Wonik T.2001.Downhole temperature，radiogenic heat production，and heat flow from the CRP-3 drillhole，Victoria Land Basin，Antarctica.Terra Antartica，8（3）：151-160.

Buntebarth G.1988.Geothermics：An Introduction（in Chinese）.Yi Z X，Xiong L P，Trans.Beijing：Seismological Press，15-21.

Chen F J，Wang X W，Wang X W.2005.Prototype and tectonic evolution of the Junggar Basin，northwestern China.Earth Science Frontiers（in Chinese），12（3）：77-89.

Chen Y Q，Wang W F.2004.Structural evolution and pool-forming in Junggar Basin.Journal of the University of Petroleum，China（Edition of Natural Science）（in Chinese），28（3）：4-8.

Chen Z H，Zha M，Jin Q.2004.Application of natural gamma ray logging and natural gamma spectrometry logging to recovering paleoenvironment of sedimentary basin.Chinese J.Geophys.（in Chinese），47（6）：1145-1150.

Ding A N，Hui R Y，Meng Q X，etal.1996.Characteristics of source rocks and their hydrocarbon formation in Jurassic system，Junggar Basin，Xinjiang.Petroleum Exploration and Development（in Chinese），23（3）：11-18.

He L J.1999.Mutiple tectono-thermal modeling of Liaohe Basin in the Cenozoic.Chinese J.Geophys.（in Chinese），42（1）：62-68.

He L J，Wang K L，Xiong L P，etal.2001.Heat flow and thermal history of the South China Sea.Physics of the Earth and Planetary Interiors，126（3-4）：211-220.

He L J，Xiong L P，Wang J Y.2002.Heat flow and thermal modeling of the Yinggehai Basin，South China Sea.Tectonophysics，351（3）：245-253.

He L J，Hu S B，Huang S P，etal.2008.Heat flow study at the Chinese Continental Scientific Drilling site：Borehole temperature，thermal conductivity，and radiogenic heat production.Journal of Geophysical Research，113（B2），B02404，doi：10.1029／2007JB004958.

Hu S B，Wang J Y，Wang Y H.1994.Deep temperature and lithospheric thickness long the eastern segment of the Heishui—Quanzhou geotraverse.Chinese J.Geophys.（in Chinese），37（3）：330-337.

Hu S B，Wang J Y.1994.Crustal heat production and mantle heat flow in southeast China.Science in China（Series B），37（10）：1252-1263.

Li J H，Zhou L X.2008.Response features of gamma ray log and its application in glutenite of Dongying depression.Journal of Oil and Gas Technology（in Chinese），30（1）：88-91.

Li P P，Zou H Y，Hao F，etal.2006.Restoration of eroded strata thickness in Cretaceous／Jurassic unconformity in hinterland of Junggar Basin.Acta Petrolei Sinica（in Chinese），27（6）：34-38.

Liu S W，Wang L S，Li C，etal.2004.Thermal-rheological structure of lithosphere beneath the northern flank of Tarim Basin，western China：Implications for geodynamics.Science in China Series D：Earth Sciences，47（7）：659-672.

Lu P Q.2010.Geochemical characteristics of the source rocks in the central depression of Junggar Basin.Journal of Oil and Gas Technology（in Chinese），32（6）：216-218.

Luo M，Pan H P，Zhao Y G，etal.2008.Natural radioactivity logs and interpretation from the CCSD main hole.Earth Science-Journal of China University of Geosciences（in Chinese），33（5）：661-671.

Ni S C，Man F S，Wang J R，etal.1999.Characteristics of heat production distribution in northern Xinjiang.Journal of University of Science and Technology of China（in Chinese），29（4）：408-414.

Norden B，F(xiàn)orster A.2006.Thermal conductivity and radiogenic heat production of sedimentary and magmatic rocks in the Northeast German Basin.AAPG Bulletin，90（6）：939-962.

Pan C C，Zhou Z Y，F(xiàn)an S F，etal.1997.Thermal history of Junggar Basin.Geochimica（in Chinese），26（6）：1-7.

Qiu N S.2002.Characters of thermal conductivity and radiogenic heat production rate in basins of Northwest China.Chinese Journal of Geology（in Chinese），37（2）：196-206.

Qiu N S，Hu S B，He L J.2004.Principles and Applications on Thermal Regime of Sedimentary Basins（in Chinese）.Beijing：Petroleum Industry Press，22-24.

Qiu N S，Zha M，Wang X L，etal.2005.Tectono-thermal evolution of the Junggar Basin，NW China：constraints fromRoand apatite fission track modelling.Petroleum Geoscience，11（4）：361-372.

Rao S，Hu S B，Zhu C Q，etal.2013.The characteristics of heat flow and lithospheric thermal structure in Junggar Basin，northwest China.Chinese J.Geophys.（in Chinese），56（8）：2760-2770.

Rybach L.1976.Radioactive heat production in rocks and its relation to other petrophysical parameters.Pure and Applied Geophysics，114（2）：309-317.

Rybach L.1986.Amount and significance of radioactive heat sources in sediments.Collection Colloques et Séminares，44：311-322.

Shao X Z，Zhang J R，F(xiàn)an H J，etal.2008.The basement structure in Junggar Basin：Deep-sounding by converted waves of earthquakes.Xinjiang Petroleum Geology（in Chinese），29（4）：439-444.

Shi X B，Zhou D，Qiu X L，etal.2002.Thermal and rheological structures of the Xisha Trough，South China Sea.Tectonophysics，351（4）：285-300.

Song Z Q，Li W F，Tang C J，etal.2009.Dividing sedimentary facies and reservoir distributions by using natural potential and natural gamma ray logging curves.Progress in Geophys.（in Chinese），24（2）：650-656.

Wang J Y，Wang J A.1986.Mantle heat flow of Liaohe rifted basin in north China.Chinese J.Geophys.（in Chinese），29（5）：450-459.

Wang J，Hu S B，Cheng B H，etal.2001.Predication of the deep temperature in the target area of the China Continental Scientific Drhling.Chinese J.Geophys.（in Chinese），44（6）：774-782.

Wang L S，Li C，Shi Y S.1991.Influence of radioactive heat generation within lithosphere on geothermal history of extensional basin.Petroleum Geology ＆Experiment（in Chinese），13（3）：257-264.

Wang L S，Li C，Yang C.1996.The lithospheric thermal structure beneath Tarim Basin，western China.Chinese J.Geophys.（in Chinese），39（6）：794-803.

Wang L S，Li C，Liu F T，etal.2000.Thermal-rheological structure of the lithosphere beneath two types of basins in eastern and western China.Science in China Series D：Earth Sciences，43（1）：200-207.

Wang S J，He L J，Wang J Y.2001.Thermal regime and petroleum systems in Junggar Basin，northwest China.Physics of the Earth and Planetary Interiors，126（3-4）：237-248.

Wollenberg H A，Smith A R.1987.Radiogenic heat production of crustal rocks：An assessment based on geochemical data.Geophysical Research Letters，14（3）：295-298.

Yang H B，Chen L，Kong Y H.2004.A novel classification of structural units in Junggar Basin.Xinjiang Petroleum Geology（in Chinese），25（6）：686-688.

Zhang C J，He D F，Wu X Z，etal.2006.Formation and evolution of multicycle superimposed basins in Junggar Basin.China Petroleum Exploration（in Chinese），11（1）：47-58.

Zhang S Y，Pan Y L.2004.Principles on Applied Geophysics（in Chinese）.Wuhan：China University of Geosciences Press，420-430.

Zhao J M，Huang Y，Ma Z J，etal.2008.Discussion on the basement structure and property of northern Junggar basin.Chinese J.Geophys.（in Chinese），51（6）：1767-1775.

Zhao P，Wang J Y，Wang J A，etal.1995.Characteristics of heat production distribution in SE China.Acta Petrologica Sinica（in Chinese），11（3）：292-305.

Zhou L，Zheng J Y，Lei D W，etal.2007.Recovery of eroded thickness of the Jurassic of Chemo palaeouplift in Junggar Basin.Journal of Palaeogeography（in Chinese），9（3）：243-252.

附中文參考文獻(xiàn)

邦特巴思G.1988.地?zé)釋W(xué)導(dǎo)論.易志新，熊亮萍譯.北京：地震出版社，15-21.

陳發(fā)景，汪新文，汪新偉.2005.準(zhǔn)噶爾盆地的原型和構(gòu)造演化.地學(xué)前緣，12（3）：77-89.

陳業(yè)全，王偉鋒.2004.準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造演化與油氣成藏特征.石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），28（3）：4-8.

陳中紅，查 明，金 強(qiáng).2004.自然伽瑪及自然伽瑪能譜測井在沉積盆地古環(huán)境反演中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報(bào)，47（6）：1145-1150.

丁安娜，惠榮耀，孟仟祥等.1996.準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系烴源巖及油氣形成特征.石油勘探與開發(fā)，23（3）：11-18.

何麗娟.1999.遼河盆地新生代多期構(gòu)造熱演化模擬.地球物理學(xué)報(bào)，42（1）：62-68.

胡圣標(biāo)，汪集旸，汪屹華.1994.黑水—泉州地學(xué)斷面東段深部溫度與巖石層厚度.地球物理學(xué)報(bào)，37（3）：330-337.

李建紅，周倫先.2008.東營凹陷砂礫巖自然伽馬測井響應(yīng)特征研究及應(yīng)用.石油天然氣學(xué)報(bào)，30（1）：88-91.

李平平，鄒華耀，郝芳等.2006.準(zhǔn)噶爾盆地腹部白堊系／侏羅系不整合地層剝蝕厚度的恢復(fù)方法.石油學(xué)報(bào)，27（6）：34-38.

陸鵬慶.2010.準(zhǔn)噶爾盆地腹部地區(qū)烴源巖地球化學(xué)特征.石油天然氣學(xué)報(bào)，32（6）：216-218.

駱淼，潘和平，趙永剛等.2008.中國大陸科學(xué)鉆探主孔自然放射性測井及其解釋.地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，33（5）：661-671.

倪守斌，滿發(fā)勝，王兆榮等.1999.新疆北部地區(qū)巖石生熱率分布特征.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，29（4）：408-414.

潘長春，周中毅，范善發(fā)等.1997.準(zhǔn)噶爾盆地?zé)釟v史.地球化學(xué)，26（6）：1-7.

邱楠生.2002.中國西北部盆地巖石熱導(dǎo)率和生熱率特征.地質(zhì)科學(xué)，37（2）：196-206.

邱楠生，胡圣標(biāo)，何麗娟.2004.沉積盆地?zé)狍w制研究的理論與應(yīng)用.北京：石油工業(yè)出版社，22-24.

饒松，胡圣標(biāo)，朱傳慶等.2013.準(zhǔn)噶爾盆地大地?zé)崃魈卣髋c巖石圈熱結(jié)構(gòu).地球物理學(xué)報(bào)，56（8）：2760-2770.

邵學(xué)鐘，張家茹，范會吉等.2008.準(zhǔn)噶爾盆地基底結(jié)構(gòu)的地震轉(zhuǎn)換波探測.新疆石油地質(zhì)，29（4）：439-444.

宋子齊，李偉峰，唐長久等.2009.利用自然電位與自然伽馬測井曲線劃分沉積相帶及儲層分布.地球物理學(xué)進(jìn)展，24（2）：650-656.

汪集旸，汪緝安.1986.遼河裂谷盆地地幔熱流.地球物理學(xué)報(bào)，29（5）：450-459.

汪集旸，胡圣標(biāo)，程本合等.2001.中國大陸科學(xué)鉆探靶區(qū)深部溫度預(yù)測.地球物理學(xué)報(bào)，44（6）：774-782.

王良書，李成，施央申.1991.巖石圈生熱效應(yīng)對拉張盆地地?zé)崾返挠绊?石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，13（3）：257-264.

王良書，李成，楊春.1996.塔里木盆地巖石層熱結(jié)構(gòu)特征.地球物理學(xué)報(bào)，39（6）：794-803.

楊海波，陳磊，孔玉華.2004.準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造單元劃分新方案.新疆石油地質(zhì)，25（6）：686-688.

張朝軍，何登發(fā)，吳曉智等.2006.準(zhǔn)噶爾多旋回疊合盆地的形成與演化.中國石油勘探，11（1）：47-58.

張勝業(yè)，潘玉玲.2004.應(yīng)用地球物理學(xué)原理.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，420-430.

趙俊猛，黃英，馬宗晉等.2008.準(zhǔn)噶爾盆地北部基底結(jié)構(gòu)與屬性問題探討.地球物理學(xué)報(bào)，51（6）：1767-1775.

趙平，汪集旸，汪緝安等.1995.中國東南地區(qū)巖石生熱率分布特征.巖石學(xué)報(bào)，11（3）：292-305.

周路，鄭金云，雷德文等.2007.準(zhǔn)噶爾盆地車莫古隆起侏羅系剝蝕厚度恢復(fù).古地理學(xué)報(bào)，9（3）：243-252.