南海禮樂盆地礁體水熱循環(huán)及其對(duì)地溫場的影響

任自強(qiáng)， 施小斌， 楊小秋， 諶永強(qiáng)， 盛沖， 許鶴華

1 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國科學(xué)院南海海洋研究所， 廣州 510301 2 中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院， 廣州 510301 3 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)， 廣州 511458 4 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

0 引言

大地?zé)崃魇怯靡匝芯繋r石圈深部熱狀態(tài)和地球動(dòng)力學(xué)以及評(píng)價(jià)油氣資源潛力的重要參數(shù)(汪集旸等，2015).南海作為西太平洋最大、也是少數(shù)幾個(gè)發(fā)育洋殼的邊緣海之一，自20世紀(jì)70年代以來，已經(jīng)積累了大量的熱流數(shù)據(jù)(如，Sclater et al.，1976；饒春濤等，1991；Nissen et al.，1995；Shyu et al.，1998；He et al.，2002；Shi et al.，2003，2017；Yuan et al.，2009；李亞敏等，2010；徐行等，2018a，2018b).這些熱流數(shù)據(jù)為深入認(rèn)識(shí)南海及其盆地形成演化、深部地質(zhì)過程及油氣潛力提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(張健和宋海斌，2001；He et al.，2001；張功成等，2010；唐曉音等，2014b；Shi et al.，2017；羅靜蘭等，2019；胡圣標(biāo)等，2019).但是，南?，F(xiàn)有熱流站位分布仍很不均一，特別是在南海內(nèi)部陸塊如南沙、中沙、西沙海域，熱流站位非常稀少(He et al.，2001；Shi et al.，2003)，缺乏現(xiàn)今熱流的約束對(duì)這些區(qū)域的深部熱狀態(tài)和構(gòu)造演化的研究以及相關(guān)盆地的油氣資源評(píng)價(jià)顯然是不利的.

禮樂盆地是位于南沙海域東北部(圖1)的新生代大型裂陷盆地(楊樹春等，2009；孫龍濤等，2010；吳智平等，2018)，具有較好的油氣資源潛力，是我國未來油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要盆地之一(張亞震等，2018).禮樂盆地現(xiàn)有7口鉆井，均位于盆地東北部的禮樂灘礁體發(fā)育區(qū).王麗芳等(2020)收集到其中5口鉆井的測溫?cái)?shù)據(jù)(圖2)，這些測溫?cái)?shù)據(jù)為了解禮樂盆地和南沙地塊熱體制提供了寶貴的依據(jù).國際熱流委員會(huì)熱流數(shù)據(jù)庫(http:∥www.heatflow.org)收錄了其中2口鉆井(A-1和S-1)的地溫梯度和熱流值，兩口鉆井的地溫梯度均為9 ℃·km-1，熱流值分別為26 mW·m-2和23 mW·m-2(Pollack et al.，1993)，這些低熱流值與禮樂盆地的新生代裂陷盆地?zé)釥顟B(tài)并不匹配(Allen and Allen，2005；施小斌等，2020).構(gòu)造熱演化數(shù)值計(jì)算也表明，禮樂盆地現(xiàn)今應(yīng)具有較高的熱流值(楊樹春等，2009；趙長煜等，2014；Tang et al.，2014a；施小斌等，2020).王麗芳等(2020)依據(jù)5口鉆井的溫度數(shù)據(jù)以及過井剖面的構(gòu)造熱演化模擬提出，鉆井所在的礁體發(fā)育區(qū)地溫場受到了高孔高滲礁體與周圍低溫海水熱交換的擾動(dòng)(圖3、4)，鉆井測溫?cái)?shù)據(jù)因水熱交換作用而明顯降低，無法直接代表該區(qū)域的深部熱狀態(tài).

為了從這批寶貴的鉆井測溫?cái)?shù)據(jù)中獲取禮樂盆地深部熱狀態(tài)的信息，本文以一條過禮樂灘礁體鉆井區(qū)的剖面為基礎(chǔ)構(gòu)建地質(zhì)模型，利用COMSOL多物理場耦合軟件模擬礁體與周圍海水的熱交換過程，分析熱交換過程的主要影響因素，獲取礁體發(fā)育區(qū)深部地?zé)嵝畔?

1 地質(zhì)背景

新生代禮樂盆地是發(fā)育在南沙地塊東北部的大型裂陷盆地，其北側(cè)為南海海盆，西側(cè)為禮樂西海槽(圖1).禮樂盆地新生代演化過程可分為張裂階段、漂移階段和坳陷階段(孫龍濤等，2010；方鵬高等，2015；吳智平等，2018；段亮等，2018).一般認(rèn)為，在張裂階段(古新世-早漸新世)，禮樂地塊與南海北部陸緣一起經(jīng)歷了廣泛的張裂作用，禮樂盆地發(fā)育厚層海相碎屑巖地層(圖3)；漂移階段(晚漸新世-早中新世)，在與南海北部陸緣裂離后，禮樂地塊隨著南海海底擴(kuò)張向南漂移，在禮樂盆地裂谷肩部、海山和禮樂灘等局部高位淺水區(qū)域發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地和礁灰?guī)r(Steuer et al.，2014；Ding et al.，2015；方鵬高等，2015)，直至早中新世末期，禮樂、巴拉望等陸塊與其南側(cè)塊體發(fā)生碰撞而停留在現(xiàn)今位置；中中新世以來，隨著南海海底擴(kuò)張停止，禮樂盆地進(jìn)入坳陷階段，禮樂灘等構(gòu)造隆起區(qū)仍以碳酸鹽巖及生物礁沉積為主，凹陷區(qū)為碎屑巖沉積(Taylor and Hayes，1980，1983；孫龍濤等，2010；左倩媚等，2019).

圖1 (a)禮樂盆地位置圖； (b) 研究區(qū)海底地形及鉆井位置a圖中黑色曲線為禮樂盆地范圍, 數(shù)字1、2、3和4分別是北1凹陷、北2凹陷、北3凹陷和北部低凸起；b圖中藍(lán)色點(diǎn)為禮樂灘鉆井，黑色曲線為等水深線，黑色粗線為圖4禮樂灘過井剖面位置.Fig.1 (a) Location of the Liyue Basin; (b) Bathymetry in the study area with the locations of drillsIn (a), the solid black curve shows the range of Liyue Basin; Numbers 1,2,3 and 4 denote the Bei 1 Sag, Bei 2 Sag, Bei 3 Sag and Bei 1 Low Rise, respectively. In (b), the blue points show the locations of the drills in Reed Bank, the black curves are bathymetric lines, and the thick line shows the profile location in Fig.4.

依據(jù)新生代基底構(gòu)造和裂陷期殘留地層厚度展布，禮樂盆地自北向南可分為北部坳陷、中部隆起和南部坳陷3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，其中北部坳陷又進(jìn)一步分為北1凹陷、北2凹陷、北3凹陷及北部低凸起(圖1；裴健翔等，2020).依據(jù)重力反演和深部地殼結(jié)構(gòu)探測結(jié)果，南部坳陷地殼厚度一般小于18 km，拉張因子大于1.9；北部坳陷地殼厚度介于10～28 km之間，其中北1凹陷沉積中心地殼厚度最小，地殼拉張因子超過3.0，北部低凸起區(qū)地殼厚度一般介于22～28 km，拉張因子介于1.2～1.7(裴健翔等，2020).地殼厚度和拉張因子的變化顯示禮樂盆地張裂階段經(jīng)歷了地殼強(qiáng)烈伸展減薄的裂陷過程.盆地構(gòu)造熱演化研究顯示，禮樂盆地現(xiàn)今熱狀態(tài)主要受張裂期拉張減薄作用的控制，熱流在早漸新世末達(dá)到最高，而后緩慢衰減，現(xiàn)今基底熱流一般介于55～75 mW·m-2，海底熱流介于60～70 mW·m-2.礁體發(fā)育區(qū)因礁體內(nèi)部地溫場受到擾動(dòng)，表層熱流可能出現(xiàn)負(fù)值(施小斌等，2020；王麗芳等，2020).

圖2 禮樂灘鉆井溫度隨深度的變化鉆井位置見圖1b，溫度數(shù)據(jù)源自王麗芳等(2020).黑色實(shí)線為S-1井測溫曲線分段擬合結(jié)果.Fig.2 Observed temperature data versus depth of the drillings in the Reed BankLocations of the drills are shown in Fig.1b. Temperature data are after Wang et al. (2020). Black solid lines are the piecewise least squares fitting lines according to the observed temperature data of drilling S-1.

圖3 S-1井巖性柱狀圖據(jù)Taylor and Hayes(1980)，孫龍濤等(2010)和裴健翔等(2020).Fig.3 Stratigraphic chart of drilling S-1After Taylor and Hayes (1980), Sun et al. (2010) and Pei et al. (2020).

禮樂盆地發(fā)育有中生界和新生界兩套地層，鉆井自下而上揭露的地層有白堊系、古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)、上新統(tǒng)以及第四系，這些地層均為濱、淺海-半深海相碎屑巖和碳酸鹽巖沉積(Taylor and Hayes，1980，1983；圖3).依據(jù)鉆井資料，禮樂灘海域自T70(28.4 Ma左右)以來，持續(xù)發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地和礁灰?guī)r.不同區(qū)域礁體厚度有些差異，如S-1、S-2和S-3鉆井揭示的礁體厚度約為2100 m，K-1和B-1揭示的礁體厚度約為2500 m，而A-1的礁體厚度約為1500 m(王麗芳等，2020).鉆井處礁體水深一般不足100 m，礁盤周圍海底水深約為1600 m(圖1).礁體發(fā)育成巖過程中，很可能因海平面變化及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而出露地表，在淡水淋濾等多種因素作用下發(fā)育高孔高滲碳酸鹽巖(時(shí)志強(qiáng)等，2016；王振峰等，2015).如位于西沙永興島的全取芯鉆井西科1井，揭示了自23 Ma生長至今的1257 m厚礁灰?guī)r，礁體孔隙度最大為49.24%，滲透率介于0.05～15000×10-15m2之間(朱偉林等，2015；張道軍等，2015；羅威等，2018).

2 鉆井測溫?cái)?shù)據(jù)

圖2是王麗芳等(2020)收集的5口鉆井的測溫-深度數(shù)據(jù).其中僅鉆井S-3有BHT和DST溫度，B-1井測溫?cái)?shù)據(jù)為最大電纜測井溫度，其余3口鉆井均為BHT溫度.最大測溫深度約為4300 m，測量溫度介于15～90 ℃之間(圖2).其中3000 m以上溫度較低，最高不超過60 ℃，與海底間的平均地溫梯度僅約10 ℃·km-1，明顯低于相鄰凹陷區(qū)；3000 m以下地溫梯度相對(duì)較高，介于32～37 ℃·km-1之間(王麗芳等，2020).如圖2所示，S-1井內(nèi)測溫?cái)?shù)據(jù)較多，井內(nèi)地溫梯度在2100～2500 m之間發(fā)生明顯的變化，2500 m以淺最高溫度約31 ℃，地溫梯度僅約7.5 ℃·km-1，2500 m以下地溫梯度較大，約為33.5 ℃·km-1.

3 模型與參數(shù)

3.1 地質(zhì)模型

王麗芳等(2020)認(rèn)為禮樂灘鉆井上部地層溫度偏低是因?yàn)榻阁w與周圍低溫海水發(fā)生熱交換的結(jié)果.為進(jìn)一步分析礁體區(qū)鉆井測溫及地溫梯度偏低的原因，這里選取一條穿過鉆井所在礁體的地震剖面開展流熱耦合模擬計(jì)算.如圖1所示，該地震剖面為NW-SE向，長約100 km，自西向東穿過禮樂灘礁體及北1凹陷，S-1井位于剖面約37 km處，揭露的礁體厚度為2100 m.剖面各界面深度采用以下時(shí)深轉(zhuǎn)換公式得到(王麗芳等，2020；圖4b)：

圖4 過禮樂灘礁體測線的地震剖面a圖時(shí)間剖面，b圖為時(shí)深轉(zhuǎn)換后的深度剖面.剖面位置見圖1，其中T70以上地層為裂后沉積，T100-T70為同裂陷期沉積(王麗芳等，2020).Fig.4 The profile across a reef body in Liyue BankFigure a is time profile and b is depth profile. See Fig.1 for the profile location. The layers above T70 are post-rift strata, while the layers between T70-T100 are syn-rift strata (Wang et al., 2020).

(1)

式中，t為以海底起算的雙程走時(shí)，單位為ms；y為對(duì)應(yīng)的海底起算深度，單位為m.如圖5c所示，在假設(shè)礁體厚度均勻的情況下依據(jù)地震剖面建立地質(zhì)模型，模型共分4層，從上至下分別為海水層、沉積層1(包括礁體及裂后沉積)、沉積層2(同裂陷期沉積)及基底，礁體兩側(cè)平均水深約為1600 m.為降低模型底邊界對(duì)地溫場的影響，模型底界深度設(shè)為25 km.考慮到礁體周圍環(huán)境水深與礁體底界的相對(duì)位置可能對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，這里以上述剖面為基礎(chǔ)，參考鄰近鉆井揭示的礁體厚度，同時(shí)建立了礁體厚度分別為1100 m、1600 m以及2500 m的3組地質(zhì)模型(圖5a、5b及5d).

3.2 數(shù)值模型

為了方便對(duì)比礁體與周圍海水的水熱交換過程，我們利用COMSOL多物理場耦合軟件分別計(jì)算了上述模型純熱傳導(dǎo)下的穩(wěn)態(tài)地溫場和流熱耦合條件下的地溫場.計(jì)算穩(wěn)態(tài)地溫場的熱傳導(dǎo)方程為

(2)

其中T為溫度，λ為熱導(dǎo)率，Q為熱源.當(dāng)考慮孔隙介質(zhì)的流體活動(dòng)時(shí)，為溫度方程、達(dá)西方程和流體連續(xù)方程耦合的流熱耦合模型，其中溫度方程為(Nield and Bejan，2013)

(3)

式中ρ為流體密度，CP為流體的恒壓熱容，u為流速.并依據(jù)達(dá)西方程計(jì)算流場：

(4)

(5)

3.3 模型參數(shù)及邊界條件

計(jì)算模型的巖石熱導(dǎo)率依據(jù)下式得到(Makhous and Galushkin，2005)：

(6)

其中，λg為巖石骨架熱導(dǎo)率，λw為水的熱導(dǎo)率，φ(z)為孔隙度.各沉積層巖性及其占比依據(jù)沉積環(huán)境、地震相和鉆井資料并參考裴健翔等(2020)的計(jì)算結(jié)果得到.孔隙度隨深度z呈指數(shù)降低：

φ(z)=φ0exp(-cz),

(7)

式中，φ0為初始孔隙度，c為壓實(shí)因子.相關(guān)參數(shù)見表1，其中礁體巖石孔隙度依據(jù)灰?guī)r孔隙度的變化規(guī)律，并且參考西科1井孔隙度測量結(jié)果，最小值不小于15%(時(shí)志強(qiáng)等，2016).

表1 模型參數(shù)與取值Table 1 Model parameters and values

表2 各模型參數(shù)及編號(hào)Table 2 Parameters and names of different models

在不考慮深部流體活動(dòng)的情況下，礁體內(nèi)水的密度ρ、熱導(dǎo)率λw、熱容CP及動(dòng)力粘度μ(單位分別為kg·m-3、W·(m·K)-1、J/(kg·K)-1和Pa·s)等隨溫度的變化關(guān)系為(Holzbecher，1998)

圖5 4組地質(zhì)模型Fig.5 Four groups of geological models with different reef thickness

(8)

(9)

(10)

(11)

模型中海水及海底溫度依據(jù)南海海域底水溫度BWT(℃)與水深z的關(guān)系 (Yang et al.，2018)：

(12)

考慮到新生代以來禮樂盆地經(jīng)歷了多期張裂作用，在參考剖面構(gòu)造熱演化模擬結(jié)果(王麗芳等，2020)及相鄰盆地?zé)釥顟B(tài)的基礎(chǔ)上，無特別說明的情況下，計(jì)算模型底邊界設(shè)為定熱流邊界，熱流值取75 mW·m-2，模型兩側(cè)為絕熱邊界.因?yàn)檫@里僅考慮模型內(nèi)水的溫度差異所導(dǎo)致的密度變化而引起的自然對(duì)流，因而滲流場中模型各邊界設(shè)定為零流量邊界.

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 2100 m厚礁體模型溫度場

為了檢驗(yàn)王麗芳等(2020)提出的鉆井上部溫度偏低的解釋模式，考慮到計(jì)算剖面上S-1鉆井的礁體厚度約為2100 m，下面首先計(jì)算2100 m厚礁體模型的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和流熱耦合結(jié)果.

4.1.1 二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型M2.1溫度場

圖6a為計(jì)算模型M2.1的溫度分布.該圖顯示，剖面各處溫度隨深度增大而增加，但其分布特征明顯受到礁體形態(tài)的影響.雖然礁體中心因地形較高不利于熱流聚集，但是由于礁體區(qū)水深較小，海底溫度較高，溫度等值線在礁體區(qū)上凸，礁體溫度明顯高于兩側(cè)裂后沉積層溫度(圖6b).礁體底部最大溫度約為100 ℃，兩側(cè)裂后沉積層底部最大溫度僅約30 ℃.剖面各處熱流及地溫梯度的變化主要受地層熱導(dǎo)率及熱傳輸過程中熱流重新分配等因素的控制.受到礁體區(qū)地形和海底溫度較高的影響，礁體兩側(cè)沉積層內(nèi)熱流與底邊界熱流較為接近，礁體外緣斜坡熱流較高，而礁體中心熱流及地溫梯度相對(duì)較低(圖7a和7b).

圖6 2100 m厚礁體模型的溫度分布圖a為M2.1模型地溫場，圖b為圖a模型代表點(diǎn)的溫度-深度曲線，圖c為模型地溫場；圖d實(shí)線為圖c模型代表點(diǎn)的溫度-深度曲線，虛線為圖b代表點(diǎn)曲線，洋紅色點(diǎn)劃線為海水溫度隨水深的變化曲線(公式(12))，圖b、d黑色圓點(diǎn)為S-1鉆井實(shí)測溫度.Fig.6 Temperature distribution of the 2100 m thick reef model(a) Temperature field of the M2.1 model, (b) Temperature-depth curves of the representative points in (a), (c) Temperature field of the model, (d) Temperature-depth curves of the representative points in (c) (solid curves) and in (a) (dashed curves), the magenta dot dash curve shows the bottom water temperature varies with water deep given by Equation (12). The solid circles in (b) and (d) are observed temperature in drilling S-1.

圖7 (a)2100 m厚礁體模型代表點(diǎn)熱通量隨深度變化；(b)代表點(diǎn)地溫梯度隨深度變化虛線代表模型M2.1，實(shí)線代表模型.各曲線代表點(diǎn)位置見圖6，a圖中灰色細(xì)線為底邊界熱流.Fig.7 Heat flux (a) and geothermal gradient (b) varies with depth at different representative points of the 2100 m thick reef modelDashed curves are predicted by M2.1 model, and the solid curves are calculated by model. The locations of the representative points are shown in Fig. 6. The grey fine line in (a) is the bottom boundary heat flow.

圖6a中e點(diǎn)(剖面37 km處)相當(dāng)于鉆井S-1的位置.圖6b顯示，S-1鉆井實(shí)測溫度明顯低于e點(diǎn)處的計(jì)算溫度.圖8b中顯示e點(diǎn)處礁體內(nèi)平均地溫梯度約40 ℃·km-1，明顯大于鉆井上部實(shí)測地溫梯度7.5 ℃·km-1，而礁體下伏沉積層平均地溫梯度約30 ℃·km-1，與鉆井實(shí)測梯度相當(dāng).因此，礁體內(nèi)實(shí)測溫度分布并非僅由純熱傳導(dǎo)作用控制，還應(yīng)存在其他使其地溫梯度大幅降低的地質(zhì)過程，如礁體與周圍低溫海水的熱交換作用.

4.1.2 流熱耦合溫度場

礁體溫度的大小與礁體滲透率有關(guān)，圖8為不同滲透率模型中e代表點(diǎn)的溫度和地溫梯度分布.該圖顯示礁體滲透率的變化對(duì)礁體區(qū)地溫場有明顯的擾動(dòng)，礁體滲透率越大(10-12m2至10-10m2)，流體活動(dòng)對(duì)礁體區(qū)降溫的影響程度越大，礁體及其下伏地層和基底溫度越低；不同模型預(yù)測的溫度曲線均從礁體頂面開始降溫，到海底深度(約為1600 m)附近后開始緩慢增溫，進(jìn)入礁體下伏地層后開始快速升溫.雖然礁體滲透率不同，但是不同模型礁體下伏地層平均地溫梯度基本相同，約為33 ℃·km-1(圖8)，與S-1井2500 m以下深度段實(shí)測地溫梯度相當(dāng)(圖2)，表明計(jì)算模型的熱物性參數(shù)取值基本合理.

4.2 改進(jìn)的礁體模型

依據(jù)禮樂盆地構(gòu)造演化與S-1巖性柱狀圖(圖3)，在礁體下伏地層發(fā)育較高滲透率層是可能的.如圖3所示，礁體以下主要發(fā)育三種沉積相類型，分別為古新統(tǒng)三角洲相、中下始新統(tǒng)淺海相及上始新統(tǒng)至下漸新統(tǒng)邊緣海相，其中邊緣海相地層巖性主要為細(xì)粒至粗粒砂巖與粉砂巖、頁巖互層，與上覆礁體碳酸鹽巖不整合接觸，碎屑物質(zhì)來源于周圍隆起的斷塊(Taylor and Hayes，1980，1983).碎屑巖沉積及不整合面的發(fā)育說明在礁體發(fā)育前禮樂灘礁體區(qū)局部高地可能出露海平面，隨后的海侵作用在不整合面之上形成了碳酸鹽巖礁體.一般來說，泥巖的孔隙度和滲透率較低，而砂巖的滲透率相對(duì)較高，不整合面發(fā)育時(shí)的風(fēng)化剝蝕作用可促進(jìn)砂巖的孔隙裂隙發(fā)育，使其滲透率增高.

為擬合鉆井溫度，依據(jù)前述計(jì)算結(jié)果、鉆孔實(shí)測溫度和巖性的變化特征，我們把2100 m礁體下伏400 m厚碎屑層設(shè)置為高滲層(圖9a中洋紅色實(shí)線所圍區(qū)域，下稱高滲層).圖9b中曲線為礁體與高滲層具有相同滲透率時(shí)，e點(diǎn)溫度隨深度的變化.該圖顯示，當(dāng)滲透率取3×10-12m2時(shí)，e點(diǎn)處高滲層下伏地層溫度隨深度變化與實(shí)測溫度相當(dāng)，但是礁體內(nèi)計(jì)算溫度明顯小于實(shí)測溫度.依據(jù)模型預(yù)測的礁體溫度隨滲透率減小而增大的規(guī)律，我們還計(jì)算了高滲層滲透率取3×10-12m2時(shí)，礁體滲透率取值介于1×10-13m2至5×10-12m2的5組曲線(如圖9c所示)，以嘗試擬合鉆孔實(shí)測溫度.圖9c顯示，在上述滲透率組合下，溫度曲線在礁體深度段差別較大，在高滲層下伏地層中差異很小，說明礁體滲透率取值對(duì)礁體內(nèi)溫度影響較大，對(duì)高滲層下伏地層溫度影響較小.然而，由于實(shí)際礁體的滲透率不可能如模型那樣完全均質(zhì)分布，因此模型得到的溫度曲線不能擬合所有實(shí)測溫度是可以理解的.

圖8 (a) 不同計(jì)算模型e代表點(diǎn)的溫度-深度曲線； (b) 各模型不同深度段的平均地溫梯度圖a中黑色圓點(diǎn)為S-1鉆井實(shí)測溫度，圖b中不同深度段分別是指e點(diǎn)的礁體、同裂陷沉積和基底深度段.圖a中洋紅色點(diǎn)劃線為期望的S-1井礁體下伏地層的溫度.Fig.8 (a) Calculated temperature-depth curves and (b) average geothermal gradient in different depth range at the representative point e in different calculated modelsIn (a), the solid circles are observed temperature in drilling S-1. In (b), the different depth ranges are reef, syn-rift strata, and basement at the representative point e. The dot dash line in (a) is the expected temperature increasing with depth below the 2100 m thick reef for drilling S-1.

圖9 改進(jìn)2100 m厚礁體模型預(yù)測的溫度分布 改進(jìn)的模型是在2100 m礁體下增加約400 m厚高滲層，圖a為礁體和高滲層滲透率取值均為3×10-12m2的改進(jìn)礁體模型計(jì)算得到的地溫場，洋紅色實(shí)線包圍區(qū)域即為增加的高滲層.圖b中曲線是礁體和高滲層取相同滲透率時(shí)，改進(jìn)模型計(jì)算得到的圖a中e點(diǎn)的溫度-深度曲線.圖c為高滲層滲透率取3×10-12m2，礁體取不同滲透率時(shí)，改進(jìn)模型計(jì)算得到的e點(diǎn)的溫度-深度曲線.圖中黑色圓點(diǎn)為S-1鉆井實(shí)測溫度.Fig.9 Temperature distribution calculated by improved 2100 m thick reef modelIn the improved reef model, the part of a 400 m thick clastic rock just below the 2100 m thick reef is set to be high permeability (named as HPL). (a) is the temperature field calculated by the improved model when the permeability of the reef and HPL is 3×10-12m2, the region limited by magenta solid line is the HPL. In (b), the temperature-depth curve is calculated by the improved model at Point e in (a) when the permeability of the reef and HPL is the same. (c) shows the Temperature-depth curves at Point e calculated by the improved model when the permeability of HPL is 3×10-12m2, but the permeability of the reef is different. The black solid circles are observed temperature in drilling S-1.

南海西沙群島西科1井實(shí)測結(jié)果顯示，礁體碳酸鹽巖的孔隙度和滲透率受碳酸鹽巖的巖石類型和成巖環(huán)境等因素的影響(時(shí)志強(qiáng)等，2016)，由于缺乏S-1井碳酸鹽巖分層及實(shí)測物性數(shù)據(jù)，禮樂灘礁體內(nèi)實(shí)測溫度很難完美擬合.但是，上述溫度曲線均能擬合高滲層下的實(shí)測溫度，而且礁體內(nèi)的實(shí)測溫度也基本介于這些計(jì)算曲線區(qū)內(nèi)，進(jìn)一步說明王麗芳等(2020)有關(guān)礁體區(qū)鉆井測溫及地溫梯度偏低是因?yàn)榻阁w與周圍海水間存在流體循環(huán)的認(rèn)識(shí)是正確的，也說明上述流熱耦合模型及其參數(shù)設(shè)置是合理的，而且礁體平均滲透率很可能介于1×10-13m2至5×10-12m2之間.

前述模型結(jié)果說明，S-1鉆井所處區(qū)域，在2100 m礁體下還有大約400 m厚碎屑巖層具有較大的滲透率.共約2500 m的礁體與下伏高滲層與周圍低溫海水發(fā)生水熱交換，導(dǎo)致礁體區(qū)的地溫顯著降低.這種水熱活動(dòng)對(duì)2500 m以下地層的擾動(dòng)明顯降低，使得2500 m以下地層的地溫梯度和熱流逐漸趨于正常(圖7).

5 討論

5.1 禮樂灘鉆井區(qū)深部熱狀態(tài)

如圖8、9所示，雖然各模型礁體厚度和滲透率取值不同，但是預(yù)測的礁體下伏地層地溫梯度基本相同，表明礁體內(nèi)水熱循環(huán)強(qiáng)度的大小對(duì)下伏地層溫度場的擾動(dòng)很小，亦說明礁體之下熱傳輸方式主要為熱傳導(dǎo).因而當(dāng)巖層熱物性一定時(shí)，下伏地層地溫梯度的大小主要受控于模型底邊界熱流.圖10為模型底邊界熱流取值不同時(shí)，圖9a改進(jìn)模型計(jì)算得到e點(diǎn)處的溫度垂向分布及其不同深度段的平均地溫梯度.該圖顯示e點(diǎn)垂向溫度及其不同深度段平均地溫梯度均隨底邊界熱流增加而增大，但是因傳熱方式的差異，各模型計(jì)算結(jié)果在礁體部分溫差較小，在高滲層下伏地層中溫差較大.圖10顯示，當(dāng)?shù)走吔鐭崃鹘橛?0～75 mW·m-2之間時(shí)，溫度曲線與鉆孔實(shí)測溫度一致性很好，高滲層以下(2500 m以下)平均地溫梯度介于29～32 ℃·km-1，與實(shí)測地溫梯度33 ℃·km-1相當(dāng)，說明當(dāng)模型下伏地層熱導(dǎo)率取值合理，且忽略生熱率的影響時(shí)，模型e點(diǎn)處背景熱流介于70～75 mW·m-2之間.

受礁體水熱活動(dòng)的影響，在實(shí)際計(jì)算礁體發(fā)育區(qū)的熱流時(shí)，需要以礁體下伏地層的熱流為準(zhǔn)，雖然受礁體降溫的影響，e點(diǎn)基底熱流略高于其背景熱流(如圖7及4.1.2節(jié)分析)，但是基本可以代表鉆井處的深部熱狀態(tài).遺憾的是，圖4中S-1鉆井是菲律賓與美國石油公司在1976年鉆探的，沒有收集到巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，目前還無法計(jì)算實(shí)測熱流.但是如果構(gòu)造熱演化模擬(王麗芳等，2020)以及本文模型設(shè)置合理的話，該處基底熱流應(yīng)介于65～75 mW·m-2.

禮樂盆地北臨南海海盆，西北側(cè)為禮樂西海槽(圖1)，海槽內(nèi)實(shí)測熱流介于76～107 mW·m-2(施小斌等，2020)，盆地西側(cè)的南沙島礁區(qū)實(shí)測海底熱流平均約為79 mW·m-2(徐行 等，2018b)，西南側(cè)的ODP1143鉆井實(shí)測熱流值為84 mW·m-2(Shi et al.，2003).因而禮樂盆地較高的背景熱流與區(qū)域高熱環(huán)境相符，是古近紀(jì)裂谷作用的結(jié)果.雖然禮樂盆地礁體區(qū)具有較高的背景熱流，但是受到礁體與周圍低溫海水熱交換的降溫作用，相同埋深下及礁體區(qū)地層溫度明顯低于周圍凹陷區(qū)地層溫度，因此礁體發(fā)育不利于下伏地層烴源巖的進(jìn)一步成熟演化(王麗芳等，2020).

圖10 改進(jìn)的模型e點(diǎn)處溫度、平均地溫梯度隨深度變化與底邊界熱流關(guān)系模型設(shè)置與圖9a相同，e點(diǎn)位置如圖9a所示，實(shí)線為溫度，虛線為平均地溫梯度，黑色點(diǎn)為S-1鉆孔實(shí)測溫度.Fig.10 Calculated temperature-depth curves and average geothermal gradient at Point e vary with heat flow at model’s lower bottom boundaryThe parameter of model is the same as Figure 9a. See Fig.9a for the location of Point e. Solid and dashed lines are temperature-depth curves, and geothermal gradient-depth curves, respectively. The solid circles are observed temperature in drilling S-1.

5.2 礁體內(nèi)的水熱活動(dòng)過程

圖11顯示當(dāng)礁體滲透率為10-10m2時(shí)，礁體易與周圍海水發(fā)生水熱交換.海水主要從頂部進(jìn)入礁體，流線指向礁體下方，流體匯聚至礁體底部；在約43 km的礁體中心處流體被加熱上升至頂部，并與兩側(cè)向下流體形成兩個(gè)近似對(duì)稱的主對(duì)流環(huán)；礁體外緣斜坡內(nèi)也存在若干個(gè)小規(guī)模的對(duì)流環(huán).這種強(qiáng)流體對(duì)流帶走了大量熱量，使得礁體內(nèi)溫度普遍較低，僅有少量熱量停留在礁體底部，礁體中部至底部溫度緩慢增加；受海水溫度影響，礁體內(nèi)溫度最高處位于水深較淺的礁體頂部(圖11).

當(dāng)碳酸鹽巖滲透率降低至10-12m2時(shí)，海水主要從礁體外緣斜坡進(jìn)入，流體自兩側(cè)近似水平地匯聚至礁體中部，而后向上至頂部并流出海底，礁體內(nèi)不存在完整的對(duì)流圈(圖11)；這使得礁體與海水的熱交換作用減弱，并導(dǎo)致累積在礁體底部的熱量增加，溫度最高點(diǎn)位于礁體中心的底部.此時(shí)，礁體中心的上升流對(duì)礁體溫度的側(cè)向變化影響較大，礁體底部熱量隨上升流運(yùn)移至礁體上部，使得礁體中心溫度顯著大于礁體外緣.相對(duì)于高滲透率模型，此時(shí)礁體整體溫度略有升高.

當(dāng)巖石滲透率低于1×10-13m2時(shí)，礁體內(nèi)的流體對(duì)流以及礁體與周圍海水的熱交換強(qiáng)度都較弱，流體僅能帶走有限的熱量，流體在礁體底部多處加熱上浮，形成多個(gè)對(duì)流環(huán)(圖11).此時(shí)，礁體與周圍海水熱交換作用對(duì)礁體內(nèi)降溫效果有限，側(cè)向上局部溫度變化較大，礁體溫度在流體上升區(qū)較大，在流體下降區(qū)較小，上浮流體區(qū)的溫度甚至高于純熱傳導(dǎo)模型相同區(qū)域的溫度(圖11a).

圖11 不同滲透率下礁體內(nèi)流場及其溫度分布圖a—f分別為計(jì)算模型及地溫場和流場，其位置如圖12a中黑色線框所示，白色線為流線，箭頭為流向.Fig.11 Flow field and temperature field in reef area calculated with different permeability Figs.a—f show the flow and temperature fields of the models, respectively. The graphical area is given in Fig.12a. White lines are streamline, and their arrows denote flow direction.

值得說明的是，上述模型得到的流場和地溫場是假定礁體滲透率均質(zhì)且各項(xiàng)同性時(shí)得到的，所用的滲透率相當(dāng)于礁體的等效滲透率.實(shí)際情況下，礁體碳酸鹽巖的滲透率分布是非均質(zhì)和各項(xiàng)異性的，因此實(shí)際礁體內(nèi)流場和地溫分布很可能更加復(fù)雜.但是礁體滲透率降低，礁體與周圍海水熱交換強(qiáng)度隨之降低的總體趨勢是肯定的.禮樂灘不同位置鉆井的測溫?cái)?shù)據(jù)(圖2)隨深度具有相似的變化特征，而且這種變化特征與前述具較高等效滲透率的流熱耦合模型預(yù)測結(jié)果具有較好的一致性(如圖8)，說明禮樂灘鉆井分布區(qū)礁體具有較高的滲透率.

5.3 礁體厚度的影響

圖13顯示，不同厚度礁體模型的溫度隨深度變化曲線基本相似，礁體上部溫度隨深度降低，礁體下部溫度緩慢增加，至礁體底界附近(具體深度與礁體滲透率有關(guān))地溫梯度略高于正常地溫梯度(圖8b).礁體厚度越小，參與流體循環(huán)的區(qū)域越小，對(duì)地溫場的擾動(dòng)也越小.根據(jù)前述分析，由于滲透率較大，這些模型中礁體與周圍海水間的水熱交換比較充分.因此，在一定巖石滲透率和背景水深下，當(dāng)礁體與周圍海水熱交換作用足夠強(qiáng)時(shí)，礁體厚度越大，礁體及其下伏地層溫度越低.但是當(dāng)礁體滲透率較小，埋深大于背景水深的礁體不能充分參與水熱循環(huán)時(shí)(圖11c—f)，礁體局部區(qū)域及其下伏地層溫度會(huì)相對(duì)較高.

圖12 (a) 模型溫度分布； (b) 模型溫度分布； (c) 模型的溫度分布圖a中黑色線框?yàn)閳D11的位置.Fig.12 Temperature distribution of Model (c)The box in Figure a is the location of Fig.11.

圖13 不同厚度礁體模型代表點(diǎn)的溫度隨深度的變化曲線實(shí)線和虛線分別是模型e點(diǎn)和c點(diǎn)的溫度曲線，e、c點(diǎn)位置見圖6.Fig.13 Temperature-depth curves at two representative points predicted by the models with different reef thicknessSolid and dashed lines are the temperature at the representative points e and c, respectively. See Fig.6 for the locations of Points e and c.

6 結(jié)論

本文以南海南部禮樂盆地過礁體剖面為例，在流熱耦合條件下對(duì)礁體內(nèi)的水熱活動(dòng)進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論：

(1) 純熱傳導(dǎo)條件下，礁體內(nèi)計(jì)算溫度明顯大于鉆井實(shí)測溫度，說明礁體內(nèi)可能存在水熱活動(dòng).礁體與周圍海水間的水熱循環(huán)對(duì)礁體區(qū)溫度場有明顯的擾動(dòng)，礁體上部溫度受海水溫度的影響，具有負(fù)地溫梯度及負(fù)熱通量特征，礁體下伏地層地溫梯度逐漸恢復(fù)正常.

(2) 礁體區(qū)溫度場受水熱活動(dòng)擾動(dòng)的程度與礁體的滲透率和厚度有關(guān).礁體滲透率及厚度越大，礁體內(nèi)的對(duì)流強(qiáng)度及其影響深度越大，礁體及其下伏地層溫度越低.

(3) 禮樂灘S-1井所處區(qū)域，2100 m厚礁體下伏邊緣海相地層局部可能存在約400 m厚的高滲層，在流熱耦合條件下對(duì)鉆井實(shí)測溫度的擬合結(jié)果表明，礁體平均滲透率介于1×10-13m2至5×10-12m2之間，礁體下伏高滲層滲透率約為3×10-12m2.

(4) 受水熱活動(dòng)的影響，僅高滲層下伏地層的熱流可以代表礁體區(qū)深部熱狀態(tài).結(jié)合計(jì)算結(jié)果及區(qū)域熱背景推測禮樂灘礁體區(qū)具有較高的基底熱流，S-1井深部熱流介于65～75 mW·m-2之間.