滄縣隆起北部地溫場特征及其主控因素分析

宿宇馳，毛小平，張 飛，毛 珂，盧鵬羽

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

進入21世紀以來，環(huán)境問題一直困擾著世界各國。地?zé)嶙鳛橐环N清潔能源，具有可再生、可就近利用，不受地域限制的特點，是傳統(tǒng)化石能源的理想替代能源[1]。滄縣隆起北部地區(qū)人口稠密，冬季霧霾高發(fā)，對于地?zé)崮茉从衅惹械男枨蟆＝┠?，在“雄縣模式”和環(huán)境壓力的雙重驅(qū)動下，我國在中低溫地?zé)豳Y源開發(fā)利用上有加速發(fā)展趨勢，在華北地區(qū)地?zé)豳Y源開采利用方面取得了重要成果[2]。

陳墨香等1982年通過對鉆孔實測溫度進行分析，認為熱導(dǎo)率的垂向與橫向變化是引起華北地區(qū)地?zé)岙惓５闹饕蛩?；趙淑珍1982年通過研究天津地區(qū)地溫場與地電場、地磁場、重力場之間的相關(guān)性，認為巖漿侵入的余熱是天津地區(qū)局部的地?zé)岢梢驒C制；周瑞良1987年通過同位素地球化學(xué)、水化學(xué)、地下水水位標高的方法，認為水動力是造成華北地區(qū)地溫場差異分布的主要因素；張百鳴等2006年通過對天津地區(qū)地?zé)崽锏目辈椋J為天津?qū)儆诘責(zé)嵴^(qū)，只有在局部水動力和構(gòu)造因素相結(jié)合的情況下才會形成局部地?zé)岙惓！Ｋ迳購?019年通過研究天津地區(qū)的構(gòu)造特征和地層分布，認為薊縣系霧迷山組是主要的熱儲之一，地下熱水主要來源于薊縣山區(qū)，熱量的運移通道為斷裂[3-28]。

前人對于本地區(qū)地?zé)岢梢虻难芯枯^少，且數(shù)據(jù)陳舊，導(dǎo)致對于本地區(qū)地?zé)嶂骺匾蛩氐恼J識不一。本文旨在通過現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對實測地?zé)崞拭孢M行正演模擬，與實測溫度進行對比研究，并結(jié)合井溫資料，對滄縣隆起北部地區(qū)地?zé)岢梢蚺c地溫場特征提出一些新的認識與依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地為中、新生代時期形成的疊合盆地[3]，滄縣隆起是渤海灣盆地西部的Ⅲ級構(gòu)造單元，總體上滄縣隆起位于渤海灣盆地基底隆起部位，走向為近NE向，東西部緊鄰冀中坳陷與黃驊坳陷。滄東斷裂發(fā)育于隆起東部，是一條上地殼的拆離斷層，它北起寧河，向南延伸至武清附近，途經(jīng)滄州、南皮、吳橋和山東德州，全長350 km,是一條隱伏斷層(圖1)。

圖1 渤海灣盆地構(gòu)造單元圖(a)(據(jù)文獻[15]修改)和滄縣隆起構(gòu)造分區(qū)圖(b)(據(jù)文獻[7-8,16]修改)

根據(jù)鉆井及前人資料顯示，寒武系、奧陶系為穩(wěn)定克拉通背景下的陸表海沉積,以海相碳酸鹽巖地層為主[1]。奧陶紀到石炭紀早期研究區(qū)受加里東運動影響而整體抬升，從而使志留系、泥盆系和下石炭系地層受到剝蝕作用，并導(dǎo)致早古生代遭受了長達120 Ma的風(fēng)化剝蝕，為熱水的儲集提供了良好的空隙[3,5-6]。晚石炭世又開始整體下降接受沉積，發(fā)育了一套海陸交互相的含煤建造，進入二疊紀轉(zhuǎn)為干旱條件下的河流相沉積[1]。在早、中三疊世，滄縣隆起及其東西兩側(cè)的廣大地區(qū)下部地層為河湖、湖沼相含煤建造，晚三疊世的印支運動使該地區(qū)隆起遭受剝蝕，進入早、中侏羅世，滄縣隆起北區(qū)為沉積坳陷區(qū)[7-10]。進入晚侏羅世—早白堊世，受燕山運動影響，滄東斷裂開始形成，使滄縣隆起與黃驊凹陷地區(qū)形成斷階構(gòu)造，滄縣隆起位于高臺階地區(qū)，并受到剝蝕[4]。從早第三紀一直強烈隆升,直至上新世和第四紀才被覆蓋,主體部位普遍缺失古—中新統(tǒng)[10](圖2)。

圖2 滄縣隆起北部構(gòu)造剖面演化圖(剖面位置A-A′位置見圖1(b))

根據(jù)鉆井及前人資料顯示，研究區(qū)熱儲層由新到老主要為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲、奧陶系熱儲和薊縣系霧迷山組熱儲。其中明化鎮(zhèn)組熱儲為孔隙型熱儲，奧陶系與薊縣系熱儲為裂隙型熱儲。明化鎮(zhèn)組在全區(qū)均有分布，巖相為上粗下細，呈反旋回特征，下段為泥巖，上段為砂巖，該層在C18井、三呼莊—新集一帶未見底,在黃驊、冀中、長清地區(qū)的疊加厚度可達120～340 m[11-12]。奧陶系熱儲為一套海相碳酸鹽巖，根據(jù)WR100、WR96D和WR94D鉆井顯示，奧陶系巖層以灰色、深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，夾泥質(zhì)灰?guī)r，厚度為600～800 m，主要分布于研究區(qū)內(nèi)的雙窯凸起區(qū)、白塘口凹陷區(qū)，潘莊凸起區(qū)也有小面積分布。薊縣系霧迷山組熱儲主要白云巖組成，總厚度可達505～2 624 m，在全區(qū)均有分布，埋深為800～2 000 m[13-14]。

2 地溫梯度特征

沉積蓋層的地溫梯度變化是近地表處不同構(gòu)造帶地溫場差異的最直接反映[17]。筆者在前人的基礎(chǔ)上[15，18-20]，結(jié)合搜集的地?zé)衢_發(fā)資料(表1)編制了滄縣隆起北部地溫梯度分布圖(圖3)。從圖中可以看出研究區(qū)內(nèi)地溫梯度具有明顯的分段、分帶性特征。

表1 滄縣隆起北部典型11口地?zé)徙@孔和試油溫度鉆孔地溫梯度數(shù)據(jù)

從平面上來看，地溫梯度的分帶性主要體現(xiàn)在地溫梯度的分布與下伏的基巖起伏基本一致，地溫梯度等值線的長軸方向與斷裂走向大致相同。在大城凸起處，蓋層地溫梯度主體介于30～40 ℃/km之間；潘莊凸起和王草莊凸起介于30～50 ℃/km之間；興濟凸起地溫梯度介于30～45 ℃/km之間；小韓莊凸起與雙窯凸起是研究區(qū)蓋層地溫梯度最高的兩個區(qū)域，最高可達60 ℃/km，主體介于40～60 ℃/km之間。而在研究區(qū)的里坦凹陷與白塘口凹陷處地溫梯度降至20～30 ℃/km。

地溫梯度的分段性主要體現(xiàn)在地溫梯度隨著深度的增加，在不同層段，其地溫梯度也不同。圖4是白塘口凹陷WR63井和潘莊凸起WR73井溫度—地溫梯度—深度曲線，WR63井1 100 m以上巖性主要為砂泥巖，地溫梯度為40 ℃/km，溫度分布在32～54 ℃之間，1 100～1 250 m為明化鎮(zhèn)組地層，地溫梯度出現(xiàn)波動，波動范圍在10～40 ℃/km之間，1 250～2 715 m為寒武系、奧陶系碳酸鹽巖熱儲，地溫梯度在10～38 ℃/km之間，平均值在30 ℃/km左右，2 715～3 140 m為薊縣系霧迷山組白云巖熱儲，地溫梯度迅速減??；WR73井1 650 m之上為碳酸鹽巖熱儲，1 650 m以下為霧迷山組白云巖熱儲，其中1 500～2 700 m，地溫梯度紊亂，甚至出現(xiàn)了負值，但其溫度幾乎沒有發(fā)生變化，2 700 m以下溫度梯度變化幅度趨于平緩。

圖4 白塘口凹陷WR63井(a)和潘莊凸起WR73井(b)溫度—地溫梯度—深度曲線圖(測溫曲線引用自文獻[22-23])

從上述兩口井的溫度—地溫梯度—深度曲線上可以看出，地溫梯度值隨深度的變化具有明顯的階段性[21]。相較于熱儲層，沉積蓋層具有較高的地溫梯度，這主要是因為沉積蓋層主要為砂泥巖，具有較高的孔隙度和滲透率和較低的熱導(dǎo)率，熱傳遞方式主要以熱傳導(dǎo)為主；寒武系、奧陶系熱儲由于加里東運動遭受了嚴重的風(fēng)化剝蝕作用，形成了各種孔、洞、縫，同時部分地區(qū)由于斷裂處地下水流的影響，造成地溫曲線出現(xiàn)較大幅度的波動，熱導(dǎo)率較高，造成該層熱傳遞方式以熱傳導(dǎo)與熱對流相互疊加，但以熱對流為主的現(xiàn)象；薊縣系霧迷山組熱儲，以高效的熱對流的方式進行熱傳遞，使地層內(nèi)部溫度分布相對均一，地溫梯度變化趨于平緩。

3 地溫場模擬

3.1 地溫場模型模擬

研究區(qū)內(nèi)的地溫場分布顯示出與基巖構(gòu)造、熱導(dǎo)率有明顯的關(guān)系，本文在不考慮熱流折射的情況下設(shè)計了一個古隆起(圖5)。該模型深度為4 km，寬度為7 km，K1與K2分別代表了圍巖熱導(dǎo)率與基巖熱導(dǎo)率，H代表了基巖的埋藏深度。為研究地溫場分布與圍巖熱導(dǎo)率和基巖埋深之間的關(guān)系，本文設(shè)置了Ⅰ、Ⅱ兩次模擬:Ⅰ模擬設(shè)置K2=3.0 W/(m·℃)，K1分別為2.0W/(m·℃)、1.5 W/(m·℃)、0.5 W/(m·℃)，H=2 000 m;Ⅱ模擬設(shè)置K2=3.0 W/(m·℃)，K1=0.5 W/(m·℃)，H分別為2 000 m、1 000 m和0。兩次模擬的時間都為40萬年，地幔熱流取陸區(qū)的平均值45 mW/m2。通過模擬結(jié)果可以看出，地溫場的分布與基巖的埋深、上覆蓋層的熱導(dǎo)率具有明顯的相關(guān)性。具體如下。

圖5 地溫數(shù)值模擬模型

(1)當基巖的埋深與熱導(dǎo)率一定時，凸起區(qū)上部會形成局部高溫，等溫線呈上凸型，而下部呈現(xiàn)為下凹型，在上凸與下凹等溫線之間會存在一條熱流平衡線。隨著蓋層熱導(dǎo)率的降低，凸起區(qū)地溫異常的現(xiàn)象變得十分明顯，當蓋層熱導(dǎo)率為0.5 W/(m·℃)時，在2 000 m深度，基巖凸起區(qū)的溫度相較于凹陷處可高出20 ℃(圖6)。

圖6 不同圍巖熱導(dǎo)率下的地溫場分布模擬結(jié)果圖

(2)當上覆蓋層于與基巖的熱導(dǎo)率一定時，隨著基巖的埋深逐漸變淺，凸起處的高溫異常逐漸消失，當基巖的埋深深度變?yōu)?時，凸起區(qū)的地溫等值線將變?yōu)橄掳夹?，而凹陷處的地溫等值線變?yōu)樯贤剐汀?/p>

因此，要形成區(qū)域地溫異常，首先要具有一定厚度的蓋層，其次基巖埋深相對要淺。關(guān)于一定深度內(nèi)溫度的高低，可把基巖與蓋層視為一個整體，若整體的平均熱導(dǎo)率較高，則其整體的溫度較低?；鶐r凸起處形成的地?zé)岙惓嵸|(zhì)為熱導(dǎo)率的分布不均。

3.2 實測剖面地溫場模擬

為進一步揭示滄縣隆起北部地溫場分布于基巖凸起之間的關(guān)系，本文選擇了兩條具有實測溫度曲線的剖面進行正演模擬[20，24]。

如圖7所示，A-A′由西向東分別經(jīng)過了大城凸起、雙窯凸起與白塘口凹陷與小韓莊凸起；B-B′剖面由西向東經(jīng)過了大城凸起、里坦凹陷和興濟凸起。在雙窯凸起、小韓莊凸起和興濟凸起處基巖埋深最淺，約為1 000 m，在雙窯凸起處，新近系地層直接覆蓋在中元古代地層之上，震4井所測到的新生界地溫梯度達64 ℃/km。1 000 m實測地溫梯度展現(xiàn)出在基巖凸起處高、凹陷處低的特點。

圖7 不同基巖埋深下的地溫場分布模擬結(jié)果圖

本次的正演模擬采用二維熱導(dǎo)方程在計算機上實現(xiàn)。一般情況下，各地質(zhì)構(gòu)造區(qū)新生界蓋層熱導(dǎo)率的變化可以認為是地區(qū)巖性巖相變化特點的一種反映[25]。這是因為凸起區(qū)一般是物源區(qū)，而邊緣地帶則臨接物源區(qū)。與凸起區(qū)相比，凹陷區(qū)內(nèi)碎屑沉積物砂的含量要小，且粒度要小，砂質(zhì)沉積物的分布比例也要小，這就導(dǎo)致了凸起區(qū)的蓋層熱導(dǎo)率相比于凹陷區(qū)來說要高。因此，把凸起區(qū)平均熱導(dǎo)率應(yīng)用到凹陷區(qū)，雖與實際情況存在誤差，但總的輪廓和趨勢是可信的。如表2所示，本文采用前人在研究區(qū)鄰區(qū)冀中坳陷經(jīng)過校正后的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)[15]。設(shè)置地殼深處無差異的元古界基底熱流為q=45 mW/m2。地表溫度設(shè)為15 ℃，初始地溫梯度設(shè)為3.5 ℃/100 m。模擬年代為40萬年。模擬結(jié)果如圖8和圖9所示，除部分地區(qū)外，模擬的1 000 m地溫線與實測溫度曲線基本擬合。

圖8 大城凸起—小韓莊凸起地?zé)岬刭|(zhì)剖面模擬圖(剖面位置A-A′位置見圖1(b))

表2 地溫場模擬所用熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)

滄縣隆起北部地區(qū)地溫場在剖面上的分帶性和垂向上的分層性在地?zé)峥碧綄嵺`中得到了有力的證明。

近NW—SE向的兩條實測地?zé)岬刭|(zhì)剖面揭示，1 000 m處的地溫變化、蓋層的地溫梯度變化與基底起伏具有驚人的一致性(圖8和圖9)。即基底凸起區(qū)的1 000 m處的溫度與地溫梯度高，凹陷區(qū)相對較低低，且基底凸起的幅度愈高，蓋層地溫梯度與1 000 m處的溫度愈高。如大城凸起與鄰區(qū)里坦凹陷基底埋深的差異達到4 000 m，1 000 m處的溫度相差可達20 ℃以上，上覆新生代蓋層的地溫梯度大于5 ℃/100 m；在白塘口凹陷的兩側(cè)的雙窯凸起和小韓莊凸起，基底的埋深差異在3 000 m左右，但兩側(cè)的1 000 m溫度與地溫梯度均具有較大的差值。

圖9 大城凸起—興濟凸起地?zé)岬刭|(zhì)剖面模擬圖(剖面位置B-B′位置見圖1(b))

另外，模擬的溫度曲線與實測的溫度曲線具有高度的一致型，說明了研究區(qū)的地溫場分布主要受基巖起伏所控制。在雙窯凸起處，模擬的1 000 m溫度與實測的溫度在總體趨勢上具有較高的相似性，但溫差較大，周瑞良1987年認為這是由于斷裂所造成的地下熱水上涌大大提高了雙窯凸起熱儲層的溫度，導(dǎo)致了與本文所設(shè)計的熱傳導(dǎo)模型溫度相差較大；在里坦凹陷與白塘口凹陷處的模擬溫度與實測溫度不同，筆者認為是所選用的蓋層的巖石熱導(dǎo)率與實際情況不同所導(dǎo)致的。故此，研究區(qū)內(nèi)的地溫場的分布主要由基底起伏所控制，并受斷層所導(dǎo)致的地下水流所影響從模擬的過程與結(jié)果來中可以得到以下幾點認識:(1)縱向上，基底凸起帶的地溫場具有鏡像的分層結(jié)構(gòu)[26-28]。即以新生界與元古界之間的角度不整合為界，其上覆蓋層的溫度—深度等值線呈向上凸的弧形展布，而下伏基巖的溫度—深度等值線呈向下凹的弧形分布，且蓋層的溫度—深度等值線密集，地溫度梯度高，而基巖的溫度—深度等值線較疏松，地溫梯度較低，二者形態(tài)上形成了不對稱的鏡像分層結(jié)構(gòu)。其原因在于蓋層的熱導(dǎo)率較低，起到了良好的保溫作用，有利于高地溫梯度帶的形成；而基巖熱導(dǎo)率高，熱傳遞速度快，向深部往往呈現(xiàn)低地溫梯度帶，這與地溫場模型模擬所得到的結(jié)果基本一致。(2)橫向上，蓋層地溫場的分帶變化特征與基底構(gòu)造起伏基本一致，且基巖埋深的越淺，其上覆的地溫梯度越大。這說明基巖的高低起伏對于地溫場的分布具有明顯的控制作用。

4 結(jié) 論

(1)滄縣隆起北部地區(qū)地溫梯度具有橫向上分帶、縱向上分段的特點。橫向上，沉積蓋層的地溫梯度與下伏基巖起伏基本一致；同時，由于熱傳導(dǎo)方式和地下水的因素，縱向上，沉積蓋層具有較高的地溫梯度以熱傳導(dǎo)為主，熱儲層具有較低的地溫梯度以熱對流為主。

(2)基巖凸起處所形成的地?zé)岙惓?，實質(zhì)為熱導(dǎo)率的分布不均所導(dǎo)致的。想要存在高地?zé)岙惓Ｒ纬蓞^(qū)域地溫異常，首先要具有一定厚度的蓋層，其次基巖埋深相對要淺。

(3)滄縣隆起北部地區(qū)地溫場分布主要受基巖起伏所控制，局部受到地下熱水沿斷裂上涌所影響。