魯東招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)嵬考暗責(zé)岢梢蜓芯?/h1>
2021-05-31 05:27:48鐘振楠康鳳新宋明忠郎旭娟柳祿湧傅朋遠(yuǎn)李志杰
地質(zhì)論評 2021年3期
鐘振楠，康鳳新，宋明忠，郎旭娟，柳祿湧，傅朋遠(yuǎn)，李志杰
1) 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，山東威海，264209；2) 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，濟(jì)南，250013；3) 河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊，050031；4) 山東省深部金礦探測大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東威海，264209；5) 河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，石家莊，050031；6) 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊，050031；7) 河北省水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科，石家莊，050031
內(nèi)容提要: 魯東地?zé)釁^(qū)在地質(zhì)構(gòu)造單元上位于沂沭斷裂帶昌邑—大店斷裂以東，地?zé)豳Y源豐富。本文采集了魯東地?zé)釁^(qū)招遠(yuǎn)地?zé)崽飪?nèi)一眼2000 m深地?zé)峋?DRZK01)中的40塊巖芯樣品進(jìn)行巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率測試及分析，結(jié)合測溫資料及收集資料對該區(qū)地?zé)嵬繕?gòu)成及分層熱流進(jìn)行了分析研究；采集區(qū)內(nèi)典型地?zé)崃黧w樣品進(jìn)行水化學(xué)分析并采用合適的地?zé)釡貥?biāo)估算了該區(qū)熱儲溫度；綜合研究成果建立了該區(qū)地?zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?。研究結(jié)果顯示，該區(qū)巖石熱導(dǎo)率數(shù)值較高，測量值在2.8～5.7 W/(m·K)之間，普遍高于上地殼平均熱導(dǎo)率，地溫梯度較高，為31.8℃/km；利用熱導(dǎo)率和地溫梯度計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2中熱傳導(dǎo)分量為(73.2±6.18) mW/m2，對流分量為(28.76±6.18) mW/m2，其中熱傳導(dǎo)分量中地殼熱流為22.5 mW/m2，地幔熱流為(50.74±6.18) mW/m2，二者比值為1∶1.98～1∶2.52，為“熱幔冷殼”型熱結(jié)構(gòu)。石英溫標(biāo)計(jì)算熱儲平均溫度為128.6 ℃，熱循環(huán)深度約3634 m。研究結(jié)果豐富了該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)理論并為該區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供一定的理論支撐。
在全球氣候變化的大背景下，地?zé)豳Y源由于具備清潔、方便、蘊(yùn)藏量大且可再生等優(yōu)點(diǎn)而日益受到世界各國重視(王貴玲等，2000；龐忠和等，2012,2014；袁利娟等，2020; 李泓泉等，2020； 原若溪等,2021)。招遠(yuǎn)地?zé)崽镂挥隰敄|地?zé)釁^(qū)，魯東地?zé)釁^(qū)是山地陸塊地殼演化最為復(fù)雜的地區(qū)，尤其是中生代以來，地殼活動尤為頻繁劇烈，地?zé)豳Y源豐富(徐希強(qiáng)等，2015)。為了科學(xué)高效利用該區(qū)地?zé)豳Y源，查明該區(qū)“源、通、蓋、儲”因素，開展地?zé)豳Y源賦存成因機(jī)理研究是不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(金秉福等，2000；邱楠生，2001；張濤，2011；史猛等，2019；趙輝等，2019)。大地?zé)崃?、地溫梯度、巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率作為基本的地?zé)釋W(xué)熱參數(shù)，為地球動力學(xué)演化以及油氣生成研究提供地?zé)岜尘昂突A(chǔ)參數(shù)(邱楠生，1998；葉正仁等，2001；藺文靜等，2016；孫旭東，2020)；李學(xué)倫等(1997)利用地下水中SiO2含量計(jì)算山東半島硅熱流值，認(rèn)為膠北隆起在大地構(gòu)造上屬于較高熱異常區(qū)。Jiang Guangzheng等(2016)依托一口位于膠東半島萊州灣附近的金礦勘探井的相關(guān)資料，計(jì)算得到一高質(zhì)量大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)。趙輝等(2019)對膠東地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的補(bǔ)徑排特征及地?zé)崽锏牡責(zé)豳Y源進(jìn)行了評價(jià)研究。前人研究為本文研究提供了豐富的資料支撐但是同時(shí)仍然存在很多問題，如該區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)方面的研究基礎(chǔ)比較薄弱，地?zé)釤崃繕?gòu)成及地?zé)岢梢虻确矫嫔写嬖诤芏嘈枰钊胙芯康膯栴}。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以招遠(yuǎn)地?zé)崽飪?nèi)一眼2000 m深地?zé)峋疄檠芯繉ο?，采集巖芯樣品、典型地?zé)崃黧w樣品、收集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析巖層熱導(dǎo)率、生熱率及地溫分布特征，計(jì)算該區(qū)地?zé)嵬浚还浪銦醿囟燃盁嵫h(huán)深度，并建立了招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?，豐富了該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的相關(guān)理論，為該區(qū)地?zé)豳Y源可持續(xù)、高效開發(fā)利用提供理論支撐。
1 研究區(qū)地質(zhì)背景
魯東地?zé)釁^(qū)以牟平—即墨斷裂為界分為東西兩大構(gòu)造單元，招遠(yuǎn)地?zé)崽镂挥隰敄|地?zé)釁^(qū)西部華北板塊膠遼隆起區(qū)的膠北隆起北部。魯東地?zé)釁^(qū)主要出露太古代、元古代、中生代、新生代的地層(圖1)(崔煜烽等，2018)。該區(qū)中生代印支期由于地殼發(fā)生強(qiáng)烈的脆性張裂變形作用，形成了一系列近SN向張性斷裂以及NE向、NW向和近EW向扭性斷裂，并導(dǎo)致下部地殼部分巖石熔融，從而產(chǎn)生大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿，沿?cái)嗔讶肭中纬苫◢弾r體，有的沿NE向斷裂入侵形成一些淺成脈巖，由于上述地質(zhì)演變，區(qū)域上具有良好的地?zé)嵝纬蓷l件(田禹，2015)。
2 樣品采集與測試
本次研究中，巖芯樣品采集工作在招遠(yuǎn)地?zé)崽镆谎凵?000 m，地理坐標(biāo)為120°24′41″，37°21′38″的地?zé)徙@孔(DRZK01)中進(jìn)行(地?zé)峋唧w位置見圖1)，50 m取芯一次，共采集了40塊巖芯樣品，所取巖芯樣品巖性為中生代玲瓏序列大莊子單元的二長花崗巖(巖性柱狀圖見圖2)。巖芯熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石熱物性與地?zé)釡y量實(shí)驗(yàn)室檢測，使用德國生產(chǎn)的TCS(Thermal Conductivity Scanning)熱導(dǎo)率自動掃描儀，其測量范圍為0.2～25 W/(m·K)，測量精度為±3%。樣品規(guī)格依照實(shí)驗(yàn)室要求進(jìn)行樣品預(yù)處理，樣品長度大于3 cm，至少保留了一個(gè)平整面，平整面上沒有裂隙、空洞，并且未遭受蝕變。巖芯放射性元素(鈾、釷、鉀含量)數(shù)據(jù)是由澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司檢測，其中鈾、釷元素含量采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)分析，分析儀器是由美國生產(chǎn)的Agilent(型號7700X)，測試范圍0.05×10-6～1000×10-6，精度控制相對偏差<10%，準(zhǔn)確度控制相對誤差<10%。鉀含量采用X射線熒光光譜儀分析，分析儀器是荷蘭生產(chǎn)的PANalytical(型號PW2424)，測試范圍0.01～20%，精度控制相對偏差<5%，準(zhǔn)確度控制相對誤差<2%。放射性含量樣品制樣方式相同，樣品烘干后，破碎過篩，保留直徑1～2 mm樣品300 g做正樣，其余樣品為副樣，副樣留存?zhèn)溆?。將正樣用無污染缽振動碾磨至200目；取30 g正樣加入偏硼酸鋰—四硼酸鋰熔劑，混合均勻，于熔爐中在1025 ℃熔化。熔液冷卻后，用包含了硝酸、鹽酸和氫氟酸的混酸消解定容，再用等離子體質(zhì)譜儀定量分析。另取30 g正樣，均分為兩份：一份試樣中加入含硝酸鋰的硼酸鋰—硝酸鋰熔融助熔劑，充分混合后，高溫熔融。熔融物倒入鉑金模子形成扁平玻璃片后，再用X射線熒光光譜儀分析。同時(shí)另一份試樣放入馬弗爐中，于1000 ℃灼燒。冷卻后稱重。樣品加熱前后的重量差即是燒失量。本方法所測的鉀元素含量為燒失量的結(jié)果和XRF測得的元素氧化物結(jié)果相加。檢測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
水質(zhì)全分析樣品用500 mL塑料瓶采集并由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心進(jìn)行檢測，水質(zhì)全分析是按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)引用天然礦泉水檢驗(yàn)方法(GB/T8538-2008)檢測。
3 鉆井溫度測量
本次研究中井溫測量工作使用Server6000便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)完成，測量范圍0～230℃，終孔后靜井18 d 測溫，可保證井溫恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)或似穩(wěn)態(tài)。并且所測溫度及對應(yīng)深度都經(jīng)過Matrix Logging System處理后獲取，溫度測量精確度為±0.1 ℃。野外測溫時(shí)，探頭下降速率約為6 m/min，探頭每隔0.1 m記錄一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，抽析間隔2 m。
鉆孔測溫曲線及地溫梯度曲線見圖2，由圖2可以看出，測溫曲線整體為“上凸”型，說明該鉆孔溫度受到區(qū)域上升流的影響，地下水作為載體將熱流攜帶至地表淺部(王一波等，2019)，因此直接利用鉆孔中巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)和地溫梯度數(shù)據(jù)通過公式
圖2 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔柱狀圖及測溫曲線圖Fig. 2 Drilling column diagram and temperature measurement curve of geothermal well in the Zhaoyuan geothermal field
q=-K(dT/dH)
的計(jì)算值不能稱為大地?zé)崃?，可稱為地?zé)嵬?。由圖2看出，該區(qū)地溫增長分為5個(gè)層段：① 0～500 m層段地溫增長迅速，平均地溫梯度為159.3 ℃/km，地溫梯度過大，這可能是由地表溫度影響強(qiáng)烈原因造成的，因此進(jìn)行溫度場分析時(shí)，為了減小誤差地層表層的溫度數(shù)據(jù)一般會被舍棄(胡圣標(biāo)等，1994；Huang Shaopeng et al.，2000；Pollack et al.，2003)；② 500～946 m層段溫度隨深度平穩(wěn)增加，表明熱量傳遞主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，地溫梯度在該層段較為穩(wěn)定，平均值為54.7 ℃/km；③ 1300～1800 m層段由于受到上升流影響，地溫梯度基本不變；④ 946～1171 m層段和1300～1809 m層段地溫梯度出現(xiàn)負(fù)增長，可能是由于局部破碎導(dǎo)致冷水混入造成的；⑤ 1171～1300 m層段溫度比較穩(wěn)定，當(dāng)溫度曲線出現(xiàn)分段現(xiàn)象時(shí)，地溫梯度可采用上下兩段的溫度曲線來進(jìn)行校正(徐明等，2011)。綜合上文對于地溫梯度的分段分析，該區(qū)地溫梯度由500～1300 m層段的測溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算獲取為31.8 ℃/km。
4 巖石熱導(dǎo)率特征
4.1 巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)分布特征
巖石熱導(dǎo)率是表征巖石傳熱特性的物理量，它是研究巖石圈熱結(jié)構(gòu)和地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)之一(倪守斌等，1999；欒錫武等，2003；章邦桐等，2010)。本次研究所取巖芯熱導(dǎo)率測量值在2.8～5.7 W/(m·K)之間，平均值為4.0 W/(m·K)(圖3)。
圖3 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔熱導(dǎo)率值統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 3 Statistical histogram of thermal conductivity in the Zhaoyuan geothermal field
4.2 巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)的校正
巖石本身特性(巖石礦物成分、顆粒粒度、孔隙度、滲透率等)、溫度、壓力等因素會影響巖石熱導(dǎo)率數(shù)值，對于花崗巖等致密巖石，影響其熱導(dǎo)率的因素主要是溫度(Brigaud et al.，1989)。由于本次研究中取到的巖石樣品均為致密的二長花崗巖，巖石本身特性較一致，因此僅對巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度校正，校正過程是根據(jù)Sass等通過實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的(Sass et al.，1992)：
(1)
(2)
式中，λ(0)，λ(25)分別為0℃和25℃時(shí)巖石的熱導(dǎo)率，T為巖石原位形成溫度，λ(T)為其原位溫度對應(yīng)下的巖石熱導(dǎo)率，即為校正后巖石熱導(dǎo)率。按照上述方法對研究區(qū)測量的40個(gè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，校正后的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)見圖4。由圖4b可以看出，本次研究獲得的巖芯熱導(dǎo)率值可以分為三部分(圖4b中分別由三個(gè)橢圓圈出)，每一部分熱導(dǎo)率值基本都呈現(xiàn)出隨著深度增加而增大趨勢；而且相同巖性的巖芯熱導(dǎo)率數(shù)值存在一定變化范圍，這可能是由相同巖性之間物質(zhì)成分存在差異造成的，也可能是受物質(zhì)成分分布樣式等因素影響(崔景偉等，2019)。校正后熱導(dǎo)率數(shù)值分布在2.5～5.3 W/(m·K)之間，均值為3.5 W/(m·K)，所取巖石樣品熱導(dǎo)率測量值都高于上地殼平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)，反映出該區(qū)具有良好的地?zé)岬刭|(zhì)背景。
圖4 招遠(yuǎn)地?zé)崽镄Ｕ筱@孔巖芯熱導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)直方圖(a)及熱導(dǎo)率與深度關(guān)系圖(b)Fig. 4 Statistical histogram of thermal conductivity after correctionand relationship between thermal conductivity and depth of the Zhaoyuan geothermal field
5 巖石放射性生熱率特征
巖石的放射性生熱率(A)是單位體積巖石中所含放射性元素在單位時(shí)間由衰變所釋放的能量，單位為μW/m3，它表征著巖石自身生熱能力的高低。巖石放射性生熱率是描述地球內(nèi)部熱狀態(tài)的一個(gè)非常重要的熱物性參數(shù)，可以為研究地球深部熱分布狀態(tài)、熱流的構(gòu)成、探討地球動力學(xué)過程提供重要的數(shù)據(jù)支撐(胡圣標(biāo)等，1994，2001；何麗娟等，2006；Tang Boning et al.，2019)。
5.1 研究區(qū)地層淺部巖石放射性生熱率特征
巖石中所含的放射性元素很多，但是對生熱產(chǎn)生貢獻(xiàn)的元素主要是U、Th、K 三種元素，巖石放射性生熱率(A)就是通過測量計(jì)算巖石中U、Th、K 這3種元素的含量獲取(李文慶，2015；郎旭娟，2016)。本文巖石放射性生熱率數(shù)據(jù)是按照Rybach于1976年提出的計(jì)算公式獲取(Rybach，1976；邱楠生，2002)：
A=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)
(3)
其中，A為巖石放射性生熱率(μW/m3)，ρ為巖石密度(g/cm3)，CU、CTh、CK分別為巖石中鈾(μg/g)、釷(μg/g)、鉀的含量(%)。
本次研究中巖石放射性生熱率計(jì)算結(jié)果見圖5。巖石生熱率數(shù)值統(tǒng)計(jì)直方圖(圖5a)表明，該區(qū)巖石生熱率值分布在0.4～2.2μW/m3之間，計(jì)算數(shù)據(jù)多數(shù)集中在1.2～1.6μW/m3之間，平均值為1.3μW/m3。圖5b顯示，生熱率數(shù)值和深度之間存在弱線性關(guān)系，生熱率計(jì)算結(jié)果總體上隨著深度增加而減小。
圖5 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔生熱率統(tǒng)計(jì)直方圖(a)及鉆孔生熱率隨深度變化圖(b)Fig. 5 Statistical histogram of heat production and relationship between heat production and depth of the Zhaoyuan geothermal field
5.2 研究區(qū)地層深部巖石放射性生熱率特征
地層深部的放射性生熱率的分布是解決該區(qū)地殼上地幔熱流配分及殼內(nèi)熱結(jié)構(gòu)、熱狀態(tài)等問題的關(guān)鍵(趙平，1995)。由于實(shí)際情況限制，本次研究中只取到了該區(qū)0～2000m層段的巖石樣品，對于2000m以下地層深部巖石放射性生熱率數(shù)據(jù)利用Rybach通過實(shí)驗(yàn)得出的VP—A關(guān)系公式獲取(Rybach et al.，1984；趙平，1995；劉峰等，2020)：
50 MPa壓力條件下：
(4)
100 MPa壓力條件下：
(5)
200 MPa壓力條件下：
(6)
其中，A為巖石放射性生熱率，VP為地震波速。
利用上述公式，代入收集的研究區(qū)地震波速數(shù)據(jù)(圖6)，得出區(qū)內(nèi)5000～36000 m(36000 m深度約為該區(qū)莫霍面深度(方寶明，2006))層段的巖石生熱率數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。
圖6 華北克拉通超長觀測距探測剖面不同塊體二維速度結(jié)構(gòu)圖(據(jù)王帥軍等修改，2014) Fig. 6 Two-dimensional velocity structure diagram of different blocks in the North China Craton ultra-long observation range detection profile(after Wang Shuaijun et al, 2014&)
由表1可以看出，利用VP—A關(guān)系公式計(jì)算的巖石生熱率值隨著深度的增加而遞減，對比0～2 km層段實(shí)測生熱率曲線(表1)，可以看出公式5和公式6計(jì)算的結(jié)果偏大，利用公式4計(jì)算的生熱率結(jié)果最接近實(shí)際測量值。因此將公式4(50 MPa壓力條件下)的計(jì)算結(jié)果作為該區(qū)深部巖層生熱率結(jié)果。
表1 招遠(yuǎn)地?zé)崽?5.0～36.0 km(莫霍面)生熱率計(jì)算結(jié)果及0～2 km實(shí)測值
6 地?zé)崽餆醿囟燃盁嵫h(huán)深度估算
6.1 地?zé)崽餆醿囟裙浪?/h3>
地?zé)崃黧w中，某些決定熱水中溶解組分比例的水巖反應(yīng)依賴于溫度，因此可用這些組分的比值來估算熱儲溫度，這種熱儲溫度估算方法稱為地?zé)釡貥?biāo)法，常用的地?zé)釡貥?biāo)有二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)計(jì)、Na—K地?zé)釡貥?biāo)計(jì)、Na—K—Ca地?zé)釡貥?biāo)計(jì)等(Fournier，1977；Arnorsson，1985；劉昭等，2014)。根據(jù)研究區(qū)地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征及地?zé)岬刭|(zhì)情況，結(jié)合各地?zé)釡貥?biāo)適用條件，選取了合適的地?zé)釡貥?biāo)對該區(qū)6口地?zé)峋M(jìn)行熱儲溫度估算，估算結(jié)果見表2。
表2 招遠(yuǎn)地?zé)崽锷畈繜醿囟裙浪憬Y(jié)果Table 2 Estimated results of reservoir temperature in the Zhaoyuan thermal field
由計(jì)算結(jié)果可以看出，在多種地?zé)釡貥?biāo)中，玉髓地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算結(jié)果偏低，因?yàn)殂@孔DRZK01井深1000 m以上時(shí)，實(shí)測溫度達(dá)120 ℃左右，故玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果不是熱儲溫度的真實(shí)反映；Na—K及Na—K—Ca地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算出的結(jié)果偏高，石英溫標(biāo)和Na—K—Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果相差較大，且Na—K—Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果偏高，遠(yuǎn)高于石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果，而石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果高于K—Mg溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果，故最終結(jié)果選用石英溫標(biāo)計(jì)算的熱儲溫度(102.88℃～148.84℃)為該區(qū)熱儲溫度的真實(shí)反映，均值為128.63℃。
6.2 地?zé)崽餆嵫h(huán)深度
地?zé)崽飪?nèi)地?zé)崃黧w補(bǔ)給來源主要為大氣降水(Sanliyuksel et al.，2011；Dotsika，2012)，大氣降水入滲后經(jīng)過深循環(huán)上升至地表形成地?zé)崴?，循環(huán)深度越大，地?zé)崴疁囟仍礁?。地下熱水循環(huán)深度可由下列公式推算出來：
(7)
其中，H為地下熱水循環(huán)深度，m；t1為地下熱水深部最高溫度，℃，取上文計(jì)算的熱儲溫度均值128.63 ℃，t2為該區(qū)恒溫帶溫度，取當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁?4 ℃；h為恒溫度厚度，m，取值為30 m；I為地溫梯度，取上文分析的0.0318 ℃/m。將以上數(shù)值代入公式(7)中得出該區(qū)地下熱水循環(huán)深度約為3634.7m。
7 招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)嵬繕?gòu)成及地?zé)岢梢蚍治?/h2>7.1 地?zé)崽锏責(zé)嵬考皹?gòu)成分析
7.1.1地?zé)崽锏責(zé)嵬恐袑α鞣至?/p>
該區(qū)地?zé)嵬坷霉?/p>
來計(jì)算，q為地表熱流(mW/m2)，k為巖石熱導(dǎo)率[W/(m·K)]，dT/dH為地溫梯度(℃/km)，負(fù)號表示熱流傳導(dǎo)方向。式中地溫梯度取值為上文利用鉆井(DRZK01)500～1300 m 層段測溫曲線分析的31.8 ℃/km，巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)采用鉆井(DRZK01)500～1300 m層段巖芯熱導(dǎo)率檢測平均值3.2 W/(m·K)，最終利用公式q=-k(dT/dH)計(jì)算該區(qū)地?zé)嵬考s為 102 mW/m2，具有較高的地?zé)岜尘?。由于該區(qū)內(nèi)未開展過系統(tǒng)的大地?zé)崃鳒y量工作，該區(qū)大地?zé)崃髦悼扇±镁嚯x該地?zé)崽锛s40 km的萊州三山島黃金科鉆的數(shù)據(jù)計(jì)算的熱流值 73.24±6.18 mW/m2(Jiang Guangzheng et al.，2016)，由此可推算出本次研究中計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2中對流分量為(28.76±8.76) mW/m2。
7.1.2地?zé)崽锏責(zé)嵬恐袀鲗?dǎo)分量
7.1.1 節(jié)中采用的大地?zé)崃髦?3.24±6.18 mW/m2即為該區(qū)地?zé)嵬恐械膫鲗?dǎo)分量，即在地表觀測到的大地?zé)崃?，主要由地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生熱能(地殼熱流qc)和地幔深部熱能(地幔熱流qm)兩部分組成(Jaupart et al.，2007；Czechowski et al.，2012；姜光政等，2016；劉紹文等，2017)。地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能
qc=Σqa
式中：qa=AD， 為地殼中各結(jié)構(gòu)層由放射性元素衰變產(chǎn)生的熱流，A為生熱率，D為相應(yīng)層段厚度。地幔熱流由公式
qm=q-qc
獲取(Birch et al.，1968；Roy et al.，1968；徐青等，1992；Seipold et al.，1998 ；Ranalli，2005；Duchkov et al.，2009)。進(jìn)而可獲得一個(gè)地區(qū)地殼熱流與地幔熱流配分比，分析其巖石圈熱結(jié)構(gòu)類型(Huang Shaopeng et al.，1992)。
本次研究中，0～2 km層段巖石生熱率數(shù)值采取本文實(shí)際測算的巖石生熱率均值1.3 μW/m3；2 km以下每個(gè)層段的生熱率數(shù)值用表1中利用公式4(50 MPa壓力條件下)計(jì)算的結(jié)果，取值為各層段上下層面生熱率的均值。利用公式分別計(jì)算每一層段的地殼熱流值、地幔熱流值和熱流值，具體計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 招遠(yuǎn)地殼熱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表Table 3 The results of thermal structure of the lithosphere in Zhaoyuan
由計(jì)算結(jié)果可以看出，招遠(yuǎn)地區(qū)放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和為22.5 mW/m2，即地殼熱流為22.5 mW/m2，區(qū)內(nèi)大地?zé)崃鞑捎?3.24±6.18 mW/m2，就可估算出區(qū)內(nèi)地幔熱流為(50.74±6.18) mW/m2，進(jìn)一步估算出區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為1∶1.98～1∶2.52，巖石圈熱結(jié)構(gòu)屬于“熱幔冷殼”型，與汪集旸等分析的中國東部地區(qū)熱結(jié)構(gòu)都為為“熱幔冷殼”型研究結(jié)果一致(汪集旸等，1986；唐顯春等，2020)。
由上述分析可知，該區(qū)計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2由三部分熱量構(gòu)成，對流分量為28.76±8.76 mW/m2; 傳導(dǎo)分量中地殼放射性元素衰變產(chǎn)生熱量為 22.5 mW/m2; 深部地幔熱量為 50.74±6.18 mW/m2，三者比例約為1∶0.8∶1.76，地?zé)崽飪?nèi)熱量約有二分之一是來自深部地幔。
7.2 地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?/h3>
綜合上文研究，研究區(qū)地?zé)岢梢蚋拍钅Ｐ腿鐖D7所示：在較高的區(qū)域熱背景下(73.24 mW/m2)，地?zé)崽镏車絽^(qū)的降水入滲后通過斷層或構(gòu)造有利地段進(jìn)入熱田地下水流動系統(tǒng)，然后沿著熱田東西兩側(cè)2 km處出露的深大斷裂—招平斷裂和玲瓏斷裂向深部運(yùn)移，在運(yùn)移過程中，不斷接受來自地幔深部的熱量(50.74±6.18 mW/m2)、巖石放射性元素衰變產(chǎn)生熱量(22.5 mW/m2)和對流熱量(28.76±8.76 mW/m2)，溫度不斷升高(被加熱至約120～148 ℃)，在約3.6～3.8 km深的部位兩條斷裂相交，從而使得地?zé)崴刂鴥山M深大斷裂交匯處形成的良好通道向上運(yùn)移近地表處形成地?zé)岙惓^(qū)(地?zé)崽?。兩條深大斷裂——招平斷裂和玲瓏斷裂對該區(qū)地下熱水的形成起到了重要作用：① 兩條斷裂是大氣降水(冷水)徑流到深部從而進(jìn)行加溫的主要通道；② 兩條斷裂在約3.8km深處交匯，從而形成深部熱流上涌的有利通道。兩處斷裂多期活動，尤其是玲瓏斷裂在第四系以來仍有活動的痕跡，致使處于兩條斷裂中間位置的地?zé)崽飪?nèi)構(gòu)造發(fā)育，形成以NNE向?yàn)橹鞯臉?gòu)造群，對其深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，NNE向F1斷裂(圖7)為主要構(gòu)造，破碎帶寬15～20 m，發(fā)育深度大于2 km，斷裂北部有礫石充填，南段張性較好。從構(gòu)造行跡及附近節(jié)理互切關(guān)系分析，F(xiàn)1斷裂為玲瓏斷裂的伴生斷裂，至少經(jīng)歷了先壓后張兩次地殼運(yùn)動，是一條長期活動至第四系且仍有活動的斷裂構(gòu)造。依據(jù)水文地質(zhì)資料顯示，地?zé)崽飪?nèi)F1斷裂處富水性最強(qiáng)，大于10 m3/h，遠(yuǎn)離F1斷裂，富水性逐漸減弱，進(jìn)一步推斷F1斷裂為地?zé)崃黧w上涌的主要通道。
圖7 招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ虵ig. 7 The conceptual model of geothermal genesis in Zhaoyuan thermal field
8 結(jié)論
(1)通過測試分析顯示，該區(qū)巖石熱導(dǎo)率數(shù)值呈現(xiàn)出隨著深度加深而增大的規(guī)律，數(shù)值分布在 2.5～5.3 W/(m·K)之間，平均值為4.0 W/(m·K)，高于上地殼平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)；依據(jù)鉆孔測溫資料計(jì)算，該區(qū)地溫梯度值為31.8 ℃/km，結(jié)合熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)，估算該鉆孔地?zé)嵬繛?02 mW/m2，反映出該區(qū)良好的地?zé)岬刭|(zhì)背景。
(2)在多種地溫溫標(biāo)中，石英溫標(biāo)最適合用來計(jì)算該區(qū)熱儲溫度，估算熱儲溫度約為128.6 ℃；地下熱水循環(huán)深度約3634 m。
(3)利用地震波推算出的該區(qū)深部巖石生熱率分布規(guī)律與實(shí)測情況基本一致，并以此為依據(jù)推算出該區(qū)各層段的熱流分布規(guī)律。通過分析，該區(qū)地?zé)嵬恐屑扔衼碜詡鲗?dǎo)熱量(73.24 mW/m2)的貢獻(xiàn)也有對流熱量(28.76±8.76 mW/m2)的貢獻(xiàn)，其中傳導(dǎo)熱量中地殼熱流與地幔熱流配分比約為1∶1.98～1∶2.52，巖石圈熱結(jié)構(gòu)屬于“熱幔冷殼”型。
(4)該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)屬“斷控型”熱儲，地下熱水補(bǔ)給通道及上涌通道主要是招平斷裂和玲瓏斷裂兩條深大斷裂，并且玲瓏斷裂至今仍在活動；物探資料顯示兩條深大斷裂在地下約3.8 km處交匯，這也正是本文計(jì)算的該區(qū)地下熱水的熱循環(huán)深度范圍，驗(yàn)證了本文研究的正確度及可信度。
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鐘振楠，康鳳新，宋明忠，郎旭娟，柳祿湧，傅朋遠(yuǎn)，李志杰
1) 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，山東威海，264209；2) 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，濟(jì)南，250013；3) 河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊，050031；4) 山東省深部金礦探測大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東威海，264209；5) 河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，石家莊，050031；6) 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊，050031；7) 河北省水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科，石家莊，050031
內(nèi)容提要: 魯東地?zé)釁^(qū)在地質(zhì)構(gòu)造單元上位于沂沭斷裂帶昌邑—大店斷裂以東，地?zé)豳Y源豐富。本文采集了魯東地?zé)釁^(qū)招遠(yuǎn)地?zé)崽飪?nèi)一眼2000 m深地?zé)峋?DRZK01)中的40塊巖芯樣品進(jìn)行巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率測試及分析，結(jié)合測溫資料及收集資料對該區(qū)地?zé)嵬繕?gòu)成及分層熱流進(jìn)行了分析研究；采集區(qū)內(nèi)典型地?zé)崃黧w樣品進(jìn)行水化學(xué)分析并采用合適的地?zé)釡貥?biāo)估算了該區(qū)熱儲溫度；綜合研究成果建立了該區(qū)地?zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?。研究結(jié)果顯示，該區(qū)巖石熱導(dǎo)率數(shù)值較高，測量值在2.8～5.7 W/(m·K)之間，普遍高于上地殼平均熱導(dǎo)率，地溫梯度較高，為31.8℃/km；利用熱導(dǎo)率和地溫梯度計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2中熱傳導(dǎo)分量為(73.2±6.18) mW/m2，對流分量為(28.76±6.18) mW/m2，其中熱傳導(dǎo)分量中地殼熱流為22.5 mW/m2，地幔熱流為(50.74±6.18) mW/m2，二者比值為1∶1.98～1∶2.52，為“熱幔冷殼”型熱結(jié)構(gòu)。石英溫標(biāo)計(jì)算熱儲平均溫度為128.6 ℃，熱循環(huán)深度約3634 m。研究結(jié)果豐富了該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)理論并為該區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供一定的理論支撐。
在全球氣候變化的大背景下，地?zé)豳Y源由于具備清潔、方便、蘊(yùn)藏量大且可再生等優(yōu)點(diǎn)而日益受到世界各國重視(王貴玲等，2000；龐忠和等，2012,2014；袁利娟等，2020; 李泓泉等，2020； 原若溪等,2021)。招遠(yuǎn)地?zé)崽镂挥隰敄|地?zé)釁^(qū)，魯東地?zé)釁^(qū)是山地陸塊地殼演化最為復(fù)雜的地區(qū)，尤其是中生代以來，地殼活動尤為頻繁劇烈，地?zé)豳Y源豐富(徐希強(qiáng)等，2015)。為了科學(xué)高效利用該區(qū)地?zé)豳Y源，查明該區(qū)“源、通、蓋、儲”因素，開展地?zé)豳Y源賦存成因機(jī)理研究是不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(金秉福等，2000；邱楠生，2001；張濤，2011；史猛等，2019；趙輝等，2019)。大地?zé)崃?、地溫梯度、巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率作為基本的地?zé)釋W(xué)熱參數(shù)，為地球動力學(xué)演化以及油氣生成研究提供地?zé)岜尘昂突A(chǔ)參數(shù)(邱楠生，1998；葉正仁等，2001；藺文靜等，2016；孫旭東，2020)；李學(xué)倫等(1997)利用地下水中SiO2含量計(jì)算山東半島硅熱流值，認(rèn)為膠北隆起在大地構(gòu)造上屬于較高熱異常區(qū)。Jiang Guangzheng等(2016)依托一口位于膠東半島萊州灣附近的金礦勘探井的相關(guān)資料，計(jì)算得到一高質(zhì)量大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)。趙輝等(2019)對膠東地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的補(bǔ)徑排特征及地?zé)崽锏牡責(zé)豳Y源進(jìn)行了評價(jià)研究。前人研究為本文研究提供了豐富的資料支撐但是同時(shí)仍然存在很多問題，如該區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)方面的研究基礎(chǔ)比較薄弱，地?zé)釤崃繕?gòu)成及地?zé)岢梢虻确矫嫔写嬖诤芏嘈枰钊胙芯康膯栴}。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以招遠(yuǎn)地?zé)崽飪?nèi)一眼2000 m深地?zé)峋疄檠芯繉ο?，采集巖芯樣品、典型地?zé)崃黧w樣品、收集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析巖層熱導(dǎo)率、生熱率及地溫分布特征，計(jì)算該區(qū)地?zé)嵬浚还浪銦醿囟燃盁嵫h(huán)深度，并建立了招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?，豐富了該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的相關(guān)理論，為該區(qū)地?zé)豳Y源可持續(xù)、高效開發(fā)利用提供理論支撐。
1 研究區(qū)地質(zhì)背景
魯東地?zé)釁^(qū)以牟平—即墨斷裂為界分為東西兩大構(gòu)造單元，招遠(yuǎn)地?zé)崽镂挥隰敄|地?zé)釁^(qū)西部華北板塊膠遼隆起區(qū)的膠北隆起北部。魯東地?zé)釁^(qū)主要出露太古代、元古代、中生代、新生代的地層(圖1)(崔煜烽等，2018)。該區(qū)中生代印支期由于地殼發(fā)生強(qiáng)烈的脆性張裂變形作用，形成了一系列近SN向張性斷裂以及NE向、NW向和近EW向扭性斷裂，并導(dǎo)致下部地殼部分巖石熔融，從而產(chǎn)生大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿，沿?cái)嗔讶肭中纬苫◢弾r體，有的沿NE向斷裂入侵形成一些淺成脈巖，由于上述地質(zhì)演變，區(qū)域上具有良好的地?zé)嵝纬蓷l件(田禹，2015)。
2 樣品采集與測試
本次研究中，巖芯樣品采集工作在招遠(yuǎn)地?zé)崽镆谎凵?000 m，地理坐標(biāo)為120°24′41″，37°21′38″的地?zé)徙@孔(DRZK01)中進(jìn)行(地?zé)峋唧w位置見圖1)，50 m取芯一次，共采集了40塊巖芯樣品，所取巖芯樣品巖性為中生代玲瓏序列大莊子單元的二長花崗巖(巖性柱狀圖見圖2)。巖芯熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石熱物性與地?zé)釡y量實(shí)驗(yàn)室檢測，使用德國生產(chǎn)的TCS(Thermal Conductivity Scanning)熱導(dǎo)率自動掃描儀，其測量范圍為0.2～25 W/(m·K)，測量精度為±3%。樣品規(guī)格依照實(shí)驗(yàn)室要求進(jìn)行樣品預(yù)處理，樣品長度大于3 cm，至少保留了一個(gè)平整面，平整面上沒有裂隙、空洞，并且未遭受蝕變。巖芯放射性元素(鈾、釷、鉀含量)數(shù)據(jù)是由澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司檢測，其中鈾、釷元素含量采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)分析，分析儀器是由美國生產(chǎn)的Agilent(型號7700X)，測試范圍0.05×10-6～1000×10-6，精度控制相對偏差<10%，準(zhǔn)確度控制相對誤差<10%。鉀含量采用X射線熒光光譜儀分析，分析儀器是荷蘭生產(chǎn)的PANalytical(型號PW2424)，測試范圍0.01～20%，精度控制相對偏差<5%，準(zhǔn)確度控制相對誤差<2%。放射性含量樣品制樣方式相同，樣品烘干后，破碎過篩，保留直徑1～2 mm樣品300 g做正樣，其余樣品為副樣，副樣留存?zhèn)溆?。將正樣用無污染缽振動碾磨至200目；取30 g正樣加入偏硼酸鋰—四硼酸鋰熔劑，混合均勻，于熔爐中在1025 ℃熔化。熔液冷卻后，用包含了硝酸、鹽酸和氫氟酸的混酸消解定容，再用等離子體質(zhì)譜儀定量分析。另取30 g正樣，均分為兩份：一份試樣中加入含硝酸鋰的硼酸鋰—硝酸鋰熔融助熔劑，充分混合后，高溫熔融。熔融物倒入鉑金模子形成扁平玻璃片后，再用X射線熒光光譜儀分析。同時(shí)另一份試樣放入馬弗爐中，于1000 ℃灼燒。冷卻后稱重。樣品加熱前后的重量差即是燒失量。本方法所測的鉀元素含量為燒失量的結(jié)果和XRF測得的元素氧化物結(jié)果相加。檢測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
水質(zhì)全分析樣品用500 mL塑料瓶采集并由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心進(jìn)行檢測，水質(zhì)全分析是按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)引用天然礦泉水檢驗(yàn)方法(GB/T8538-2008)檢測。
3 鉆井溫度測量
本次研究中井溫測量工作使用Server6000便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)完成，測量范圍0～230℃，終孔后靜井18 d 測溫，可保證井溫恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)或似穩(wěn)態(tài)。并且所測溫度及對應(yīng)深度都經(jīng)過Matrix Logging System處理后獲取，溫度測量精確度為±0.1 ℃。野外測溫時(shí)，探頭下降速率約為6 m/min，探頭每隔0.1 m記錄一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，抽析間隔2 m。
鉆孔測溫曲線及地溫梯度曲線見圖2，由圖2可以看出，測溫曲線整體為“上凸”型，說明該鉆孔溫度受到區(qū)域上升流的影響，地下水作為載體將熱流攜帶至地表淺部(王一波等，2019)，因此直接利用鉆孔中巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)和地溫梯度數(shù)據(jù)通過公式
圖2 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔柱狀圖及測溫曲線圖Fig. 2 Drilling column diagram and temperature measurement curve of geothermal well in the Zhaoyuan geothermal field
q=-K(dT/dH)
的計(jì)算值不能稱為大地?zé)崃?，可稱為地?zé)嵬?。由圖2看出，該區(qū)地溫增長分為5個(gè)層段：① 0～500 m層段地溫增長迅速，平均地溫梯度為159.3 ℃/km，地溫梯度過大，這可能是由地表溫度影響強(qiáng)烈原因造成的，因此進(jìn)行溫度場分析時(shí)，為了減小誤差地層表層的溫度數(shù)據(jù)一般會被舍棄(胡圣標(biāo)等，1994；Huang Shaopeng et al.，2000；Pollack et al.，2003)；② 500～946 m層段溫度隨深度平穩(wěn)增加，表明熱量傳遞主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，地溫梯度在該層段較為穩(wěn)定，平均值為54.7 ℃/km；③ 1300～1800 m層段由于受到上升流影響，地溫梯度基本不變；④ 946～1171 m層段和1300～1809 m層段地溫梯度出現(xiàn)負(fù)增長，可能是由于局部破碎導(dǎo)致冷水混入造成的；⑤ 1171～1300 m層段溫度比較穩(wěn)定，當(dāng)溫度曲線出現(xiàn)分段現(xiàn)象時(shí)，地溫梯度可采用上下兩段的溫度曲線來進(jìn)行校正(徐明等，2011)。綜合上文對于地溫梯度的分段分析，該區(qū)地溫梯度由500～1300 m層段的測溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算獲取為31.8 ℃/km。
4 巖石熱導(dǎo)率特征
4.1 巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)分布特征
巖石熱導(dǎo)率是表征巖石傳熱特性的物理量，它是研究巖石圈熱結(jié)構(gòu)和地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)之一(倪守斌等，1999；欒錫武等，2003；章邦桐等，2010)。本次研究所取巖芯熱導(dǎo)率測量值在2.8～5.7 W/(m·K)之間，平均值為4.0 W/(m·K)(圖3)。
圖3 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔熱導(dǎo)率值統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 3 Statistical histogram of thermal conductivity in the Zhaoyuan geothermal field
4.2 巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)的校正
巖石本身特性(巖石礦物成分、顆粒粒度、孔隙度、滲透率等)、溫度、壓力等因素會影響巖石熱導(dǎo)率數(shù)值，對于花崗巖等致密巖石，影響其熱導(dǎo)率的因素主要是溫度(Brigaud et al.，1989)。由于本次研究中取到的巖石樣品均為致密的二長花崗巖，巖石本身特性較一致，因此僅對巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度校正，校正過程是根據(jù)Sass等通過實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的(Sass et al.，1992)：
(1)
(2)
式中，λ(0)，λ(25)分別為0℃和25℃時(shí)巖石的熱導(dǎo)率，T為巖石原位形成溫度，λ(T)為其原位溫度對應(yīng)下的巖石熱導(dǎo)率，即為校正后巖石熱導(dǎo)率。按照上述方法對研究區(qū)測量的40個(gè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，校正后的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)見圖4。由圖4b可以看出，本次研究獲得的巖芯熱導(dǎo)率值可以分為三部分(圖4b中分別由三個(gè)橢圓圈出)，每一部分熱導(dǎo)率值基本都呈現(xiàn)出隨著深度增加而增大趨勢；而且相同巖性的巖芯熱導(dǎo)率數(shù)值存在一定變化范圍，這可能是由相同巖性之間物質(zhì)成分存在差異造成的，也可能是受物質(zhì)成分分布樣式等因素影響(崔景偉等，2019)。校正后熱導(dǎo)率數(shù)值分布在2.5～5.3 W/(m·K)之間，均值為3.5 W/(m·K)，所取巖石樣品熱導(dǎo)率測量值都高于上地殼平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)，反映出該區(qū)具有良好的地?zé)岬刭|(zhì)背景。
圖4 招遠(yuǎn)地?zé)崽镄Ｕ筱@孔巖芯熱導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)直方圖(a)及熱導(dǎo)率與深度關(guān)系圖(b)Fig. 4 Statistical histogram of thermal conductivity after correctionand relationship between thermal conductivity and depth of the Zhaoyuan geothermal field
5 巖石放射性生熱率特征
巖石的放射性生熱率(A)是單位體積巖石中所含放射性元素在單位時(shí)間由衰變所釋放的能量，單位為μW/m3，它表征著巖石自身生熱能力的高低。巖石放射性生熱率是描述地球內(nèi)部熱狀態(tài)的一個(gè)非常重要的熱物性參數(shù)，可以為研究地球深部熱分布狀態(tài)、熱流的構(gòu)成、探討地球動力學(xué)過程提供重要的數(shù)據(jù)支撐(胡圣標(biāo)等，1994，2001；何麗娟等，2006；Tang Boning et al.，2019)。
5.1 研究區(qū)地層淺部巖石放射性生熱率特征
巖石中所含的放射性元素很多，但是對生熱產(chǎn)生貢獻(xiàn)的元素主要是U、Th、K 三種元素，巖石放射性生熱率(A)就是通過測量計(jì)算巖石中U、Th、K 這3種元素的含量獲取(李文慶，2015；郎旭娟，2016)。本文巖石放射性生熱率數(shù)據(jù)是按照Rybach于1976年提出的計(jì)算公式獲取(Rybach，1976；邱楠生，2002)：
A=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)
(3)
其中，A為巖石放射性生熱率(μW/m3)，ρ為巖石密度(g/cm3)，CU、CTh、CK分別為巖石中鈾(μg/g)、釷(μg/g)、鉀的含量(%)。
本次研究中巖石放射性生熱率計(jì)算結(jié)果見圖5。巖石生熱率數(shù)值統(tǒng)計(jì)直方圖(圖5a)表明，該區(qū)巖石生熱率值分布在0.4～2.2μW/m3之間，計(jì)算數(shù)據(jù)多數(shù)集中在1.2～1.6μW/m3之間，平均值為1.3μW/m3。圖5b顯示，生熱率數(shù)值和深度之間存在弱線性關(guān)系，生熱率計(jì)算結(jié)果總體上隨著深度增加而減小。
圖5 招遠(yuǎn)地?zé)崽镢@孔生熱率統(tǒng)計(jì)直方圖(a)及鉆孔生熱率隨深度變化圖(b)Fig. 5 Statistical histogram of heat production and relationship between heat production and depth of the Zhaoyuan geothermal field
5.2 研究區(qū)地層深部巖石放射性生熱率特征
地層深部的放射性生熱率的分布是解決該區(qū)地殼上地幔熱流配分及殼內(nèi)熱結(jié)構(gòu)、熱狀態(tài)等問題的關(guān)鍵(趙平，1995)。由于實(shí)際情況限制，本次研究中只取到了該區(qū)0～2000m層段的巖石樣品，對于2000m以下地層深部巖石放射性生熱率數(shù)據(jù)利用Rybach通過實(shí)驗(yàn)得出的VP—A關(guān)系公式獲取(Rybach et al.，1984；趙平，1995；劉峰等，2020)：
50 MPa壓力條件下：
(4)
100 MPa壓力條件下：
(5)
200 MPa壓力條件下：
(6)
其中，A為巖石放射性生熱率，VP為地震波速。
利用上述公式，代入收集的研究區(qū)地震波速數(shù)據(jù)(圖6)，得出區(qū)內(nèi)5000～36000 m(36000 m深度約為該區(qū)莫霍面深度(方寶明，2006))層段的巖石生熱率數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。
圖6 華北克拉通超長觀測距探測剖面不同塊體二維速度結(jié)構(gòu)圖(據(jù)王帥軍等修改，2014) Fig. 6 Two-dimensional velocity structure diagram of different blocks in the North China Craton ultra-long observation range detection profile(after Wang Shuaijun et al, 2014&)
由表1可以看出，利用VP—A關(guān)系公式計(jì)算的巖石生熱率值隨著深度的增加而遞減，對比0～2 km層段實(shí)測生熱率曲線(表1)，可以看出公式5和公式6計(jì)算的結(jié)果偏大，利用公式4計(jì)算的生熱率結(jié)果最接近實(shí)際測量值。因此將公式4(50 MPa壓力條件下)的計(jì)算結(jié)果作為該區(qū)深部巖層生熱率結(jié)果。
表1 招遠(yuǎn)地?zé)崽?5.0～36.0 km(莫霍面)生熱率計(jì)算結(jié)果及0～2 km實(shí)測值
6 地?zé)崽餆醿囟燃盁嵫h(huán)深度估算
6.1 地?zé)崽餆醿囟裙浪?/h3>
地?zé)崃黧w中，某些決定熱水中溶解組分比例的水巖反應(yīng)依賴于溫度，因此可用這些組分的比值來估算熱儲溫度，這種熱儲溫度估算方法稱為地?zé)釡貥?biāo)法，常用的地?zé)釡貥?biāo)有二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)計(jì)、Na—K地?zé)釡貥?biāo)計(jì)、Na—K—Ca地?zé)釡貥?biāo)計(jì)等(Fournier，1977；Arnorsson，1985；劉昭等，2014)。根據(jù)研究區(qū)地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征及地?zé)岬刭|(zhì)情況，結(jié)合各地?zé)釡貥?biāo)適用條件，選取了合適的地?zé)釡貥?biāo)對該區(qū)6口地?zé)峋M(jìn)行熱儲溫度估算，估算結(jié)果見表2。
表2 招遠(yuǎn)地?zé)崽锷畈繜醿囟裙浪憬Y(jié)果Table 2 Estimated results of reservoir temperature in the Zhaoyuan thermal field
由計(jì)算結(jié)果可以看出，在多種地?zé)釡貥?biāo)中，玉髓地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算結(jié)果偏低，因?yàn)殂@孔DRZK01井深1000 m以上時(shí)，實(shí)測溫度達(dá)120 ℃左右，故玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果不是熱儲溫度的真實(shí)反映；Na—K及Na—K—Ca地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算出的結(jié)果偏高，石英溫標(biāo)和Na—K—Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果相差較大，且Na—K—Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果偏高，遠(yuǎn)高于石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果，而石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果高于K—Mg溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果，故最終結(jié)果選用石英溫標(biāo)計(jì)算的熱儲溫度(102.88℃～148.84℃)為該區(qū)熱儲溫度的真實(shí)反映，均值為128.63℃。
6.2 地?zé)崽餆嵫h(huán)深度
地?zé)崽飪?nèi)地?zé)崃黧w補(bǔ)給來源主要為大氣降水(Sanliyuksel et al.，2011；Dotsika，2012)，大氣降水入滲后經(jīng)過深循環(huán)上升至地表形成地?zé)崴?，循環(huán)深度越大，地?zé)崴疁囟仍礁?。地下熱水循環(huán)深度可由下列公式推算出來：
(7)
其中，H為地下熱水循環(huán)深度，m；t1為地下熱水深部最高溫度，℃，取上文計(jì)算的熱儲溫度均值128.63 ℃，t2為該區(qū)恒溫帶溫度，取當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁?4 ℃；h為恒溫度厚度，m，取值為30 m；I為地溫梯度，取上文分析的0.0318 ℃/m。將以上數(shù)值代入公式(7)中得出該區(qū)地下熱水循環(huán)深度約為3634.7m。
7 招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)嵬繕?gòu)成及地?zé)岢梢蚍治?/h2>7.1 地?zé)崽锏責(zé)嵬考皹?gòu)成分析
7.1.1地?zé)崽锏責(zé)嵬恐袑α鞣至?/p>
該區(qū)地?zé)嵬坷霉?/p>
來計(jì)算，q為地表熱流(mW/m2)，k為巖石熱導(dǎo)率[W/(m·K)]，dT/dH為地溫梯度(℃/km)，負(fù)號表示熱流傳導(dǎo)方向。式中地溫梯度取值為上文利用鉆井(DRZK01)500～1300 m 層段測溫曲線分析的31.8 ℃/km，巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)采用鉆井(DRZK01)500～1300 m層段巖芯熱導(dǎo)率檢測平均值3.2 W/(m·K)，最終利用公式q=-k(dT/dH)計(jì)算該區(qū)地?zé)嵬考s為 102 mW/m2，具有較高的地?zé)岜尘?。由于該區(qū)內(nèi)未開展過系統(tǒng)的大地?zé)崃鳒y量工作，該區(qū)大地?zé)崃髦悼扇±镁嚯x該地?zé)崽锛s40 km的萊州三山島黃金科鉆的數(shù)據(jù)計(jì)算的熱流值 73.24±6.18 mW/m2(Jiang Guangzheng et al.，2016)，由此可推算出本次研究中計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2中對流分量為(28.76±8.76) mW/m2。
7.1.2地?zé)崽锏責(zé)嵬恐袀鲗?dǎo)分量
7.1.1 節(jié)中采用的大地?zé)崃髦?3.24±6.18 mW/m2即為該區(qū)地?zé)嵬恐械膫鲗?dǎo)分量，即在地表觀測到的大地?zé)崃?，主要由地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生熱能(地殼熱流qc)和地幔深部熱能(地幔熱流qm)兩部分組成(Jaupart et al.，2007；Czechowski et al.，2012；姜光政等，2016；劉紹文等，2017)。地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能
qc=Σqa
式中：qa=AD， 為地殼中各結(jié)構(gòu)層由放射性元素衰變產(chǎn)生的熱流，A為生熱率，D為相應(yīng)層段厚度。地幔熱流由公式
qm=q-qc
獲取(Birch et al.，1968；Roy et al.，1968；徐青等，1992；Seipold et al.，1998 ；Ranalli，2005；Duchkov et al.，2009)。進(jìn)而可獲得一個(gè)地區(qū)地殼熱流與地幔熱流配分比，分析其巖石圈熱結(jié)構(gòu)類型(Huang Shaopeng et al.，1992)。
本次研究中，0～2 km層段巖石生熱率數(shù)值采取本文實(shí)際測算的巖石生熱率均值1.3 μW/m3；2 km以下每個(gè)層段的生熱率數(shù)值用表1中利用公式4(50 MPa壓力條件下)計(jì)算的結(jié)果，取值為各層段上下層面生熱率的均值。利用公式分別計(jì)算每一層段的地殼熱流值、地幔熱流值和熱流值，具體計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 招遠(yuǎn)地殼熱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表Table 3 The results of thermal structure of the lithosphere in Zhaoyuan
由計(jì)算結(jié)果可以看出，招遠(yuǎn)地區(qū)放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和為22.5 mW/m2，即地殼熱流為22.5 mW/m2，區(qū)內(nèi)大地?zé)崃鞑捎?3.24±6.18 mW/m2，就可估算出區(qū)內(nèi)地幔熱流為(50.74±6.18) mW/m2，進(jìn)一步估算出區(qū)內(nèi)殼、幔熱流比為1∶1.98～1∶2.52，巖石圈熱結(jié)構(gòu)屬于“熱幔冷殼”型，與汪集旸等分析的中國東部地區(qū)熱結(jié)構(gòu)都為為“熱幔冷殼”型研究結(jié)果一致(汪集旸等，1986；唐顯春等，2020)。
由上述分析可知，該區(qū)計(jì)算的地?zé)嵬?02 mW/m2由三部分熱量構(gòu)成，對流分量為28.76±8.76 mW/m2; 傳導(dǎo)分量中地殼放射性元素衰變產(chǎn)生熱量為 22.5 mW/m2; 深部地幔熱量為 50.74±6.18 mW/m2，三者比例約為1∶0.8∶1.76，地?zé)崽飪?nèi)熱量約有二分之一是來自深部地幔。
7.2 地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ?/h3>
綜合上文研究，研究區(qū)地?zé)岢梢蚋拍钅Ｐ腿鐖D7所示：在較高的區(qū)域熱背景下(73.24 mW/m2)，地?zé)崽镏車絽^(qū)的降水入滲后通過斷層或構(gòu)造有利地段進(jìn)入熱田地下水流動系統(tǒng)，然后沿著熱田東西兩側(cè)2 km處出露的深大斷裂—招平斷裂和玲瓏斷裂向深部運(yùn)移，在運(yùn)移過程中，不斷接受來自地幔深部的熱量(50.74±6.18 mW/m2)、巖石放射性元素衰變產(chǎn)生熱量(22.5 mW/m2)和對流熱量(28.76±8.76 mW/m2)，溫度不斷升高(被加熱至約120～148 ℃)，在約3.6～3.8 km深的部位兩條斷裂相交，從而使得地?zé)崴刂鴥山M深大斷裂交匯處形成的良好通道向上運(yùn)移近地表處形成地?zé)岙惓^(qū)(地?zé)崽?。兩條深大斷裂——招平斷裂和玲瓏斷裂對該區(qū)地下熱水的形成起到了重要作用：① 兩條斷裂是大氣降水(冷水)徑流到深部從而進(jìn)行加溫的主要通道；② 兩條斷裂在約3.8km深處交匯，從而形成深部熱流上涌的有利通道。兩處斷裂多期活動，尤其是玲瓏斷裂在第四系以來仍有活動的痕跡，致使處于兩條斷裂中間位置的地?zé)崽飪?nèi)構(gòu)造發(fā)育，形成以NNE向?yàn)橹鞯臉?gòu)造群，對其深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，NNE向F1斷裂(圖7)為主要構(gòu)造，破碎帶寬15～20 m，發(fā)育深度大于2 km，斷裂北部有礫石充填，南段張性較好。從構(gòu)造行跡及附近節(jié)理互切關(guān)系分析，F(xiàn)1斷裂為玲瓏斷裂的伴生斷裂，至少經(jīng)歷了先壓后張兩次地殼運(yùn)動，是一條長期活動至第四系且仍有活動的斷裂構(gòu)造。依據(jù)水文地質(zhì)資料顯示，地?zé)崽飪?nèi)F1斷裂處富水性最強(qiáng)，大于10 m3/h，遠(yuǎn)離F1斷裂，富水性逐漸減弱，進(jìn)一步推斷F1斷裂為地?zé)崃黧w上涌的主要通道。
圖7 招遠(yuǎn)地?zé)崽锏責(zé)岢梢蚋拍钅Ｐ虵ig. 7 The conceptual model of geothermal genesis in Zhaoyuan thermal field
8 結(jié)論
(1)通過測試分析顯示，該區(qū)巖石熱導(dǎo)率數(shù)值呈現(xiàn)出隨著深度加深而增大的規(guī)律，數(shù)值分布在 2.5～5.3 W/(m·K)之間，平均值為4.0 W/(m·K)，高于上地殼平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)；依據(jù)鉆孔測溫資料計(jì)算，該區(qū)地溫梯度值為31.8 ℃/km，結(jié)合熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)，估算該鉆孔地?zé)嵬繛?02 mW/m2，反映出該區(qū)良好的地?zé)岬刭|(zhì)背景。
(2)在多種地溫溫標(biāo)中，石英溫標(biāo)最適合用來計(jì)算該區(qū)熱儲溫度，估算熱儲溫度約為128.6 ℃；地下熱水循環(huán)深度約3634 m。
(3)利用地震波推算出的該區(qū)深部巖石生熱率分布規(guī)律與實(shí)測情況基本一致，并以此為依據(jù)推算出該區(qū)各層段的熱流分布規(guī)律。通過分析，該區(qū)地?zé)嵬恐屑扔衼碜詡鲗?dǎo)熱量(73.24 mW/m2)的貢獻(xiàn)也有對流熱量(28.76±8.76 mW/m2)的貢獻(xiàn)，其中傳導(dǎo)熱量中地殼熱流與地幔熱流配分比約為1∶1.98～1∶2.52，巖石圈熱結(jié)構(gòu)屬于“熱幔冷殼”型。
(4)該區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)屬“斷控型”熱儲，地下熱水補(bǔ)給通道及上涌通道主要是招平斷裂和玲瓏斷裂兩條深大斷裂，并且玲瓏斷裂至今仍在活動；物探資料顯示兩條深大斷裂在地下約3.8 km處交匯，這也正是本文計(jì)算的該區(qū)地下熱水的熱循環(huán)深度范圍，驗(yàn)證了本文研究的正確度及可信度。
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