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點擊上方“覆蓋區(qū)找礦”，關(guān)注更精彩！ 地熱系統(tǒng)深部熱能聚斂理論及勘查實踐 王貴玲1,2，藺文靜1,2，劉峰1,2，甘浩男1,2，王思琪3，岳高凡1,2，龍西亭4，劉彥廣1,2 1 中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 2 自然資源部地熱與干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心 3 中國地質(zhì)科學院 4 深圳大學深地科學與綠色能源研究院，廣東省深地科學與地熱能開發(fā)利用重點實驗室 作者簡介：王貴玲，研究員，博士生導(dǎo)師，長期從事水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)等相關(guān)研究工作。通訊作者：藺文靜，研究員，博士生導(dǎo)師，從事地熱資源調(diào)查評價相關(guān)研究工作。我國資源豐富，但是地質(zhì)條件復(fù)雜，不同地質(zhì)背景下形成地熱系統(tǒng)源、通、蓋、儲要素的地質(zhì)因素千差萬別，不能使用統(tǒng)一的熱源富集模式指導(dǎo)全國地熱資源勘查開發(fā)。過去，熱源富集機制理論在指導(dǎo)勘查中曾發(fā)揮了重要作用，隨著地熱資源勘查開發(fā)的力度不斷加大，熱源富集機制理論需要不斷豐富內(nèi)函發(fā)展創(chuàng)新。 經(jīng)大量勘查實踐和科研工作者的不懈努力，我國地熱資源富集機制與勘查理論正在不斷創(chuàng)新發(fā)展，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的經(jīng)驗式找熱到建立構(gòu)造控熱預(yù)測標志，再到水熱型地熱資源-干熱型地熱資源共生富集認知過程，研究發(fā)現(xiàn)了我國不同類型地熱資源“同源共生-殼幔生熱-構(gòu)造聚熱”的客觀自然規(guī)律，創(chuàng)建了地熱“殼構(gòu)熱控理論”，并在找熱實踐中得到了驗證！ 研究指出：殼幔結(jié)構(gòu)是最根本的控熱因素（殼幔生熱），構(gòu)造聚熱是影響地表淺層熱量配分的主要因素；水熱型地熱-干熱型地熱“同源共生”；斷裂、沉積基底起伏和殼內(nèi)低速體是制約地熱系統(tǒng)的主要控熱構(gòu)造條件。 本文系統(tǒng)論述了地熱殼構(gòu)熱控理論的內(nèi)涵與外延，提出了我國不同類型地熱資源“同源共生-殼幔生熱-構(gòu)造聚熱”的客觀自然規(guī)律，分析了我國陸區(qū)殼幔尺度熱流配分格局與不同地質(zhì)背景條件下影響淺地表溫度場的主要控熱構(gòu)造，并以渤海灣盆地、青藏高原、東南沿海等我國主要地熱系統(tǒng)為研究對象，以殼構(gòu)熱控理論為指導(dǎo)，通過研究影響殼幔生熱、殼內(nèi)傳熱、勘查靶區(qū)聚熱這一地球物理過程，確定了不同構(gòu)造背景下地熱系統(tǒng)的主要控熱構(gòu)造。 本文研究成果為地熱資源勘查提供了一種新的理論指導(dǎo)，將對我國地熱資源開發(fā)利用產(chǎn)生深遠影響。此外，文中提供的全國性地殼厚度、大地熱流等精美插圖資料也值得收藏。 1.1 殼幔結(jié)構(gòu)是最根本的控熱因素(殼幔生熱)1.2 影響地表淺層熱量配分的構(gòu)造因素(構(gòu)造聚熱)1.3 殼構(gòu)熱控理論的應(yīng)用(水熱型地熱-干熱型地熱“同源共生”)2.2.2 陸區(qū)地幔熱量傳導(dǎo)及空間分布2.3 不同構(gòu)造分區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及熱量配分3 制約地熱系統(tǒng)的主要控熱構(gòu)造熱源機制的分析是進行地熱系統(tǒng)分析的核心內(nèi)容。我國地質(zhì)條件復(fù)雜，不同地質(zhì)背景下形成地熱系統(tǒng)源、通、蓋、儲要素的地質(zhì)因素千差萬別，但識別不同地質(zhì)背景下不同地熱系統(tǒng)的熱源構(gòu)成，對于區(qū)域地熱勘查靶區(qū)選址與開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。我國西厚東薄的地殼分布格局導(dǎo)致的殼幔熱量配分差異是制約地熱系統(tǒng)熱源機制的基礎(chǔ)地質(zhì)背景，而東部地殼沉降區(qū)（華北、松遼、江漢等中、新生代盆地）的基底起伏與地殼隆起區(qū)（東南沿海及膠遼半島丘陵區(qū)）的不同規(guī)模斷裂（巖石圈斷裂、地殼斷裂、基底斷裂、層間滑動斷裂等）則構(gòu)成了影響淺地表溫度場的主要因素，其中又以華北盆地、東南沿海等地區(qū)為典型代表。殼構(gòu)熱控理論即以地球動力學理論為基礎(chǔ)，以控熱作用研究為主線，通過大地構(gòu)造學、構(gòu)造地質(zhì)學、地熱地質(zhì)學等學科理論和方法，研究深部熱能聚斂過程及熱異常分布規(guī)律，分析各種構(gòu)造要素間的控熱作用及相互關(guān)系，探討地熱資源靶區(qū)預(yù)測方法，從而指導(dǎo)地熱勘查的科學，具體可概括為“殼幔生熱-構(gòu)造聚熱-同源共生”。1.1 殼幔結(jié)構(gòu)是最根本的控熱因素（殼幔生熱）地球內(nèi)部熱狀態(tài)是地熱學研究的重要參數(shù)，殼幔兩部分熱流的配分比例及組構(gòu)關(guān)系直接影響現(xiàn)今地殼、上地幔的活動性及深部溫度狀況。地熱資源的生成與地球巖石圈板塊發(fā)生、發(fā)展、演化及其相伴的地殼熱狀態(tài)、熱歷史有著密切的內(nèi)在聯(lián)系。全球性地熱帶一般沿地殼各大板塊邊界分布，高熱流的部位常在俯沖帶的前端。中、新生代造山帶一般為地殼變動劇烈的地區(qū)，也是地熱異常區(qū)；而板塊內(nèi)部地殼穩(wěn)定部位，如古老的克拉通，因其多具有深達200km的巨厚巖石圈根，故地熱狀況較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為低地表熱流、低地溫梯度的特征。我國地處亞歐板塊的東南部，東瀕太平洋西緣構(gòu)造活動帶，受太平洋板塊和菲律賓板塊的擠壓作用以及西南部印度板塊的強烈碰撞作用，在這幾方面的應(yīng)力作用下，形成我國獨特的殼幔結(jié)構(gòu)，地殼厚度自東部沿海地區(qū)30~40km逐漸增至青藏高原大部分地區(qū)的70士5km，根據(jù)地殼厚度的變化特征，可以將全國大體劃分成東部（＜40km）中部（0~50km）和青藏高原（>50km）三大區(qū)，與此相對應(yīng)的是我國大陸的熱流分布隨地殼厚度變化由東到西大體上表現(xiàn)為“中—低—高”的變化格局（圖1）。中國大陸整體的平均熱流值為61.5士13.9mW/m2。其中，東部受太平洋板塊俯沖的影響，在漠河—大興安嶺—太行山—武陵山一線以東地殼減薄，厚度普遍小于40km，其熱流值多高于60mW/m2；西南部受印度-亞洲大陸碰撞的影響，沿昆侖山東延—柴達木盆地北緣—阿爾金山—祁連山一線以南青藏高原隆起地殼增厚，厚度普遍大于60km，其熱流多高于70mW/m2；中部地區(qū)熱流值位于40~60mW/m2之間。圖1 中國陸區(qū)地殼厚度與大地熱流空間分布關(guān)系 大地熱流由地殼巖石放射性生熱的貢獻Qc和來自地幔的深部熱流Qm組成，我國除青藏高原外大部分地區(qū)表現(xiàn)為“熱幔冷殼”或“溫幔溫殼”，反映了我國陸區(qū)熱流值主要受地幔熱流的控制，而殼內(nèi)主要放射性生熱元素U、Th、K集中于上地殼，不同地區(qū)地殼放射性元素集中層的厚度變化不大（一般在10km左右）其上地殼放射性生熱量差別也并不大（1.58~1.67yW/m3），因此地殼厚度越大，其地表獲取的地幔傳導(dǎo)熱量越小，相應(yīng)地其地表熱流值也隨之變小，這與我國陸區(qū)大部分地區(qū)的地殼厚度變化與熱流值分布相一致，而青藏高原巨厚的增厚地殼卻擁有我國陸區(qū)最高的地表熱流值分布，除了有增厚地殼中放射性元素重分布引起的熱量富集因素外，青藏高原殼內(nèi)還分布有大面積的“低速層”，目前主流觀點認為該“低速層”是部分熔融層，為區(qū)內(nèi)強烈水熱活動的主要熱源。1.2 影響地表淺層熱量配分的構(gòu)造因素（構(gòu)造聚熱）構(gòu)造作用是由于地球內(nèi)部能量引起地殼乃至巖石圈的變位和變形、洋底的增生和消亡以及相伴隨的地震活動、巖漿活動或變質(zhì)作用的機械運動，是影響地殼淺部溫度場的最重要的地質(zhì)因素，不同的構(gòu)造背景決定了地熱系統(tǒng)的聚熱模式、水熱運移通道、賦存空間。我國幅員遼闊，所處的板塊構(gòu)造位置比較特殊，西南部受印度板塊擠壓，東南部受菲律賓板塊擠壓，東部受太平洋板塊的俯沖作用和擠壓作用，地殼應(yīng)力場復(fù)雜，構(gòu)造極為發(fā)育。受復(fù)雜構(gòu)造條件制約，在我國西南藏滇地區(qū)、東南沿海及臺灣地區(qū)孕育有大量的水熱活動，另外，在我國陸區(qū)東部的華北盆地、松遼盆地、江漢盆地、蘇北盆地等中、新生代裂谷型沉積盆地中也賦存有大量的中低溫熱水資源，開展這些不同構(gòu)造區(qū)控熱規(guī)律的研究對于分析區(qū)內(nèi)陸熱的形成并指導(dǎo)未來地熱勘探具有重要意義。陳墨香（1988）系統(tǒng)分析了華北盆地地殼淺部地溫場分布，提出影響地殼淺部地溫分布的主要因素包括基巖的起伏和構(gòu)造形態(tài)、地下水的活動以及巖漿活動。汪集旸等（1993）利用新構(gòu)造分析方法開展了福建漳州地熱系統(tǒng)研究，分析了漳州地區(qū)新構(gòu)造斷裂的活動性、相關(guān)關(guān)系及與區(qū)內(nèi)熱水形成、分布的關(guān)系，建立了區(qū)內(nèi)構(gòu)造控熱模式并成功指導(dǎo)了新塘、黃坑等地熱異常區(qū)的勘探。廖志杰等（1999）系統(tǒng)分析了滇藏地熱帶255個高溫地熱系統(tǒng)，將其劃分為三種構(gòu)造成因類型：地殼淺層存在正在冷卻的巖漿囊（云南騰沖地區(qū)）、陸-陸碰撞帶（西藏南部）部分重熔產(chǎn)生的S型花崗巖以及構(gòu)造活動活躍、高熱流背景區(qū)（羌塘高原、川西高原和滇西大部分地區(qū)）的深循環(huán)。王貴玲等（2004）以鄂爾多斯為例，系統(tǒng)分析了大地熱流地溫場特征與基底構(gòu)造、活動斷裂等的關(guān)系，提出了鄂爾多斯周緣地質(zhì)構(gòu)造控制著地熱資源的形成，并預(yù)測呼包盆地、銀川盆地有很好的地熱勘探前景。Lin Wen jing et al.（2021a）系統(tǒng)分析了青海共和盆地的地溫場分布、巖石放射性生熱率特征、大地熱流以及地殼熱結(jié)構(gòu)，提出青藏高原增厚地殼中的“低速層”為共和盆地干熱巖資源的形成提供了最重要的殼內(nèi)恒常熱源，是影響區(qū)內(nèi)陸殼淺部溫度場的主要因素。綜合前人的相關(guān)研究成果，淺地表溫度場異常除了受到區(qū)內(nèi)陸幔傳導(dǎo)熱、上地殼放射性生熱的制約外，還主要受到殼內(nèi)熔融體、潛山凸起、深大斷裂等地質(zhì)因素的影響。1.3 殼構(gòu)熱控理論的應(yīng)用（水熱型地熱-干熱型地熱“同源共生”）按照不同類型地熱系統(tǒng)的熱儲特征、熱量賦存以及開發(fā)利用方式等，地熱資源可劃分為水熱型地熱資源、干熱型地熱資源以及淺層地熱資源三大類其中，水熱型地熱資源是賦存于高滲透孔隙或裂隙介質(zhì)中以液態(tài)水或蒸氣為主的地熱資源，干熱型地熱資源是地下低孔隙度或滲透性的高溫巖體（一般大于180°C）通過人工造儲等手段進行熱能開采的地熱資源，淺層地熱資源是指地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深），主要通過地源熱泵技術(shù)進行采集利用的地熱資源。原則上，淺層地熱資源與干熱型地熱資源屬于無處不在的地熱資源，其開發(fā)利用主要制約于技術(shù)經(jīng)濟性。就現(xiàn)階段來看，由于技術(shù)和手段等限制，能被人類所揭露及開發(fā)利用的干熱型地熱資源主要是埋深較淺、溫度較高、有經(jīng)濟開發(fā)價值的地下高溫巖體。目前世界上進行干熱型地熱資源開發(fā)的相關(guān)案例大多與火山活動、巖漿余熱等附加熱源有關(guān)。我國除臺灣、騰沖等部分地區(qū)存在有明確證據(jù)的火山活動或巖漿余熱控制的高溫地熱系統(tǒng)外，已揭露的干熱型地熱系統(tǒng)多為特定水熱型翼部的不透水高溫巖層或含少量蒸汽的高溫巖層，干熱型地熱系統(tǒng)與水熱型地熱系統(tǒng)同源共生的特征十分明顯。以西藏羊八井ZK4002孔為例，孔深2006m，在1850m處測得溫度為329.8℃，孔中揭露少量蒸汽（白嘉啟等，2006），為典型的高溫水熱系統(tǒng)翼部所伴生的干熱型地熱系統(tǒng)。近年來，青海共和-貴德盆地也發(fā)現(xiàn)了潛力巨大的干熱型地熱資源，其深部是否存在附加熱源尚在探討中，但鉆探揭露地下高溫巖體的共和恰卜恰地區(qū)、貴德扎倉溝地區(qū)地表水熱活動均十分強烈，具有明顯的干熱型地熱系統(tǒng)與水熱型地熱系統(tǒng)伴生的特征。以0.l°X0.1°范圍為單元可將中國陸區(qū)剖分為近1000個網(wǎng)格。每個網(wǎng)格內(nèi)的溫泉天然放熱量相加后除以該網(wǎng)格對應(yīng)的面積，即為該網(wǎng)格溫泉放熱通量，以此可近似表征地表的對流型地熱背景。而大地熱流是地球內(nèi)熱在地表的顯示，可以近似表征地表的傳導(dǎo)型地熱背景。將對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的溫泉放熱通量與該網(wǎng)格內(nèi)的平均熱流值疊加，即可得到該網(wǎng)格的地表綜合熱通量數(shù)據(jù)。與大地熱流值相比，該熱通量數(shù)據(jù)綜合考慮了熱對流與熱傳導(dǎo)在地表的顯示，更能直觀表明我國的地熱背景。中國陸區(qū)地表綜合熱通量等值線如圖2所示，分布格局表現(xiàn)為：東部高、中部低、西南部高、西北部低，總體與大地熱流值特征相近。究其原因，溫泉作為一種地表的地熱顯示，其存在位置、溫度等特征在一定程度上也受區(qū)域大地熱流背景的影響，二者具有一定的正相關(guān)性。 圖2 中國陸區(qū)地表綜合熱流通量等值線圖同時，溫泉的產(chǎn)生受到構(gòu)造、巖漿活動、地層巖性和水文地質(zhì)條件等因素的控制。溫泉放熱通量的疊加，使得與熱流圖相比，我國地表綜合熱通量等值線圖的分帶性更為明顯，與我國地熱資源的分布特征也更加契合。藏滇地熱帶、東南沿海地區(qū)-蘇北盆地-郯廬斷裂周邊一線、汾渭地塹-二連盆地一線、共和周邊、銀額盆地等地區(qū)綜合熱通量值較高，均大于65mW/m2；長江中游山區(qū)、燕山地區(qū)、黑龍江省北部、新疆自治區(qū)大部分等地區(qū)相對較低，均小于55mW/m2，但熱通量值相對熱流值有較大提升；華北平原、松遼盆地、鄂爾多斯盆地及其他地區(qū)介于以上地區(qū)之間，由于這些區(qū)域溫泉出露較少，基本不受影響。基于最新大地熱流統(tǒng)計數(shù)據(jù)、CRUST1.0地殼分層模型與各區(qū)域不同圈層生熱率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過剝層法可獲得中國陸區(qū)殼源熱流-幔源熱流分布數(shù)據(jù)（圖3、4）。中國陸區(qū)殼源熱流的分布基本呈西高東低，南高北低的趨勢。東部地殼減薄區(qū)殼源熱流普遍低于40mW/m2，其中華北陸塊東部最低，小于25mW/m2，應(yīng)與該區(qū)域華北克拉通巖石圈減薄程度較大，地殼厚度最小有關(guān)。南嶺地區(qū)、長白山中北部、臺灣西部殼源熱流相對較高，應(yīng)為區(qū)域內(nèi)存在高放射性花崗巖、殼內(nèi)巖漿囊等熱源所致。中西部克拉通型巖石圈地殼厚度中等，約35~50km。殼源熱流值變化相對較小，在30~55mW/m2之間；其中二連盆地、云貴高原、四川盆地等區(qū)域相對較高，鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地相對較低。青藏高原增厚地殼區(qū)殼源熱流值最高，約55~75mW/m2，是中國陸區(qū)殼源熱流值最高的區(qū)域。該地區(qū)地殼厚度普遍大于50km，巨厚的地殼產(chǎn)生的殼源熱流值也組成了該地區(qū)大地熱流值的主要部分。2.2.2 陸區(qū)地幔熱量傳導(dǎo)及空間分布中國陸區(qū)幔源熱流分布的分帶性規(guī)律較差，總體而言東部巖石圈減薄區(qū)較高，中部克拉通巖石圈區(qū)南低北高，新疆全域及西藏中西部較低。幔源熱流是地幔向上傳導(dǎo)的熱通量，表征地幔深部的熱源貢獻。東部巖石圈減薄區(qū)地殼較薄，地幔熱流貢獻較大，熱流范圍約30~50mW/m2o青藏高原地殼大部分區(qū)域厚度較大、中西部各盆地及長江中游熱流值較小，幔源熱流均相對最低，基本低于30mW/m2o青藏高原中南部與東北緣殼源、幔源熱流值均較高與該區(qū)域地熱顯示較多、溫度較高的現(xiàn)象相一致，表現(xiàn)出較好的地熱背景條件。其他地區(qū)的幔源熱流高值區(qū)也基本位于大地熱流或熱通量較高的區(qū)域，部分為幔源熱上涌所致，部分可能是測量結(jié)果誤差造成的異常值。2.3 不同構(gòu)造分區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及熱量配分基于中國巖石圈三維結(jié)構(gòu)研究成果與最新版《中國大地構(gòu)造圖》，可將我國陸區(qū)分為19個生熱率計算分區(qū)，分區(qū)名稱如表1所示。各分區(qū)內(nèi)部具有一致的地殼結(jié)構(gòu)和相似的地殼物質(zhì)組成，可據(jù)此分析不同構(gòu)造區(qū)塊的殼幔熱流特征。表1 中國陸區(qū)不同構(gòu)造分區(qū)殼幔熱流統(tǒng)計如圖5所示，我國東部的松遼盆地、華北陸塊東部、下?lián)P子地塊等平原區(qū)Qc/Qm基本小于0.8，為幔源熱流為主的區(qū)域，可以劃分為“幔源產(chǎn)熱區(qū)”。青藏高原、西北地區(qū)、上揚子陸塊等區(qū)域Qc/Qm比值基本都大于1.5，表現(xiàn)為明顯的殼源產(chǎn)熱，可以劃分為“殼源產(chǎn)熱區(qū)”。其他構(gòu)造區(qū)域Qc/Qm范圍為0.8~1.5，殼幔產(chǎn)熱比例接近，可以劃分為“殼幔熱源平衡區(qū)”。按不同構(gòu)造區(qū)所占的面積進行統(tǒng)計，Qc/Qm>1的面積占80.1%、Qc/Qm>1.2的面積占65.8%，除華北地區(qū)、東北地區(qū)、長江中下游地區(qū)及中部的一些盆地之外，地殼均為大地熱流的最主要熱源，主要由地殼放射性生熱產(chǎn)生。圖5 中國陸區(qū)不同構(gòu)造分區(qū)殼幔熱流比值及分區(qū)3 制約地熱系統(tǒng)的主要控熱構(gòu)造地熱系統(tǒng)所處的地質(zhì)構(gòu)造背景是地球長期運動演化的結(jié)果，其制約了地熱系統(tǒng)的溫度、流體成分和儲層特征，并決定了其具體類型（對流型還是傳導(dǎo)型）。世界各地的地熱田無一例外地受到構(gòu)造的控制，它們通常與塊斷作用、地塹、斷裂或火山機構(gòu)有關(guān)。典型的構(gòu)造環(huán)境主要分布在活躍的板塊邊緣，如俯沖帶（太平洋沿岸等）、擴張脊（大西洋中部等）、裂谷帶（東非等）和造山帶（喜馬拉雅山、地中海等）（Alam，2021）。除了這些構(gòu)造活躍區(qū)，一些局部的構(gòu)造或因素也對地熱系統(tǒng)起著重要的控制作用。我國雖處在地中海-喜馬拉雅地熱帶與環(huán)太平洋地熱帶兩大構(gòu)造活躍區(qū)的交接部位，但廣大陸區(qū)為板內(nèi)構(gòu)造活動帶，包括陸內(nèi)高原（青藏高原）、陸內(nèi)裂陷（華北克拉通內(nèi)裂谷）、陸內(nèi)造山（天山造山帶）等活動構(gòu)造類型（王霄飛等，2014），以發(fā)育中低溫地熱系統(tǒng)為主。因此，識別板內(nèi)不同活動構(gòu)造類型區(qū)地熱系統(tǒng)的主要控熱構(gòu)造或因素，對于開展地熱資源勘查、靶區(qū)選址等具有重要意義。我國大陸地殼以塊斷構(gòu)造為主要特征，即整個中國大陸地殼由不同規(guī)模、不同級別的剪切斷裂系統(tǒng)分割成大大小小的各種斷裂塊體，分割塊體的斷裂系統(tǒng)按其切穿各構(gòu)造層的深度可分為：巖石圈斷裂，切穿整個巖石圈，到達上地幔軟流圈；地殼斷裂，切穿整個地殼，到達莫氏面；基底斷裂，切穿地殼上部整個“花崗巖質(zhì)層”，到達康氏界面；蓋層斷裂，切穿沉積蓋層，到達變質(zhì)基底頂面；層間滑動斷裂，深淺不一，深的多與巨型隆起和凹陷構(gòu)造運動伴生，淺的多與褶皺相聯(lián)系。某些斷裂或其某些部位，常常是水（熱的或冷的）與巖漿活動的有利通道，可能在一定范圍、一定程度上影響地溫狀況，從而形成地熱異常區(qū)。以縱貫我國整個東部地區(qū)北北東向延伸的郯廬大斷裂為例，高溫的殼下物質(zhì)會源源不斷地沿該深達上地幔的深大斷裂帶上涌，從而將深部熱量直接帶至地殼淺部或攜出地表，形成了圍繞郯廬大斷裂的帶狀高地溫異常的深部地質(zhì)背景。更為普遍的情況是，地下水作為載熱體，把深部熱能沿斷裂構(gòu)造聚集到地表。大氣降水滲入到地殼內(nèi)部經(jīng)深循環(huán)加溫之后，在有利的地質(zhì)構(gòu)造條件下，如沿高角度的斷裂帶或陡傾斜的透水地層聚集上涌至淺部或出露于地表，從而在熱水上涌主要通道附近形成局部熱異常。沉積盆地基巖面的起伏形成基底隆起和凹陷格局，對區(qū)域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用。沉積盆地深部一般無異常熱源（如巖漿房），其內(nèi)部坳中凸的結(jié)構(gòu)造成了水平方向上熱傳導(dǎo)能力的差異，從而引起溫度場發(fā)生變化。當其巨厚的沉積蓋層下存在熱導(dǎo)率相對較高的基巖時，源于正常的基底熱流，會向熱導(dǎo)率大的基巖凸起部位集中，使得基底隆起區(qū)的大地熱流值大于凹陷區(qū)的大地熱流值，即沉積蓋層下的高熱傳導(dǎo)層可以將基底熱量快速地傳遞到淺層而形成異常高溫。因此，具有良好隔熱保溫作用蓋層的沉積盆地潛山凸起是沉積盆地地熱異常區(qū)的重要控熱構(gòu)造。實驗巖石學、巖石地球物理學、地質(zhì)學理論分析表明，部分熔融作用可能是造成殼內(nèi)低速層的主要原因。殼內(nèi)部分熔融是在地殼一定深度范圍內(nèi)，地熱溫度接近或達到巖石固相線時而引起局部熔融作用的產(chǎn)物，由部分熔融作用所形成的殼內(nèi)低速層稱殼內(nèi)部分熔融低速層。地殼中存在低速層是青藏高原地殼結(jié)構(gòu)的一大特色，關(guān)于其成因尚無定論，目前的解釋主要有殼內(nèi)部分熔融、地殼韌性剪切帶、正在進行的變質(zhì)作用以及構(gòu)造疊置等幾種模型。不論何種成因，其部分熔融或者剪切生熱均會造成低速層同時兼具相對高溫層的屬性。因此，地殼內(nèi)合適深度處的低速層可能成為影響淺地表溫度場、形成地熱異常區(qū)的重要地質(zhì)構(gòu)造。地熱系統(tǒng)是構(gòu)成相對獨立的熱能儲存、運移、轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，水熱型地熱系統(tǒng)則是以水或蒸汽為主的地熱系統(tǒng)。我國地處環(huán)太平洋地熱帶的西太平洋島弧型板緣地熱帶以及地中海-喜馬拉雅陸陸碰撞型板緣地熱帶的交匯部位，受構(gòu)造活動控制，我國西南藏滇地區(qū)以及臺灣地區(qū)孕育有大量的水熱活動，這兩個地區(qū)也是我國最主要的高溫溫泉密集帶。大陸內(nèi)部則以中低溫水熱系統(tǒng)為主，主要包括東南沿海閩瓊粵地熱帶、川滇地熱帶、郯廬地熱帶等。另外，我國陸區(qū)分布有大面積的中、新生代沉積盆地，尤其東部地區(qū)的渤海灣盆地、松遼盆地、江漢盆地、蘇北盆地等裂谷型盆地中賦存有大量的中低溫熱水資源。以上三種類型的地熱系統(tǒng)構(gòu)成了我國主要的水熱型地熱系統(tǒng)，也是我國最重要的地熱開發(fā)潛力區(qū)。王貴玲等（2020）從系統(tǒng)論觀點出發(fā)，系統(tǒng)分析了我國不同水熱系統(tǒng)的運移條件、熱源機制，歸納闡述了我國不同類型的水熱型地熱資源成因模式，將我國主要水熱系統(tǒng)劃分為沉積盆地古潛山型復(fù)合水熱系統(tǒng)、沉積盆地深坳陷層控型水熱系統(tǒng)、大陸裂谷型水熱系統(tǒng)、陸陸碰撞板緣型水熱系統(tǒng)、板緣俯沖帶熱控構(gòu)造型水熱系統(tǒng)、隆起山地深循環(huán)型水熱系統(tǒng)以及近代火山型水熱系統(tǒng)等七種類型，其主要分布見圖6。圖6 中國陸區(qū)溫泉分布及地熱系統(tǒng)分布示意圖根據(jù)中國地質(zhì)構(gòu)造背景、可能的熱源條件，可將中國潛在的干熱巖資源靶區(qū)劃分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構(gòu)造活動帶型等四種成因類型（圖6）。其中，高放射性產(chǎn)熱型干熱巖資源主要分布于華南火成巖分布區(qū)；沉積盆地型干熱巖資源主要位于中國東部廣大的中新生代沉積盆地，包括華北平原、松遼盆地等；強烈構(gòu)造活動帶型干熱巖資源主要位于青藏高原臺灣等板塊邊界；現(xiàn)代活動造山帶及強烈活動的地震帶；近代火山型則主要位于云南騰沖、吉林長白山等近代火山活動相對活躍的地區(qū)。現(xiàn)以渤海灣盆地、東南沿海、青藏高原等我國主要地熱資源分布區(qū)論述殼構(gòu)熱控理論的勘查實踐。渤海灣盆地為一大型中新生代斷陷盆地，地質(zhì)歷史時期，華北克拉通破壞所造成的巖石圈減薄、地殼變形、地震及巖漿活動，為本地區(qū)深部熱能進入地層淺部形成地熱資源創(chuàng)造了良好的條件。盆地內(nèi)發(fā)育多層疊置的熱儲系統(tǒng)，主要熱儲層是中生界砂巖孔隙型熱儲和古生界與中新元古界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲，為典型的沉積盆地古潛山復(fù)合水熱系統(tǒng)；盆地基底凸凹相間配置的構(gòu)造格局使得在基巖隆起區(qū)的淺部易形成高溫和高地溫梯度，成為影響淺地表溫度場、形成地熱異常區(qū)的重要地質(zhì)構(gòu)造。4.2.1.1 地殼熱結(jié)構(gòu)及殼幔熱量配分渤海灣盆地整體區(qū)域背景熱流值表現(xiàn)為高熱流區(qū)與低熱流區(qū)相間分布的特征（圖7），大地熱流的空間展布特征總體上反映了斷裂構(gòu)造及基底埋深的控制作用，與盆地內(nèi)隆起坳陷分布格局相對應(yīng)，其中高熱流區(qū)多分布在隆起區(qū)，盆地北緣地區(qū)體現(xiàn)為低熱流特征，局部區(qū)域甚至低于40mW/m2。總體上說，華北盆地熱流的水平方向變化特征與基底埋深呈負相關(guān)，基底淺的凸起區(qū)熱流高，而基底埋深大的坳陷區(qū)熱流相對低。利用“回剝法”分別計算了華北盆地冀中坳陷和滄縣隆起的分層熱流，建立了這兩個地區(qū)的地殼熱結(jié)構(gòu)（圖8）。計算結(jié)果表明，冀中坳陷和滄縣隆起現(xiàn)今地殼熱流分別為20mW/m2和16mW/m2，兩地區(qū)地殼熱流在地表熱流中的占比相差不大，分別為29.5%和22.8%；冀中坳陷和滄縣隆起地幔熱流分別為47.71mW/m2和54.22mW/m2；兩地區(qū)地殼/地幔熱流比值分別為0.42和0.30，表明來自深部的地幔熱流占主導(dǎo)地位，為“冷殼熱幔”型熱結(jié)構(gòu)，表明渤海灣盆地深部活動性顯著。與世界上典型的主動裂谷盆地，如東非大裂谷的“熱殼冷?！毙蜔峤Y(jié)構(gòu)具有顯著差別。滄縣隆起相比冀中坳陷較高的地幔熱流，表明滄縣隆起深部活動性略大于冀中坳陷。圖8 渤海灣盆地滄縣隆起()與冀中坳陷(b)地殼熱結(jié)構(gòu)以雄安新區(qū)為例，探討沉積盆地古潛山凸起對區(qū)域溫度場的控熱作用。雄安新區(qū)位于中朝準地臺（I級）華北盆地（II級）內(nèi)的冀中凹陷（川級）的北部，容城凸起、廊坊固安凹陷、牛駝鎮(zhèn)凸起、霸縣凹陷等IV級構(gòu)造單元交匯處。區(qū)內(nèi)主要斷裂為牛東斷裂和容城斷裂。區(qū)內(nèi)新生界隨凸起和凹陷的分布呈披蓋式沉積，第四系松散層和新近系砂巖、礫巖和泥巖近乎水平，古近系砂巖、礫巖和泥巖傾角平緩。下伏地層主要包括奧陶系、寒武系、薊縣系和長城系灰?guī)r及太古宇變質(zhì)巖。區(qū)內(nèi)熱儲分為兩種類型：孔隙熱儲層與基巖裂隙巖溶熱儲層。孔隙熱儲層主要為新近系明化鎮(zhèn)組與館陶組，其中明化鎮(zhèn)組熱儲分布范圍較廣，館陶組只分布在牛駝鎮(zhèn)凸起邊緣地帶。基巖裂隙巖溶熱儲層是區(qū)內(nèi)主要熱儲，包含熱儲層較多，牛駝鎮(zhèn)凸起以薊縣系霧迷山組為主要熱儲層，容城凸起除此之外還包括長城系高于莊組熱儲層。研究區(qū)周邊凹陷區(qū)巨厚的沉積層擁有較低的熱導(dǎo)率，阻礙了熱量的傳導(dǎo)，而凸起區(qū)較高的熱導(dǎo)率為熱流的運移提供了有利條件，使得熱量向凸起區(qū)聚集牛東斷裂、容城斷裂溝通深部熱源，起到導(dǎo)熱作用；上覆低孔、低滲、低熱導(dǎo)率的古近系、新近系及第四系松散沉積層相當于蓋層，形成了雄安新區(qū)古潛山豐富的地熱資源。以雄安新區(qū)古潛山地熱地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)今地溫場特征，建立研究區(qū)二維剖面模型，預(yù)測深部地溫場分布，分析研究區(qū)深部熱狀態(tài)及古潛山凸起、斷裂等對區(qū)域地溫場的控制機制。水熱運移是形成淺部地熱資源的必要條件，本次研究以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，主要考慮深部熱源聚斂機制和淺部熱儲天然密度差對流過程，建立了雄安新區(qū)古潛山熱傳導(dǎo)剖面模型(圖9)。模型頂部為恒溫邊界，底部為恒定熱通量邊界，側(cè)邊界為開放邊界。熱量主要來自深部熱源傳導(dǎo)，牛東斷裂、容城斷裂起到溝通深部熱源的作用。資料顯示，研究區(qū)底部熱流值為90mW/m2，穩(wěn)定且分布均勻；頂部恒溫帶溫度為14.8°C；熱量通過熱傳導(dǎo)方式由深部到達淺部，基巖熱導(dǎo)率為3.2W/(m?K)，主要熱儲熱導(dǎo)率為2.1~2.7W/(m?K)，上覆蓋層熱導(dǎo)率為1.4W/(m?K)(王貴玲等，2017)。斷裂具有較高的熱導(dǎo)率，為4.5W/（m?K）。主要熱儲孔隙度為20%，滲透率為1X10-15m2；蓋層和基巖滲透率為1X10-18m2。模型重點研究雄安新區(qū)古潛山基底熱量向淺部運移過程以及天然狀態(tài)下深部熱傳導(dǎo)、凸起、斷裂的控熱機制，未考慮人類活動的影響。模型初始溫度場設(shè)為的14.8°C，整個模型通過底部熱流逐漸增溫；初始壓力通過靜水壓力平衡得到。圖9 雄安新區(qū)古潛山分布及熱儲概念模型示意圖周瑞良等（1989）據(jù)華北油田、河北省第九水文隊資料詳細研究了雄安新區(qū)古潛山中淺部地溫分布情況，并依據(jù)鉆孔測溫資料對重要剖面1000m地溫進行了預(yù)測，是本文模型識別的重要依據(jù)。容1、雄102、雄4和家3等鉆孔在1000m深處的地溫分別為58°C、66°C、57°C和43°C（圖10）。華北油田于霸縣凹陷區(qū)6027m發(fā)現(xiàn)201°C高溫，同樣對本次研究具有較大的參考意義。5個主要測溫點既有水平方向分布，也有深度方向分布，能夠?qū)δＰ徒Y(jié)果進行良好的校準。1000m深度地溫分布模型擬合效果見圖11。圖10 雄安新區(qū)現(xiàn)今地溫場分布模擬結(jié)果圖11 雄安新區(qū)不同深度溫度分布模擬結(jié)果(a)及1km深模擬溫度與測井溫度擬合圖(b)由2km深度地溫分布可見凸起區(qū)的地溫明顯高于凹陷區(qū)地溫，容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起地溫最高可達83°C，而固安凹陷和霸縣凹陷地溫最低，其中固安凹陷最低地溫為58°C（圖11）。這是因為凹陷區(qū)內(nèi)淺部沉積了巨厚的低熱導(dǎo)率蓋層，熱量傳導(dǎo)較少，地溫較低；而凸起區(qū)巖石熱導(dǎo)率較高，來自于基底的傳導(dǎo)熱量多，地溫較高。然而，對比5km和7km深度的地溫則發(fā)現(xiàn)，深部凸起區(qū)的地溫比凹陷區(qū)低，這與淺部的規(guī)律相反。霸縣凹陷深部地溫最高為234°C（7km深），均高于容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起地溫。這是因為，地層熱量主要來自深部，在熱量總和一定的情況下，基巖與松散沉積物的熱導(dǎo)率差異導(dǎo)致凸起區(qū)有利于熱量向淺部傳導(dǎo)，這樣就導(dǎo)致凸起區(qū)上部的溫度高于同深度坳陷區(qū)的溫度，產(chǎn)生由凸起區(qū)流向坳陷區(qū)的水平熱流；而凸起區(qū)下部由于溫度的快速向上傳導(dǎo)，致使其溫度低于同深度坳陷區(qū)的溫度，從而產(chǎn)生由坳陷區(qū)流向凸起區(qū)的水平熱流；在某一深度在此之間存在一熱流平衡線，其深度與上覆蓋層厚度、基巖隆起高度以及蓋層與基巖熱導(dǎo)率的比值等有關(guān)。另外，斷裂對地溫場的分布影響是顯而易見的，斷裂熱導(dǎo)率較高，斷裂通道內(nèi)熱量傳導(dǎo)更快，熱量到達淺部更迅速，形成地溫等值線凸起（圖10）。圖11顯示5km和7km深度溫度分布情況，圖中可見斷裂處溫度明顯高于周圍地層溫度。容城斷裂5km和7km深度處最高溫度分別可達170°C和225°C，高出周圍地層10~20°C；牛東斷裂5km深度可見明顯高溫異常，但在7km處的溫度與霸縣凹陷地區(qū)地層溫度接近，這是因為牛東斷裂在7km深度緊鄰霸縣凹陷區(qū)基底地層。沉積盆地傳導(dǎo)型地熱系統(tǒng)的主要熱源為上地幔的熱傳導(dǎo)與地殼中放射性元素的衰變產(chǎn)熱，其中基巖面的起伏和構(gòu)造形態(tài)對淺部地溫起著主導(dǎo)作用。以華北地區(qū)為例，在西太平洋板塊俯沖驅(qū)動下，受華北克拉通巖石圈拆沉作用的影響，古近紀以來強烈斷陷的渤海灣盆地具有華北克拉通最薄的巖石圈（60~80km）和地殼厚度（厚度＜35km）。巖石圈減薄、地幔熱物質(zhì)的上涌形成了局部的地熱異常為區(qū)內(nèi)陸熱資源的形成提供了高溫熱背景，而盆地基底基巖面的起伏所形成的隆起和凹陷格局，對區(qū)域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用。由于基巖與上覆沉積蓋層熱導(dǎo)率的差異，當其巨厚的沉積蓋層下存在熱導(dǎo)率相對較高的基巖時，源于深部的基底熱流會向熱導(dǎo)率大的基巖凸起部位集中，使得基巖隆起區(qū)的大地熱流值大于凹陷區(qū)的大地熱流值，從而在基巖隆起部位形成高溫異常，基巖隆起區(qū)發(fā)育的裂隙系統(tǒng)便構(gòu)成了基巖熱儲的儲集空間和滲流通道，加之上覆沉積蓋層中的孔隙型熱儲，便形成了渤海灣盆地特有的古潛山復(fù)合型水熱系統(tǒng)。雄安新區(qū)深部地溫場的模擬結(jié)果顯示，盆地基底凸凹相間配置的構(gòu)造格局使得基巖隆起區(qū)的淺部易形成高溫和高地溫梯度，是影響沉積盆地水熱系統(tǒng)的最重要控熱構(gòu)造。東南沿海是是我國最主要的花崗巖分布區(qū)，趙平等（1995）系統(tǒng)地分析了區(qū)內(nèi)不同時代不同巖性的生熱率特征，揭示了華南花崗巖體具有異常高的生熱率背景。汪集旸等（1993）利用新構(gòu)造分析方法分析了東南沿海新構(gòu)造斷裂的活動性、相關(guān)關(guān)系及與區(qū)內(nèi)熱水形成、分布的關(guān)系，建立了區(qū)內(nèi)構(gòu)造控熱模式。另外，在晚中生代時期發(fā)育有眾多的沉積盆地，沉積盆地類型多樣。綜上，不同時期形成的不同類型的花崗巖、大面積沉積盆地的存在以及發(fā)育的構(gòu)造斷裂系統(tǒng)，為東南沿海深部熱量的積聚創(chuàng)造了良好地質(zhì)背景。4.2.2.1 地殼熱結(jié)構(gòu)及殼幔熱量配分近年來中國地質(zhì)調(diào)查局在東南沿海地區(qū)開展了系統(tǒng)的地熱資源勘查工作，先后在福建漳州、廣東惠州施工了多個深鉆孔，獲得了深孔穩(wěn)態(tài)或近似穩(wěn)態(tài)地溫測量以及系統(tǒng)的垂向生熱率測試等資料。其中，福建漳州HDR1孔深度為4000m，鉆遇巖性以花崗閃長巖、二長花崗巖等為主，停鉆144h后于3997m處測得井溫109.58°C；廣東惠州HR1孔深度為3009.17m，鉆遇地層從淺至深依次為第四系（0~20m）寒武系（21~466m）震旦系（467~1565m）和侏羅紀巖體（1566~3009.17m），停鉆72h后2900m測得熱水溫度為127.7C。根據(jù)所獲取的穩(wěn)態(tài)或近似穩(wěn)態(tài)測溫數(shù)據(jù)以及地層熱導(dǎo)率等相關(guān)資料，計算得HDR1、HR1鉆孔所揭露的大地熱流分別為62.5mW/m2、106.8mW/m2，在此基礎(chǔ)上，利用“回剝”法開展分層熱流值的計算，分別建立了福建漳州、廣東惠州地區(qū)地殼熱結(jié)構(gòu)模型如圖12所示。其中，福建清泉林場放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和為28.94mW/m'，即地殼熱流為28.94mW/m2，地幔熱流為33.6mW/m2，區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為1：1.16，屬于“熱幔冷殼”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)；廣東惠州黃砂洞地區(qū)放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和約為38.99mW/m2，即地殼熱流約為38.99mW/m2，地幔熱流約為31.01mW/m2，區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為1：0.8，屬于近似“熱殼冷幔”型或“溫殼溫幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)，其地表地熱通量中對流分量、地殼放射性生熱熱量及地幔傳導(dǎo)熱量的比值為1：106：0.84。由計算結(jié)果可知，廣東惠州黃砂洞地區(qū)3~13km深度巖石的放射性生熱貢獻占到地殼熱流的58%，而福建漳州地區(qū)同深度范圍內(nèi)放射性生熱貢獻占比不到地殼熱流一半，這可能是造成兩個地區(qū)不同熱結(jié)構(gòu)特征的主要原因。 圖12 福建漳州清泉林場(a)和廣東惠州黃砂洞地區(qū)生熱率模型和地殼熱結(jié)構(gòu)(b)4.2.2.2.1東南沿海水熱系統(tǒng)分布受到斷裂系統(tǒng)嚴格控制從巖石圈尺度而言，東南沿海水熱系統(tǒng)主要分布在華夏地塊區(qū)域性NE向斷裂發(fā)育地區(qū)，而NE向斷裂是中生代以來太平洋構(gòu)造域板塊俯沖碰撞的復(fù)雜構(gòu)造體制演化的結(jié)果，尤其是白堊紀以來華夏地塊經(jīng)歷了顯著的伸展變形，形成廣泛分布的伸展盆地和穹窿構(gòu)造，同時形成了大規(guī)模的巖漿活動，構(gòu)成巨大的“申展盆地-巖漿省'o現(xiàn)今水熱系統(tǒng)在華夏地塊NE向斷裂區(qū)域的富集，說明經(jīng)過中生代強烈構(gòu)造-巖漿活動改造后的斷裂構(gòu)造系統(tǒng)，對現(xiàn)今的水熱系統(tǒng)分布具有控熱作用?，F(xiàn)今華夏地塊地質(zhì)活動仍較為活躍，表現(xiàn)在福建、廣東、臺灣等省份的地震分布范圍與溫泉存在一致性。東南沿海水熱系統(tǒng)周圍的蓮花山-政和-大埔斷裂帶、河源斷裂帶、紫金-博羅斷裂帶NE向斷裂，即是東南沿海主要的發(fā)震斷裂之一。從地殼尺度而言，東南沿海地區(qū)的水熱系統(tǒng)是殼幔生熱、構(gòu)造控熱等作用的淺部響應(yīng)。由于具有區(qū)域性深斷裂的存在，深部熱能可以通過深斷裂更直接傳遞至淺部，因此會形成地溫等值線的上揚，深斷裂與淺部張性斷裂交匯周圍往往具有溫泉出露由圖13可見，地表出露的溫泉表現(xiàn)出了高度的有序性，另外，東南沿海溫泉形成的環(huán)型區(qū)在形態(tài)與空間位置上也與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布高度一致（姚足金等，1990）。結(jié)晶巖地區(qū)的地塊破碎是形成溫泉必不可少的前提。活動斷裂是深部地下熱水運移、富集、上涌的通道，絕大多數(shù)天然溫泉都在斷層破碎帶或不同方向的活動斷裂交叉復(fù)合部位，說明活動斷裂很大程度上控制著溫泉的分布。華夏地塊主要表現(xiàn)為強烈的繼承性斷裂活動，并引起斷塊差異升降。新近紀以來，華南地區(qū)地殼運動相當頻繁、強烈、顯著，老斷裂的復(fù)活、斷塊差異性運動等都深深地切割了多期的地層，使該區(qū)具備了形成熱源、控熱構(gòu)造和儲熱空間等地質(zhì)條件及水熱對流要素。4.2.2.2.2 構(gòu)造對熱流提升貢獻分析以廣東惠州黃沙洞地熱田為例，進行構(gòu)造對熱流提升貢獻分析。根據(jù)HR1孔實施情況，該孔成孔后利用水泵短時間抽水后即發(fā)生持續(xù)自噴，井口最高穩(wěn)定溫度118°C，最大流量137m3/h。因此，根據(jù)測溫數(shù)據(jù)及巖芯熱物性參數(shù)計算所得的熱流值為熱流通量，包含了地下熱水流動所傳遞的對流熱流分量，即區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的對流傳熱貢獻。考慮用熱交換量計算參考溫泉計算公式：式中，H為水的熱增加或熱損失(W)，ρ為水的密度(kg/m3)，cf為水的比熱容(J/(kg·K))，(T2-T1)為循環(huán)路徑前后的地下水溫度差值(K)，Q為溫泉地下水排泄量(m3/s)oHv為黏性耗散引起的熱損失，該參數(shù)對高山地區(qū)冷泉的影響較為顯著，考慮到HR1井條件，本文不考慮Hv影響。計算結(jié)果表明HR1井熱交換量達到了3.07X108W，按單井影響范圍100km2，則熱流值達到了3070mW/m2，遠高于鉆孔所在地區(qū)大地熱流值，分析其原因可能為地熱井的流量遠高于常規(guī)溫泉水流量所致；如果對比溫泉流量等比放大單井影響范圍為104km2，則獲得熱流值為30.7mW/m2，與Lin Wenjin et al.(2022)通過HR1大地熱流值減去區(qū)域熱流背景值得到的結(jié)果相近(36.8mW/m2)。TianJiao et al.(2021)利用水化學及氣體同位素數(shù)據(jù)對東南沿海典型地熱田構(gòu)造控熱條件進行了分析，認為惠州地區(qū)地下熱水的He同位素比值以殼源為主，但也有一定的幔源成因，也證實了區(qū)內(nèi)構(gòu)造溝通了深部熱源，為區(qū)內(nèi)異常地熱背景的控熱因素。表2 構(gòu)造熱流貢獻計算使用參數(shù)取值表東南沿海分布有大量的晚中生代火山-侵入雜巖，是瀕太平洋地區(qū)構(gòu)造-巖漿帶的重要組成部分。晚中生代以來太平洋板塊俯沖以及菲律賓板塊的碰撞控制了整個亞洲大陸東部的古新世以至第四紀巖漿-火山活動，這直接引發(fā)了關(guān)于東南沿海地區(qū)是否具有類似臺灣高溫地熱系統(tǒng)的討論。滕吉文等(2017)認為東南沿海殼幔結(jié)構(gòu)特異，上地殼11~16km深存在低速層，特別是漳州盆地在低速層中局部地帶呈現(xiàn)出透鏡狀低速體，故推斷地下有高溫熱儲的存在。廖志杰(2012)則認為東南沿海出現(xiàn)的大規(guī)模水熱活動異常是由于區(qū)內(nèi)斷裂網(wǎng)格發(fā)育，使豐沛的大氣水滲入地下深處，吸收巖石中的熱量，由于水頭壓力差和密度差，地下水沿斷裂排出地表或儲存于地表附近，構(gòu)成大量深循環(huán)水熱對流系統(tǒng)，它們主要是低溫和中溫的溫水儲，當循環(huán)深度大時也可以形成高溫的熱水系統(tǒng)。廣東惠州黃沙洞地熱田的熱源機制分析表明，中新生代以來太平洋構(gòu)造域?qū)^(qū)內(nèi)的俯沖作用使得巖石圈伸展減薄，軟流圈上涌提供幔源來熱，且廣泛分布花崗巖類巖石具有高放射性生熱，成為區(qū)域地溫異常場的另一重要熱源；NE向區(qū)域性斷裂帶對區(qū)域火山噴發(fā)帶、侵入巖等有顯著控制作用，是形成區(qū)域熱異常的重要殼構(gòu)熱控背景，新生代以來由于板緣擠壓形成的殼內(nèi)NW向張扭性斷裂，為地表水的下滲、運移加熱創(chuàng)造了良好的條件，成為了控制地區(qū)性溫泉出露的主要構(gòu)造，深部的地下熱水沿其上升至地表而形成一系列板緣俯沖帶熱控構(gòu)造型水熱系統(tǒng)，即在板緣俯沖帶酸性巖體廣布的地質(zhì)背景下，斷裂系統(tǒng)是東南沿海水熱系統(tǒng)的控熱構(gòu)造。65~45Ma以來，印度板塊與歐亞板塊的長期擠壓，造成了青藏高原的整體隆升。在兩個大陸板塊的碰撞、擠壓過渡帶———喜馬拉雅造山帶，地殼與地幔物質(zhì)受到強烈擠壓，地殼的短縮增厚，不僅造就了下地殼深融型巖漿源區(qū)和中部的局部低速熔融層，而且在上地殼的一定深度內(nèi)，還存在淺成侵位的巖漿囊和不同深度的局部帶狀熔融體，構(gòu)成了青藏高原及其周緣地區(qū)所特有的殼幔熱結(jié)構(gòu)及構(gòu)造熱演化機制，亦是區(qū)內(nèi)典型的水熱系統(tǒng)的熱源所在?，F(xiàn)以青藏高原東北緣共和盆地為例，探討殼內(nèi)低速層對淺地表溫度場的控熱作用。共和盆地位于青藏高原東北緣，是新近紀初形成的斷陷盆地。新生代以來受喜馬拉雅造山運動的影響，共和盆地新構(gòu)造運動活動強烈，表現(xiàn)在盆地周邊及盆地內(nèi)老斷裂的復(fù)活，深部的水熱活動進一步加強，造就了共和盆地具備地熱資源形成的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景。近年來，在恰卜恰河谷及貴德三河平原先后施工了多眼深層熱水勘探孔，在深部揭露了高地溫梯度異常，其中位于恰卜恰河谷DR3井孔深2927.26m，孔底溫度181.17°C，地溫梯度高達6.0°C /100m，而位于貴德三河平原區(qū)R3井井深2701.2m，實測的孔底溫度僅為103.7°C，全孔平均地溫梯度僅3.6°C /100m，顯著低于恰卜恰河谷，反應(yīng)了恰卜恰河谷具有異常的高溫熱背景。據(jù)青海共和-玉樹公路沿線天然地震觀測剖面顯示，在恰卜恰河谷埋深22~41km深度范圍內(nèi)存在一低速層，嚴維德(2015)、張森琦等(2020)、Lin Wenjingetal.(2021a)等均認為該低速層是具高溫性質(zhì)的殼內(nèi)部分熔融層，構(gòu)成了共和盆地淺地表高地溫異常的區(qū)域熱源，但尚未形成共識。4.2.3.1 地殼熱結(jié)構(gòu)及殼幔熱量配分基于共和盆地恰卜恰河谷的DR3孔、貴德三河平原R3孔的實測溫度數(shù)據(jù)和基底段巖石熱導(dǎo)率測試值，Lin Wenjingetal.(2021a)進行了共和盆地大地熱流值計算及地殼熱結(jié)構(gòu)分析，計算所得的共和盆地恰卜恰河谷及貴德三河平原大地熱流值分別為106.2mW/m2、77.6mW/m2，均高于中國大陸地區(qū)大地熱流平均值61.5±13.9mW/m2與全球大地熱流平均值64.7mW/m2，依據(jù)所計算的地表大地熱流，結(jié)合兩口鉆孔基巖段巖石放射性生熱率，利用“回剝”法開展分層熱流值的計算。共和盆地莫霍面深度50~60km，根據(jù)地震波速剖面，恰卜恰河谷地與貴德三河平原區(qū)莫霍面深度分別取55km、52.1km。所得的生熱率模型如圖14所示。其中，恰卜恰河谷放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和為80.4mW/m2，即地殼熱流為80.4mW/m2，地幔熱流為25.8mW/m2，區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為3.12：1。貴德三河平原區(qū)放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和約為50.3mW/m2，即地殼熱流約為50.3mW/m2，地幔熱流約為27.3mW/m2，區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為1.84：1。沈顯杰等(1990)提出青藏高原北緣的地殼熱結(jié)構(gòu)以古老穩(wěn)定地塊的微小地幔熱流分量為特征，邱楠生(1998)獲得了中國大陸西部塔里木盆地(莫霍面深度50~58km)與柴達木盆地(莫霍面深度50~58km)的地幔熱流，分別為20mW/m2、25mW/m2，并提出中國大陸地區(qū)地幔熱流由西至東逐漸升高，本文所獲取的共和盆地地幔熱流與該結(jié)論相一致。圖14 共和盆地恰卜恰河谷()與貴德三河平原地殼熱結(jié)構(gòu)(b)(1)增厚地殼中的“低速層”為地熱資源的形成提供了最重要的殼內(nèi)恒常熱源。青藏高原地殼中存在的低速層是地殼結(jié)構(gòu)的一大特色，關(guān)于其成因尚無定論。Tapponnier et al.(2001)認為青藏高原為全脆性地殼流變結(jié)構(gòu)，在連貫的巖石圈塊之間存在隨時間變化的局部韌性剪切帶。Shapiro et al.(2004)利用地震各向異性認為青藏高原存在一層下地殼流。Hackere t al.(2014)根據(jù)礦物物理特性和巖石學約束條件計算了羌塘地區(qū)地殼內(nèi)的波速，然后將這些計算結(jié)果與地殼剪切波速和徑向各向異性的模型進行比較，認為西藏中部中下地殼存在近水平和緩傾的含云母質(zhì)熔融體。Wang Qiang et al.(2016)對青藏高原中北部羌塘、松潘-甘孜和昆侖地區(qū)新生代火山巖和包體開展了深入研究，為區(qū)內(nèi)陸殼中低速-高導(dǎo)層是地殼熔體的源區(qū)提供了新的巖石學證據(jù)。不論何種成因，其部分熔融或者剪切生熱均會造成低速層同時兼居相對高溫層的屬性，青藏高原大地熱流密度值異常區(qū)與地殼低速層具有較好的對應(yīng)關(guān)系，也在一定程度上證實了低速層的高溫層屬性，因此，地殼內(nèi)合適深度處的低速層可能成為板內(nèi)環(huán)境、高熱流區(qū)地熱資源的殼內(nèi)恒常熱源。嚴維德(2015)、張森琦等(2020)、Lin Wenjing et al.(2021a)分析了青藏高原東北緣共和盆地埋深22~41km深度范圍內(nèi)低速層，均認為該低速層是具高溫性質(zhì)的殼內(nèi)部分熔融層，可能構(gòu)成了共和盆地干熱巖資源的區(qū)域熱源?；谔烊坏卣鹩^測波速剖面構(gòu)建了共和盆地地殼熱結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，該低速層的生熱貢獻約為38.5mW/m2，占到了地表總熱流106.2mW/m2的36%，是共和盆地最重要的殼內(nèi)恒常熱源。（2）增厚地殼中放射性元素重分布的熱量富集是殼內(nèi)熱量的重要補充。在地殼巖石中含有多種放射性元素，該類放射性元素衰變釋放出的熱能是地球內(nèi)熱的主要熱源之一。U、Th、K等放射性元素因具有豐度高、生熱量大以及半衰期長等條件而成為了地殼內(nèi)最主要的放射性生熱元素。地熱學研究的結(jié)果顯示，地球上放射性熱源濃度隨深度指數(shù)衰減，放射性元素主要集中在地表一定深度范圍內(nèi)，即地殼放射性元素集中層的厚度，全球平均為10km青藏高原由于印度/亞洲板塊碰撞導(dǎo)致的地殼增厚使得U、Th、K等放射性元素濃度在擠壓增厚的地殼內(nèi)，通過放射性生熱層的增厚而相對富集，最終使殼內(nèi)放射性自熱效應(yīng)增，從而為殼內(nèi)熱量富集提供了重要的來源。共和盆地相關(guān)勘探孔的放射性生熱率測試結(jié)果顯示，其基底花崗巖體的生熱率平均值為3.10“W/m3，遠低于華南沿海地區(qū)花崗巖的平均生熱率4.2“W/m3，但在沒有殼內(nèi)“低速高導(dǎo)層”供熱的情況下，其殼內(nèi)產(chǎn)熱貢獻則高于華南沿海地區(qū)。以貴德R3井與廣東惠州HR1井為例，R3井地殼厚度約52.1km，其殼源產(chǎn)熱貢獻為50.3mW/m2，而HR1井地殼厚度約30km，其殼源產(chǎn)熱貢獻為392mW/m2，地殼增厚從而引起放射性生熱層增厚的自熱效應(yīng)明顯。(3)地殼增厚引起的巖石圈上地幔下彎形成了偏小的地幔熱流分量。地殼增厚的另一效應(yīng)是下地殼和巖石圈上地幔下彎，打破了原先存在于巖石圈-軟流圈邊界上的熱平衡，在構(gòu)造活躍區(qū)可能會引發(fā)軟流圈的局部對流，從而增強地幔熱流分量，而在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)則會形成偏小的地幔熱流分量。前人研究成果表明，我國東部裂陷盆地來自深部的地幔熱流很大，以遼河盆地和華北盆地為例，其地幔熱流分別為40.2mW/m2和38mW/m2，分別占到盆地地表熱流的61%和65%，而地處西部構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)柴達木盆地和塔里木盆地，其地幔熱流僅為25.4mW/m2和20mW/m2，僅占到盆地地表熱流的47.9%和45.5%。共和盆地地殼熱結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，恰卜恰河谷地與貴德三河平原區(qū)地幔熱流為25.8mW/m2與27.3mW/m2，低于全球地幔熱流的平均值28mW/m2，僅占所在區(qū)域地表熱流的24.3%和35.2%，除了受殼內(nèi)低速高導(dǎo)層影響外，地殼增厚引起的地幔熱流分量減少也是重要的原因之一。青藏高原地殼中的“低速層”為共和盆地地熱資源的形成提供了最重要的殼內(nèi)恒常熱源，同時增厚地殼對于近地表熱量的聚集存在正負兩方面的效應(yīng)，一是地殼增厚造成了放射性生熱層的重分布，彌補了深部花崗巖放射性生熱率低的不足，成為共和盆地殼內(nèi)熱量的重要補充；二是地殼增厚導(dǎo)致了偏小的地幔熱流。受此熱源機制制約，共和盆地恰卜恰河谷大地熱流值表現(xiàn)為106.2mW/m2，顯著的高于貴德三河平原區(qū)的大地熱流77.6mW/m2，表現(xiàn)出明顯的異常加熱型地殼熱結(jié)構(gòu)。未來同類地區(qū)的地熱勘查靶區(qū)選址應(yīng)重點考慮殼內(nèi)“低速層”等恒定熱源對淺部溫度場的影響及供熱意義。(1)殼構(gòu)熱控理論以勘查區(qū)找熱為出發(fā)點，以控熱作用內(nèi)生因素(殼幔生熱)和外生因素(構(gòu)造聚熱)為切入點，通過研究影響殼幔生熱、殼內(nèi)傳熱、勘查靶區(qū)聚熱這一地球物理過程，確定不同構(gòu)造背景下主要控熱構(gòu)造及找熱預(yù)測標志，破解信息不對稱下找熱預(yù)測難題，最大限度地降低地熱勘探的不確定性，可為我國地熱靶區(qū)選址及勘查提供了系統(tǒng)的方法體系。(2)我國西厚東薄、西南厚東北薄地殼分布格局導(dǎo)致的地幔傳導(dǎo)熱空間差異是制約地熱系統(tǒng)熱源機制的主控因素。以Qc/Qm<0.8，0.8~1.2，>1.2為界，可將我國陸區(qū)劃分為“幔源產(chǎn)熱區(qū)”、“殼幔熱流平衡區(qū)”、“殼源產(chǎn)熱區(qū)”。除華北、東北、長江中下游及中部的一些盆地之外，我國大部分地區(qū)以殼源產(chǎn)熱(Qc/Q：>1.2)為主，占陸區(qū)面積的65.8%，其中，Qc/Q：>1的面積占到80.1%，沉積基底至中地殼則為地殼的主要的產(chǎn)熱區(qū)域，貢獻了約大地熱流值的50%。(3)我國陸區(qū)以板內(nèi)構(gòu)造活動為主，不同板內(nèi)構(gòu)造活動類型區(qū)制約地熱系統(tǒng)的控熱構(gòu)造或因素各有不同：我國東部分布有大面積的中、新生代沉積盆地，盆地基底凸凹相間的構(gòu)造格局使得基巖隆起區(qū)的淺部易形成高溫異常區(qū)和高地溫梯度，是影響這些熱水盆地水熱系統(tǒng)的最重要因素；東南沿海受板緣俯沖帶影響，巖石圈伸展減薄，形成了以幔源供熱為主的地熱地質(zhì)背景，而區(qū)內(nèi)大面積分布的高放射性花崗巖及反應(yīng)深部構(gòu)造活化的深大斷裂則構(gòu)成了影響地表淺部溫度場的重要控熱構(gòu)造或因素；青藏高原增厚地殼中的“低速層”則區(qū)內(nèi)高溫地熱資源的形成提供了最重要的殼內(nèi)恒常熱源。(4)作為可再生能源的重要組成部分，地熱資源對于未來我國實現(xiàn)節(jié)能減排及雙碳戰(zhàn)略目標具有重要的意義。筆者基于有限的知識積累，梳理了近些年我國地熱源的勘查實踐，提出以殼構(gòu)熱控理論理解我國的地熱資源分布格局，拋磚引玉，以期進一步推動我國地熱基礎(chǔ)理論研究。原文來源：王貴玲，藺文靜，劉峰，甘浩男，王思琪，岳高凡，龍西亭，劉彥廣.2023.地熱系統(tǒng)深部熱能聚斂理論及勘查實踐.地質(zhì)學報，97（3）：639~660，doi：10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2023016. 導(dǎo)讀評論和排版整理等：《覆蓋區(qū)找礦》公眾號.
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