唐顯春, 王貴玲, 張代磊, 馬 巖

中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北石家莊 050061;自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實驗室, 北京 100037

橫亙歐亞大陸的特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造帶是新生代地球上最重要的碰撞型造山帶(Yin and Harrison,2000), 也是世界上著名的地?zé)崽锛蟹植嫉牡貐^(qū)(Rybach and Muffler, 1981; 汪集旸, 2015)。其中喜馬拉雅—青藏高原也是中國陸域平均大地?zé)崃髯罡?90～150 mW/m2, 最高可達(dá) 300 mW/m2; Jiang et al.,2019)、熱異常顯示豐富的地?zé)釒?王貴玲等, 2017)。2017年在青藏高原東北緣共和盆地中北部3705 m深處鉆獲 236 ℃的高溫干熱巖體, 進(jìn)一步引起了地?zé)釋W(xué)界對熱源機制和地?zé)岢梢蜓芯康年P(guān)注(Zhang et al.,2018, 2020; 唐顯春等, 2020; Tang et al., 2022)。

共和盆地?zé)嵩囱芯孔鳛殛P(guān)注點之一, 取得的主要進(jìn)展有: 1)巖石熱物性和熱傳導(dǎo)方程計算認(rèn)為巨厚的花崗巖高放射性元素衰變生熱(Zhang et al., 2018);2)大地電磁(MT)測量識別出地殼～10 km深度下存在可能與地殼部分熔融有關(guān)的低阻高導(dǎo)異常并解釋為主要熱源(Gao et al., 2018; 唐顯春等, 2020; Tang et al., 2022); 3)采集并分離區(qū)內(nèi)溫泉氣體3/4He同位素并認(rèn)為具有熱殼結(jié)構(gòu)(Tan et al., 2012); 4)巖石圈熱結(jié)構(gòu)模擬認(rèn)為中-下地殼韌性滑動供熱(藺文靜等,2023)。由此可見, 多種方法取得較為一致的熱源認(rèn)識, 即殼源熱是共和盆地的主導(dǎo)熱源。

盡管共和盆地?zé)嵩凑J(rèn)識趨于明朗, 但深部殼源熱能向淺層傳輸并形成熱異常和地?zé)豳Y源的關(guān)鍵過程仍然不清楚。尤其是共和盆地所處的青藏高原新生代以來的造山作用、以及昆侖—海源斷裂圍限的東北緣地區(qū)在新生代以來仍然處在活動狀態(tài), 新生代活動構(gòu)造對地殼內(nèi)生熱能的控制作用和影響程度、熱能傳導(dǎo)和對流等方式向淺表再分配的過程等關(guān)鍵問題, 仍然需要進(jìn)一步細(xì)致刻畫。

本文圍繞共和盆地構(gòu)造演化和熱能充注時限、深部熱能向淺層聚集的傳導(dǎo)過程兩個核心問題, 通過構(gòu)造形跡、年代學(xué)、斷裂走滑位移速率統(tǒng)計、運動幾何學(xué)等方面綜合研究, 分析深部結(jié)構(gòu)和邊界斷裂構(gòu)造性質(zhì)、活動期次、演化歷程, 探討了新生代構(gòu)造演化和地?zé)岙惓Ｐ纬傻鸟詈详P(guān)系, 預(yù)測了地?zé)峥辈殚_發(fā)有利目標(biāo)區(qū)。

1 地質(zhì)背景

1.1 青藏高原東北緣

青藏高原東北緣是高原隆升橫向擴展的前緣過渡帶, 也是印度-歐亞大陸碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)的重要區(qū)域(圖1)。東北緣在昆侖斷裂—阿爾金斷裂—海源斷裂之間圍限的近50余萬km2的范圍內(nèi), 發(fā)育了新生界數(shù)百千米長、數(shù)十千米寬的大型褶皺山脈、連片變形和大規(guī)?；顒幼呋瑪嗔褳橹鞯娘@著構(gòu)造特征(Tapponnier et al., 2001; Dayem et al., 2009)。

a—青藏高原東北緣; b—共和盆地主體范圍, 見圖3; c—圖4a范圍。a-mainland of the northeastern margin of the Tibetan Plateau; b-Gonghe Basin, shown in Fig. 3; c-region shown in Fig. 4a.

共和盆地屬于青藏高原東北緣其中一個次級盆地, 是昆侖斷裂、阿爾金斷裂、南祁連斷裂共同左旋走滑斷裂作用下控制的新生代陸內(nèi)盆地(Zhang et al.,2004; Zhang et al., 2012)。盆地呈菱形展布, 長約280 km, 寬約95 km, 面積1.5萬km2。盆地西側(cè)以鄂拉山斷裂與柴達(dá)木盆地為界, 東側(cè)以多禾茂斷裂為界與巴彥克拉盆地相鄰; 盆地南側(cè)以阿尼瑪卿縫合帶為界與松潘—甘孜褶皺帶相鄰, 盆地北側(cè)以青海湖南山斷裂為界與祁連造山帶相鄰(青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1991)。黃河從盆地中間北東向穿越, 形成深切峽谷。

1.2 共和盆地

共和盆地的基底形成于三疊紀(jì), 定型于白堊紀(jì)中晚期(Zeng et al., 2018), 總體上經(jīng)歷了盆地形成—湖泊盆地發(fā)展和盆地擴展盆地固定—間隔抬升的復(fù)雜過程。盆地周圍發(fā)育有東昆侖和西秦嶺造山帶的火成巖序列和變質(zhì)沉積巖, 以中—晚三疊世變質(zhì)沉積巖、印支期花崗巖、花崗閃長巖為主(Zhang, 2001,2002; Zeng et al., 2018)。共和盆地內(nèi)部上覆地層和盆地腹地以新生代碎屑沉積巖為主, 在盆地西南部發(fā)育 NW-近 NS向構(gòu)造巖漿巖隆起帶, 兼具有走滑性質(zhì)。上覆地層和盆地腹地以新生界碎屑沉積巖為主。盆地內(nèi)新生代沉積, 總體呈現(xiàn)西厚東薄的趨勢。西側(cè)厚度可達(dá)6～8 km, 中東部厚度一般為1500 m, 東側(cè)貴德地區(qū)一般為500～1500 m。

2 地?zé)岙惓Ｌ卣髋c規(guī)律

2.1 青藏高原東北緣

青藏高原東北緣大地?zé)崃鞅尘爸党尸F(xiàn)明顯高異常(圖2), 區(qū)域性普遍大于陸殼平均值(65 mW/m2),局部高達(dá)117 mW/m2(Jiang et al., 2019)。其中共和盆地地?zé)徙@井穩(wěn)態(tài)法測溫也揭示大地?zé)崃髦递^高(Zhang et al., 2018)。除此而外, 青藏高原東北緣沿日月山斷裂、蘭州盆地、若爾蓋盆地、隴西地區(qū)存在局部次高熱流異常。

圖2 青藏高原東北緣地區(qū)大地?zé)崃鞅尘芭c地?zé)岙惓７植紙D(主要構(gòu)造同圖1, 大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)引自Jiang et al., 2019)Fig. 2 Terrestrial heat flow background and geothermal anomaly distribution map of northeastern Tibetan Plateau(major structure is same as Fig. 1, the heat flow data refers to Jiang et al., 2019)

青藏高原東北緣地?zé)岙惓］^為豐富(圖2)。東北緣地區(qū)地?zé)岙惓＝y(tǒng)計數(shù)據(jù)(東經(jīng) 92°—108°, 北緯 33°—41°; 溫泉(群)37 處, 地?zé)徙@井 63 口)顯示: 區(qū)內(nèi)高溫地?zé)岙惓?＞90 ℃)有9處, 主要位于共和盆地及周緣地區(qū); 中溫地?zé)岙惓?40～90 ℃)共33處, 主要位于共和盆地、西寧盆地、青銅峽盆地、隴西盆地等; 低溫地?zé)岙惓?＞～25 ℃)相對普遍。

2.2 共和盆地

共和盆地內(nèi)部及周緣地區(qū)統(tǒng)計報道的溫泉超過15處80個, 地?zé)徙@井17口(圖3, 王貴玲等, 2017; 張森琦等, 2018; Feng et al., 2018; Tang et al., 2022)。共和盆地發(fā)育的地?zé)犸@示有幾個明顯特點:

圖3 共和盆地及周緣地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖與地?zé)岙惓７植紙DFig. 3 Structural geology and geothermal anomaly distribution map of Gonghe Basin and adjacent areas

1)出露的地?zé)岙惓Ｒ詼厝问酱嬖? 總體呈現(xiàn)沿著鄂拉山斷裂和日月山斷裂帶集中分布的特點,以中溫-高溫溫泉為主。其中6處溫泉出口溫度超過60 ℃, 如盆地東側(cè)日月山斷裂帶貴德扎倉和曲乃亥溫泉溫度分別為96 ℃和97 ℃, 超過了當(dāng)?shù)胤悬c。

2)盆地內(nèi)部溫泉出露較少, 但鉆井多在淺層新近紀(jì)和古近紀(jì)碎屑巖中鉆遇水熱型熱儲, 深部三疊紀(jì)花崗巖鉆遇干熱巖, 如盆地中北部恰卜恰3700～4000 m 深度測溫普遍 200～236 ℃(嚴(yán)維德等,2013; 張森琦等, 2018; 孔令添等, 2019; 唐顯春等,2020)。

3)發(fā)育水熱型和干熱巖型兩類復(fù)合型地?zé)豳Y源(唐顯春等, 2020), 淺層新生界碎屑巖發(fā)育層狀熱儲,溫度以中溫為主, 含水性好, 流量大; 深部以干熱巖為主, 不含或少含流體, 溫度高(如共和盆地內(nèi)部,以恰卜恰共和干熱巖為代表); 斷裂帶也呈現(xiàn)此規(guī)律,但熱儲相對復(fù)雜(如日月山斷裂帶, 以扎倉地?zé)崽餅榇?。

4)具有較高的大地?zé)崃髦?。根?jù)地?zé)徙@井測溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計的地溫梯度約 5.29～9.7 ℃/(100 m), 最高達(dá)17.62 ℃/(100 m); 大地?zé)崃鳛?62～90 mW/m2, 最高值為159 mW/m2。

3 活動構(gòu)造特征與規(guī)律

青藏高原東北緣地區(qū)受新生代印度板塊-歐亞大陸強烈匯聚隆升作用遠(yuǎn)程效應(yīng)影響, 發(fā)育一系列現(xiàn)今仍然活躍的逆沖斷裂和走滑斷裂, 主要有走向NWW和NNE兩組(圖4; Zhang et al., 2004)。走向NWW的主要斷裂, 由南向北依次為昆侖斷裂、青海南山—拉脊山斷裂(西秦嶺斷裂西延)、海源斷裂(青藏高原東北緣主要邊界斷裂); 走向NNE向的主要斷裂, 由西向東依次為鄂拉山斷裂、日月山斷裂、莊浪河斷裂、六盤山斷裂等。其中共和盆地即圍限在昆侖斷裂、海源斷裂、鄂拉山斷裂、日月山斷裂組成的菱形構(gòu)造中。

圖4 共和盆地周緣主要活動斷裂構(gòu)造圖Fig. 4 Major active fault structure map in Gonghe Basin and adjacent areas

3.1 昆侖斷裂

昆侖斷裂近東西向延伸長度達(dá) 1500 km, 具有左旋走滑特征, 是松潘—甘孜塊體和柴達(dá)木盆地的分界線, 也是高原高地勢和盆山轉(zhuǎn)換低地勢的分界線。昆侖斷裂的走滑時間在不同段有所差異, 但一般認(rèn)為其走滑開始于 15～20 Ma, 走滑速率約為0.1～0.15 mm/a。受斷層和應(yīng)力調(diào)整, 昆侖斷裂由西向東, 走滑速率由快到慢, 從西側(cè)(92—100°E)的10 mm/a逐漸變?nèi)踔翓|側(cè)(102°E)的2 mm/a, 過若爾蓋(103°E)后降低至 0.7 mm/a(Van der Woerd et al.,1998, 2000; Li et al., 2005; Kirby et al., 2007; Harkins et al., 2010; Zheng et al., 2017)。該速度與GPS大地測量位移速率基本吻合。

3.2 海源斷裂

海源斷裂東西向延伸近 1000 km, 分別連接祁連山和秦嶺構(gòu)造, 具有左旋走滑的特點, 是青藏高原東北緣重要的構(gòu)造分界線。一般認(rèn)為海源斷裂的活動時間開始于 18～8 Ma, 走滑位移量達(dá) 10～15.5 km(Zhang et al., 1988, 2004; Yuan et al., 2011; Li et al.,2009; Zheng et al., 2013; Yao et al., 2019)。上新世以來, 海源斷裂平均走滑位移速率約5～10 mm/a, 具有西慢東快的特點。其中東段六盤山段約 3～5 mm/a,中段走滑速率約5～8 mm/a, 西段約3～4 mm/a, 至阿爾金斷裂附近下降到1～3 mm/a。海源斷裂新生代以來的走滑速率值與 GPS大地測量結(jié)果一致, 速率值從6 mm/a降低到2 mm/a。

3.3 青海南山斷裂

青海南山斷裂NEE向延伸約200 km, 是共和盆地、青海湖盆地、祁連造山帶、柴達(dá)木盆地之間分界構(gòu)造, 具有逆沖走滑性質(zhì)。根據(jù)地層對比記錄,認(rèn)為青海南山斷裂發(fā)育時間為 6～10 Ma, 縮短速率約為(0.2±0.2)～0.1 mm/a(Yuan et al., 2011)。

3.4 鄂拉山斷裂

鄂拉山斷裂自北側(cè)海源斷裂延伸到南側(cè)昆侖斷裂, 也是共和盆地的西邊界, 具有NNW-SSE向右旋走滑的特征。一般認(rèn)為, 鄂拉山斷裂走滑時間發(fā)生在中新世(18—12 Ma), 總位移量約 9～12 km, 平均走滑速率為 0.5～1 mm/a。第四紀(jì)斷層位移測量確定的走滑位移速率約為(1.1±0.3) mm/a(Yuan et al., 2011)。

3.5 日月山斷裂

日月山斷裂是共和盆地的東邊界, 是平行于鄂拉山斷裂的NNW-SSE向優(yōu)選走滑斷裂。一般認(rèn)為日月山斷裂發(fā)育自 10 Ma, 走滑速率約為(1.2±0.4) mm/a, 累計走滑位移 11～12 km(Yuan et al.,2011; Lu et al., 2012)。

3.6 共和盆地內(nèi)部正斷層

共和盆地內(nèi)部發(fā)育張性斷裂, 主要位于龍羊峽北側(cè)谷地, 走向近南北向為主, 斷距 0.5～100 m 不等, 特征明顯, 規(guī)模大小不一, 但具有代表性和普遍性(圖5)。除此之外, 近似平行于龍羊峽發(fā)育一系列階地, 具有時序性, 被認(rèn)為與青藏高原隆升和黃河下切作用相關(guān)。

圖5 共和盆地發(fā)育的典型活動斷裂產(chǎn)狀照片F(xiàn)ig. 5 Photographs of attitude of classic active faults developed in Gonghe Basin

4 討論

4.1 東北緣活動構(gòu)造與盆地演化

4.1.1 差異性走滑斷裂與旋轉(zhuǎn)構(gòu)造

根據(jù)青藏高原東北緣主要斷裂構(gòu)造性質(zhì)和走滑速率統(tǒng)計結(jié)果可見, NWW走向的昆侖斷裂和海源斷裂呈現(xiàn)差異性走滑速率。以101°E左右為中心, 昆侖斷裂和海源斷裂走滑速率呈現(xiàn)剪刀差, 該位置大致位于日月山斷裂和青海南山斷裂的交匯處(圖4b)。

南側(cè)的昆侖斷裂走滑位移速率西快東慢, 且整體位移速率要高于海源斷裂。在92°E—100°E之間平均走滑速率為 10～12 mm/a, 與 GPS大地測量的位移速率13.1 mm/a基本吻合; 而跨越101°E后, 走滑速率急劇降低至2～6 mm/a。

北側(cè)的海源斷裂呈現(xiàn)相反的位移速率特征, 表現(xiàn)為西慢東快。98°E—101°E之間走滑速率一般為1～4 mm/a, 而在 101°E—108°E之間達(dá)到 4～8 mm/a。

日月山斷裂和鄂拉山斷裂走滑速率值介于昆侖斷裂和海源斷裂之間, 可能與走滑速率剪刀差產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)構(gòu)造有關(guān), 且該位置可能處于該旋轉(zhuǎn)構(gòu)造的中心位置(近似旋轉(zhuǎn)軸)。

左旋剪切走滑構(gòu)造可能造成盆地內(nèi)部地應(yīng)力分布、地形高程等后效反應(yīng)。根據(jù)數(shù)值模擬計算, 平行左旋走滑斷裂隨著時間進(jìn)行, 將形成與走滑方向相近的兩側(cè)張應(yīng)力和與走滑拖拽方向相反的最大主應(yīng)力, 并造成應(yīng)力集中區(qū)負(fù)地形(圖6a, Wang et al.,2017)。共和盆地內(nèi)部以黃河為顯著地貌, 呈現(xiàn)近5000 m落差的負(fù)地形和一系列階地。盆地內(nèi)部GH2井在 3962 m深度地應(yīng)力測量, 其最大主應(yīng)力方向(σ1)為 55°(圖6d)。該結(jié)果與數(shù)值模擬、共和盆地乃至青藏高原東北緣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征基本吻合。這也意味著, 隨著印度板塊北向俯沖, 在東北緣地區(qū)發(fā)生側(cè)向逃逸構(gòu)造影響, 一系列大型走滑斷裂造成邊部壓扭性、內(nèi)部存在拉張構(gòu)造的盆地, 共和盆地是東北緣旋轉(zhuǎn)構(gòu)造控制下其中一個特征相對顯著的盆地。

圖6 共和盆地地應(yīng)力分布圖解Fig. 6 Distribution of the Geo-stress fieled in Gonghe Basin

4.1.2 兩階段盆地變形演化

隨著晚新生代青藏高原持續(xù)向北生長和物質(zhì)擠出, 昆侖斷裂作為調(diào)節(jié)構(gòu)造變形的重要構(gòu)造發(fā)生左行走滑作用(Tapponnier et al., 2001)。共和盆地的形成和演化與盆地南北兩側(cè)昆侖斷裂和海原斷裂兩條大型左旋走滑斷裂密切相關(guān)。梳理東北緣地區(qū)主要的走滑時間、走滑時序、走滑初始位置等, 認(rèn)為共和盆地及周緣地區(qū)可能存在兩個主要的變形和盆地演化階段。

中新世(～20—15 Ma)是盆地邊界斷裂初始發(fā)育階段(圖7a)。沿著斷層帶錯斷的河流階地和現(xiàn)今連續(xù)GPS觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)昆侖斷裂從20—15 Ma開始活動,向東活動時間變年輕(8—5 Ma)。盆地北側(cè)海原斷裂與昆侖斷裂具有相同的初始活動時間和變形時序,～17 Ma以來自最西端的哈拉湖開始發(fā)育, 海原斷裂向東逐漸發(fā)展, 15—10 Ma中段開始活動, 10—8 Ma發(fā)展到東段六盤山地區(qū)。中新世與昆侖斷裂和海源斷裂發(fā)育, 相應(yīng)的走滑速率也呈現(xiàn)不均勻性和鏡像關(guān)系, 二者在空間上的并置和滑動速率的鏡像變化使得在斷層末端形成滑移消減帶, 進(jìn)而在這條帶上發(fā)育同德—共和—青海湖張扭性盆地。為調(diào)節(jié)南北兩側(cè)主要走滑斷裂的活動和盆地張扭, 在東西兩側(cè)盆地邊界分別發(fā)育同時期(17-10 Ma)北北西走向的鄂拉山和日月山低走滑速率的正斷層(1.1 mm/a)。

圖7 共和盆地及周緣地區(qū)主要斷裂發(fā)育時間(a)和走滑速率(b)統(tǒng)計圖Fig. 7 Development age (a) and strike-slip rate (b) statistical graph of major faults in Gonghe Basin and adjacent areas

晚中新世—上新世(12-6 Ma), 隨著青藏高原的持續(xù)向北擴展和祁連山造山帶的活動, 擠壓作用進(jìn)一步加強, 位于昆侖和和海原斷裂之間的西秦嶺斷裂于10-7 Ma再次活動(圖7b)。西秦嶺斷裂向西延伸具有壓扭特征的青海南山逆沖斷層和背斜, 把中新世形成的統(tǒng)一張扭性盆地分割成南側(cè)的共和盆地和北側(cè)的青海湖盆地。逆沖作用沿著共和盆地向南傳遞到共和南山地區(qū), 形成共和南山逆斷層和背斜, 進(jìn)一步把共和盆地的南部分割出同德盆地。壓扭性的青海南山—共和南山斷裂系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)育使得盆地中心從鄂拉山東側(cè)向青海南山遷移, 并導(dǎo)致盆地發(fā)生北西沉降, 南東隆起并掀斜。與此同時北東-南西在壓扭的作用下發(fā)生張性構(gòu)造, 發(fā)育沿龍羊峽的次級正斷層組合(圖5a-c, 圖6b)。

4.2 共和盆地?zé)嵩闯梢蛱接?/h3>

對于共和盆地地?zé)岙惓５某梢? 主要有三種觀點: 地殼花崗巖放射性元素衰變生熱(Zhang et al.,2018, 2020)、幔源熱(Feng et al., 2018)、深大斷裂導(dǎo)熱(Zhang et al., 2018; 張森琦等, 2018)。但這幾種觀點因其單一因素在青藏高原東北緣共和盆地地質(zhì)背景下的局限性, 均無法完美解釋宏觀高熱流背景下地?zé)岙惓＞植烤奂某梢驒C制。

共和盆地干熱巖母巖結(jié)晶年齡為 235～200 Ma(張宏飛等, 2006; 唐顯春等 2020), 與松潘甘孜褶皺帶內(nèi)發(fā)育的陸殼物質(zhì)重熔形成的花崗巖具有相似的地球化學(xué)和年代學(xué)特征(Reid et al., 2005; 時章亮等,2009; Tang et al., 2017a, b)。巖心樣品放射性生熱率值為(3.2±1.07) μW/m3(Zhang et al., 2020; 唐顯春等,2020)。該結(jié)果與全球花崗巖放射性生熱率平均值基本相當(dāng)((3.09±1.62) μW/m3, Vilà et al., 2010; Artemieva et al., 2017)。我們認(rèn)為, 即使考慮加厚的長英質(zhì)地殼厚度, 花崗巖放射性生熱也不大可能是共和盆地高熱異常致熱因素。

部分研究提出共和盆地地?zé)豳Y源系深大斷裂溝通了深部幔源高溫?zé)崮? 隨著對流作用, 在淺部加熱地下水, 形成了地?zé)豳Y源(如Feng et al., 2018;張森琦等, 2018; 張盛生等, 2019)。溫泉(熱泉)氣體分離的氦同位素測試表明, 共和盆地及周緣地區(qū)3/4He比值一般為0.04～0.08 Ra, 反映其殼幔熱結(jié)構(gòu)中, 幔源熱比例極小, 幾乎以殼源熱為主(Tan et al.,2012; 唐顯春等, 2020)。同時地球物理未發(fā)現(xiàn)與地幔相關(guān)的深大斷裂, 因此也不支持共和盆地幔源主導(dǎo)供熱的觀點。

地球物理方法在共和盆地下方揭示出電阻率低阻高導(dǎo)異常體(視電阻率小于 3 Ω·m), 并通過大地電磁三維反演技術(shù), 刻畫出地殼10 km深度存在囊狀低阻體, 被認(rèn)為是共和盆地主要的熱源(圖8,Gao et al., 2018, 2020; 唐顯春等, 2020)。我們通過密集臺陣觀測天然地震, 提取微震事件并解釋速度結(jié)構(gòu)(另文討論), 識別出共和盆地地殼 17—33 km深度發(fā)育低速體(Vs＜3.2 km/s, 圖9), 其深度與MT揭示的低阻體基本相當(dāng)。該與高溫相關(guān)的殼內(nèi)低阻低速體可能是共和盆地最主要的熱源, 且在區(qū)域上可對比(Bai et al., 2010; Tang et al., 2017a, b, 2022),可能與殼內(nèi)部分熔融作用相關(guān)。

圖8 共和盆地大地電磁反演電阻率剖面(剖面位置見圖3, 根據(jù)Gao et al., 2018修改)Fig. 8 Magnetotelluric inversion resistivity profile in Gonghe Basin(location of the profile is shown in Fig. 3, modified from Gao et al., 2018)

圖9 共和盆地密集臺陣觀測揭示的橫波速度結(jié)構(gòu)剖面(剖面位置見圖3)Fig. 9 Velocity profile of shear wave derived from dense seismic array observation in Gonghe Basin(location of the profile is shown in Fig. 3)

4.3 挽近構(gòu)造控?zé)釞C制與地?zé)嵝纬神詈详P(guān)系

地球內(nèi)熱以傳導(dǎo)、對流、輻射等方式由地球內(nèi)部向地表傳輸, 該過程受地質(zhì)因素影響, 在不同地區(qū)和不同深度形成差異性地?zé)岙惓^(qū)(汪集旸,2015)。巖石圈減薄(如華北克拉通)、地幔柱(夏威夷)、裂谷(如肯尼亞)、板塊邊界(如冰島大洋中脊)等特殊構(gòu)造位置是地?zé)岙惓Ｐ纬傻闹饕恢? 且現(xiàn)今仍然活動的新構(gòu)造運動對熱流影響有很大影響。

共和盆地所在的青藏高原東北緣具有高熱流異常背景, 也具有新生代活動構(gòu)造背景, 其深部地殼內(nèi)發(fā)育與高溫相關(guān)的低阻高導(dǎo)低速異常體。一般認(rèn)為共和盆地殼內(nèi)發(fā)育的部分熔融體提供了地表普遍發(fā)育的地?zé)岙惓：透邿崃鳟惓５臒嵩? 但就該地球物理異常體和活動構(gòu)造之間的關(guān)系未有深入研究,新生代活動構(gòu)造對地殼內(nèi)生熱能的控制作用和影響程度、熱能傳導(dǎo)和對流等方式向淺表再分配的過程等關(guān)鍵問題, 仍然存在困惑。

從共和盆地鉆井連井對比剖面來看, 無論是地層還是溫度等值面, 都呈現(xiàn)明顯隆起(圖10)。盆地西側(cè)靠近茶卡附近的共參1井(GC1), 井深5026 m, 井底巖性為古近紀(jì)碎屑巖(未穿), 井底測溫約160 ℃。盆地中部共和 1井(GH1)在 3705 m 深度測溫236 ℃(2017年, 巖性為花崗巖), 井區(qū)2018—2021年在4000 m深度測溫均在200 ℃以上(花崗巖)。盆地東側(cè)沿著日月山斷裂羅漢堂地?zé)徙@井(LR1)在1000 m深度測溫約 78 ℃(中三疊世砂板巖), 扎倉地區(qū) ZR2井在4300 m深度測溫214 ℃(非穩(wěn)態(tài))至175 ℃(穩(wěn)態(tài),Zhang et al., 2018)。

圖10 共和盆地代表性地?zé)徙@井(GC1-GH1-LR1-ZR2井)連井剖面和溫度結(jié)構(gòu)圖(剖面位置見圖3, 根據(jù)Tang et al., 2022修改)Fig. 10 Connecting profile and temperature structure of representative geothermal boreholes (GC1-GH1-LR1-ZR2)in Gonghe Basin (location of the profile is shown in Fig. 3, modified from Tang et al., 2022)

印度板塊新生代以來的持續(xù)俯沖和東北緣地區(qū)的遠(yuǎn)程效應(yīng)下, 共和盆地不僅具有加厚的地殼, 也發(fā)育與藏東可對比的殼內(nèi)部分熔融體(Tang et al.,2017b, 2022; 邱楠生等, 2022)。昆侖斷裂和海源斷裂的差異性左旋走滑構(gòu)造引發(fā)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)造, 可能引起了盆地尺度甚至區(qū)域巖石圈變形, 中新世走滑擠壓作用造成斷裂之間消減帶上地殼伸展、剝蝕和撕裂,造成中地殼熱的、軟的部分熔融帶受到張力和浮力的作用, 使殼內(nèi)高溫塑性的部分熔融體上隆約10 km幅度(圖8, 圖9, 圖10), 隆升變形作用導(dǎo)致深部熱能向淺層聚集成熱效率更高, 這可能是東北緣區(qū)域性地?zé)岙惓５闹饕蔁釞C制(圖11)。

圖11 青藏高原東北緣巖石圈結(jié)構(gòu)與熱源分布三維示意圖Fig. 11 3D schematic diagram of the lithosphere and heat source anomaly structure in the northeastern Tibetan Plateau

4.4 共和盆地地?zé)岙惓３梢蚰Ｊ?/h3>

基于青藏高原東北緣構(gòu)造演化特點、共和盆地變形階段、大地?zé)崃骱偷責(zé)岙惓７植家?guī)律、深部地球物理異常特征、構(gòu)造變形時序和地?zé)嵝纬神詈详P(guān)系等, 我們提出共和盆地挽近構(gòu)造控?zé)岬刭|(zhì)模型和三元聚熱成藏模式。

從新構(gòu)造作用和深部熱能耦合的角度, 我們提出共和盆地挽近構(gòu)造控?zé)岬刭|(zhì)模型(圖12)。新生代伴隨青藏高原隆升和地殼加厚作用形成了殼內(nèi)部分熔融作為共和盆地及東北緣地區(qū)區(qū)域性主導(dǎo)熱源, 其形成年齡可能伴隨印度板塊北向俯沖及遠(yuǎn)程效應(yīng)持續(xù)存在, 至晚可到20 Ma(圖11, 圖12a), 熱能傳輸以傳導(dǎo)為主, 大地?zé)崃髦悼赡苌愿哂陉懹蚱骄?。中新世—晚中新?12-6 Ma)因東北緣昆侖和海源斷裂左旋走滑斷裂造成盆地邊緣擠壓走滑, 日月山和鄂拉山斷裂持續(xù)走滑, 盆地內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中并發(fā)育負(fù)地形,總體軸向以 45°-55°為主, 地殼局部減薄, 殼內(nèi)部分熔融體開始隆升上涌, 大地?zé)崃髦甸_始增高, 并可能在平面上開始呈現(xiàn)差異性(圖11, 圖12b)。自上新世以來(～6-3 Ma), 持續(xù)的、快速的(10～4 mm/a)、剪刀差式(圖4, 6)的走滑斷裂加劇巖石圈尺度的變形,地幔隆起(Liu et al., 2018; Jia et al., 2019), 上地殼上隆幅度可達(dá)10 km (圖9), 導(dǎo)致上地殼三疊系花崗巖(干熱巖儲層)在盆地東南部抬升至近地表(3-10 km),增強了深部的熱向淺部的傳導(dǎo)效率, 造成地表區(qū)域性大地?zé)崃鳟惓：偷責(zé)岙惓? 也是成為地?zé)?干熱巖)勘查有利區(qū)的重要條件(圖10, 圖11, 圖12c;Tang et al., 2022)。共和盆地恰卜恰干熱巖和扎倉地?zé)崽锸堑湫汀袄蟽?三疊系花崗巖)新熱(新生代熱源)”在新生代活動構(gòu)造變形相互耦合共同作用下形成的地?zé)崽铩?/p>

圖12 共和盆地演化階段和地?zé)岙惓３梢虻刭|(zhì)模式圖(未按比例)Fig. 12 Geological model graph of evolution stage and genesis of geothermal anomaly in Gonghe Basin(despite the relative scale)

從地?zé)嵯到y(tǒng)要素角度, 我們提出共和盆地地?zé)?干熱巖)形成的三元聚熱成藏模式。即新生代中-下地殼發(fā)育的高溫低速高導(dǎo)層是主要熱源, 受走滑斷裂簡單剪切作用向中-上地殼抬升導(dǎo)致區(qū)域性異常高熱; 中—晚三疊世花崗巖具有較高的熱導(dǎo)率(平均值(2.79±0.34) W/(m·K), 唐顯春等, 2020)和低含水率, 既作為良好的導(dǎo)熱載體傳導(dǎo)深部熱能形成干熱巖, 也是淺層碎屑巖熱儲的次生熱源; 新生代低熱導(dǎo)率沉積巖作為蓋層(圖11)。

5 青藏高原東北緣地?zé)嵊欣麉^(qū)預(yù)測

從青藏高原構(gòu)造演化過程來看, 受印度板塊北向俯沖, 東北緣地區(qū)受昆侖斷裂、阿爾金斷裂、海源斷裂、秦嶺構(gòu)造等多重影響, 在多塊體多期多階段相互作用下, 東北緣地區(qū)近 50萬 km2范圍內(nèi)的構(gòu)造變形具有連片性。西秦嶺斷裂在鄂爾多斯西緣受六盤山斷裂和青銅峽斷裂調(diào)節(jié), 在海源斷裂和昆侖斷裂之間形成一系列菱形構(gòu)造塊體, 這些構(gòu)造可能與共和盆地發(fā)育、形成、演化、形變具有相似性。

根據(jù)大地?zé)崃鞅尘?、?gòu)造演化相似性、走滑斷裂分布規(guī)律和可能的影響范圍, 我們提出青藏高原東北緣類似共和盆地地質(zhì)條件的諸多盆地或次級構(gòu)造具有局部中-高溫地?zé)豳Y源開發(fā)潛力。首先具備區(qū)域性熱源, 即在加厚的地殼中可能存在連續(xù)的殼內(nèi)部分熔融體; 其次具有與共和盆地相似的構(gòu)造演化特點, 即盆地邊緣走滑壓扭, 盆內(nèi)存在張性分量和伸展構(gòu)造, 可能有利于殼內(nèi)高溫?zé)嵩绰∩嫌? 熱傳導(dǎo)效率相對更高; 另外具備區(qū)域性熱源和新構(gòu)造作用的相互耦合聯(lián)系, 具備“老儲新熱”的條件, 在張性構(gòu)造、走滑斷裂, 以及兩組斷裂交匯處存在流體通道。

按照共和盆地深部熱源與挽近構(gòu)造耦合控?zé)岬臋C制原理, 我們預(yù)測了東北緣地區(qū)地?zé)豳Y源發(fā)育前景(圖13)。共和盆地、西寧盆地、臨夏盆地、蘭州盆地、天水盆地、銀川盆地、青海湖天俊剛察等地區(qū)盆地核部北東方向的軸線負(fù)地形區(qū)(線狀谷地、斷裂、河流沿線等)具備高溫-中溫地?zé)?干熱巖)發(fā)育的前景;青銅峽可能也具備類似成熱條件。沿著鄂拉山斷裂、日月山斷裂、莊浪河—馬銜山斷裂、六盤山斷裂沿線一帶可能存在中溫水熱型地?zé)豳Y源, 且在近NNW向的鄂拉山斷裂—莊浪河—馬銜山斷裂內(nèi)可能發(fā)育部分高溫地?zé)豳Y源(干熱巖)潛力, 向兩側(cè)(鄂拉山斷裂以西、莊浪河斷裂以東)地區(qū)高溫地?zé)豳Y源潛力發(fā)育前景變?nèi)酢?/p>

圖13 青藏高原東北緣地?zé)豳Y源有利區(qū)綜合預(yù)測圖Fig. 13 Comprehensive prediction map of favorable geothermal resources in northeastern margin of the Tibetan Plateau

6 結(jié)論

(1)共和盆地及周緣變形區(qū)形成于昆侖斷裂和海源斷裂大型活動左旋走滑作用的滑動消減帶;

(2)共和盆地新生代以來經(jīng)歷中新世(12—6 Ma)旋轉(zhuǎn)泛湖盆凹陷、上新世—第四紀(jì)(6—3 Ma)持續(xù)壓扭變形(內(nèi)部張扭)兩期主要演化階段;

(3)共和盆地上地殼發(fā)育的與高溫相關(guān)的地球物理低速-高導(dǎo)異常層(Vs＜3.2 km/s,R＜10 Ω·m)是主導(dǎo)熱源;

(4)上新世持續(xù)左旋走滑變形導(dǎo)致的巖石圈隆起變形是深部熱能向淺層傳輸?shù)闹饕獎恿W(xué)機制, 淺部熱能聚集成熱過程至少延續(xù)到了3 Ma;

(5)預(yù)測青藏高原東北緣與共和盆地具有類似構(gòu)造演化性質(zhì)的次生盆地具有高溫地?zé)豳Y源發(fā)育的條件。

致謝:感謝兩位匿名審稿人, 以及中國科學(xué)院大學(xué)張健教授、張開均教授、胡圣標(biāo)研究員在成文過程中的建設(shè)性指導(dǎo)意見與幫助。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41877197 and 41602257), China Geological Survey (Nos.DD20190132 and DD20221677).