渭河盆地巖石圈熱結構與地熱田熱源機理

饒松， 姜光政， 高雅潔， 胡圣標， 汪集旸

1 長江大學 地球科學學院， 武漢　430100　2 中國科學院地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室， 北京　100029　3 中國石油西南油氣田分公司， 成都　610051

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渭河盆地巖石圈熱結構與地熱田熱源機理

饒松1,2， 姜光政2， 高雅潔3， 胡圣標2， 汪集旸2

1 長江大學 地球科學學院， 武漢4301002 中國科學院地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室， 北京1000293 中國石油西南油氣田分公司， 成都610051

摘要巖石圈熱結構是盆地現今地溫場研究的重要延伸和擴展，是了解大陸巖石圈構造變形及演化等大陸動力學問題的重要窗口，更是地熱田熱源機理研究的核心問題.本次工作，在系統(tǒng)分析渭河盆地現今地溫場和水動力系統(tǒng)基礎上，編制了渭河盆地大地熱流分布等值線圖；通過實測生熱率等熱物性參數，利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程計算了研究區(qū)巖石圈熱結構，并分析了渭河盆地巖石圈熱結構特征和地熱田熱源機理.結果表明，渭河盆地現今大地熱流值分布范圍為62.5～80.2 mW·m-2，平均為70.8±4.8 mW·m-2，西部明顯高于東部，西安坳陷最高，咸禮凸起次之；渭河斷裂并不是控熱斷裂，其溝通作用引起的水熱循環(huán)一定程度上影響了淺部熱量再分配，對渭河盆地地溫場并沒有起到明顯的控制作用.西安坳陷—咸禮凸起地殼熱流介于32.2～37.5 mW·m-2之間，平均為34.6 mW·m-2；地幔熱流分布范圍為33.8～38.9 mW·m-2，平均為36.0 mW·m-2；地殼熱流和地幔熱流的總體變化趨勢一致，西安坳陷高于咸禮凸起，分析認為西安坳陷沉積層厚度大于后者，且沉積層放射性生熱率更大，是造成西安坳陷地殼熱流高于咸禮凸起的原因，而西安坳陷相比咸禮凸起更高的地幔熱流，表明西安坳陷深部活動性強于咸禮凸起.西安坳陷和咸禮凸起地殼/地幔熱流比值相近，介于0.93～1.01之間，平均為0.96，“熱”巖石圈厚度約為95～101 km.渭河盆地巖石圈熱結構特征與鄂爾多斯盆地在很大程度上具有相似性，暗示著二者具備相似的深部穩(wěn)定性，這與渤海灣盆地為代表的中國東部中—新生代主動裂谷盆地巖石圈熱結構特征截然不同，表明渭河盆地為被動伸展裂陷.從鄂爾多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到華北盆地，“熱”巖石圈厚度的有序變化表明太平洋板塊俯沖引起的地幔對流對華北地塊深部動力學行為的影響主要發(fā)生在太行山以東，而太行山以西的鄂爾多斯盆地和渭河盆地則影響甚微，這種空間差異影響從側面暗示著華北克拉通破壞過程的有序性.綜合分析渭河盆地地質—地球物理資料認為，巖石圈表層伸展破裂、深部重力均衡調整進而引起軟流圈被動上涌，其產生的相對高地幔熱流的熱傳導和深大斷裂溝通的水體熱對流相互疊加作用，共同構成了渭河盆地中—低溫地熱田的熱源機理.

關鍵詞巖石圈熱結構； 地殼/地幔熱流比值； 渭河盆地； 咸陽地熱田； 裂谷盆地

The results showed that the present-day heat flow ranged from 62.5 to 80.2 mW·m-2with an average of 70.8 ± 4.8 mW·m-2. The pattern of the heat flow contour map showed the following characteristics. (1) The heat flow in western Weihe rift basin was significantly higher than the east. (2) The highest heat flow values over 74 mW·m-2were confined to the Xi′an Depression, which was followed by Xianli Uplift. (3)The Weihe fault did not control the heat flow pattern of the Weihe basin. To some extent, hydrothermal circulation by fracture affected only the heat redistribution in shallow layers. The terrestrial heat flow consisted of crustal heat flow varying from 32.2 to 37.5 mW·m-2with a mean of 34.6 mW·m-2and mantle heat flow varying from 33.8 to 38.9 mW·m-2with an average of 36.0 mW·m-2along Xi′an Depression-Xianli Uplift. Along this profile, the crustal heat flow changed consistently with mantle heat flow. We believed that the thicker and greater radioactive heat generation rate of sediments brought out higher crustal heat flow in Xi′an Depression than Xianli Uplift. The higher mantle heat flow suggested stronger activity in Xi′an Depression.

The ratio of the crustal/mantle heat flow was similar between 0.93 to 1.01, with an average of 0.96 along Xi′an Depression-Xianli Uplift profile. The thickness of thermal lithosphere was about 95～101 km, indicating the similar thermal structure of the lithosphere and stability between Weihe Basin and Ordos Basin. It was inferred that the Weihe basin was a passive rift, which was much different from the active rift, such as Bohai Bay Basin in eastern China. The thickness of thermal lithosphere changed regularly from the Ordos Basin, Weihe basin, Shanxi rift systems and North China Basin, which indicated varying impact of mantle convection caused by the subduction of the Pacific plate on the dynamic behavior of the North China block.

Comprehensively geological-geophysical analysis of the Weihe basin suggested that the relatively higher mantle heat flow caused by the stretching crust and passively upwelling asthenosphere was the most important heat source in Weihe Basin. In addition, hydrothermal circulation by fracture affected the heat redistribution in shallow layers. Thus, the Weihe geothermal field was a conductive-convective geothermal fields with middle-low temperature fluid.

1引言

大地熱流(或稱地表熱流)是巖石圈現今熱狀態(tài)在地表最為直觀的指標，反映了地球內部各種動力學過程之間的能量平衡狀態(tài).大地熱流由兩部分組成，即地殼巖石中U、Th、40K等放射性元素衰變產生的熱量(即地殼熱流)和來自地幔的熱量(即地幔熱流)(Birch et al.，1968).殼、幔熱量的配分比例及其組成關系，構成了巖石圈熱結構研究中最根本的科學問題(Blackwell，1971).除此之外，巖石圈熱結構還包括地殼內部不同殼層之間的熱流構成和配分比例，以及地殼溫度、“熱”巖石圈厚度等(汪集旸和汪緝安，1986).巖石圈熱結構是盆地現今地溫場研究的重要延伸和擴展，是了解大陸巖石圈構造變形及演化等大陸動力學問題的重要窗口，而地熱田巖石圈熱結構更是地熱田熱源機理研究的核心問題，也是地熱田形成機制研究的基本內容之一.

中國大陸所在的歐亞板塊在現代板塊框架中地處印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊的交匯位置(Huang and Zhao，2006)，晚中生代—新生代不同塊體間的相互作用使得中國大陸地區(qū)構造變形復雜，深部熱擾動存在時空差異.中國西部地區(qū)受新生代以來歐亞板塊與印度板塊碰撞的影響，形成了被稱為世界屋脊的青藏高原(許志琴等，2006)，巖石圈隨之增厚；中國東部地區(qū)由于中生代以來西北太平洋板塊和菲律賓板塊在東亞地區(qū)的深俯沖作用，形成了世界上最典型的溝—弧—盆體系，同時伴隨著巖石圈減薄和克拉通破壞(朱日祥等，2012).作為環(huán)鄂爾多斯盆地地塹系的一部分，渭河盆地位于中國東西部的交接部位，是世界上最大的新生代板內裂谷之一(Ye et al.，1987；Xu and Ma，1992；Xu et al.，1993)，獨特的大地構造位置決定了渭河盆地巖石圈熱結構將為中國中—新生代大陸巖石圈演化研究提供重要支持.

同時，渭河盆地蘊藏著豐富的地熱資源.咸陽地熱田是渭河盆地地熱田的一部分，地處陜西關中平原腹地，南鄰西安，北接甘肅，東抵渭南、銅川，西至寶雞，總面積約800 km2.截至目前咸陽地熱田共有地熱井50余口，井深1464～4080 m，單井涌水量平均140 m3/h，井口水溫65.1～103.6 ℃，最高達120 ℃，目前主要用于供暖，已實現供暖面積約160×104m2.咸陽地熱田地熱資源量大，水溫高，水質優(yōu)良，易于開采，為大型整裝地熱田.許多學者分別從水化學、同位素地球化學和開發(fā)地質條件等方面對咸陽地熱資源開展了研究(Qin et al.，2005；Yu et al.，2009；Ma et al.，2010；羅璐等，2014).

筆者在系統(tǒng)分析渭河盆地現今地溫場和水動力系統(tǒng)(饒松等，2015)基礎上，編制了渭河盆地大地熱流分布等值線圖；通過實測生熱率等熱物性參數，利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程計算了研究區(qū)巖石圈熱機構，并分析了渭河盆地巖石圈熱結構特征和地熱田熱源機理.該成果不僅對深化認識渭河盆地形成和區(qū)域構造演化具有科學意義，而且對全面分析渭河地熱田形成機理、科學地制定開發(fā)利用規(guī)劃具有實踐價值.

2區(qū)域地質—地球物理背景

渭河盆地地處青藏塊體東北緣、華北克拉通和揚子克拉通的交界處，夾持于鄂爾多斯盆地與秦嶺造山帶之間，呈近東西向展布，西段與青藏高原東北邊界弧形斷裂系相接(Zhang et al.，2003；張岳橋等，2006)，其南以余下—鐵爐子斷裂與秦嶺造山帶相接，北以渭河盆地北緣斷裂與鄂爾多斯盆地相隔, 東北部與山西斷陷帶為鄰并共同組成汾渭裂谷系，面積約39065 km2，如圖1所示.受秦嶺山前斷裂和華山山前斷裂等邊界斷裂強烈正斷活動的控制，渭河盆地具有邊斷、邊陷、邊填的演化特征，是我國第四紀以來沉降幅度和沉積厚度最大的地區(qū)之一，也是第四紀時期垂直差異運動和歷史地震十分強烈的新構造運動區(qū)，歷史上曾發(fā)生過1556年華縣81/4級特大地震，是全世界有史以來死亡人數最多的一次地震(張培震等，2003).

渭河盆地具有典型的雙層結構，盆地基底組成復雜，其中渭河斷裂以北，盆地基底主要為鄂爾多斯盆地南緣出露的下古生界碳酸鹽巖地層，局部有上古生界煤系地層，渭河斷裂以南的盆地基底大致以長安—臨潼斷裂為界，東部主要為燕山期花崗巖和前寒武系變質巖，西部以前寒武系變質巖為主.在盆地東南邊緣及驪山斷隆處，出露有太古界古老片麻巖及花崗巖，其中也有燕山期花崗巖及巖脈侵入.渭河盆地總體構造形態(tài)呈南部向北陡傾、北側向南緩傾斜的不對稱階梯狀.新生代沉積物自下而上有中新統(tǒng)高陵群，上新統(tǒng)灞河組、藍田組、張家坡組，下更新統(tǒng)三門組、陽郭組，中更新統(tǒng)泄湖組、上更新統(tǒng)乾縣組、馬蘭組和全新統(tǒng)，彼此之間為不整合接觸，總厚度5000～7000 m，呈現出南厚北薄、南陡北緩的特點(彭建兵等，1992；王斌等，2013).根據微斷塊構造形態(tài)與新生代沉積特征差異，可分為6個次級構造單元，如圖1所示.

多種地球物理探測資料(張少泉等，1985；Xu and Ma，1992；Xu et al.，1993；Pan and Niu, 2011；任雋等，2012；Bao et al.，2013；王謙身等，2013；滕吉文等，2014；Wang et al.，2014)表明，渭河盆地坳陷區(qū)沉積蓋層較厚，結晶基底埋藏深，達6～8 km，沉積蓋層和中、上地殼速度低，下地殼速度高，莫霍界面劇烈上隆，并與結晶基底大致呈鏡像關系，與鄂爾多斯臺地相比，上隆幅度達10 km左右，形成莫霍界面突變帶，與秦嶺褶皺帶相比，上隆幅度約4 km，莫霍界面為漸變帶.

3計算方法

圖1　渭河盆地區(qū)域構造與內部大斷裂(a)及構造剖面(b、c)Fig.1　Regional structure, main faults (a) and structural sections (b, c) of Weihe Basin

巖石圈熱結構計算實質上就是以大地熱流為約束，結合地殼和巖石圈地幔分層結構模型以及巖石生熱率、熱導率等熱物性參數的空間分布，按照一定的邊界條件和初始值，在三維尺度上求解熱傳遞方程，進而得到巖石圈內部溫度和熱流信息.

以傅里葉定律為基礎，三維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程基本形式為

(1)

相應地，地表邊界條件及初始值為

(2)

很顯然，精確的求解三維穩(wěn)態(tài)方程，除了精細的地殼分層結構之外，還需要精確的大地熱流數據，以及熱導率、生熱率等熱物性參數的三維空間分布.然而，考慮到研究區(qū)現有資料的實際情況和研究精度，本文采用一維穩(wěn)態(tài)解來研究渭河盆地巖石圈熱結構.

研究中，生熱率A采用分層階狀函數模型，對于沉積蓋層、上地殼和巖石圈地幔部分，不考慮熱導率K的溫度效應，則

(3)

對于中、下地殼，考慮熱導率隨溫度的變化，即K(T,Z)=K0/(1+αT)，則

(4)在生熱率A采用分層階狀函數模型時，對應的大地熱流的二元結構關系可以表示為：

(5)

因此，在研究區(qū)分層地殼模型建立的基礎上，利用“回剝法”逐層計算由地殼巖石放射性生熱產生的熱流，可以得到地幔熱流值：

(6)

本文采用Artemieva和Mooney(2001)提出的如下兩條絕熱線來定義“熱”巖石圈厚度的上、下界，二者的中值為研究區(qū)“熱”巖石圈厚度：

(7)

式中，K為熱導率，單位為W/(m·K)；A為生熱率，單位為μW·m-3；T為溫度，單位為℃；Q0為大地熱流，單位為 mW·m-2；T0為恒溫帶溫度，在計算中取研究區(qū)的年平均氣溫20 ℃(余恒昌，1991)；K0是1個大氣壓、0 ℃的實驗條件下所測的熱導率，α是溫度效應參數，1×10-3℃-1；Qm為地幔熱流或稱幔源熱流；zMoho是地殼厚度，單位為km；A(z)為地殼巖石生熱率；Ai為地殼第i層巖石生熱率；zi為地殼第i層厚度；n為地殼分層數；H1與穩(wěn)態(tài)傳導地溫曲線的交點為下限深度；H2與穩(wěn)態(tài)傳導地溫曲線的交點為上限深度.

4基礎資料

前已述及，巖石圈熱結構研究實質上就是以大地熱流為約束，結合巖石圈分層結構模型以及巖石熱物性參數(熱導率和生熱率)，獲取巖石圈內部各圈層溫度和熱流信息.因此，大地熱流數據是進行巖石圈熱結構分析的重要約束條件，巖石圈分層結構模型是必要基礎，而熱物性參數對計算結果的質量至關重要.本文采用的渭河盆地巖石圈分層結構模型據王謙身等(2013)和滕吉文等(2014)最新研究成果，在此不再累述.相對大地熱流及生熱率等輸入參數而言，不同地區(qū)地殼巖石熱導率的差異相對比較小.本次研究中，沉積蓋層、下地殼和巖石圈地幔，熱導率均取常數，其中沉積蓋層熱導率取實測結果，上、中地殼的熱導率考慮溫度效應，上地殼K0取2.8 W/(m·K)，中地殼K0取2.7 W/(m·K)，下地殼熱導率取常數2.6 W/(m·K)，巖石圈地幔熱導率取3.4 W/(m·K)(Chapman，1986；Artemieva and Mooney，2001).下面重點介紹大地熱流、生熱率取值.

4.1大地熱流

巖石圈熱結構計算對地表熱流最為敏感(汪洋，1999).渭河盆地已經積累的數據不多，且質量總體較差，A類數據較少，絕大多數為B類和C類數據，為對流條件下測試所得，不能夠用于巖石圈熱結構的精細研究.2013年7～8月，筆者在渭河盆地系統(tǒng)開展了高質量、高分辨率的深孔(準)穩(wěn)態(tài)測溫工作(饒松等，2015)，新增了9個A類大地熱流數據，以及3個B類數據和1個C類數據，加上前人已經發(fā)表過的研究區(qū)15個數據，一共28個熱流數據匯編于表1.筆者對其中24個A類和B類數據進行了統(tǒng)計，結果表明，渭河盆地現今大地熱流值介于62.5～80.2 mW·m-2之間，平均為70.8±4.8 mW·m-2.由于熱流測點集中分布在西安坳陷和咸禮凸起，因此渭河盆地平均大地熱流值應該低于此值.區(qū)域上，渭河盆地現今大地熱流西部明顯高于東部，西安坳陷的大地熱流背景高于咸禮凸起，相比于盆地其他構造單元則更高，如圖2所示.有意思的是，從渭河盆地現今大地熱流展布上可以看到，渭河斷裂并不構成控熱斷裂，其對渭河盆地地溫場并沒有起到明顯的控制作用.相反，沿渭河斷裂兩側，為大地熱流低異常區(qū)，這可能源于斷裂對淺部“冷水”和深部“熱水”的溝通作用，水熱循環(huán)導致了淺部和深部地層溫度趨于均一而使地溫梯度偏低(饒松等，2015).總之，渭河盆地表現為傳導型為主的地溫場，渭河斷裂并不構成渭河盆地地溫場的控制因素，只是對淺部溫度場起到了一定程度的疊加影響，這一認識與前人認識差別顯著.

4.2地殼生熱率

地殼巖石生熱率是描述巖石熱物理性質的基本參數之一，也是開展巖石圈熱結構分析必不可少的重要參數(汪集旸和汪緝安，1986；胡圣標等，1994；王良書等，1996；汪集旸等，2001；Liu et al.，2004；He et al.，2008).本次研究工作中，對于地表淺部的沉積蓋層，筆者通過系統(tǒng)采樣測試U、Th和K2O含量計算得到相應的生熱率；而對于沉積蓋層之下的深部地殼和巖石圈地幔部分，則根據研究區(qū)地震波速資料和地殼成分研究成果進行估算；地殼生熱率采用分層階狀模型.

(1)沉積層生熱率

筆者采集了渭河北岸斷裂以北的文熱8井和斷裂以南的地中海1井的巖屑樣品115份，其深度范圍分別為45～2843 m和45～2980 m，地層層位包括了秦川群、三門組、張家坡組、藍田—灞河組、高陵群以及古近系.為了保證樣品的代表性，以深度間隔50 m系統(tǒng)采樣.樣品U、Th和K2O的含量由北京核工業(yè)地質研究院測試.考慮到采樣深度段內，均為河流相或河湖相沉積建造，巖性變化不大，主要為砂巖、砂礫巖和泥巖互層，巖石密度均取2.3 g·cm-3(王謙身等，2013).

圖2　渭河盆地大地熱流等值線圖Fig.2　The heat flow pattern of the Weihe basin

表1　渭河盆地大地熱流數據匯編

文熱8和地中海1井的沉積層生熱率隨深度的變化和統(tǒng)計結果如圖3、圖4所示.總體上，渭河盆地新生界沉積層平均生熱率為1.46 μW·m-3，低于北部的鄂爾多斯盆地新生界地層生熱率平均值1.61 μW·m-3(孫少華等，1996)，與南部秦嶺造山帶碎屑巖平均生熱率1.37 μW·m-3接近(高山和張本仁，1993)，表明渭河盆地新生界沉積物源可能主要來自秦嶺造山帶.具體而言，文8井和地中海1井沉積層生熱率存在一定差別，前者介于0.91～1.72 μW·m-3之間，平均為1.24 μW·m-3；后者分布范圍為0.87～2.08 μW·m-3，平均為1.63 μW·m-3.在垂向上，文8井沉積層生熱率隨深度波動明顯；地中海1井秦川群生熱率波動較大，且明顯小于該井其他沉積地層，三門組之下，地層生熱率基本上穩(wěn)定在1.65 μW·m-3左右，波動很小.以文8井和地中海1井為代表的渭河北岸斷裂以北和以南地區(qū)，新生界沉積層生熱率的差異性，可能反映了該斷裂兩盤沉積物源的不同.

(2)地殼深部生熱率

地殼深部生熱率的取值對巖石圈熱結構的計算精度至關重要.目前，估算盆地深部，特別是中、下地殼的生熱率主要有兩種思路：一是在系統(tǒng)測試研究區(qū)及其周緣各種類型巖石生熱率的基礎上，根據地球物理、地質學和地球化學等資料建立的研究區(qū)地殼不同殼層結構和巖石組成模型，通過巖性百分含量的加權平均來估算地殼深部巖石的生熱率；二是基于地殼波速越大，其物質組成中的基性成分越多，生熱率也相應越低的基本規(guī)律，Rybach和Buntebarth(1984)利用實驗室測試的巖石波速和生熱率值建立了P波速率VP和生熱率A之間的經驗關系，并被大量研究者采用：

圖3　文熱8(a)和地中海1井(b)沉積層生熱率隨深度的變化Fig.3　The change of heat production rate of sediments with depth of Well Wr8 (a) and Dzh1 (b)

圖4　文熱8(a)和地中海1井(b)沉積層生熱率統(tǒng)計直方圖Fig.4　The sediment heat generation rate histogram of Well Wr8 (a) and Dzh1 (b)

lnA=B-2.17Vp，

(8)

其中，B為常數項，顯生宙巖石取12.6，前寒武系巖石取13.7.

渭河盆地夾持于華北地臺和秦嶺造山帶之間，二者地殼成分組成可供參考.遲清華和鄢明才(1998)根據地殼巖石組成計算了華北地臺各結構層放射性生熱率；高山等(1999)通過大量的巖石組合樣品元素和含量分析，結合區(qū)域典型深部樣品高溫高壓巖石物理實驗以及出露地殼剖面和下地殼包體的綜合研究成果，獲得了南、北秦嶺造山帶地殼各結構層元素豐度，并估算了各構造層放射性生熱率，如表2所示.

表2　華北地臺和北、南秦嶺造山帶地殼結構與生熱率

注：表中華北地臺和北、南秦嶺造山帶地殼結構與VP參考蔡學林等(2007)；張少泉等(1985)；Xu和Ma(1992)；Xu等(1993)；Pan和Niu(2011)；任雋等(2012)；Bao等(2013)；王謙身等(2013)；滕吉文等(2014)；Wang等(2014).利用VP資料估算生熱率依據Rybach和Buntebarth(1984)；利用地殼成分估算生熱率據高山和張本仁(1993)；高山等(1999)、遲清華和鄢明才(1998).

圖5、圖6所示分別為本文計算渭河盆地西安坳陷和咸禮凸起地區(qū)巖石圈熱結構采用的生熱率模型，總體上渭河盆地地殼生熱率隨著深度呈近指數衰減，這符合地殼放射性元素U、Th和K40向地殼淺部富集的普遍規(guī)律.渭河盆地上地殼(不包括沉積層部分)生熱率為1.50 μW·m-3；中、下地殼平均生熱率分別為0.86 μW·m-3和0.25 μW·m-3，這一計算結果與Artemieva和Mooney(2001)基于全球前寒武紀克拉通地區(qū)資料獲得的中地殼生熱率為0.2～0.4 μW·m-3、下地殼為0.1 μW·m-3的統(tǒng)計值明顯偏大，但與中國中部地殼VP較全球大陸地殼平均值低0.2～ 0.3 km·s-1的地球物理觀察一致，高山等(1999)認為這是由于華北地臺中地殼演化程度高、下地殼總體組成為中性所致.

圖5　渭河盆地西安坳陷地殼結構與熱結構模型Fig.5　The crustal structure, heat production model and thermal structure of Xi′an Depression

圖6　渭河盆地咸禮凸起地殼結構與熱結構模型Fig.6　The crustal structure, heat production model and thermal structure of Xianli Uplift

5計算結果

5.1渭河盆地重點地區(qū)巖石圈熱結構

渭河盆地西安坳陷和咸禮凸起熱結構模型如圖5、圖6所示，其中現今大地熱流西安坳陷取平均值74.1 mW·m-2，咸禮凸起取68.2 mW·m-2.“回剝法”計算結果表明，西安坳陷和咸禮凸起現今地殼熱流分別為36.3 mW·m-2和32.7 mW·m-2，兩地區(qū)地殼熱流在地表熱流中的比值極為接近，分別為49.0%和47.9%；西安坳陷和咸禮凸起地幔熱流分別為37.7 mW·m-2和35.3 mW·m-2；兩地區(qū)地殼/地幔熱流比值分別為0.96和0.93，表明來自深部的地幔熱流和來自地殼巖石的放射性產熱貢獻相當，為“溫殼溫幔” 型熱結構，與世界上典型的主動裂谷盆地，如東非大裂谷、華北裂谷等典型的“熱殼冷?！?型熱結構具有顯著差別.相反，渭河盆地巖石圈熱結構與鄂爾多斯盆地表現出更大的相似性，表現在二者具有相似的地幔熱流值和地殼/地幔熱流比值(鄂爾多斯盆地地幔熱流平均為33 mW·m-2，地殼/地幔熱流比值約為0.98，據邱楠生，1998)，表明渭河盆地深部活動性并不顯著，暗示了渭河盆地新生代的構造活動是自上而下.

5.2渭河盆地巖石圈熱結構橫向變化

筆者采用王謙身等(2013)利用重力位場數據構建的地殼結構模型，計算了渭河盆地西安坳陷—咸禮凸起近南北向剖面巖石圈熱結構，如圖7所示.結果表明，該剖面上，地殼熱流介于32.2～37.5 mW·m-2之間，平均值為34.6 mW·m-2；地幔熱流值介于33.8～38.9 mW·m-2，平均地幔熱流為36.0 mW·m-2.此外，地殼熱流和地幔熱流的總體變化趨勢一致，西安坳陷大于咸禮凸起.西安坳陷地殼熱流高于咸禮凸起，這是由于前者沉積層厚度大于后者，且前者沉積層放射性生熱率更大；而西安坳陷相比咸禮凸起更高的地幔熱流，表明西安坳陷更強烈的拉張引起的深部活動性要大于咸禮凸起，這與 “熱”巖石圈厚度剖面的總體趨勢相吻合.西安坳陷和咸禮凸起地殼/地幔熱流比值相近，介于0.93～1.01之間，平均為0.96，表明兩個地區(qū)具備相似的巖石圈熱結構特征.西安坳陷現今“熱”巖石圈厚度約為95 km，咸禮凸起約為101 km.總體而言，渭河盆地“熱”巖石圈厚度大于華北盆地(約70 km，據左銀輝等，2013)和山西裂谷(約80 km，據何麗娟，2014)，與鄂爾多斯盆地相比(約125 km，據焦亞先等，2013)則要小.

圖7　渭河盆地西安坳陷—咸禮凸起巖石圈熱結構剖面(a) 大熱熱流； (b) 地殼熱流； (c) 地幔熱流； (d) 殼/幔熱流比值； (e) Moho面溫度； (f) “熱”巖石圈厚度.Fig.7　The thermal structure profile along Xi′an Depression and Xianli Uplift in Weihe Basin(a), (b), (c), (d), (e), (f) are the heat flow, crustal heat flow, mantle heat flow, the proportion of crustal heat flow and mantle heat flow, Moho surface temperature and thermal lithospheric thickness.

6討論

6.1華北地區(qū)巖石圈熱結構差異

根據地幔熱流和地殼熱流的配分比例，Wang(1996)提出了“熱殼冷?！焙汀袄錃後！眮矶ㄐ悦枋鰩r石圈熱結構狀況.邱楠生(1998)通過對比我國東部、中部和西北部典型盆地的巖石圈熱結構特征認為中國大陸地區(qū)的熱結構從東到西表現出有規(guī)律的變化，東部遼河盆地往西直到塔里木盆地，地幔熱流所占的比例逐漸減少.總的來說，構造活動區(qū)深部熱擾動強烈，來自深部的熱量即地幔熱流很大，如以松遼盆地和渤海灣盆地為主體的東部中—新生代拉張構造區(qū)地殼/地幔熱流比值為0.72～0.82，巖石圈熱結構屬典型的“冷殼熱?！毙?；而構造穩(wěn)定區(qū)深部熱擾動相對不明顯，來自深部的熱流分量較少，如以塔里木盆地和準噶爾盆地為代表的中國西北部構造擠壓區(qū)，地殼/地幔熱流比值為1.37，屬典型的“冷殼冷?！毙蜔峤Y構(王良書等，1996；饒松等，2013).

為了更詳細地描述中國東部地區(qū)巖石圈熱結構，何麗娟等(2001)將中國東部地區(qū)細分為五個熱—構造區(qū)：華南熱—構造區(qū)、揚子熱—構造區(qū)、華北熱—構造區(qū)、西伯利亞熱—構造區(qū)和松遼熱—構造區(qū).渭河盆地與華北地塊、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地同屬于華北熱—構造區(qū)，但是由于構造特征上的差異，該熱—構造區(qū)不同地塊呈現出了較大的地熱差異.鄂爾多斯盆地屬于正常熱流區(qū)，平均熱流為60 mW·m-2，接近全國大陸地區(qū)熱流平均值，平均地幔熱流為33 mW·m-2，地殼/地幔熱流比值為0.98，莫霍面溫度約650 ℃(邱楠生，1998)，跟美國東部穩(wěn)定區(qū)相當(Lachenbruch and Sass，1977)；鄂爾多斯盆地具有正常的“熱”巖石圈厚度，約125 km(焦亞先等，2013).華北地塊為低熱流區(qū)，約50 mW·m-2，莫霍面溫度也較低，一般在650 ℃以下；渤海灣盆地為高熱流區(qū)，平均熱流為69 mW·m-2，莫霍面溫度也較高，一般超過720 ℃，冀中凹陷甚至在780 ℃以上(左銀輝等，2013).前人認為，渭河盆地是汾渭裂谷系的一部分，與山西裂谷同為高熱流區(qū)，與中國東部中—新生代裂谷盆地具備相似的地溫場和巖石圈熱結構特征，表現為地幔熱流高，地殼/地幔熱流比值小，“熱”巖石圈厚度小于區(qū)域背景值.然而，巖石圈熱結構計算結果表明，渭河盆地與以渤海灣盆地代表的中國東部中—新生代裂谷盆地存在極大差異，表明二者具備完全不同的深部動力學背景，這一認識與Bao等(2013)通過高精度面波層析成像獲得的諸多認識一致，如渭河盆地120 km深度未見地幔低速體，這與華北盆地和山西裂谷系截然不同，表明渭河盆地巖石圈厚度明顯大于華北盆地和山西裂谷系，如圖8所示.渭河盆地巖石圈熱結構特征與鄂爾多斯盆地表現出更大的相似性，如地幔熱流和地殼/地幔熱流比值極為相近，暗示著渭河盆地與鄂爾多斯盆地具備相似的深部穩(wěn)定性.筆者認為，從鄂爾多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到華北盆地，“熱”巖石圈厚度的有序變化(如圖9所示)表明太平洋板塊俯沖引起的地幔對流對華北地塊深部動力學行為的影響主要發(fā)生在太行山以東，而太行山以西的鄂爾多斯盆地和渭河盆地則影響甚微，這種空間差異影響暗示著華北克拉通破壞過程的有序性.

6.2渭河盆地構造演化特征及地熱田熱源機理

圖8　渭河盆地剪切波層析成像結果(據Bao et al.，2013)SGFB：松潘甘孜褶皺帶； QDO：秦嶺—大別造山帶； WR：渭河裂谷盆地； NCB：華北盆地； QO：祁連造山帶； SR：山西裂谷系.Fig.8　Cross-sections of shear wave velocities along DD′ and HH′ profiles (from Bao et al., 2013)The abbreviation are Songpan-Ganzi Fold Belt, SGFB; Qinling-Dabie Orogen, QDB; Weihe Rift, WR; North China Basin, NCB; Qilian Qrogen, QO; Shanxi Rift, SR.

圖9　渭河盆地“熱”巖石圈厚度與華北地區(qū)其他盆地對比① 渤海灣盆地(據左銀輝等，2013)； ② 山西裂谷(據何麗娟，2014)； ③ 西安坳陷； ④ 咸禮凸起； ⑤ 鄂爾多斯盆地(據焦亞先等，2013)Fig.9　The comparion of thermal lithospheric thickness among Weihe Basin with other basins in North China① the Bohai Bay Basin (from Zuo et al., 2013); ② Shanxi Rift (from He, 2014); ③ Xi′an Depression; ④Xianli Uplift; ⑤ Ordos Basin (from Jiao et al., 2013).

最新研究認為，華北克拉通西部環(huán)鄂爾多斯地塊周緣新生代伸展斷陷主要與青藏高原的擠出構造相關，而東部廣泛分布的陸內裂谷和火山活動可能受控于太平洋板塊俯沖引起的深部地幔對流(Zhang et al.，2003；Xu et al.，2004；Xu，2007).多種地質、地球物理資料同樣支持渭河盆地被動裂陷模式(張宏衛(wèi)和鄧啟東，1992；楊巍然等，1995；任雋等，2012；Wang et al.，2014；李自紅等，2014).Bao等(2013)高精度面波層析成像結果揭示渭河盆地中—下地殼剪切波速度明顯小于山西裂谷系，表明渭河盆地地殼強度較山西裂谷系低，是構造上的薄弱帶，這一認識與Gao等(2015)基于鄂爾多斯地塊及其周緣磁異常的研究結論一致.地殼強度的差異性決定了汾渭裂谷系的形成演化顯示出明顯的序列性：在始新世時期，印度板塊向北漂移并與歐亞大陸發(fā)生碰撞，造成青藏高原大規(guī)模隆升和地殼加厚，青藏高原的強烈活動對鄂爾多斯塊體形成NE-NEE方向的推擠，這一推擠作用在鄂爾多斯塊體地區(qū)形成NNW-SSE方向上的拉張，渭河不對稱盆地就是在這種構造背景下形成的(張宏衛(wèi)和鄧啟東，1992).在青藏高原早期隆升造成的區(qū)域應力場作用下，秦嶺山前斷裂帶和北山斷裂繼承性活動，渭河地區(qū)巖石圈表殼伸展破裂，寶雞—渭南鏟式斷裂形成，渭河斷陷西安坳陷開始接收沉積，這一時期總體拉張速率不大，沉積速率較低，總的沉積厚度約1500m(王斌等，2013).中新世以來，青藏高原的快速隆升波及到北東構造節(jié)(張培震等， 2006)，環(huán)鄂爾多斯地塊形成強烈的拉張應力場(Zhang et al.，2003)，NNW-SSE 向的區(qū)域引張應力為斷層的加速活動提供了區(qū)域動力，秦嶺持續(xù)大規(guī)模伸展造山(邢作云等，2005)，渭河盆地裂陷速度顯著增加，這一時期渭河盆地沉積速率達到了0.2 mm·a-1，沉積厚度超過2500 m(王斌等，2013)，來自秦嶺造山帶的剝蝕物填入斷陷盆地中，破壞了盆山結構動態(tài)平衡，由此誘發(fā)深部重力均衡調整，渭河盆地軟流圈開始被動不均衡上涌.與此同時，山西地塊開始大規(guī)模伸展裂陷.漸新世時期，華北克拉通東部的再次活動對汾渭裂谷系深部地幔的擾動相對較小，僅僅在山西裂谷系的北部導致了大同火山群的噴發(fā).相比而言，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖引起的深部地幔對流對渭河盆地的形成演化影響較小.渭河盆地頻繁的殼源地震活動以及廣泛發(fā)育的地裂縫和活動斷層表明西安坳陷第四紀以來拉張裂陷仍在進行，深部重力均衡調整和軟流圈物質被動的不均衡上涌仍在持續(xù)(彭建兵等，1992；Zhang et al.，1995；Lin et al.，2015).總之，晚始新世以來，受印度板塊與歐亞板塊碰撞和青藏高原擠出構造的遠程效應影響，渭河盆地為持續(xù)拉張應力場，巖石圈表殼破裂，盆地持續(xù)沉降，成為了環(huán)鄂爾多斯盆地新生代斷陷活動表現最為強烈的地區(qū)之一.巖石圈破裂引起上地幔被動隆起和軟流圈被動上涌，地幔熱流持續(xù)增加，“熱”巖石圈厚度不斷減小使深部熱流能夠更快速地傳導到淺部，使得渭河斷陷盆地比北部的鄂爾多斯盆地具有更高的區(qū)域熱流值，這是渭河斷陷盆地中—低溫地熱田形成的最根本的熱源基礎.

此外，渭河盆地內發(fā)育一系列深大斷裂帶，如秦嶺北緣斷裂帶、尚村—狄寨斷裂帶、長安—臨潼斷裂帶、渭河斷裂帶(寶雞—渭南斷裂帶)、關山—雷村斷裂帶、扶風—黑池斷裂帶和北山南緣斷裂帶(馮希杰等，2008).其中以秦嶺山前斷裂、北山山前斷裂、寶雞—渭南鏟式斷裂等為代表的盆地深大斷裂，不僅長期控制著斷裂兩盤的沉積，而且為地下水的循環(huán)提供了重要通道，對地熱田的形成起到了重要的導水作用.在這些斷裂附近，地殼深部熱能以地下水為載體迅速向上釋放，形成了高熱流背景下的線狀熱流異常帶和溫度異常帶，水體沿斷裂帶向上涌出地表形成中—高溫噴泉，一部分熱量側向傳導儲存于新生代熱儲層中.

綜上所述，渭河盆地巖石圈表層伸展破裂引起深部重力均衡調整和軟流圈被動上涌，導致相對高的地幔熱流和薄的“熱”巖石圈厚度，深部熱量能夠不斷通過傳導方式加熱渭河盆地新生代潛水，為層狀中—低溫地熱田形成奠定了穩(wěn)定的熱源基礎.深大斷裂帶引起淺部和深部水體熱對流，這是渭河盆地地熱田現今地溫場背景不均衡和熱泉帶狀分布的直接原因.相對高的地幔熱流的熱傳導和深大斷裂溝通的熱對流共同作用，構成了渭河盆地中—低溫地熱田的熱源機理，如圖10所示.

圖10　渭河地熱田熱源機理示意圖Fig.10　The schematic diagram of heat source mechanism in Weihe geothermal field

7結論與認識

巖石圈熱結構是盆地現今地溫場研究的重要延伸和擴展，是了解大陸巖石圈構造變形及演化等大陸動力學問題的重要窗口，也是地熱田熱源機理研究的核心問題.本次工作，在分析渭河盆地現今地溫場和水動力系統(tǒng)基礎上，編制了渭河盆地大地熱流分布等值線圖；通過實測生熱率等熱物性參數，利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程計算了研究區(qū)巖石圈熱結構，并基于巖石圈熱機構特征分析了渭河盆地地熱田熱源機理.主要認識如下：

(1) 渭河盆地現今大地熱流值介于62.5～80.2 mW·m-2，平均為70.8±4.8 mW·m-2；區(qū)域上，渭河盆地現今大地熱流西部明顯高于東部，西安坳陷最高，咸禮凸起次之；渭河斷裂并不是控熱斷裂，其溝通作用引起的水熱循環(huán)一定程度上影響了淺部熱量再分配，對渭河盆地地溫場并沒有起到明顯的控制作用.

(2) 渭河盆地西安坳陷—咸禮凸起地殼熱流介于32.2～37.5 mW·m-2之間，平均為34.6 mW·m-2，地幔熱流值介于33.8～38.9 mW·m-2，平均值為36.0 mW·m-2；地殼熱流和地幔熱流的總體變化趨勢一致，西安坳陷高于咸禮凸起.西安坳陷沉積層厚度大于后者，且沉積層放射性生熱率更大，是造成西安坳陷地殼熱流高于咸禮凸起的原因，而西安坳陷相比咸禮凸起更高的地幔熱流，表明西安坳陷深部活動性大于咸禮凸起.

(3) 西安坳陷和咸禮凸起地殼/地幔熱流比值相近，介于0.93～1.01之間，平均為0.96，表明渭河盆地與鄂爾多斯盆地具備相似的巖石圈熱結構特征，暗示著二者具備相似的深部穩(wěn)定性，支持渭河盆地被動伸展裂陷模式，與渤海灣盆地為代表的中國東部中—新生代主動裂谷截然不同.

(4) 從鄂爾多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到華北盆地， “熱”巖石圈厚度的有序變化表明太平洋板塊俯沖引起的地幔對流對華北地塊深部動力學行為的影響主要發(fā)生在太行山以東，而太行山以西的鄂爾多斯盆地和渭河盆地則影響甚微，這種空間差異影響暗示著華北克拉通破壞過程的有序性.

(5) 綜合分析渭河盆地地質—地球物理資料認為，巖石圈表層伸展破裂引起深部重力均衡調整和軟流圈被動上涌，導致相對高的地幔熱流和薄的“熱”巖石圈厚度，深部熱量通過傳導方式加熱渭河盆地新生代潛水，為層狀中—低溫地熱田的形成奠定了穩(wěn)定的熱源基礎；深大斷裂帶引起淺部和深部水體熱對流，是渭河盆地現今地溫場背景不均衡和熱泉帶狀分布的直接原因；相對高的地幔熱流的熱傳導和深大斷裂溝通的熱對流疊加作用，共同構成了渭河盆地中—低溫地熱田的熱源機理.

致謝中石化綠源地熱能開發(fā)有限公司和陜西省咸陽市國土資源管理局在地熱井野外測溫工作中給予了諸多幫助，兩位審稿專家提供了寶貴的修改意見，在此一并致謝.

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(本文編輯劉少華)

基金項目油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)開放基金(K2015-17)、國家自然科學基金(41502236)和長江大學青年科研支持計劃青年基金(2015cqn-25)聯合資助.

作者簡介饒松，男，1985年7月生，講師，博士，主要從事地熱學和石油地質學的研究工作.E-mail:raosong@mail.iggcas.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160622 中圖分類號P314

收稿日期2015-12-15，2016-02-08收修定稿

The thermal structure of the lithosphere and heat source mechanism of geothermal field in Weihe Basin

RAO Song1, 2, JIANG Guang-Zheng2, GAO Ya-Jie3, HU Sheng-Biao2, WANG Ji-Yang2

1CollegeofGeoscience,YangtzeUniversity,Wuhan430100,China2InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofScience,Beijing100029,China3PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany,Chengdu610051,China

AbstractStudy on the thermal structure of lithosphere, as an important expansion of geothermal pattern at present, is not only a key to understand the continental lithospheric evolution and tectonic deformation, but also the issue of heat source mechanism in geothermal field. In this work, 13 newly measured high-quality terrestrial heat flow data based on systematical well-logging temperature data were reported. Then, the thermal structure of lithosphere was calculated using a one-dimensional steady-state heat conductive equation. Furthermore, the heat source mechanism of Weihe rift was analyzed.

KeywordsThermal structure of the lithosphere; The crust/mantle heat flow ratio; Weihe basin; Xianyang geothermal field; Rift basin

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