大地热流值的确定
本次研究中我们根据华北地区及其周边地区的大地热流实测数据，依据汪洋（1999a）整理中国及邻区大地热流实测数据时的筛选依据和编图原则、方法，编制了华北地区10×1 °经纬网格大地热流分布图和10×1 °精度的大地热流图。关于数据整理、筛选依据和编图原则、方法等方面的详细情况请参考汪洋的论文（汪洋，1999a；汪洋等，2001b）。在此我们将上述1 °×1 °经纬网格热流分布图和1 °×1 °精度大地热流图套叠在一起，以更为客观地反映华北地区大地热流实测数据的空间分布格局，以及华北地区整体的热流分布特征（图7.1）。该图的范围从北纬32°～420，东经105°～1250，在其200个1 °×1 °经纬网格中含有大地热流实测数据的共有70个，占35%。
需要强调的是，由于华北地区经历了中、新生代以来的构造－热事件的影响，所以中、新生代以来华北的大地构造格局已不完全等同于此前的历史大地构造分区面貌。这是对中国大陆，尤其是东部地区内部按构造单元进行热流统计时必须应该注意的问题。所以，汪洋（1999a）在按构造单元进行大地热流分区统计时，充分考虑了大地热流观测值的空间分布状况和中、新生代构造格局的情况，在此基础上参照任纪舜（1999）的中国及邻区大地构造图中的构造单元划分方案进行统计。我们认为其结果是客观和可靠的，所以在本章中完全采纳了汪洋（1999a）的分区方案和热流统计结果。
由图7.1可见，华北地区大地热流的空间展布格局大致以呈现南北方向上的差异性。北部的燕山—阴山造山带和南部的南华北（河淮）盆地及秦岭－大别造山带热流值多低于60 m W/m2；在两者之间的华北盆地和鄂尔多斯地区热流值高于等于60 m W/m2，其中西部的鄂尔多斯地区热流值变化于60 m W/m2左右，东部的华北盆地和苏北盆地的热流值在65 m W/m2以上。因此，华北地区热流值则以华北和苏北盆地为高值地区，北侧及西南侧的褶皱带的热流值降低。
图7.1 华北地区大地热流图
大地热流是地球内热在地表最为直接的显示，同时也能反映发生在地球深处的各种作用过程和能量平衡的宝贵信息。因此在某种意义上也可以说，大地热流是在地球表面“窥测”地球内热的一个窗口。另外，大地热流反映个区域的地热状态和地质构造的性质，尤其对研究区域地质构造的发展、深部地壳构造的特征及活动更具有重要的理论意义。
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(一)大地热流的定义
地表以下单位时间内、垂直向上流经单位面积的热流量称为大地热流(q),也称为热流或大地热流密度。大地热流是一个综合参数,是集地球内部包括壳幔热结构、岩浆岩、变质岩及沉积岩中放射性元素衰变生成热以及地表深部构造、岩性、结构组合等共同作用的结果。它是地球内热在地表能够被人们所认识,同时又是能反映发生于地球深处的各种作用过程同能量平衡的宝贵信息。因此,在某种意义上说,大地热流是从地球表面“窥探”地球内热的一个窗口(WangJiyang,1996)。大地热流比其他地热单项参数(温度、地温梯度)更能准确地反映一个地区地热场的基本特点,具有十分重要的理论价值和现实作用。
大地热流为一向量,可表示为
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中:q为大地热流(HFU或mW/m2,二者的换算关系为:1HFU=41.868 mW/m2);k为岩石热导率(TCU或mW/m·℃,二者的换算关系为:1TCU=1mcal/cm·s·℃=418.68 mW/m·℃);
负号表示它的指向与温度随深度递增的方向相反,即沿温度降低的方向为正。
目前全球各地测定了大量的大地热流数据。统计表明,现今全球平均热流值为1.47HFU(即61.55 mW/m2),其分布极不均衡,与地质构造位置关系密切,见表2-5。
表2-5 地球表面不同构造位置的平均大地热流值
(据张家诚,1986)
(二)我国主要沉积盆地大地热流
目前,全球大地热流值测点有6000多个。英国和南非最早在1939年开始,我国大地热流测量于20世纪60年代末,70年代初开始,在华北地区取得第一批数据。在1979年,第一批13个地点25个测点正式热流数据由中国科学院地质研究所地热组测定后发表(地质科学,1979)。现有测点600多个,且多分布在东经105°以东,通过加权均值得出全国平均大地热流值为1.50HFU(63mW/m2)。
1)东部盆地主要位于东经111°以东以华北盆地为代表的地区。前人对华北断陷盆地165个大地热流值(包括实测值和估算值)统计得出,其平均热流值为1.48±0.3HFU(表2-6);与全球平均值相接近,进一步证明它属于地温正常区。其中天津地区主要构造部位沧县隆起大地热流值平均为1.672HFU,高于华北断陷盆地热流平均值,这是沧县隆起构造单元上地热异常区密布的根本原因。
表2-6 华北断陷盆地大地热流值统计表
(据中国地热资源,1994)
由于华北盆地为一中新生代断陷盆地,大地热流分布格局主要受中新生代岩石圈构造-热活动控制,表现在热流值随地壳厚度的减小而增加。但该规律如果由华北盆地扩大到华北断块,则显著的负相关关系将变得不明显。
2)中部盆地主要位于东经104°～111°地区,大地热流值偏小,属于中-低温地温梯度区。全区地温梯度普遍介于25～29℃/km之间,远低于华北的地温梯度33～35℃/km,更低于松辽盆地38℃/km,稍高于中国西部的塔里木盆地20℃/km和准噶尔盆地22.16℃/km。以鄂尔多斯盆地为例,在油气勘探中根据估算和实测,大地热流值介于40～50mW/m2,平均45mW/m2。
3)西部盆地主要位于东经104°以西地区,大地热流值随地壳厚度的增大而增加。平均每增加1km,热流值增加0.42～2.79mW/(m2·km),增加的厚度主要为中、上地壳(花岗岩)。根据前人对沉积盆地热流值研究成果(邱楠生,2002),西部主要大型盆地现今大地热流值为准噶尔盆地42.3±7.7mW/m2;柴达木盆地52.6±9.6mW/m2;塔里木盆地多在40～50mW/m2之间,平均44mW/m2。
(三)大地热流值的测定
实测大地热流值质量较高,但往往受测点分布的影响,不同构造单元的笼统平均值反映不出地热场的客观规律。在统计全国大地热流值时,为消除各种因素在热流值统计中的影响,有的学者以1°×1°经纬度网格算术平均值和质量加权平均值的频率分布直方图进行统计。结果表明,我国大陆有代表性的平均值为1.50～1.624HFU(63～68mW/m2)。其中大于2.388HFU的数据为水热活动区测得,其热传梯形式不是单一的传导方式,而属于传导-对流型或对流-传导型热流。
为进一步探寻区域大地热流值所反映的地温场规律,我们对表2-6进行分析可发现,无论是在坳陷区还是隆起区,大地热流值在基岩凸起区明显高于凹陷区。华北断陷盆地最高值为1.93HFU,出现在冀中坳陷牛坨镇凸起;最低值为1.09HFU,出现在冀中坳陷廊-固凹陷内。可见在深部构造的控制下,大地热流值的高低与基底的凸凹呈明显的正相关性。原因在于热流与水流、电流相仿,总是向阻抗最小的部位集中,因而出现在隆起区的热流值高,坳陷区的热流值低。从深层次上分析,大地热流还与莫霍面的构造形态有一定的相关性。
专项、系统地进行大地热流值的测定方法主要如下:
1.热流测试孔
鉴于热流数据获取之不易,需要同时对钻孔进行稳态温度梯度、饱和岩石热导率数据的测试。热流测试孔不能布置很多,故测试孔位要慎重选择,使之能有较大的代表性。
热流测试孔的确定:
① 待测的热流值系指通过岩石传导的热流量,因此必须选择在不受流体热对流影响的地段。
② 钻孔位置应能代表工区一般地质条件,在热流测试孔很少的情况下,应避开在地质构造上的特殊部位,如背斜、向斜轴部及断裂带等。因为背斜轴部有热流相对集中现象,热流值偏高,而向斜轴部则相反,热流值偏低;断裂两盘由于基岩面有落差,或因断裂有导水或阻水作用,均可造成温度场和热流分布的局部扰乱。
③ 热流测试孔深度一般在100m左右,测试段要避开浅部地下水活动带,避开受承压水顶托扰乱的层段。
④ 若煤田区域内煤系地层岩性变化复杂,为保证热流测试的精度,则热流测试段应安排在厚层、岩性均一的区段中。如致密灰岩段、砂岩段或泥岩段都是比较适宜的。
⑤ 考虑到热流测试必须进行稳态测温,并采取热导率测试的岩样,要求钻孔保留足够长的时间。因此,应充分利用长期水文观测孔和勘探阶段的检查孔兼做热流测试孔。为了减少测温等候时间,热流计算应考虑尽量选用钻孔深部测温段,热导率岩样的采取位置应与拟选用的测温段一致。
2.取样,热导率测试
一般取50m以下层厚稳定,岩心完整,含水量变化小(地上与地下对比)的泥岩段。在实验室测试岩石热导率。
3.计算
在忽略水平方向热流传递时,热导率×地温梯度=大地热流。
4.取得高质量热流数据的原则
① 地温曲线属稳态热传导型;②岩石热导率数据来自测试;③热流计算段深度区间一般大于50m。
专项的大地热流值测试受经济和时间制约,取得的数据有限,因此,还要借助其他钻井资料进行大地热流值估算,这里要考虑以下因素:
钻孔测温一般采用半导体热敏电阻仪实测,精度可控制在0.1℃,数据经回归分析后能满足热流研究的需要。但主要困难在于有了较好的线性温度梯度值而并无相应的岩石热导率数据与之配套,这是大型沉积盆地共有的特点。在某些地热资源勘查报告中,同一地热井通过计算求得不同层位或不同深度的大地热流值相差很大,除非有水平方向的热流传递作用,否则,垂向一维大地热流值不应是这个结果。因此,取得有代表性的岩石热导率数据,乘以对应的地温梯度,才能得到相应深度较准确的大地热流值。
大地热流的分布原理
答：热流量的分布与现代地壳运动和构造活动之间呈相关性。按板块构造学说，高温炽热物质在洋脊处上升并产生新洋壳，至海沟处冷却下来的岩石层(圈)板块又重新插入地幔软流层(圈)中而渐趋消亡。因此，热流量随着海底年龄的增长和至海脊距离的增大而减小。海底最古老部分是距海脊最远处，在海沟附近的热流量值...
地热资源
答：一、地热形成背景 青藏高原是世界上最年轻的高原，具有独特的地壳结构和高热背景，南部的喜马拉雅山属于“热壳冷幔”型地块;拉萨-冈底斯山属于“热壳热幔”型地块，该区域内中地壳范围内存在低速高导层，可能为部分熔融岩浆囊，形成了规模宏伟的地热带。青藏高原大地热流值和地温梯度较高，地温梯度大于5...
区域地质构造对地温场的控制作用
答：由于地球内部主要的放射性元素铀、钍、钾都是亲石元素，地壳厚度愈大，地壳所含的放射性元素就可能越多，就越大。与地壳厚度呈正相关，根据陈墨香的研究，我国大地热流值可以分为5个构造区：华北—东北构造区、华南构造区、中南构造区、西北构造区、西南构造区。各区的实测热流值如表2-1所示。表2-1...
岩石圈热结构计算结果
答：依据上述计算模型及相关的地壳岩石热物性参数，求解了南华北地区的岩石圈深部温度和热流分布特征（表5-13），其中包括各结构层底部的热流值和地幔热流值，各结构层的层面平均温度，以及各结构层的平均地温梯度。在计算时，模型I的大地热流取凹陷区的平均热流值51.3mW/m2，模型Ⅱ的大地热流值取凸起区的...
大地热流值与岩石圈厚度的关系
答：根据Pollack.H.N.和Chapman.D.S.提出的大地热流值和上地幔固相线的关系，可基本了解该区岩石圈厚度变化的范围。该区热流值最低的地区也是岩石圈厚度最大的地区，如额尔古纳地块岩石圈厚度超过110km，热流值为30mW/m2;热流值最高的地区对应岩石圈厚度最小的地区，如松辽盆地岩石圈厚度小于70km，热流值...
中国大陆热流值与构造-热事件时代的关系
答：我们认为,只有新生代的构造-热事件才是影响中国大陆热流值高低的关键,Hu等(2000)的观点值得商榷。 Hu等(2000)在热流值和构造-热事件的统计中,采用大地构造图确定各个热流实测值所在背景的构造-热事件年代,据此做各个实测值与构造-热事件时代的图解。在他们的统计图中,最新构造-热事件时代为燕山期和新生代的平均...
地热场与地热异常
答：在地温测量中，我们以地壳热流或地温梯度的平均值作为正常场值。目前一般认为，大地热流平均值为62.8×10－3W/m2，平均地温梯度为0.02K/m。所谓地热异常，就是实测热流值或实测地温梯度值高于它们正常值的部分。已有的热流数据和大量测温资料表明，从全球来看，区域地热异常分布面积相对较小;主要分布在...
我国地热资源的分布概况
答：盆地实测大地热流值为57～69mW/m2,盖层地温梯度2.3～4.0℃/100m,新近系热水水温25～69℃,古近系热卤水水温60～95℃。基底中古生代灰岩是重要的裂隙岩溶型热水储层,主要分布在枝江凹陷、云应凹陷、江陵凹陷的斜坡地带。 (6)汾渭盆地。位于山西、陕西交界地带,由关中盆地和运城盆地组成,面积24000km2。关中盆地...
我国大地热流场分布特征
答：现阶段我国大地热流数据中,A类约占46%,B类约占34%,C类约占15%,D类只占约5%。 表13-4 中国大陆地区大地热流数据质量分类 我国大陆地区所测得的大地热流值是在23～319mW/m2之间变化,其平均值为(63±24)mW/m2。如果不考虑D类数据,则平均值为(61±16)mW/m2,大地热流值的变化范围为30～140mW/m2(图13-...
福建大地热流平均值
答：西部热流的平均值为74mW/m~2。根据福建省西部53个钻孔的实测地温数据和300多块岩石样品的实测热导率数据得知：福建西部热流的平均值为74mW/m^2，相当于中新生代活动区的热流值。地热流体是地下热水、地热蒸汽以及载热气体等存于地下、温度高于正常值的各种热流体的总称。它包括地热蒸汽、地热水和含有...
