才文韜

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海淺層地?zé)崮馨l(fā)展研究中心，上海 200072；3. 上海淺層地?zé)崮芄こ碳夹g(shù)研究中心，上海 200072）

地?zé)崮苜Y源是一種清潔環(huán)保的綠色能源，具有儲(chǔ)量巨大、可再生、持續(xù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征、熱流體傳輸方式、溫度范圍及開(kāi)發(fā)利用方式的不同可分為淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮埽ㄋ疅嵝停┖透蔁釒r地?zé)崮躘1]。目前，上海地區(qū)地?zé)崮苜Y源利用類(lèi)型主要為淺層地?zé)崮埽猩顚拥責(zé)崮苜Y源處于勘查評(píng)價(jià)階段[2-3]。中深層地?zé)崮苜Y源開(kāi)發(fā)利用前需進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)，通常分為地?zé)豳Y源勘查、預(yù)可行性勘查、可行性勘查及開(kāi)采4個(gè)階段[4-6]。大地?zé)崃骱?jiǎn)稱(chēng)熱流，是地球內(nèi)部熱能傳輸至地表的一種最為直接的顯示[7]；同時(shí)，大地?zé)崃髦狄彩堑責(zé)豳Y源評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一，大地?zé)崃鞣植继卣饕恢笔堑責(zé)嵫芯恐械闹匾ぷ鱗8]。上海地區(qū)尚未系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)區(qū)域大地?zé)崃髦笛芯抗ぷ?。到目前為止，除淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作中開(kāi)展的200 m以淺地層的測(cè)溫和熱物性參數(shù)測(cè)試外，深部地層無(wú)可供大地?zé)崃髦笛芯康挠行?shù)據(jù)，主要是缺乏基底巖層的測(cè)溫和熱物性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)。本文利用上海市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作中200 m以淺地層測(cè)溫、熱物性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行大地?zé)崃鞯臏y(cè)算[9-13]，并以此預(yù)測(cè)深部地層溫度，對(duì)中深層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層及巖性

上海地區(qū)位于下?lián)P子板塊[14-15]，陸域基巖除松江佘山一帶呈孤丘零星出露，廣為覆蓋著第四紀(jì)松散沉積物，第四紀(jì)地層主要是由黏性土、粉性土和砂性土構(gòu)成的松散沉積物，堆積厚度變化較大，一般為160～320 m，大致呈現(xiàn)由西南向東北逐漸加厚的趨勢(shì)?；鶐r地層由下至上有：中—古元古界金山群淺粒巖、石英巖、斜長(zhǎng)角閃巖、片巖夾大理巖；古元古界惠南板巖；震旦統(tǒng)上統(tǒng)燈影組白云巖；古生界寒武統(tǒng)超山組頁(yè)巖，大陳嶺組白云巖和灰?guī)r，楊柳崗組灰?guī)r和泥巖，超峰組白云巖；奧陶統(tǒng)侖山組白云巖，紅花園組灰?guī)r，牯牛潭組灰?guī)r；志留統(tǒng)康山組石英砂巖；中生界侏羅統(tǒng)勞村組凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖，黃尖組安山巖、凝灰?guī)r、凝灰熔質(zhì)角礫巖，壽昌組凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖；白堊統(tǒng)浦口組礫巖，赤山組砂巖；以及新生界古新統(tǒng)夏駕橋組砂質(zhì)泥巖、泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，北橋組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。其中上侏羅統(tǒng)火山巖系勞村組、黃尖組和壽昌組分布面積最廣，遍布于全市，面積約占基巖總面積70%以上。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

根據(jù)地球物理場(chǎng)特性、基巖地質(zhì)、斷裂特征及新構(gòu)造活動(dòng)特性，在區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，將本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造劃分為上?！阄鞯貕K和蘇州南通地塊2個(gè)二級(jí)構(gòu)造區(qū)，上?！L(zhǎng)江口斷隆區(qū)、安甪—青浦?jǐn)嘞輩^(qū)和金山—杭州灣斷隆區(qū)等4個(gè)三級(jí)構(gòu)造區(qū)，以及11個(gè)四級(jí)構(gòu)造帶，詳見(jiàn)圖1和表1。

自前晉寧期以來(lái)，印支運(yùn)動(dòng)、燕山早期的繼承斷裂、晚白堊世發(fā)育的斷裂等不同時(shí)代形成的主干斷裂構(gòu)造和配套構(gòu)造，構(gòu)成了上海地區(qū)如今復(fù)雜的斷裂網(wǎng)[14]。具體可劃分有北東、北北東、北西—北北西和近東西（北西西、北東東）四組（圖2）。從斷裂構(gòu)造之間的相互關(guān)系來(lái)看，北東、近東西向斷裂一般屬早期構(gòu)造，北北東、北西—北北西向斷裂為晚期構(gòu)造。據(jù)規(guī)模大小，可分為深斷裂、基底斷裂和蓋層斷裂，前兩者多屬北東向斷裂。深斷裂有湖蘇斷裂（F1）；基底斷裂有太倉(cāng)－奉賢斷裂（F2）、張堰－南匯斷裂（F10）、楓涇－川沙斷裂（F9）；其它為蓋層斷裂。

圖1 上海地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Subdivision of tectonic units in Shanghai

表1 上海地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐諿16] Table 1 Subdivision of tectonic units in Shanghai

2 巖土體導(dǎo)熱系數(shù)及地溫梯度

2.1 巖土體導(dǎo)熱系數(shù)

巖土體導(dǎo)熱系數(shù)是計(jì)算大地?zé)崃髦档闹匾獏?shù)。采用瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)84個(gè)鉆探孔取得的2200余件土層樣品進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，再根據(jù)各鉆探孔地層厚度計(jì)算得到鉆孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)，上海地區(qū)150m以淺巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.547～1.925W/(m·k)，東部沿海及中部鄰近第四系厚度小于150m的區(qū)域?qū)嵝阅茌^好，導(dǎo)熱系數(shù)大于1.80W/(m·k)；青浦區(qū)西南部、松江區(qū)西部、金山區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)值相對(duì)較低，小于1.65W/(m·k)。導(dǎo)熱性中等地區(qū)主要分布在崇明區(qū)中部、嘉定區(qū)東南部、松江區(qū)東部、閔行區(qū)西部及東南角、奉賢區(qū)西北角及東部、浦東新區(qū)、中心城區(qū)東北部和寶山區(qū)東部。全市第四系150m以淺巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)分布見(jiàn)圖3。中深部基巖各層段巖石的熱導(dǎo)率根據(jù)搜集已有測(cè)試結(jié)果或區(qū)域資料進(jìn)行綜合確定，寒武系、震旦系白云巖熱導(dǎo)率相對(duì)較大為4.70 W/mK，基巖分布面積最廣的侏羅紀(jì)火山巖導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，詳見(jiàn)表2。

圖2 上海地區(qū)斷裂構(gòu)造分布略圖Fig.2 Distribution of fault structure in Shanghai

表2 上海地區(qū)典型地層熱導(dǎo)率Table 2 Coefficient of thermal conductivity for typical stratum in Shanghai area

圖3 第四系150m以淺巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)分布Fig.3 Distribution of comprehensive thermal conductivity coefficient of rock-soil within 150m in Quaternary

2.2 地溫梯度

淺層地溫場(chǎng)的垂向分布特征受當(dāng)?shù)貧夂?、地層結(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀(jì)覆蓋層厚度、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素影響，通?？煞譃樽儨貙?、恒溫層、增溫層。變溫層溫度隨著地表環(huán)境溫度的變化而變化，恒溫層溫度常年穩(wěn)定，增溫層溫度隨深度的增加而升高。一般用地溫梯度或增溫率來(lái)表示增溫層的溫度特征，同時(shí)淺地溫梯度也是計(jì)算大地?zé)崃髦档闹匾獏?shù)。取得地溫?cái)?shù)據(jù)最直接的方式穩(wěn)態(tài)連續(xù)測(cè)溫，本文地溫?cái)?shù)據(jù)均是在鉆探、埋管結(jié)束7天以上，待地溫完全恢復(fù)至原始狀態(tài)后，由淺至深逐一連續(xù)測(cè)量得到的。根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到上海地區(qū)200 m深度范圍地層溫百米增溫率約為2.31～3.73 ℃，平均約為3.04 ℃，總體上大致呈由西南向東北逐漸降低的變化趨勢(shì)（圖4）。50 m、100 m、150 m深度溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，50 m深度平均地溫為18.7 ℃，100 m為20.2 ℃，150 m為21.7 ℃。

圖4 第四系200m以淺地溫梯度等值線圖Fig.4 Geothermal gradient contour map in Quaternary 200 m

3 大地?zé)崃鞣植继卣?/h2>

大地?zé)崃骱?jiǎn)稱(chēng)熱流，是指從地球內(nèi)部向地表傳播的熱量，常用單位是毫瓦每平方米（mW/m2）。大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱能傳輸至地表的一種現(xiàn)象，無(wú)法直接測(cè)量，但可以利用導(dǎo)熱系數(shù)及地溫梯度計(jì)算得到。本文根據(jù)84個(gè)測(cè)溫孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)，按照公式1進(jìn)行計(jì)算：

式中：q為地表大地?zé)崃髦?；λ為巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)；dt/dz為地溫梯度；“-”表示熱流方向與地溫梯度反向。

由此計(jì)算得到了各測(cè)溫孔大地?zé)崃饔?jì)算值（表3），計(jì)算結(jié)果表明本區(qū)地表大地?zé)崃髦翟?0.67～68.37 mW/m2之間，平均值為52.62 mW/m2，大部分地區(qū)地表大地?zé)崃髦德缘陀谙聯(lián)P子區(qū)區(qū)域背景值60 mW/m2。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了上海地區(qū)地表大地?zé)崃鞣植继卣鲌D（圖5）。從圖可以看出，本區(qū)地表大地?zé)崃鞯姆植际芑灼鸱蛿嗔褬?gòu)造控制，高值區(qū)位于安甪—青浦?jǐn)嘞莺徒鹕健贾轂硵嗦蓚€(gè)三級(jí)構(gòu)造區(qū)內(nèi)，整體表現(xiàn)出西部地區(qū)高、東南沿海地區(qū)低；熱流值較高區(qū)主要分布在嘉定外崗、安亭、馬陸、南翔、江橋一帶，青浦趙屯、華新、重固、趙巷一帶，松江區(qū)大部分地區(qū)，以及金山城區(qū)、楓涇、朱涇等地；浦東新區(qū)臨港新城、南匯地區(qū)，閔行三林、浦江，奉賢區(qū)奉賢新城、金匯鎮(zhèn)、奉城鎮(zhèn)，崇明縣西北部的紅星農(nóng)場(chǎng)、長(zhǎng)征農(nóng)場(chǎng)、廟鎮(zhèn)、港西、東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)、城橋鎮(zhèn)、橫沙島等地大地?zé)崃餍∮?0 mW/m2，屬較低區(qū)域。

4 深部地溫分布特征

目前上海地區(qū)深部鉆孔地溫資料較為缺乏。為了解上海地區(qū)的深部地溫的分布情況，本文基于穩(wěn)態(tài)熱流狀況下通過(guò)淺部的地溫資料對(duì)深部（深度大于200 m）地溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。為簡(jiǎn)便計(jì)算，假定巖石的導(dǎo)熱率不隨時(shí)間和位置的變化而改變且不考慮巖石的生熱率，簡(jiǎn)化一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，計(jì)算公式如下：

表3 各測(cè)溫孔大地?zé)崃饔?jì)算值Table 3 Calculation value of heat flow of hole of each temperature measurement

圖5 大地?zé)崃鞣植继卣鱂ig.5 Distribution characteristics of heat flow

式中：T(Z)為計(jì)算點(diǎn)地溫；T0為恒溫層溫度；q為大地?zé)崃鳎籞i為計(jì)算點(diǎn)以淺范圍內(nèi)各層段的厚度；λi為計(jì)算點(diǎn)以淺范圍各層段的熱導(dǎo)率。

其中，恒溫層溫度和地表大地?zé)崃鞲鶕?jù)全市84個(gè)測(cè)溫孔原始地溫測(cè)試數(shù)據(jù)及前文計(jì)算結(jié)果，基巖地層層段及巖性按照本區(qū)巖石圈垂直分層和基巖面、印支面、變質(zhì)巖頂面分析結(jié)果。

依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果繪制的深度1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m地溫等值線見(jiàn)圖6。

圖6 不同深度地溫等值線Fig.6 Temperature contours at different depth

由圖可見(jiàn)，1 000m深度地溫（圖6a）一般在35.6～51.9 ℃，平均為45.2 ℃。溫度高值主要分布在嘉定區(qū)外崗—青浦區(qū)—松江區(qū)沿線，浦東新區(qū)高橋—金橋—張江—川沙一帶，金山區(qū)金山城區(qū)、楓涇、朱涇等地。2000m深度地溫（圖6b）一般在45.9～80.3 ℃，平均為63.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—練塘沿線、松江區(qū)佘山—大港—新浜沿線、九亭—泗涇沿線、金山區(qū)楓涇—朱涇沿線、金山城區(qū)、浦東新區(qū)高橋—金橋—張江—合慶沿線等地，地溫普遍在70 ℃以上。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場(chǎng)沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。3000 m深度地溫（圖6c）一般在56.2～108.7 ℃，平均為78.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇沿線、金山區(qū)朱涇—廊下沿線等地，地溫普遍高于95 ℃。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場(chǎng)沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。4000m深度地溫（圖6d）一般在66.6～137.1 ℃，平均為91.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇沿線—金山區(qū)朱涇—廊下沿線等地，地溫普遍在115 ℃以上。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場(chǎng)沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。

上海西南部地區(qū)熱導(dǎo)率相對(duì)較低且增溫率較大，同時(shí)受楓涇－川沙斷裂（F9）、張堰－南匯斷裂（F10）構(gòu)造影響，深部地層形成局部高溫異常區(qū)。但隨斷裂帶向東延伸地溫逐漸降低，斷裂構(gòu)造對(duì)地溫場(chǎng)的影響逐漸減弱，表明地溫場(chǎng)雖受斷裂構(gòu)造作用影響，但也受其他構(gòu)造事件共同作用。上海地區(qū)大地構(gòu)造屬性以及地下深部構(gòu)造形態(tài)的研究一直處于零散開(kāi)展的狀態(tài)，基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查資料十分有限，還需進(jìn)一步開(kāi)展上海地區(qū)構(gòu)造演化調(diào)查工作分析地溫場(chǎng)異常的主要影響因素。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)84個(gè)測(cè)溫孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算了上海地區(qū)大地?zé)崃鞑⒗L制了等值線圖，大地?zé)崃髌骄禐?2.62 mW/m2。本區(qū)熱流的分布受基底起伏和斷裂構(gòu)造控制，高值區(qū)位于上海西部安—青浦?jǐn)嘞莺徒鹕健贾轂硵嗦蓚€(gè)三級(jí)構(gòu)造區(qū)內(nèi)，其余大部分地區(qū)地表大地?zé)崃髦德缘陀谙聯(lián)P子板塊區(qū)域背景值。

（2）預(yù)測(cè)并繪制1000～4 000 m深度地溫分布圖，高溫區(qū)主要分布在上海西南部青浦趙屯—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇—金山朱涇—金山廊下一帶，未來(lái)具備一定地?zé)衢_(kāi)發(fā)潛力，2000m深度地層溫度一般大于70℃。

（3）深部高溫異常區(qū)主要與楓涇－川沙斷裂（F9）、張堰－南匯斷裂（F10）有關(guān)，但隨斷裂帶向東延伸地溫逐漸降低，表明地溫場(chǎng)分布不只受斷裂影響，還受其他構(gòu)造事件共同作用。