渤海灣周緣高溫地?zé)岙惓Ｌ卣骷吧畈繜峤Y(jié)構(gòu)分析

張 健, 何雨蓓, 姜程浩, 褚 偉, 方 桂

中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

以大地?zé)崃鳛榛A(chǔ)的地?zé)釋W(xué)研究表明(姜光政等, 2016; Jiang et al., 2019), 渤海灣周緣地?zé)豳Y源十分豐富, 且高溫地?zé)豳Y源潛力隨深度的增大而增大。在渤海灣周緣開展高溫地?zé)岙惓Ｌ卣髋c深部熱結(jié)構(gòu)形成機(jī)制研究, 對解決我國東部高溫地?zé)峥辈殚_發(fā)瓶頸、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。地?zé)崮苜Y源是我國“十四五”規(guī)劃的未來戰(zhàn)略性接替能源, 高溫地?zé)豳Y源蘊(yùn)含豐富的地?zé)崮? 是國家尋求非碳基能源的主要目標(biāo), 在國家加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系、努力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)任務(wù)進(jìn)程中, 清潔高效、低碳排放的高溫地?zé)豳Y源日益重要, 備受關(guān)注。高溫地?zé)岙惓Ｌ卣髋c深部熱結(jié)構(gòu)的地?zé)釋W(xué)研究, 除了需要大地?zé)崃髻Y料外, 還需要震、磁、重、電等地球物理資料, 分析與地?zé)崮苜x存密切相關(guān)的居里點(diǎn)深度、Vp相關(guān)的淺層生熱率、Vs相關(guān)的殼幔低速層、泊松比等地球物理學(xué)指標(biāo)。最近, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室張海江教授課題組利用中國大陸地震臺網(wǎng)體波走時數(shù)據(jù)、全國面波頻散曲線數(shù)據(jù)集, 應(yīng)用體波-面波聯(lián)合成像算法, 獲得了新的中國大陸巖石圈速度模型(Unified Seismic Tomography models for continental China lithosphere)USTClitho2.0(Han et al., 2022), 為地?zé)釋W(xué)研究提供了區(qū)域動力學(xué)和深部結(jié)構(gòu)參考模型。本文基于USTClitho2.0地震學(xué)模型(圖1b), 以及航磁、區(qū)域重力資料, 利用地?zé)釋W(xué)方法對渤海灣周緣高溫地?zé)岙惓Ｌ卣骷吧畈繜峤Y(jié)構(gòu)開展分析。

圖1 渤海灣周緣熱流點(diǎn)分布及地震Vs波速模型Fig. 1 Heat flow points and Vs velocity model of Bohai Bay

1 構(gòu)造背景與地?zé)岬刭|(zhì)條件

渤海灣位于華北克拉通東部, 新生代以來經(jīng)歷了古近紀(jì)裂谷期(66—23 Ma)、新近紀(jì)—第四紀(jì)后裂谷期(23 Ma到現(xiàn)在)兩個構(gòu)造演化階段(Ye et al.,1985; Li et al., 2012)。裂谷期, 由于構(gòu)造沉降(Qi and Yang, 2010; Li et al., 2012), 發(fā)育一系列地塹和半地塹, 沉積層序包括孔店組、沙河街組和東營組(Yang and Xu, 2004; Hao et al., 2011; Zhu et al., 2014); 后裂谷期, 由于熱沉降(Qi and Yang, 2010; Huang et al., 2014), 形成以渤中坳陷為沉降沉積中心、眾多沉積坳陷和凸起相間的大型盆地, 沉積層序包括新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系平原組。郯廬斷裂帶渤海段在新生代的斷層活動控制了兩側(cè)坳陷的構(gòu)造-熱演化, 遠(yuǎn)離郯廬斷裂的坳陷, 如, 黃驊坳陷(李明剛等, 2009), 所受影響較小, 昌濰坳陷、渤中坳陷處于斷裂帶上, 所受影響較大。鏡質(zhì)組反射率和磷灰石裂變徑跡計(jì)算的熱演化史表明(邱楠生等,2007), 昌濰坳陷地溫梯度在孔店組沉積時期為58～57 ℃/km, 沙河街末期為 47 ℃/km, 東營組至館陶組沉積末期為43 ℃/km, 現(xiàn)今為42 ℃/km。渤中坳陷地溫梯度在孔店組沉積時期為56～50 ℃/km,沙河街組沉積時期為50～40 ℃/km, 東營組沉積末期為37.5 ℃/km, 館陶組沉積末期為 34 ℃/km, 現(xiàn)今為33 ℃/km。總體上, 在從古近紀(jì)到新近紀(jì)的斷陷向坳陷構(gòu)造演化過程中, 地溫梯度逐漸降低。

渤海灣發(fā)育有沉積盆地型、斷裂裂隙型、巖漿活動型等多種地?zé)豳Y源類型, 是華北重要的地?zé)豳Y源區(qū)。2014年, 在渤海灣南岸的陳莊凸起, 利津干熱巖SDGRY1井在2492 m測溫104.2 ℃(譚現(xiàn)鋒和王浩, 2015), 終孔孔深2 500.58 m, 測溫曲線上段(0—1200 m)地溫梯度 47.7 ℃/km, 下段(1200—2500 m)地溫梯度29.0 ℃/km, 上、下兩段均為線性傳導(dǎo)型地溫曲線。推測在5120 m深度以下, 陳莊凸起溫度將大于 180 ℃(譚現(xiàn)鋒和王浩, 2015)。2019年, 在渤海灣北岸的馬頭營凸起, 馬頭營干熱巖M1井在3965 m鉆遇151.25 ℃高溫巖體(齊曉飛等, 2020), 鉆孔地層: 0—250 m為第四系松散沉積物, 250—1150 m 為明化鎮(zhèn)組砂巖、泥巖, 1150—1350 m為館陶組砂巖、泥巖, 1350—4000 m為太古宙變質(zhì)花崗巖類或變質(zhì)巖系。測溫曲線表明: 新生界地溫梯度為50～70 ℃/km; 新生界底至2500 m太古宙地層, 地溫梯度為 12 ℃/km; 太古宙地層內(nèi)2500—3500 m 深度, 地溫梯度為 17 ℃/km; 深度＞3500 m, 地溫梯度為27 ℃/km。預(yù)測在5074 m深度以下, 馬頭營凸起溫度將大于 180 ℃(藺文靜等,2021)。

大地?zé)崃鼽c(diǎn)計(jì)算得到的熱巖石圈厚度和莫霍面溫度是研究深部高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。本研究區(qū)內(nèi)目前共有實(shí)測大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)91個(圖1a), 熱流值在 40.9～113.9 mW/m2之間, 平均值為 66.88 mW/m2。高熱異常主要出現(xiàn)在冀中、渤中等坳陷區(qū), 其中,冀中坳陷巖石生熱率在1.05～1.61 μW/m3之間, 熱導(dǎo)率在 1.88～3.5 W/(m·K)之間(姜光政等, 2016; Jiang et al., 2019; Wang et al., 2019)。前人(何麗娟等, 2001;臧紹先等, 2002; 彭波和鄒華耀, 2013; Qiu et al.,2015)依據(jù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程, 利用鉆井或插值點(diǎn)的地表熱流, 向下外推各深度的溫度, 計(jì)算熱巖石圈厚度、莫霍面溫度, 認(rèn)為渤海灣熱巖石圈厚度在61～102 km之間, 莫霍面溫度在450～850 ℃之間。由于鉆井?dāng)?shù)據(jù)向深部外推會帶來一定誤差, 比如,地殼厚度3 km的誤差就將會導(dǎo)致11%～14%的熱巖石圈厚度誤差、15%～20%的 Moho面溫度誤差(Wang and Cheng, 2012), 且一維計(jì)算中, 地殼結(jié)構(gòu)橫向起伏較大時, 小距離橫向熱傳導(dǎo)也會對計(jì)算結(jié)果造成較大誤差。因此, 人們更傾向于由航磁異常反演居里點(diǎn)深度約束地殼溫度(張健等, 2018)、由地震波速模型計(jì)算上地幔溫度并以 1300 ℃等溫線確定熱巖石圈厚度(安美建和石耀霖, 2007)。在居里溫度統(tǒng)一取475 ℃條件下, 由航磁異常反演得到的渤海灣周緣地?zé)岙惓^(qū)居里面深度在18.4～26.5 km之間, 平均22.1 km, Moho面溫度在600～800 ℃之間(張健等, 2022)。依據(jù)華北地區(qū)S波速結(jié)構(gòu)模型, 計(jì)算的渤海灣盆地平均巖石圈厚度為 100～110 km(楊嵩等, 2013)。

上述計(jì)算中, 存在2個問題: 1)居里面反演是針對整個中國東部地區(qū), 居里溫度的設(shè)置缺乏約束;2)巖石圈厚度計(jì)算采用的波速模型分辨率僅為3°～6°, 難以分辨小構(gòu)造單元間的熱結(jié)構(gòu)差異。本文研究將針對這 2個問題做出改進(jìn): 1)將依據(jù)居里等溫面深度變化范圍, 利用大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度之間的關(guān)系, 約束居里溫度; 2)將依據(jù)最新的0.5°×0.5°分辨率地震學(xué)模型 USTClitho2.0(Han et al.,2022)(圖1b), 計(jì)算巖石圈上地幔溫度和巖石圈底界面1300 ℃等溫面深度。

2 計(jì)算方法

2.1 淺層(≤5 km)地溫計(jì)算方法

式(1)中, 如果已知地殼結(jié)構(gòu)和第i深度層熱導(dǎo)率Ki、生熱率Ai, 則由地表溫度Ts、熱流Qs可以計(jì)算不同深度Zi處的地溫Tz、熱流Qz。

2.2 居里點(diǎn)深度計(jì)算方法

居里點(diǎn)深度 CPD(Curie Point Depth)是表征鐵磁性礦物消磁溫度(居里溫度)所對應(yīng)的深度。實(shí)驗(yàn)室中, 各類鐵磁礦物的消磁溫度大致為: 磁黃鐵礦300～350 ℃, 磁鐵礦 575～585 ℃, 鎳鐵礦 760～800 ℃。當(dāng)含有這些磁性礦物地層的溫度接近消磁溫度時, 磁性特征逐漸消失。由居里點(diǎn)深度勾繪的居里等溫面(Curie Point Isotherm Surface)是控制地殼熱結(jié)構(gòu)的重要溫度界面。

計(jì)算居里面深度的常用方法是磁異常譜分析方法, 設(shè): 磁異常ΔT的功率譜徑向平均為θΔT。

式(2)中,A、B、C為可選常數(shù),kλ為波數(shù),Zt、Zb分別是磁性體頂、底界面,Z0是磁性層的中間深度。在短波譜段(波長小于兩倍磁性層厚度), 由磁異常功率譜的斜率可以估算Zt。在長波譜段,Z0可以根據(jù)擬合曲線的斜率求出。Zb為居里點(diǎn)深度 CPD(磁性體底界面深度)。

計(jì)算時, 磁異常的徑向功率譜的“滑動窗口”為 0.5°×0.5°, 為保證重疊 50%, 滑動距離為窗口寬度的1/2。

2.3 中-深層(5 km≤Depth≤CPD)地溫計(jì)算方法

穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)條件下, 大地?zé)崃鱍在數(shù)值上等于地溫梯度dT/dZ與巖石熱導(dǎo)率K的乘積。居里等溫面的溫度TC等于磁性層厚度DC與地溫梯度 dT/dZ的乘積。因此, 利用式(3)計(jì)算的居里面深度DC和統(tǒng)計(jì)得到的居里溫度TC, 可以計(jì)算地溫梯度dT/dZ,結(jié)合式(1)計(jì)算的 5 km深度的溫度T5km, 可以插值得到5 km ～ CPD居里點(diǎn)之間任意深度的溫度。

2.4 地幔(50 km≤Depth≤250 km)地溫計(jì)算方法

在 50～250 km 深度范圍, 受溫度影響的巖石非彈性是控制地震Vs波速的主要因素(Sobolev et al., 1996; Goes et al., 2000)。高溫條件下, 利用品質(zhì)因子Q的非彈性校正, 得到非彈性校正后溫度相關(guān)的Vs波速計(jì)算公式為:

式(4)中,A、a為非彈性常數(shù),ω為非彈性影響頻率,H為活化能,V為活化體積,R為普適氣體常數(shù)。采用非彈性模型a=0.15,A=0.148,H=500 kJ/mol,V=20 cm3/mol(Goes et al., 2000), 在給定礦物組成成分和溫度壓力條件下, 根據(jù)礦物彈性常數(shù)隨溫壓變化關(guān)系、以及高溫條件下的非彈性影響, 由式(4)正演計(jì)算剪切波速Vs。如果已知上地幔各深度剪切波速結(jié)構(gòu), 則在給定初始條件下, 通過反演迭代,計(jì)算波速與觀測波速的差值ΔVs, 不斷修正初始溫度模型, 擬合ΔVs可得地幔三維溫度場分布(Goes et al., 2000; 安美建和石耀霖, 2007)。

3 計(jì)算結(jié)果

在反演上地幔溫度的式(4)計(jì)算中, 我們采用最新的地震學(xué)模型USTClitho2.0(Han et al., 2022)的Vs作為觀測波速, 約束和擬合地幔溫度模型。該模型給出了橫向 0.5°×0.5°、縱向 0、5、10、15、20、30、60、80、100、120、150 km 的中國大陸 72°—136°E、18°—54°N 的三維地震縱波速度(Vp)和橫波速度(Vs)結(jié)構(gòu), 考慮了地形起伏對淺部速度結(jié)構(gòu)的影響, 反演的 1300 ℃絕熱等溫深度與地震學(xué)低速帶吻合較好, 對于小構(gòu)造單元間的熱巖石圈厚度差異具有較好的分辨率。

此外, 由于馬頭營凸起 M1井為渤海灣北岸深層高溫地?zé)豳Y源勘查提供了重要線索(張保建等,2020), 陳莊凸起利津 SDGRY1井為渤海灣南岸深層高溫地?zé)豳Y源勘查提供了重要借鑒(藺文靜等,2021), 本文在開展深部高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)計(jì)算研究中, 均以馬頭營M-1井、利津SDGRY1井為參照。

3.1 淺層高溫特征

由式(1)計(jì)算淺層地溫、熱流過程中, 渤海灣周緣地層厚度、熱導(dǎo)率、生熱率資料均取自前人文獻(xiàn)(胡圣標(biāo)等, 1999; Hu et al., 2001; 左銀輝等, 2013;常健等, 2016; 劉瓊穎和何麗娟, 2019; 王朱亭等,2019; Wang et al., 2019; 陳超強(qiáng)等, 2022), 如表1。

表1 渤海灣周緣地層熱物性參數(shù)表Table 1 Thermophysical parameters of strata around Bohai Bay

渤海灣5 km深度地溫分布如圖5a所示。圖5a中, 渤海灣周緣5 km深度的地溫大于140 ℃, 其中,北岸的馬頭營M1井、南岸的利津SDGRY1井所在的構(gòu)造凸起部位, 地溫大于 160 ℃, 且馬頭營 M1井所在的凸起構(gòu)造部位在5 km深度達(dá)到了前人預(yù)測的180 ℃高溫(藺文靜等, 2021), 而利津SDGRY1井所在的構(gòu)造凸起部位沒有達(dá)到前人預(yù)測的180 ℃高溫(譚現(xiàn)鋒和王浩, 2015)。圖5b、5c是計(jì)算地溫曲線與實(shí)測地溫曲線的對比, 其中, 圖5b是研究區(qū)內(nèi) 14個高熱流點(diǎn)(≥80 mW/m2)的計(jì)算結(jié)果, 圖中溫度-深度曲線序號與圖5a中括號內(nèi)高熱流計(jì)算點(diǎn)序號對應(yīng); 圖5c是馬頭營 M1井、利津 SDGRY1井實(shí)測地溫曲線和地溫梯度(藺文靜等, 2021)。對比圖5b、c可以看出, 在0—1500 m、0—100 ℃區(qū)域,圖5b中10、11號高熱流點(diǎn)的計(jì)算地溫曲線與圖5c中利津SDGRY1井實(shí)測地溫曲線具有較好的對應(yīng)。由于利津SDGRY1井測溫曲線線性較好, 是未受地層水熱活動擾動的傳導(dǎo)型地溫曲線, 直至終孔, 其地溫曲線均與圖5b中10、11號高熱流點(diǎn)的計(jì)算地溫曲線吻合。馬頭營M1井在1500 m以深, 受到冷水降溫擾動, 地溫梯度降低, 地溫曲線向低溫偏移,2 km以深, 其地溫曲線與圖5b中13號高熱流點(diǎn)的計(jì)算地溫曲線不吻合。

圖2 渤海灣周緣地?zé)岙惓^(qū)淺層地溫特征Fig. 2 Shallow geothermal temperature of Bohai Bay area

3.2 中-深層熱結(jié)構(gòu)

3.2.1 上地殼生熱率

地殼淺層熱量的主要傳輸方式是傳導(dǎo), 按傅立葉熱傳導(dǎo)理論, 在熱量傳導(dǎo)過程中, 生熱率是影響沉積蓋層、地殼上層熱結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。淺表層的生熱率可以通過鉆孔巖心測試獲得, 但沉積蓋層底界以下的中-深層生熱率常常需要外推。表1中, 沉積層生熱率 1.61～2.82 μW/m3是實(shí)測結(jié)果, 上地殼生熱率 1.05～1.26 μW/m3是外推參考值。一般地, 在地殼花崗巖漿垂向分異過程中, 放射性生熱元素向上遷移、在淺層富集, 因此地表生熱率較高, 深部生熱率較低(Hasterok and Webb, 2017; Hasterok et al., 2018)。通過回歸分析, 在50 MPa條件下, 生熱率 A和地震縱波Vp遵循指數(shù)規(guī)律(Rybach and Buntebarth, 1982): LnA=16.5-2.74Vp(相關(guān)系數(shù)0.9),單位:A為μW/m3,Vp為km/s。利用USTClitho2.0速度模型, 提取上地殼Vp數(shù)據(jù), 按式LnA=16.5-2.74Vp+Ln0.2 (Ln0.2代替回歸公式的系統(tǒng)誤差)計(jì)算渤海灣周緣 5～15 km深度的生熱率結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 渤海灣周緣地?zé)岙惓^(qū)中-深層生熱率分布特征Fig. 3 Heat generation of upper crust in the geothermal anomaly area around Bohai Bay

圖3a、b、c分別是5 km、10 km、15 km深度生熱率等值線平面圖。5 km深度, 生熱率在0.16～2.67 μW/m3之間, 平均值為 1.04 μW/m3, 低于表1中沉積蓋層1.85 μW/m3平均生熱率值。10 km深度, 生熱率在 0.097～1.53 μW/m3之間, 平均值為0.55 μW/m3; 15 km 深度, 生熱率在 0.077～0.44 μW/m3之間, 平均值為0.21 μW/m3。計(jì)算得到的中-深層生熱率符合放射性生熱元素向上遷移、在淺層富集的規(guī)律。據(jù)此, 圖3d給出了渤海灣周緣地?zé)岙惓^(qū)上地殼生熱率“自下而上增強(qiáng)”的生熱率模式。與表 1給出的生熱率外推參考值相比, 由USTClitho2.0得到的上地殼生熱率分布具有更豐富的地?zé)嵝畔ⅰD3是馬頭營M1井、利津SDGRY1井所在位置之下的生熱率變化, 可以看出, 二者總體變化一致, 生熱率都隨深度變小, 但馬頭營M1井上地殼生熱率小于利津SDGRY1井上地殼生熱率。

3.2.2 居里溫度

居里溫度Tc(Curie temperature)自1903年被皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)后, 被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在地?zé)釋W(xué)領(lǐng)域, 將航磁數(shù)據(jù)反演計(jì)算的地殼磁性層底面深度MLBD(Magnetic Layer Bottom Depth)作為居里點(diǎn)深度CPD(Curie Point Depth), 進(jìn)而得到居里等溫面深度DCT(Depth to Curie Temperature isotherm)。假設(shè):穩(wěn)定陸殼地溫梯度 25～30 ℃/km、地層內(nèi)磁鐵礦居里溫度 580 ℃, 二者相乘, 則可得陸殼居里點(diǎn)深度19.3～23.2 km。居里面深度DCT與地幔熱源密切相關(guān), 地幔熱源淺, 則居里面淺; 地幔熱源深, 則居里面深。居里點(diǎn)深度CPD可以依據(jù)航磁異常由式(2)計(jì)算得到, 計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 居里深度與居里溫度分析圖Fig. 4 Curie depth and Curie temperature analysis diagram

圖4a是用于計(jì)算地殼磁性層底面深度MLBD的航磁異常圖。受滄東斷裂帶、郯廬斷裂帶影響,研究區(qū)磁異常總體走向?yàn)?NE向, 表現(xiàn)為正負(fù)相間、串珠狀變化的磁異常區(qū), ΔT異常在-225.4～373.3 nT之間, 平均值為5.7 nT。其中, 利津SDGRY1井處于高值異常區(qū), 馬頭營M1井處于低值異常區(qū)。航磁ΔT異常是研究深部熱結(jié)構(gòu)的重要資料, 通過磁異常獲取居里面深度, 提供地殼磁性特征消失的溫度范圍, 可以約束中、下地殼溫度。圖4b為居里等溫面深度Dc計(jì)算結(jié)果, 其深度范圍在16.45～23.56 km之間, 平均值為20.83 km。居里面深度隨地幔熱隆升或熱沉降而起伏, 利津SDGRY1井的居里面深度較淺, 馬頭營M1井居里面深度較深。

居里等溫面深度是認(rèn)識中-深層地殼熱結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo), 如果已知居里等溫面深度Dc, 則由居里溫度Tc可以推出居里面之上陸殼的地溫梯度。雖然,與居里溫度相關(guān)的居里深度可以由航磁異常計(jì)算得到, 但由于地殼不同礦物的磁性消磁溫度不集中,居里溫度無法嚴(yán)格限定。實(shí)際地殼內(nèi)居里溫度隨巖石中磁性礦物成分、含量變化, 并不是確定值, 而是統(tǒng)計(jì)平均值, 我們通過地表大地?zé)崃? 利用選擇和統(tǒng)計(jì)方法約束居里溫度的不確定性。圖4c是給定熱導(dǎo)率(K=3.3 W/(m·K), 參照表1, 上地殼熱導(dǎo)率K=3.5 W/(m·K))條件下, 由式(2)計(jì)算不同居里面深度Dc、不同地表熱流Q條件下的Tc曲線, 在300～500 ℃溫度曲線中, 最終選擇Tc=420 ℃。圖4d是利用式(1)計(jì)算的研究區(qū)91個熱流點(diǎn)在圖4b上各自居里深度的溫度, 在 250～650 ℃之間統(tǒng)計(jì), 得到Tc=420 ℃。通過這兩種方法, 我們認(rèn)為渤海灣周緣居里溫度平均值為420 ℃。

3.2.3 巖石圈底界深度

巖石圈底界深度隨上地幔熱隆升或熱沉降而起伏, 是衡量深部高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。最新的地?zé)釋W(xué)研究得到渤海灣盆地的熱巖石圈厚度約80 km(陳超強(qiáng)等, 2022), 面波成像得出的渤海灣盆地的地震巖石圈厚度在 60～70 km 之間(李孟奎等,2018), 表明渤海灣周緣熱巖石圈與地震巖石圈厚度十分接近, 或者說, 該區(qū)巖石圈底界流變邊界層(何麗娟, 2014)厚度很小, 因此, 我們可以利用0.5°×0.5°高分辨率 USTClitho2.0地震學(xué)模型,由式(4)計(jì)算巖石圈上地幔溫度, 然后利用 1300 ℃等溫面確定巖石圈厚度。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 渤海灣周緣巖石圈底界深度與溫度分析圖Fig. 5 Lithospheric bottom boundary depth and temperature around Bohai Bay

圖5a是60 km深度的地溫等值線平面圖, 溫度范圍在1100～1250 ℃之間, 平均值為1184 ℃, 其中, 馬頭營M1井、利津SDGRY1井在同一個高溫帶, 馬頭營M1井在60 km深度的溫度約為1220 ℃,利津 SDGRY1井在 60 km深度的溫度約為1200 ℃。圖5b是80 km深度的地溫等值線平面圖,溫度范圍在 1230～1450 ℃之間, 平均值為1329 ℃, 其中, 馬頭營M1井北側(cè)是一個1400 ℃的高溫區(qū), 利津SDGRY1井處在一個NE-SW向的高溫帶的中間。馬頭營M1井在80 km深度的溫度約為1330 ℃, 利津SDGRY1井在80 km深度的溫度約為1360 ℃。圖5c是馬頭營M1井、利津SDGRY1井所在位置上地幔垂向地溫曲線, 可以看出, 75 km以淺, 馬頭營M1井上地幔溫度大于利津SDGRY1井上地幔溫度, 75 km以深, 馬頭營M1井上地幔溫度小于利津SDGRY1井上地幔溫度。利用圖5a、b溫度結(jié)果, 可以求取1300 ℃對應(yīng)的深度圖, 結(jié)果如圖5d所示。圖5d中, 1300 ℃所對應(yīng)深度變化范圍在66.3～97.5 km之間, 平均值為76.8 km, 此即為由USTClitho2.0地震學(xué)模型求得的熱巖石圈底界厚度。圖5d表明, 渤海灣周緣巖石圈西薄東厚, 巖石圈最厚處在橫穿渤海灣的郯廬斷裂帶之東北側(cè), 表明渤海灣盆地巖石圈曾在華北克拉通破壞過程中發(fā)生過的自西向東的減薄作用仍然在進(jìn)行中。馬頭營M1井和利津SDGRY1井之間, 也是一個巖石圈相對較厚的區(qū)域, 厚度大于80 km。馬頭營M1井、利津 SDGRY1井各自在不同的巖石圈減薄區(qū), 其中,馬頭營M1井位于一個大的北東走向減薄區(qū)的邊緣,利津 SDGRY1井位于一個小的北東走向減薄區(qū)中央, 利津SDGRY1井巖石圈底界深度略淺于馬頭營M1井巖石圈底界深度, 與圖5c的結(jié)果一致。

4 討論與分析

4.1 Moho面與殼幔動力學(xué)

莫霍面深度與溫度對巖石圈結(jié)構(gòu)、殼幔構(gòu)造演化、深部動力學(xué)具有重要意義。Moho面是殼、幔不同物質(zhì)組分和成分結(jié)構(gòu)的分界面, 對應(yīng)地震波速不連續(xù)面, 通常以波速梯度 dV/dZ或密度差Δρ來定義或標(biāo)志莫霍界面, 是認(rèn)識深部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征的重要界面。前人研究表明(張成科等, 2002; Zheng et al., 2005; 郝天珧等, 2014), 渤海灣周緣莫霍面埋深介于28～37 km, 地殼厚度自西北部36～37 km至東部渤海海域 28 km, 呈現(xiàn)逐漸減薄的趨勢。渤海灣盆地冀中坳陷的Moho面深度32～37 km, 黃驊坳陷為29～33 km, 至海域中的渤中坳陷Moho面深度僅為28 km。前人(左銀輝等, 2013; 常健等, 2016; 劉瓊穎和何麗娟, 2019; 王朱亭等, 2019; Wang et al.,2019; 陳超強(qiáng)等, 2022)計(jì)算的渤海灣盆地的莫霍面溫度在482～732 ℃之間, 其中東部的渤中坳陷莫霍面溫度大于660 ℃, 中、西部的黃驊坳陷莫霍面溫度低于 580 ℃。本文利用大地?zé)崃髦导癠STClitho2.0地震學(xué)模型計(jì)算得到Moho面深度與溫度結(jié)果以及動力學(xué)剖面(位置如圖1a所示)特征如圖6所示。

圖6 渤海灣AB剖面Moho深度及動力學(xué)特征分析圖(剖面位置見圖1)Fig. 6 Moho depth and dynamic characteristics of section AB in Bohai Bay (see Fig. 1 for section location)

圖6a是由USTClitho2.0模型的Vs、Vp計(jì)算的泊松比的剖面特征。泊松比σ也稱為橫向變形系數(shù),σ越大, 構(gòu)造區(qū)橫向變形越大, 反之亦然。圖中, 泊松比σ在0.2～0.3之間, Moho面處于高、低泊松比σ分界的梯度區(qū), Moho面之下是一個以σ= 0.28為界的高泊松比凸起區(qū), 表明深部動力學(xué)過程較強(qiáng)烈。淺部5～10 km深度也存在一個以σ= 0.27為界的相對高泊松比區(qū), 表明在馬頭營M1井、利津SDGRY1井淺部構(gòu)造活動也較活躍。圖6b是AB剖面溫度結(jié)構(gòu), 圖中, 居里等溫面Curie的溫度為420 ℃, 巖石圈底界面 Lab的溫度為 1300 ℃, Moho溫度在600～800 ℃之間。Moho面不是溫度界面, 沒有明確的地?zé)釋W(xué)意義, 但可以利用 Moho面溫度判斷大陸巖石圈擠壓收縮的變形程度, 莫霍面溫度Tm≥650 ℃, 熱結(jié)構(gòu)是巖石圈流變強(qiáng)度和變形方式的主控因素; 莫霍面溫度Tm≤550 ℃, 巖性結(jié)構(gòu)是控制巖石圈流變強(qiáng)度和變形方式的主導(dǎo)因素。圖中可以看出, 利津SDGRY1井之下以及馬頭營M1井以北區(qū)域, 莫霍面溫度較高(Tm＞750 ℃), 1300 ℃巖石圈底界面上隆, 表明巖石圈拉張減薄幅度較大,是渤海灣盆地新生代發(fā)生拉張中心自西向東、自南往北、向海域方向漸進(jìn)式遷移的重要原因。由于渤海灣周緣在華北克拉通破壞過程中發(fā)生過大規(guī)模的巖石圈減薄, 尤其在新生代發(fā)生了明顯的拉張中心遷移, Moho面與420 ℃居里等溫面、1300 ℃巖石圈底界面之間的位置關(guān)系, 對于巖石圈收縮變形過程、拉張程度等具有明確的指示作用。

4.2 殼-幔熱流比

殼-幔熱流比是分析巖石圈熱結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。地表熱流可以通過地溫測井, 由穩(wěn)態(tài)溫度曲線和相應(yīng)深度的巖石熱導(dǎo)率計(jì)算得到, 地殼熱流和地幔熱流則可以由3種不同方法得到: 1)由地震Vp波速與生熱率關(guān)系(Rybach and Buntebarth, 1982)計(jì)算得到;2)由地表熱流和巖石生熱率模型線性插值得到(臧紹先等, 2002); 3)由地殼分層模型“回剝法”計(jì)算得到(邱楠生等, 2017)。本文采用第三種方法計(jì)算渤海灣殼幔熱流比, 計(jì)算時, 參考前人資料(胡圣標(biāo)等,1999; Hu et al., 2001; 左銀輝等, 2013; 常健等,2016; 邱楠生等, 2017; 劉瓊穎和何麗娟, 2019; 王朱亭等, 2019; Wang et al., 2019; 陳超強(qiáng)等, 2022),在USTClitho2.0模型基礎(chǔ)上, 設(shè)定地殼分層結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 渤海灣地殼分層結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 2 Crustal structure parameters of Bohai Bay

由表2參數(shù), 利用式(1)計(jì)算的殼幔熱流變化特征如圖7(剖面位置如圖1a所示)。圖7a為地表熱流插值結(jié)果, 圖7b為地震Vs波速結(jié)構(gòu), 圖7c是巖石圈熱流結(jié)構(gòu)。

圖7 渤海灣殼幔熱流結(jié)構(gòu)分析圖(AB剖面位置見圖1)Fig. 7 Analysis diagram of lithospheric heat flow structure in Bohai Bay (see Fig. 1 for section AB)

圖7a熱流剖面上, 莫霍面熱流QMoho、5 km深度熱流Q5km、地表熱流Q0km均按相同模式起伏, 其中, 利津SDGRY1井位于兩個高熱流峰值之間的低谷點(diǎn), 馬頭營 M1井位于高熱流峰值區(qū)內(nèi), 這個特點(diǎn)在圖1a中的地表熱流分布中也可以看到。圖7b地震Vs波速結(jié)構(gòu)剖面上, 巖石圈底界面Lab對應(yīng)上地幔低速帶的頂界面, 反映了巖石圈上地幔的活動狀態(tài)。Moho面與 Lab之間是Vs高速區(qū),高速區(qū)波速在4.4～4.5 km/s之間, 該高速區(qū)厚度變化與渤海灣周緣巖石圈減薄、地殼減薄的差異性、同步性、協(xié)調(diào)性關(guān)系密切, 是巖石圈熱-流變學(xué)研究(何麗娟, 2014)的重點(diǎn)層位。圖7c給出了渤海灣周緣目前 91個實(shí)測大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)(圖1a)殼-幔熱流比例, 其中,Qc/Q=56.4%、Qm/Q=43.6%,Qc/Q＞Qm/Q,近似“熱殼”結(jié)構(gòu), 其較“熱”的上地殼層熱流在地表總熱流中占比 23.5%、在地殼中占比41.7%(=23.5/56.4), 為該區(qū)尋找和發(fā)現(xiàn)中-深層高溫地?zé)豳Y源提供了重要依據(jù)。

圖7c的結(jié)果與前人的結(jié)果不同。前人認(rèn)為(邱楠生等, 2017)渤海灣地表熱流中, 來自地幔的熱流占 49%～62%, 屬于“熱?！苯Y(jié)構(gòu), 但前人也指出(Wang and Cheng, 2012)地殼分層結(jié)構(gòu)和Moho面深度, 對巖石圈熱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果有很大影響。在地表熱流、地殼熱導(dǎo)率和生熱率已知條件下, “熱殼”還是“熱?！比Q于地殼結(jié)構(gòu)模型精度。我們在最新的高分辨率地震模型USTClitho2.0基礎(chǔ)上得到渤海灣周緣“熱殼”結(jié)論, 與高分辨率的USTClitho2.0地殼結(jié)構(gòu)的可靠性密切相關(guān)。

4.3 中-上地殼地溫場特征

居里面是地殼內(nèi)重要的溫度控制界面, 中、上地殼地溫場界面起伏形態(tài)與 Curie界面密切相關(guān)。居里面之上的地溫場, 受中-淺層熱導(dǎo)率、生熱率控制, 一定熱導(dǎo)率條件下, 地層生熱率高, 則地表地?zé)岙惓１尘案?。但一定生熱率條件下, 地層熱導(dǎo)率大, 該地層的地溫反而低。圖8是基于USTClitho2.0地殼結(jié)構(gòu)模型, 由密度與Vp、生熱率與Vp統(tǒng)計(jì)關(guān)系(Rybach and Buntebarth, 1982)計(jì)算的居里面之上溫度剖面。

圖8 渤海灣中-上地殼溫度特征分析圖(AB剖面位置見圖1)Fig. 8 Analysis of temperature characteristics of the middle upper crust in Bohai Bay (see Fig. 1 for section AB)

由于渤海灣盆地在中生代時期便已發(fā)生了大規(guī)模的巖石圈減薄, 至新生代初期進(jìn)一步減薄, 中-上地殼拉張中心以及淺部沉積盆地的沉積、沉降中心一致向東部海域遷移。這種遷移過程造成居里等溫面起伏, 并影響中-上地殼地溫場的整體形態(tài), 地溫橫向起伏較明顯。其中, 利津SDGRY1井位之下是中、上地殼地溫起伏的低值點(diǎn), 馬頭營 M1井位之下是中、上地殼地溫起伏的高值點(diǎn)(圖8a, b)。馬頭營M1井位之下的地溫一直高于利津SDGRY1井,直到大約75 km深度或Lab之下, 利津SDGRY1井下的地溫才逐漸高于馬頭營M1井(圖2b, c, 圖5c)。圖8a是依據(jù)USTClitho2.0模型Vp速度計(jì)算的密度(Rybach and Buntebarth, 1982)和溫度剖面, 該剖面上, 密度值ρ在 2.25～2.90 g/cm3之間, 總體形態(tài)如同盆地, 中間低、兩側(cè)高。圖8b是依據(jù)Vp速度計(jì)算的生熱率和溫度剖面, 剖面上, 生熱率A在0.10～1.55 μW/m3之間, 總體形態(tài)如同“牛舌”, 中間高, 兩側(cè)及下部低。該生熱率分布形態(tài), 在中、上地殼熱傳導(dǎo)過程中, 增高了利津SDGRY1井至馬頭營 M1井位之間的上地殼淺層地?zé)岜尘? 使剖面中部淺表層地溫高于兩側(cè)地殼地溫。但由于中、上地殼熱導(dǎo)率較高(表2), 地殼淺層高生熱率的增溫效果并不十分明顯。

5 主要結(jié)論

基于新的中國大陸巖石圈速度模型USTClitho2.0, 本文對渤海灣周緣開展了地?zé)釋W(xué)計(jì)算和綜合分析, 主要結(jié)論如下:

(1)USTClitho2.0得到的上地殼生熱率分布比地?zé)釋W(xué)研究通常的生熱率外推結(jié)果, 具有更豐富的信息。Vp-A關(guān)系表明, 馬頭營M1井、利津SDGRY1井的生熱率隨深度變小, 但馬頭營 M1井上地殼生熱率小于利津SDGRY1井上地殼生熱率。

(2)航磁異常反演表明, 渤海灣周緣居里等溫面深度Dc在16.5～23.6 km之間, 平均值為20.8 km。利津SDGRY1井的居里面深度較淺, 馬頭營M1井居里面深度較深。91個熱流點(diǎn)的居里點(diǎn)溫度計(jì)算與統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 渤海灣周緣居里溫度在250～650 ℃之間, 平均值Tc=420 ℃。中、上地殼地溫場界面起伏形態(tài)與 Curie界面密切相關(guān), 居里等溫面起伏導(dǎo)致中-上地殼地溫場橫向變化明顯, 其中, 利津SDGRY1井位之下是中、上地殼地溫起伏的低值點(diǎn),馬頭營M1井位之下是中、上地殼地溫起伏的高點(diǎn)。

(3)USTClitho2.0地震學(xué)模型及大地?zé)崃饔?jì)算得到 Moho面深度與溫度結(jié)果表明: 渤海灣周緣莫霍面埋深介于 28～37 km, 溫度在600～800 ℃之間。巖石圈1300 ℃等溫界面深度在66.3～97.5 km之間,平均值為76.8 km。參考USTClitho2.0模型設(shè)定的地殼分層結(jié)構(gòu), 計(jì)算的殼幔熱流比表明: 渤海灣周緣殼、幔熱流在大地?zé)崃髦抵姓急萉c/Q=56.4%、Qm/Q=43.6%,Qc/Q＞Qm/Q, 近似“熱殼”結(jié)構(gòu), 較“熱”的上地殼層熱流在地表總熱流中占比23.5%,是尋找和發(fā)現(xiàn)中深層高溫地?zé)豳Y源的重要依據(jù)。

致謝:衷心感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見和編輯部主審及各位編輯的辛勤指導(dǎo)。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2021YFA0716002), National Natural Science Foundation of China (No. 42176052), and Chinese Academy of Sciences (No. XDB42020104).