渤海灣盆地冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣?/h1>
2016-07-29 01:44:19常健邱楠生趙賢正許威徐秋晨金鳳鳴韓春元馬學(xué)峰董雄英梁小娟
地球物理學(xué)報(bào) 2016年3期
常健,邱楠生,趙賢正,許威,徐秋晨,金鳳鳴,韓春元,馬學(xué)峰,董雄英,梁小娟
1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249 2 中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心,北京 102249 3 中國石油華北油田公司,河北任丘 062552
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渤海灣盆地冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣?/p>
常健1,2,邱楠生1,2,趙賢正3,許威1,2,徐秋晨1,2,金鳳鳴3,韓春元3,馬學(xué)峰3,董雄英3,梁小娟3
1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京1022492中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心,北京1022493 中國石油華北油田公司,河北任丘062552
摘要渤海灣盆地冀中坳陷是我國最典型的潛山油氣藏富集區(qū).本文借助117口鉆井地層測(cè)溫資料和45塊實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究了冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度、大地?zé)崃?、熱巖石圈厚度、巖石圈熱結(jié)構(gòu)等地?zé)崽卣鲄?shù).研究表明,冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1,比未校正值減小1～3 ℃·km-1; 現(xiàn)今大地?zé)崃鹘橛?8.7～79.7 mW·m-2,平均值為59.2 mW·m-2.平面上,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和熱流由西向東(從盆地邊緣向內(nèi)部)逐漸增大,并且凸起區(qū)地溫梯度和熱流相對(duì)較高,而凹陷區(qū)則偏低,與基底地形起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.同時(shí),冀中坳陷腹部高熱流凸起區(qū)廣泛分布地?zé)崽?冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度為98～109 km,其巖石圈熱結(jié)構(gòu)為一典型的“冷殼熱?！毙?本研究不僅對(duì)冀中坳陷油氣勘探與地?zé)崮荛_發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義,而且為深部巖石圈研究(華北克拉通破壞科學(xué)問題)提供了新依據(jù).
關(guān)鍵詞冀中坳陷； 地溫梯度； 大地?zé)崃鳎?巖石圈熱結(jié)構(gòu)； 渤海灣盆地
1引言
隨著1975年任丘古潛山油田的發(fā)現(xiàn),冀中坳陷成為我國最重要的潛山油氣勘探區(qū).冀中坳陷主要發(fā)育Es1,Es3,Es4-Ek和C-P四套烴源巖,而中元古界長(zhǎng)城系的高于莊組、薊縣系的霧迷山組、下古生界寒武系的府君山組和奧陶系是主要的油氣儲(chǔ)集層(杜金虎等,2002; 趙利杰等,2012; 塵福艷等,2013).近年來,華北油田加大了深潛山和潛山內(nèi)幕油氣藏的勘探力度,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了牛東1、長(zhǎng)3、寧古8等多個(gè)隱蔽性高產(chǎn)潛山油氣藏(趙賢正等,2014; Zhao et al.,2015),這表明冀中坳陷還具有良好的勘探前景.溫度是制約烴源巖成熟演化的最關(guān)鍵因素,因此正確認(rèn)識(shí)一個(gè)地區(qū)的現(xiàn)今地?zé)崽卣鲗?duì)油氣成熟演化研究具有重要意義.一些學(xué)者曾對(duì)冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣鬟M(jìn)行過研究(陳墨香等,1982; 馮石和郝石生,1983; 周瑞良,1987; 龔育齡,2003; 林世輝和龔育齡,2005).陳墨香等(1982)根據(jù)鉆孔實(shí)測(cè)溫度曾研究過冀中坳陷牛駝鎮(zhèn)凸起地區(qū)現(xiàn)今地溫梯度在縱向和平面上的分布特征,并認(rèn)為巖石熱導(dǎo)率垂向-側(cè)向變化是造成這一地區(qū)地?zé)岙惓Ｐ纬傻年P(guān)鍵因素; 而周瑞良(1987)通過對(duì)華北平原北部深層地下水活動(dòng)的細(xì)致研究,認(rèn)為水動(dòng)力條件是造成冀中坳陷不同地區(qū)地溫場(chǎng)差異分布的主要因素.結(jié)合系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),馮石和郝石生(1983)曾探討過冀中坳陷饒陽凹陷和廊固凹陷現(xiàn)今熱流分布特征和新生界地層古地溫演化史; 而龔育齡(2003)及林世輝和龔育齡(2005)對(duì)整個(gè)冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度或大地?zé)崃鞣植继卣鬟M(jìn)行過研究,認(rèn)為冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度為25.8～48.8 ℃·km-1,大地?zé)崃鳛?3.9～90.0 mW·m-2,并認(rèn)為其平面分布與基底地形起伏有關(guān).
本文結(jié)合近10年來新增的一大批測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),不僅重新剖析了冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃鞣植继卣骱陀绊懸蛩?而且研究了冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度的地溫梯度平面分布特征,從而更真實(shí)地反映冀中坳陷現(xiàn)今熱狀態(tài).同時(shí),根據(jù)生熱率、熱導(dǎo)率及分層數(shù)據(jù),我們分析了冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度和巖石圈熱結(jié)構(gòu).本研究對(duì)冀中坳陷油氣和地?zé)崮芸碧脚c開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義.
2地質(zhì)背景
冀中坳陷是發(fā)育在華北克拉通之上的一個(gè)中、新生代斷陷-坳陷盆地.作為渤海灣盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,它北依燕山隆起,南抵邢衡隆起,西臨太行山隆起,東至滄縣隆起,呈北東—南西走向,面積約3.2×104km2(圖1).區(qū)域上,冀中坳陷被兩條近東西向—北西西向變換帶(即無極—衡水變換帶和徐水—安新—文安變換帶)又分割成南、中、北等三個(gè)區(qū),其中，南區(qū)包括石家莊凹陷、晉縣凹陷、束鹿凹陷、無極—藁城低凸起和寧晉凸起; 中區(qū)分布有饒陽凹陷、保定凹陷、深縣凹陷、高陽凸起、深澤低凸起及蠡縣斜坡; 北區(qū)包括北京凹陷、大廠凹陷、廊固凹陷、徐水凹陷、武清凹陷、霸縣凹陷、大興凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起、牛北斜坡、楊村斜坡及文安斜坡.另外,研究區(qū)還包括滄縣隆起的大城凸起和興起凸起(圖1).
冀中坳陷基底主要發(fā)育一套太古界及下元古界變質(zhì)巖.中、晚元古代-中奧陶世,受海侵作用影響,冀中坳陷地區(qū)主要發(fā)育淺海相碳酸鹽巖,沉積厚度達(dá)～5000 m(趙賢正等,2010; 陸詩闊等,2011).晚奧陶世-晚石炭世時(shí)期的加里東、海西運(yùn)動(dòng)致使冀中坳陷整體抬升而遭受長(zhǎng)期剝蝕(杜金虎等,2002; 陸詩闊等,2011).二疊紀(jì)時(shí)期,冀中坳陷沉積了一套海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖,厚約700～800 m(杜金虎等,2002).早中生代的強(qiáng)烈擠壓作用(印支運(yùn)動(dòng)引起的)造成冀中坳陷在三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)形成一系列褶皺,并遭受了強(qiáng)烈剝蝕,僅在其南部沉積有少量這一時(shí)期地層(楊明慧等,2001; 吳智平等,2007).晚白堊世,冀中坳陷地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由擠壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺棺饔?巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,而發(fā)育一套陸源碎屑巖夾煤層和火山巖地層(孫冬勝等,2004a,2004b).始新世晚期,受太平洋板塊俯沖誘發(fā)深部地幔物質(zhì)對(duì)流的影響,整個(gè)華北地區(qū)處于弧后伸展?fàn)顟B(tài),而冀中坳陷也進(jìn)入強(qiáng)烈伸展斷陷演化階段,受斷塊掀斜的控制,發(fā)育大量NE—NNE及NW向潛山構(gòu)造,這一時(shí)期主要沉積陸相湖盆砂巖和泥巖,夾部分泥灰?guī)r和石膏(楊明慧等,2002; 崔周旗,2005; 張文朝等,2008).新近紀(jì),華北地區(qū)的弧后拉張作用減弱,冀中坳陷地區(qū)進(jìn)入坳陷演化階段,以整體沉降為主,主要發(fā)育河流相的砂泥巖(梁蘇娟,2001; 董大偉等,2013).
圖1 (a) 渤海灣盆地構(gòu)造單元圖(據(jù)徐守余和嚴(yán)科,2005): ①遼河坳陷; ②渤中坳陷; ③黃驊坳陷; ④滄縣隆起; ⑤冀中坳陷; ⑥埕寧隆起; ⑦濟(jì)陽坳陷; ⑧臨清坳陷; ⑨內(nèi)黃隆起; ⑩東濮坳陷.(b)冀中坳陷構(gòu)造分區(qū)及測(cè)溫井和地?zé)崽锓植?修改自杜金虎等(2002),趙賢正等(2010),梁宏斌等(2010))
3熱導(dǎo)率測(cè)試與分析
本研究共選取了冀中坳陷蘇50、西59、館深1、高深1、葛2、大參1、京101、丘3、王9、磁1、榆31、西55、勝1等13口井45塊樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試,層位涉及到新生界、中生界、石炭-二疊系、下古生界、中-上元古界和太古宙; 巖性主要有砂巖、泥巖、火山巖、白云巖、灰?guī)r等.熱導(dǎo)率測(cè)試工作是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進(jìn)行的,使用儀器是德國生產(chǎn)的TCS(Thermal Conductivity Scanning)熱導(dǎo)率自動(dòng)掃描儀,其測(cè)量范圍為0.2～25 W/(m·K),精度為±3%.
圖2a顯示冀中坳陷45塊樣品的巖石熱導(dǎo)率集中于1.5～3.5 W/(m·K),主要對(duì)應(yīng)于中-新生界碎屑巖.圖2b表明冀中坳陷熱導(dǎo)率與樣品深度無明顯相關(guān)性.對(duì)于淺部碎屑巖,熱導(dǎo)率分布散亂; 而不同深度的碳酸鹽巖樣品具有相似的熱導(dǎo)率.結(jié)合龔育齡(2003)已發(fā)表的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),我們構(gòu)建了冀中坳陷熱導(dǎo)率柱(表1),為研究冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃魈峁┝丝赡?
圖2 冀中坳陷實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率直方圖(a)及不同巖性熱導(dǎo)率-深度關(guān)系圖(b)
地層時(shí)代巖性樣品個(gè)數(shù)范圍(W/(m·K))均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(W/(m·K))調(diào)和平均熱導(dǎo)率(W/(m·K))新生界(E+N)砂巖21.326～1.8041.565±0.338泥巖31.724～1.8491.777±0.065砂、泥巖*971.721.72中生界(Mz)粉砂巖51.416～3.0141.959±0.647細(xì)砂巖81.970～3.0122.427±0.373泥巖41.781～2.7922.088±0.472砂、泥巖*41.762.04上古生界(C-P)下古生界(O,∈)粗砂巖32.424～3.2222.859±0.404細(xì)砂巖71.743～3.4572.162±0.619粉砂巖13.2443.244泥巖21.765～2.7262.246±0.680砂、泥巖*72.80灰?guī)r13.73.7白云巖15.0815.081灰?guī)r*123.203.26中、上元古界(Pt2+3)白云巖72.299～4.8714.040±1.128白云巖*47.145.17太古界(Ar)花崗巖13.6113.611片麻巖*33.133.13
注：星號(hào)表示測(cè)試數(shù)據(jù)來自龔育齡(2003).
4冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布特征
沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度主要借助各種鉆孔測(cè)試溫度數(shù)據(jù)(包括系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫、試油溫度、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫、瞬態(tài)測(cè)溫等四類)進(jìn)行研究.其中,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫資料和試油溫度數(shù)據(jù)最可靠.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫指鉆孔熱平衡時(shí)間以后的測(cè)溫,一般每隔10 m或20 m測(cè)量一個(gè)溫度點(diǎn).它反映了研究區(qū)最真實(shí)的地溫狀況,測(cè)溫資料最可靠,精度最高.本次研究在華北油田勘探開發(fā)研究院收集到了冀中坳陷28口井的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),通過溫度-深度線性擬合得到了每口井的現(xiàn)今地溫梯度(圖3a—3e; 表2).其中牛駝鎮(zhèn)凸起地區(qū)的容1、雄101、雄104、淀6、淀6-3、霸8、牛8-2等鉆井的現(xiàn)今地溫梯度介于48.1～72.8 ℃·km-1,屬于高異常值.周瑞良(1987)研究認(rèn)為這與區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)有關(guān).由于這些鉆井地區(qū)受水動(dòng)力條件影響嚴(yán)重,且熱傳遞方式以熱對(duì)流為主,不能代表真實(shí)的熱狀態(tài),在研究冀中坳陷地溫梯度分布規(guī)律時(shí)應(yīng)忽略掉.其余鉆孔的地溫梯度介于27.4～39.7 ℃·km-1之間,平均值為34.7 ℃·km-1.
試油溫度是在開發(fā)井或生產(chǎn)井中的含油層段進(jìn)行試油測(cè)壓時(shí)獲得的低溫?cái)?shù)據(jù),它也能夠較真實(shí)地反映盆地的溫度狀況.本文除收集到林世輝和龔育齡(2005)已發(fā)表的400個(gè)試油溫度數(shù)據(jù)外,還搜集了華北油田近10年來新鉆的200多口探井的試油溫度數(shù)據(jù)(圖3f),測(cè)溫深度跨度為1000～6000 m,而地層溫度介于40～200 ℃之間.另外,利用公式(1)計(jì)算了其中89口代表性鉆孔的地溫梯度(圖1; 表3).
注：G表示測(cè)溫井段內(nèi)的地溫梯度(℃·km-1); Kt表示調(diào)和平均熱導(dǎo)率(W/(m·K)),根據(jù)實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率和已報(bào)道的熱導(dǎo)率(龔育齡,2003)計(jì)算得到; qs表示大地?zé)崃?mW·m-2); G0～3000表示0～3000 m統(tǒng)一深度的地溫梯度(℃·km-1).
表3 冀中坳陷89口典型試油溫度鉆孔地溫梯度和大地?zé)崃饔?jì)算結(jié)果
注：G是由公式(1)計(jì)算的地溫梯度(℃·km-1); Kt表示調(diào)和熱導(dǎo)率(W/(m·K)),根據(jù)實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率和已報(bào)道的熱導(dǎo)率(龔育齡,2003)計(jì)算得到; qs表示大地?zé)崃?mW·m-2); G0～3000表示0～3000 m統(tǒng)一深度地溫梯度(℃·km-1).
圖3 冀中坳陷鉆孔溫度-深度關(guān)系圖(a—e) 系統(tǒng)測(cè)溫曲線; (f) 試油溫度數(shù)據(jù).
圖4 冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布平面圖
圖5 冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度平面分布圖
(1)
其中,G為地溫梯度(℃·km-1); Ts為試油溫度; T0為近地表恒溫帶溫度(設(shè)為14 ℃); Z為測(cè)溫深度(km); Z0為恒溫帶深度(設(shè)為20 m).由于許多井在不同深度上有幾個(gè)溫度值,因此在同一口井可計(jì)算出多個(gè)梯度值,為此還需將同一口井不同深度上的多個(gè)地溫梯度值加以算術(shù)平均,從而得到一口井的地溫梯度值.由試油溫度計(jì)算得到的地溫梯度介于28.5～43.6 ℃·km-1(不考慮牛28井,其地溫梯度為高異常值55.0 ℃·km-1),平均值為33.2 ℃·km-1.綜合兩種測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)得到的地溫梯度,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度為27.4～43.6 ℃·km-1,平均值為33.5 ℃·km-1.
圖4是計(jì)算獲得的117口鉆孔地溫梯度平面分布圖.從平面上整體看,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布與下伏基底構(gòu)造基本一致.由西到東,現(xiàn)今地溫梯度總體變化趨勢(shì)為低-高-低-高,與凹-凸-凹-凸的地貌特征具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.冀中坳陷西部(太行山東麓)北京—徐水—保定—石家莊凹陷一帶,現(xiàn)今地溫梯度介于28～32 ℃·km-1; 其東部緊鄰的牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起區(qū)地溫梯度升高,達(dá)36～38 ℃·km-1; 而牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起區(qū)東部的廊固、霸縣和饒陽三大含油氣坳陷區(qū)現(xiàn)今地溫梯度又降至32～34 ℃·km-1; 之后向東地溫梯度又增大,到滄縣隆起區(qū)已增大到38～40 ℃·km-1.
另外,沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度還與深度有關(guān),一般淺部地溫梯度大于深部.因此不同鉆孔測(cè)溫深度的差異會(huì)導(dǎo)致直接利用鉆井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算的地溫梯度在空間上不具有可對(duì)比性,應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一深度范圍之后再分析地溫梯度平面分布規(guī)律.對(duì)某一口鉆井,其統(tǒng)一深度0～3000 m地溫梯度計(jì)算方法如下: 首先,結(jié)合實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率和地層分層數(shù)據(jù),利用一維熱穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)方程(5)計(jì)算獲得3000 m深度處的溫度; 然后,用計(jì)算獲得的溫度減去地表溫度后除以深度值(3 km)即為0～3000 m地溫梯度.據(jù)此,我們計(jì)算得到了冀中坳陷117口代表性鉆孔統(tǒng)一深度0～3000 m的地溫梯度(表2和3).校正后的地溫梯度分布范圍為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1.大部分系統(tǒng)測(cè)溫鉆孔校正后的地溫梯度比未校正前普遍減小1～3 ℃·km-1.圖5顯示冀中坳陷校正后地溫梯度平面分布規(guī)律與基底構(gòu)造起伏呈現(xiàn)出更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.與校正前相比,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度降低了～2 ℃·km-1.冀中坳陷西緣地溫梯度為26～30 ℃·km-1; 牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起一帶地溫梯度增大為32～36 ℃·km-1; 廊固、霸縣和饒陽地區(qū)的地溫梯度為26～30 ℃·km-1,而東部滄縣隆起一帶地溫梯度增至34～40 ℃·km-1.
5冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植继卣?/p>
在大地?zé)崃饔?jì)算過程中,針對(duì)不同類型的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采用了不同的計(jì)算方法.對(duì)于系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),大地?zé)崃饔?jì)算公式如下:
(2)
其中,qs為大地?zé)崃?mW·m-2); Kt為調(diào)和巖石熱導(dǎo)率(W/(m·K)); dT/dZ為地溫梯度(℃·km-1).
而對(duì)于試油溫度,采用的是Chapman等(1984)提出的熱阻法,其計(jì)算公式為:
(3)
式中,qs同上; ΔZi為相鄰構(gòu)造層間的深度差; Ki為Zi深度處地層熱導(dǎo)率(W/(m·K)); Ts為試油溫度; T0為近地表恒溫帶溫度(14 ℃).
根據(jù)這兩種計(jì)算方法,獲得了冀中坳陷117口鉆井大地?zé)崃髦?表2和3).冀中坳陷大地?zé)崃髦到橛?8.7～79.7 mW·m-2之間(未考慮容1、雄101、雄104、淀6、淀6-3、霸8、牛8-2、牛28井),平均值為59.2 mW·m-2.在此基礎(chǔ)上,繪制了冀中坳陷大地?zé)崃髌矫娣植紙D(圖6).冀中坳陷西部(即太行山東麓)大地?zé)崃髌?僅為54～57 mW·m-2,向東逐漸增大,到滄縣隆起區(qū),大地?zé)崃髟龃蟮?2～75 mW·m-2.在冀中坳陷內(nèi)部,廊固、霸縣、饒陽三大凹陷區(qū)及周邊斜坡帶大地?zé)崃鳛?1～57 mW·m-2; 而凸起區(qū)(牛駝鎮(zhèn)、容城、高陽低凸起)大地?zé)崃髌?為60～69 mW·m-2,容城凸起南部高達(dá)72 mW·m-2以上.與地溫梯度分布規(guī)律相似,冀中坳陷大地?zé)崃髡共家才c基底構(gòu)造起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.另外,冀中坳陷腹部高熱流區(qū)通常分布有地?zé)崽?圖6).
6冀中坳陷巖石圈熱結(jié)構(gòu)和熱巖石圈厚度
沉積盆地大地?zé)崃髦饕蓛刹糠纸M成: 一個(gè)是地殼熱流,其熱量來自地殼淺部U、Th、K等放射性元素的衰變; 另一個(gè)是地幔熱流,其熱量來自深部地幔.巖石圈熱結(jié)構(gòu)就是指一個(gè)地區(qū)殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構(gòu)關(guān)系(Blackwell,1971).理論上,地幔熱流可以通過實(shí)測(cè)熱流與巖石生熱率之間的線性關(guān)系獲取(Birch et al.,1968).但在沉積盆地區(qū)這種線性關(guān)系不一定存在.汪緝安等(1992)提出了一種基于地表熱流、生熱率和地殼分層厚度來計(jì)算沉積盆地區(qū)地幔熱流的“回剝”方法,其計(jì)算公式如下:
(4)
式中,qc,qm和qs分別為地殼、地幔和地表熱流(mW·m-2); Ai為第i層的放射性生熱率(μW·m-3); Di為第i層的厚度(km).在計(jì)算冀中坳陷現(xiàn)今巖石圈熱結(jié)構(gòu)時(shí),構(gòu)造層分層數(shù)據(jù)參考的是龔育齡(2003)和徐杰等(2001); 淺部地層熱導(dǎo)率由本次實(shí)測(cè)值獲得,而深部熱導(dǎo)率參考龔育齡(2003); 生熱率數(shù)據(jù)來自邱楠生等(2015),詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4.經(jīng)計(jì)算,冀中坳陷地幔熱流為32.43 mW·m-2(圖7),從而得到地殼熱流為26.77 mW·m-2.Wang(1996)根據(jù)地幔和地殼熱流比例曾提出了“冷殼熱?！焙汀盁釟?冷幔”的熱結(jié)構(gòu)類型.本次研究表明冀中坳陷現(xiàn)今地殼熱流小于地幔熱流,比值為0.83,為一典型的“冷殼熱?！毙蜔峤Y(jié)構(gòu).
表4 冀中坳陷主要構(gòu)造層厚度、巖石生熱率及熱導(dǎo)率
圖6 冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃髌矫娣植紙D
圖7 冀中坳陷各構(gòu)造層熱流計(jì)算結(jié)果qs為冀中坳陷平均大地?zé)崃?
熱巖石圈是指以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的巖石圈層,其下為以熱對(duì)流為主的軟流圈(Morgan,1984).利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程(5)得到冀中坳陷巖石圈溫度隨深度變化的曲線,它們與地幔絕熱線或干玄武巖固相線的交點(diǎn)所處的深度即為“熱”巖石圈厚度.
(5)
(6)
下限: T2=1300 ℃+0.4 (℃·km-1) ×Z(km).
(7)
本文采用這種方法計(jì)算獲得,冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度平均值為98～109 km(圖8),比地震巖石圈(厚度為110～120 km,Zhu等(2011))薄10 km左右.
圖8 冀中坳陷熱巖石圈厚度計(jì)算結(jié)果
7討論與結(jié)論
我們通過對(duì)鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的校正計(jì)算得到,渤海灣盆地西部冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1,比未校正值減小～2 ℃·km-1.邱楠生等(2009)在研究渤海海域現(xiàn)今地溫梯度分布特征也曾利用相同的方法并得到相似的結(jié)果.這說明研究沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一深度溫度校正是必要的.冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃鹘橛?8.7～79.7 mW·m-2,平均值為59.2 mW·m-2.另外,前人還曾對(duì)渤海灣盆地其他坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣鬟M(jìn)行過研究.Guo等(2011)通過線性擬合得到黃驊坳陷板橋凹陷地區(qū)的現(xiàn)今地溫梯度為～32.6 ℃·km-1; 龔育齡等(2003)計(jì)算得到濟(jì)陽坳陷的現(xiàn)今地溫梯度為～35.5 ℃·km-1,現(xiàn)今大地?zé)崃鳛?5.8 mW·m-2.區(qū)域上,渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃骶哂袕奈飨驏|逐漸增大的趨勢(shì).這除了與沉積層生熱率有關(guān)外,還可能與華北克拉通巖石圈厚度變化有關(guān).Zhu等(2011)通過地震資料得到,渤海灣盆地從西到東巖石圈厚度從～120 km 減小到80 km.渤海灣盆地東西向現(xiàn)今地?zé)崽卣髋c巖石圈厚度具有明顯的負(fù)相關(guān)性.然而,渤海灣盆地最東部渤海海域(巖石圈厚度僅65～80 km,Zhu等(2011))現(xiàn)今地溫梯度僅為30.8 ℃·km-1(邱楠生等,2009),比其他二級(jí)構(gòu)造單元都小.這可能與后期快速沉降作用造成這一地區(qū)現(xiàn)今還未達(dá)到熱平衡有關(guān)(邱楠生等,2007; 李文正等,2014).與冀中坳陷南部相鄰的臨清坳陷現(xiàn)今地溫梯度為～31.1 ℃·km-1(龔育齡,2003);同時(shí),Zuo等(2014)研究認(rèn)為渤海灣盆地最南端東濮坳陷現(xiàn)今地溫梯度為～32 ℃·km-1.它們與冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度相近,這表明渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度并未受到南北向區(qū)域構(gòu)造的影響.另外,渤海灣盆地冀中坳陷的現(xiàn)今熱巖石圈厚度為98～109 km,而其西部的鄂爾多斯盆地?zé)釒r石圈厚度為130～140 km(汪洋和程素華,2011),其東部的濟(jì)陽坳陷熱巖石圈厚度僅為71～90 km(劉紹文等,2005; Qiu et al.,2014).這表明,與地震巖石圈相似,華北克拉通熱巖石圈也具有西厚東薄的特征(何麗娟,2014; He,2015),從而為華北克拉通破壞研究提供了新依據(jù).
綜合前人研究成果認(rèn)為,渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度為30～36 ℃·km-1,大地?zé)崃鳛?8～69 mW·m-2,與西部塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地相比(馮昌格等,2009; 饒松等,2013),屬于高地溫梯度和高熱流區(qū),這主要是與區(qū)域構(gòu)造演化背景有關(guān).早期研究證實(shí)古近紀(jì)時(shí)期,渤海灣盆地處于裂陷發(fā)育期(漆家福等,1995; 侯貴廷等,2001; 丁增勇等,2008),此時(shí)地幔上拱和巖漿活動(dòng)頻繁,不僅造成深部巖石圈減薄,而且導(dǎo)致這一地區(qū)地表熱流增大到80 mW·m-2以上(左銀輝,2011).新近紀(jì)以來,隨著太平洋板塊向歐亞大陸俯沖帶后退,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)由拉張轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓,渤海灣盆地進(jìn)入坳陷發(fā)育階段.同時(shí)伴隨著巖石圈厚度增厚和火山活動(dòng)減弱,渤海灣盆地從新近紀(jì)至今一直處于熱衰減狀態(tài).但由于冷卻時(shí)間相對(duì)短,這一地區(qū)現(xiàn)今仍具有較高的地溫梯度和大地?zé)崃?王良書等,2002; 龔育齡等,2003; 邱楠生等,2009).
冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃髌矫娣植寂c基底地形起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.凸起區(qū)地溫梯度和大地?zé)崃髌?而凹陷區(qū)偏小.這主要是因?yàn)榘枷輩^(qū)沉積了相對(duì)較厚的沉積物,多以砂、泥巖為主,這些巖性熱導(dǎo)率通常較低,而凸起區(qū)基巖熱導(dǎo)率相對(duì)較大,沉積蓋層和基巖熱導(dǎo)率的差異產(chǎn)生了“熱折射”效應(yīng)和熱流的再分配,于是造成熱流向隆起部位聚集,結(jié)果坳陷部位形成低溫區(qū),凸起部分形成高溫區(qū)(熊亮萍和高維安,1982; Lin et al.,2000; 馮昌格等,2009; 饒松等,2013).圖6表明冀中坳陷腹部凸起區(qū)廣泛分布的地?zé)崽锱c高熱流具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.這除了與凸起區(qū)高熱導(dǎo)率有關(guān)外,還與水動(dòng)力條件有關(guān)(周瑞良,1987).在凸起區(qū),深部地下水順著開啟性較好的斷裂溶洞等通道垂向流動(dòng)到淺部新生界地層時(shí),會(huì)同時(shí)把深部熱量帶到淺部,從而形成高溫異常區(qū),即地?zé)崽?周瑞良,1987).
致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所胡圣標(biāo)研究員和博士生高鵬在巖石熱導(dǎo)率測(cè)試方面提供的幫助; 感謝華北油田研究院提供的大量基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)！
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(本文編輯何燕)
基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41125010,91114202,41402112)和中國石油大學(xué)(北京)科研基金(2462013YJRC034)資助.
作者簡(jiǎn)介常健,男,1982年生,河北人,講師,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方面的研究.E-mail:changjian@cup.edu.cn
doi:10.6038/cjg20160322 中圖分類號(hào)P314
收稿日期2015-03-31，2016-01-27收修定稿
Present-day geothermal regime of the Jizhong depression in Bohai Bay basin,East China
CHANG Jian1,2,QIU Nan-Sheng1,2,ZHAO Xian-Zheng3,XU Wei1,2,XU Qiu-Chen1,2,JIN Feng-Ming3,HAN Chun-Yuan3,MA Xue-Feng3,DONG Xiong-Ying3,LIANG Xiao-Juan3
1StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China2BasinandReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China3PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,HebeiRenqiu062552,China
AbstractAs a second major tectonic unit of the Bohai Bay basin,the Jizhong depression is a very typical area in China with enrichment of buried-hill hydrocarbon reservoirs.Based on 117 borehole temperature data and 45 measured thermal conductivity data,we studied present-day geothermal characteristics of the Jizhong depression systematically such as geothermal gradient,terrestrial heat flow,thermal lithosphere thickness and lithospheric thermal structure.The results show that the present-day geothermal gradients at depths 0～3000 m in this region range from 20.8 ℃·km-1to 41.0 ℃·km-1with a mean of 31.6 ℃·km-1,lower 1～3 ℃·km-1than uncorrected value.The heat flow varies between 48.7～79.7 mW·m-2with an average of 59.2 mW·m-2.Present-day geothermal gradients and heat flow of this depression gradually increase from west (basin margin) to east (basin interior) horizontally.These values in sub-uplift areas of the Jizhong depression are usually higher than those of the sub-depression regions,and their variations correspond to the basement relief very well.Meanwhile,the uplift areas with high heat flow in the central Jizhong depression host amounts of geothermal fields.In addition,we calculated the thickness of present-day thermal lithosphere of study area to be 98～109 km,and its lithospheric thermal structure is a “cold crust and hot mantle” type now.This study has an important guiding significance for hydrocarbon exploration and geothermal energy exploitation in the Jizhong depression,and provides new insights for deep lithosphere research (especially for the scientific problem-North China Craton destruction).
KeywordsJizhong depression; Geothermal gradient; Heat flow; Lithospheric thermal structure; Bohai Bay basin
常健,邱楠生,趙賢正等.2016.渤海灣盆地冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣?地球物理學(xué)報(bào)，59(3):1003-1016,doi:10.6038/cjg20160322.
Chang J,Qiu N S,Zhao X Z,et al.2016.Present-day geothermal regime of the Jizhong depression in Bohai Bay basin,East China.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):1003-1016,doi:10.6038/cjg20160322.
常健,邱楠生,趙賢正,許威,徐秋晨,金鳳鳴,韓春元,馬學(xué)峰,董雄英,梁小娟
1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249 2 中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心,北京 102249 3 中國石油華北油田公司,河北任丘 062552
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渤海灣盆地冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣?/p>
常健1,2,邱楠生1,2,趙賢正3,許威1,2,徐秋晨1,2,金鳳鳴3,韓春元3,馬學(xué)峰3,董雄英3,梁小娟3
1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京1022492中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心,北京1022493 中國石油華北油田公司,河北任丘062552
摘要渤海灣盆地冀中坳陷是我國最典型的潛山油氣藏富集區(qū).本文借助117口鉆井地層測(cè)溫資料和45塊實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究了冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度、大地?zé)崃?、熱巖石圈厚度、巖石圈熱結(jié)構(gòu)等地?zé)崽卣鲄?shù).研究表明,冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1,比未校正值減小1～3 ℃·km-1; 現(xiàn)今大地?zé)崃鹘橛?8.7～79.7 mW·m-2,平均值為59.2 mW·m-2.平面上,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和熱流由西向東(從盆地邊緣向內(nèi)部)逐漸增大,并且凸起區(qū)地溫梯度和熱流相對(duì)較高,而凹陷區(qū)則偏低,與基底地形起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.同時(shí),冀中坳陷腹部高熱流凸起區(qū)廣泛分布地?zé)崽?冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度為98～109 km,其巖石圈熱結(jié)構(gòu)為一典型的“冷殼熱?！毙?本研究不僅對(duì)冀中坳陷油氣勘探與地?zé)崮荛_發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義,而且為深部巖石圈研究(華北克拉通破壞科學(xué)問題)提供了新依據(jù).
關(guān)鍵詞冀中坳陷； 地溫梯度； 大地?zé)崃鳎?巖石圈熱結(jié)構(gòu)； 渤海灣盆地
1引言
隨著1975年任丘古潛山油田的發(fā)現(xiàn),冀中坳陷成為我國最重要的潛山油氣勘探區(qū).冀中坳陷主要發(fā)育Es1,Es3,Es4-Ek和C-P四套烴源巖,而中元古界長(zhǎng)城系的高于莊組、薊縣系的霧迷山組、下古生界寒武系的府君山組和奧陶系是主要的油氣儲(chǔ)集層(杜金虎等,2002; 趙利杰等,2012; 塵福艷等,2013).近年來,華北油田加大了深潛山和潛山內(nèi)幕油氣藏的勘探力度,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了牛東1、長(zhǎng)3、寧古8等多個(gè)隱蔽性高產(chǎn)潛山油氣藏(趙賢正等,2014; Zhao et al.,2015),這表明冀中坳陷還具有良好的勘探前景.溫度是制約烴源巖成熟演化的最關(guān)鍵因素,因此正確認(rèn)識(shí)一個(gè)地區(qū)的現(xiàn)今地?zé)崽卣鲗?duì)油氣成熟演化研究具有重要意義.一些學(xué)者曾對(duì)冀中坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣鬟M(jìn)行過研究(陳墨香等,1982; 馮石和郝石生,1983; 周瑞良,1987; 龔育齡,2003; 林世輝和龔育齡,2005).陳墨香等(1982)根據(jù)鉆孔實(shí)測(cè)溫度曾研究過冀中坳陷牛駝鎮(zhèn)凸起地區(qū)現(xiàn)今地溫梯度在縱向和平面上的分布特征,并認(rèn)為巖石熱導(dǎo)率垂向-側(cè)向變化是造成這一地區(qū)地?zé)岙惓Ｐ纬傻年P(guān)鍵因素; 而周瑞良(1987)通過對(duì)華北平原北部深層地下水活動(dòng)的細(xì)致研究,認(rèn)為水動(dòng)力條件是造成冀中坳陷不同地區(qū)地溫場(chǎng)差異分布的主要因素.結(jié)合系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),馮石和郝石生(1983)曾探討過冀中坳陷饒陽凹陷和廊固凹陷現(xiàn)今熱流分布特征和新生界地層古地溫演化史; 而龔育齡(2003)及林世輝和龔育齡(2005)對(duì)整個(gè)冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度或大地?zé)崃鞣植继卣鬟M(jìn)行過研究,認(rèn)為冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度為25.8～48.8 ℃·km-1,大地?zé)崃鳛?3.9～90.0 mW·m-2,并認(rèn)為其平面分布與基底地形起伏有關(guān).
本文結(jié)合近10年來新增的一大批測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),不僅重新剖析了冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃鞣植继卣骱陀绊懸蛩?而且研究了冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度的地溫梯度平面分布特征,從而更真實(shí)地反映冀中坳陷現(xiàn)今熱狀態(tài).同時(shí),根據(jù)生熱率、熱導(dǎo)率及分層數(shù)據(jù),我們分析了冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度和巖石圈熱結(jié)構(gòu).本研究對(duì)冀中坳陷油氣和地?zé)崮芸碧脚c開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義.
2地質(zhì)背景
冀中坳陷是發(fā)育在華北克拉通之上的一個(gè)中、新生代斷陷-坳陷盆地.作為渤海灣盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,它北依燕山隆起,南抵邢衡隆起,西臨太行山隆起,東至滄縣隆起,呈北東—南西走向,面積約3.2×104km2(圖1).區(qū)域上,冀中坳陷被兩條近東西向—北西西向變換帶(即無極—衡水變換帶和徐水—安新—文安變換帶)又分割成南、中、北等三個(gè)區(qū),其中，南區(qū)包括石家莊凹陷、晉縣凹陷、束鹿凹陷、無極—藁城低凸起和寧晉凸起; 中區(qū)分布有饒陽凹陷、保定凹陷、深縣凹陷、高陽凸起、深澤低凸起及蠡縣斜坡; 北區(qū)包括北京凹陷、大廠凹陷、廊固凹陷、徐水凹陷、武清凹陷、霸縣凹陷、大興凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起、牛北斜坡、楊村斜坡及文安斜坡.另外,研究區(qū)還包括滄縣隆起的大城凸起和興起凸起(圖1).
冀中坳陷基底主要發(fā)育一套太古界及下元古界變質(zhì)巖.中、晚元古代-中奧陶世,受海侵作用影響,冀中坳陷地區(qū)主要發(fā)育淺海相碳酸鹽巖,沉積厚度達(dá)～5000 m(趙賢正等,2010; 陸詩闊等,2011).晚奧陶世-晚石炭世時(shí)期的加里東、海西運(yùn)動(dòng)致使冀中坳陷整體抬升而遭受長(zhǎng)期剝蝕(杜金虎等,2002; 陸詩闊等,2011).二疊紀(jì)時(shí)期,冀中坳陷沉積了一套海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖,厚約700～800 m(杜金虎等,2002).早中生代的強(qiáng)烈擠壓作用(印支運(yùn)動(dòng)引起的)造成冀中坳陷在三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)形成一系列褶皺,并遭受了強(qiáng)烈剝蝕,僅在其南部沉積有少量這一時(shí)期地層(楊明慧等,2001; 吳智平等,2007).晚白堊世,冀中坳陷地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由擠壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺棺饔?巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,而發(fā)育一套陸源碎屑巖夾煤層和火山巖地層(孫冬勝等,2004a,2004b).始新世晚期,受太平洋板塊俯沖誘發(fā)深部地幔物質(zhì)對(duì)流的影響,整個(gè)華北地區(qū)處于弧后伸展?fàn)顟B(tài),而冀中坳陷也進(jìn)入強(qiáng)烈伸展斷陷演化階段,受斷塊掀斜的控制,發(fā)育大量NE—NNE及NW向潛山構(gòu)造,這一時(shí)期主要沉積陸相湖盆砂巖和泥巖,夾部分泥灰?guī)r和石膏(楊明慧等,2002; 崔周旗,2005; 張文朝等,2008).新近紀(jì),華北地區(qū)的弧后拉張作用減弱,冀中坳陷地區(qū)進(jìn)入坳陷演化階段,以整體沉降為主,主要發(fā)育河流相的砂泥巖(梁蘇娟,2001; 董大偉等,2013).
圖1 (a) 渤海灣盆地構(gòu)造單元圖(據(jù)徐守余和嚴(yán)科,2005): ①遼河坳陷; ②渤中坳陷; ③黃驊坳陷; ④滄縣隆起; ⑤冀中坳陷; ⑥埕寧隆起; ⑦濟(jì)陽坳陷; ⑧臨清坳陷; ⑨內(nèi)黃隆起; ⑩東濮坳陷.(b)冀中坳陷構(gòu)造分區(qū)及測(cè)溫井和地?zé)崽锓植?修改自杜金虎等(2002),趙賢正等(2010),梁宏斌等(2010))
3熱導(dǎo)率測(cè)試與分析
本研究共選取了冀中坳陷蘇50、西59、館深1、高深1、葛2、大參1、京101、丘3、王9、磁1、榆31、西55、勝1等13口井45塊樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試,層位涉及到新生界、中生界、石炭-二疊系、下古生界、中-上元古界和太古宙; 巖性主要有砂巖、泥巖、火山巖、白云巖、灰?guī)r等.熱導(dǎo)率測(cè)試工作是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進(jìn)行的,使用儀器是德國生產(chǎn)的TCS(Thermal Conductivity Scanning)熱導(dǎo)率自動(dòng)掃描儀,其測(cè)量范圍為0.2～25 W/(m·K),精度為±3%.
圖2a顯示冀中坳陷45塊樣品的巖石熱導(dǎo)率集中于1.5～3.5 W/(m·K),主要對(duì)應(yīng)于中-新生界碎屑巖.圖2b表明冀中坳陷熱導(dǎo)率與樣品深度無明顯相關(guān)性.對(duì)于淺部碎屑巖,熱導(dǎo)率分布散亂; 而不同深度的碳酸鹽巖樣品具有相似的熱導(dǎo)率.結(jié)合龔育齡(2003)已發(fā)表的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),我們構(gòu)建了冀中坳陷熱導(dǎo)率柱(表1),為研究冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃魈峁┝丝赡?
圖2 冀中坳陷實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率直方圖(a)及不同巖性熱導(dǎo)率-深度關(guān)系圖(b)
地層時(shí)代巖性樣品個(gè)數(shù)范圍(W/(m·K))均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(W/(m·K))調(diào)和平均熱導(dǎo)率(W/(m·K))新生界(E+N)砂巖21.326～1.8041.565±0.338泥巖31.724～1.8491.777±0.065砂、泥巖*971.721.72中生界(Mz)粉砂巖51.416～3.0141.959±0.647細(xì)砂巖81.970～3.0122.427±0.373泥巖41.781～2.7922.088±0.472砂、泥巖*41.762.04上古生界(C-P)下古生界(O,∈)粗砂巖32.424～3.2222.859±0.404細(xì)砂巖71.743～3.4572.162±0.619粉砂巖13.2443.244泥巖21.765～2.7262.246±0.680砂、泥巖*72.80灰?guī)r13.73.7白云巖15.0815.081灰?guī)r*123.203.26中、上元古界(Pt2+3)白云巖72.299～4.8714.040±1.128白云巖*47.145.17太古界(Ar)花崗巖13.6113.611片麻巖*33.133.13
注：星號(hào)表示測(cè)試數(shù)據(jù)來自龔育齡(2003).
4冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布特征
沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度主要借助各種鉆孔測(cè)試溫度數(shù)據(jù)(包括系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫、試油溫度、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫、瞬態(tài)測(cè)溫等四類)進(jìn)行研究.其中,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫資料和試油溫度數(shù)據(jù)最可靠.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫指鉆孔熱平衡時(shí)間以后的測(cè)溫,一般每隔10 m或20 m測(cè)量一個(gè)溫度點(diǎn).它反映了研究區(qū)最真實(shí)的地溫狀況,測(cè)溫資料最可靠,精度最高.本次研究在華北油田勘探開發(fā)研究院收集到了冀中坳陷28口井的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),通過溫度-深度線性擬合得到了每口井的現(xiàn)今地溫梯度(圖3a—3e; 表2).其中牛駝鎮(zhèn)凸起地區(qū)的容1、雄101、雄104、淀6、淀6-3、霸8、牛8-2等鉆井的現(xiàn)今地溫梯度介于48.1～72.8 ℃·km-1,屬于高異常值.周瑞良(1987)研究認(rèn)為這與區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)有關(guān).由于這些鉆井地區(qū)受水動(dòng)力條件影響嚴(yán)重,且熱傳遞方式以熱對(duì)流為主,不能代表真實(shí)的熱狀態(tài),在研究冀中坳陷地溫梯度分布規(guī)律時(shí)應(yīng)忽略掉.其余鉆孔的地溫梯度介于27.4～39.7 ℃·km-1之間,平均值為34.7 ℃·km-1.
試油溫度是在開發(fā)井或生產(chǎn)井中的含油層段進(jìn)行試油測(cè)壓時(shí)獲得的低溫?cái)?shù)據(jù),它也能夠較真實(shí)地反映盆地的溫度狀況.本文除收集到林世輝和龔育齡(2005)已發(fā)表的400個(gè)試油溫度數(shù)據(jù)外,還搜集了華北油田近10年來新鉆的200多口探井的試油溫度數(shù)據(jù)(圖3f),測(cè)溫深度跨度為1000～6000 m,而地層溫度介于40～200 ℃之間.另外,利用公式(1)計(jì)算了其中89口代表性鉆孔的地溫梯度(圖1; 表3).
注：G表示測(cè)溫井段內(nèi)的地溫梯度(℃·km-1); Kt表示調(diào)和平均熱導(dǎo)率(W/(m·K)),根據(jù)實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率和已報(bào)道的熱導(dǎo)率(龔育齡,2003)計(jì)算得到; qs表示大地?zé)崃?mW·m-2); G0～3000表示0～3000 m統(tǒng)一深度的地溫梯度(℃·km-1).
表3 冀中坳陷89口典型試油溫度鉆孔地溫梯度和大地?zé)崃饔?jì)算結(jié)果
注：G是由公式(1)計(jì)算的地溫梯度(℃·km-1); Kt表示調(diào)和熱導(dǎo)率(W/(m·K)),根據(jù)實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率和已報(bào)道的熱導(dǎo)率(龔育齡,2003)計(jì)算得到; qs表示大地?zé)崃?mW·m-2); G0～3000表示0～3000 m統(tǒng)一深度地溫梯度(℃·km-1).
圖3 冀中坳陷鉆孔溫度-深度關(guān)系圖(a—e) 系統(tǒng)測(cè)溫曲線; (f) 試油溫度數(shù)據(jù).
圖4 冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布平面圖
圖5 冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度平面分布圖
(1)
其中,G為地溫梯度(℃·km-1); Ts為試油溫度; T0為近地表恒溫帶溫度(設(shè)為14 ℃); Z為測(cè)溫深度(km); Z0為恒溫帶深度(設(shè)為20 m).由于許多井在不同深度上有幾個(gè)溫度值,因此在同一口井可計(jì)算出多個(gè)梯度值,為此還需將同一口井不同深度上的多個(gè)地溫梯度值加以算術(shù)平均,從而得到一口井的地溫梯度值.由試油溫度計(jì)算得到的地溫梯度介于28.5～43.6 ℃·km-1(不考慮牛28井,其地溫梯度為高異常值55.0 ℃·km-1),平均值為33.2 ℃·km-1.綜合兩種測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)得到的地溫梯度,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度為27.4～43.6 ℃·km-1,平均值為33.5 ℃·km-1.
圖4是計(jì)算獲得的117口鉆孔地溫梯度平面分布圖.從平面上整體看,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度分布與下伏基底構(gòu)造基本一致.由西到東,現(xiàn)今地溫梯度總體變化趨勢(shì)為低-高-低-高,與凹-凸-凹-凸的地貌特征具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.冀中坳陷西部(太行山東麓)北京—徐水—保定—石家莊凹陷一帶,現(xiàn)今地溫梯度介于28～32 ℃·km-1; 其東部緊鄰的牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起區(qū)地溫梯度升高,達(dá)36～38 ℃·km-1; 而牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起區(qū)東部的廊固、霸縣和饒陽三大含油氣坳陷區(qū)現(xiàn)今地溫梯度又降至32～34 ℃·km-1; 之后向東地溫梯度又增大,到滄縣隆起區(qū)已增大到38～40 ℃·km-1.
另外,沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度還與深度有關(guān),一般淺部地溫梯度大于深部.因此不同鉆孔測(cè)溫深度的差異會(huì)導(dǎo)致直接利用鉆井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算的地溫梯度在空間上不具有可對(duì)比性,應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一深度范圍之后再分析地溫梯度平面分布規(guī)律.對(duì)某一口鉆井,其統(tǒng)一深度0～3000 m地溫梯度計(jì)算方法如下: 首先,結(jié)合實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率和地層分層數(shù)據(jù),利用一維熱穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)方程(5)計(jì)算獲得3000 m深度處的溫度; 然后,用計(jì)算獲得的溫度減去地表溫度后除以深度值(3 km)即為0～3000 m地溫梯度.據(jù)此,我們計(jì)算得到了冀中坳陷117口代表性鉆孔統(tǒng)一深度0～3000 m的地溫梯度(表2和3).校正后的地溫梯度分布范圍為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1.大部分系統(tǒng)測(cè)溫鉆孔校正后的地溫梯度比未校正前普遍減小1～3 ℃·km-1.圖5顯示冀中坳陷校正后地溫梯度平面分布規(guī)律與基底構(gòu)造起伏呈現(xiàn)出更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.與校正前相比,冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度降低了～2 ℃·km-1.冀中坳陷西緣地溫梯度為26～30 ℃·km-1; 牛駝鎮(zhèn)—容城—高陽凸起一帶地溫梯度增大為32～36 ℃·km-1; 廊固、霸縣和饒陽地區(qū)的地溫梯度為26～30 ℃·km-1,而東部滄縣隆起一帶地溫梯度增至34～40 ℃·km-1.
5冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植继卣?/p>
在大地?zé)崃饔?jì)算過程中,針對(duì)不同類型的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采用了不同的計(jì)算方法.對(duì)于系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),大地?zé)崃饔?jì)算公式如下:
(2)
其中,qs為大地?zé)崃?mW·m-2); Kt為調(diào)和巖石熱導(dǎo)率(W/(m·K)); dT/dZ為地溫梯度(℃·km-1).
而對(duì)于試油溫度,采用的是Chapman等(1984)提出的熱阻法,其計(jì)算公式為:
(3)
式中,qs同上; ΔZi為相鄰構(gòu)造層間的深度差; Ki為Zi深度處地層熱導(dǎo)率(W/(m·K)); Ts為試油溫度; T0為近地表恒溫帶溫度(14 ℃).
根據(jù)這兩種計(jì)算方法,獲得了冀中坳陷117口鉆井大地?zé)崃髦?表2和3).冀中坳陷大地?zé)崃髦到橛?8.7～79.7 mW·m-2之間(未考慮容1、雄101、雄104、淀6、淀6-3、霸8、牛8-2、牛28井),平均值為59.2 mW·m-2.在此基礎(chǔ)上,繪制了冀中坳陷大地?zé)崃髌矫娣植紙D(圖6).冀中坳陷西部(即太行山東麓)大地?zé)崃髌?僅為54～57 mW·m-2,向東逐漸增大,到滄縣隆起區(qū),大地?zé)崃髟龃蟮?2～75 mW·m-2.在冀中坳陷內(nèi)部,廊固、霸縣、饒陽三大凹陷區(qū)及周邊斜坡帶大地?zé)崃鳛?1～57 mW·m-2; 而凸起區(qū)(牛駝鎮(zhèn)、容城、高陽低凸起)大地?zé)崃髌?為60～69 mW·m-2,容城凸起南部高達(dá)72 mW·m-2以上.與地溫梯度分布規(guī)律相似,冀中坳陷大地?zé)崃髡共家才c基底構(gòu)造起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.另外,冀中坳陷腹部高熱流區(qū)通常分布有地?zé)崽?圖6).
6冀中坳陷巖石圈熱結(jié)構(gòu)和熱巖石圈厚度
沉積盆地大地?zé)崃髦饕蓛刹糠纸M成: 一個(gè)是地殼熱流,其熱量來自地殼淺部U、Th、K等放射性元素的衰變; 另一個(gè)是地幔熱流,其熱量來自深部地幔.巖石圈熱結(jié)構(gòu)就是指一個(gè)地區(qū)殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構(gòu)關(guān)系(Blackwell,1971).理論上,地幔熱流可以通過實(shí)測(cè)熱流與巖石生熱率之間的線性關(guān)系獲取(Birch et al.,1968).但在沉積盆地區(qū)這種線性關(guān)系不一定存在.汪緝安等(1992)提出了一種基于地表熱流、生熱率和地殼分層厚度來計(jì)算沉積盆地區(qū)地幔熱流的“回剝”方法,其計(jì)算公式如下:
(4)
式中,qc,qm和qs分別為地殼、地幔和地表熱流(mW·m-2); Ai為第i層的放射性生熱率(μW·m-3); Di為第i層的厚度(km).在計(jì)算冀中坳陷現(xiàn)今巖石圈熱結(jié)構(gòu)時(shí),構(gòu)造層分層數(shù)據(jù)參考的是龔育齡(2003)和徐杰等(2001); 淺部地層熱導(dǎo)率由本次實(shí)測(cè)值獲得,而深部熱導(dǎo)率參考龔育齡(2003); 生熱率數(shù)據(jù)來自邱楠生等(2015),詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4.經(jīng)計(jì)算,冀中坳陷地幔熱流為32.43 mW·m-2(圖7),從而得到地殼熱流為26.77 mW·m-2.Wang(1996)根據(jù)地幔和地殼熱流比例曾提出了“冷殼熱?！焙汀盁釟?冷幔”的熱結(jié)構(gòu)類型.本次研究表明冀中坳陷現(xiàn)今地殼熱流小于地幔熱流,比值為0.83,為一典型的“冷殼熱?！毙蜔峤Y(jié)構(gòu).
表4 冀中坳陷主要構(gòu)造層厚度、巖石生熱率及熱導(dǎo)率
圖6 冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃髌矫娣植紙D
圖7 冀中坳陷各構(gòu)造層熱流計(jì)算結(jié)果qs為冀中坳陷平均大地?zé)崃?
熱巖石圈是指以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的巖石圈層,其下為以熱對(duì)流為主的軟流圈(Morgan,1984).利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程(5)得到冀中坳陷巖石圈溫度隨深度變化的曲線,它們與地幔絕熱線或干玄武巖固相線的交點(diǎn)所處的深度即為“熱”巖石圈厚度.
(5)
(6)
下限: T2=1300 ℃+0.4 (℃·km-1) ×Z(km).
(7)
本文采用這種方法計(jì)算獲得,冀中坳陷現(xiàn)今熱巖石圈厚度平均值為98～109 km(圖8),比地震巖石圈(厚度為110～120 km,Zhu等(2011))薄10 km左右.
圖8 冀中坳陷熱巖石圈厚度計(jì)算結(jié)果
7討論與結(jié)論
我們通過對(duì)鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的校正計(jì)算得到,渤海灣盆地西部冀中坳陷0～3000 m統(tǒng)一深度現(xiàn)今地溫梯度為20.8～41.0 ℃·km-1,平均值為31.6 ℃·km-1,比未校正值減小～2 ℃·km-1.邱楠生等(2009)在研究渤海海域現(xiàn)今地溫梯度分布特征也曾利用相同的方法并得到相似的結(jié)果.這說明研究沉積盆地現(xiàn)今地溫梯度時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一深度溫度校正是必要的.冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃鹘橛?8.7～79.7 mW·m-2,平均值為59.2 mW·m-2.另外,前人還曾對(duì)渤海灣盆地其他坳陷現(xiàn)今地?zé)崽卣鬟M(jìn)行過研究.Guo等(2011)通過線性擬合得到黃驊坳陷板橋凹陷地區(qū)的現(xiàn)今地溫梯度為～32.6 ℃·km-1; 龔育齡等(2003)計(jì)算得到濟(jì)陽坳陷的現(xiàn)今地溫梯度為～35.5 ℃·km-1,現(xiàn)今大地?zé)崃鳛?5.8 mW·m-2.區(qū)域上,渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃骶哂袕奈飨驏|逐漸增大的趨勢(shì).這除了與沉積層生熱率有關(guān)外,還可能與華北克拉通巖石圈厚度變化有關(guān).Zhu等(2011)通過地震資料得到,渤海灣盆地從西到東巖石圈厚度從～120 km 減小到80 km.渤海灣盆地東西向現(xiàn)今地?zé)崽卣髋c巖石圈厚度具有明顯的負(fù)相關(guān)性.然而,渤海灣盆地最東部渤海海域(巖石圈厚度僅65～80 km,Zhu等(2011))現(xiàn)今地溫梯度僅為30.8 ℃·km-1(邱楠生等,2009),比其他二級(jí)構(gòu)造單元都小.這可能與后期快速沉降作用造成這一地區(qū)現(xiàn)今還未達(dá)到熱平衡有關(guān)(邱楠生等,2007; 李文正等,2014).與冀中坳陷南部相鄰的臨清坳陷現(xiàn)今地溫梯度為～31.1 ℃·km-1(龔育齡,2003);同時(shí),Zuo等(2014)研究認(rèn)為渤海灣盆地最南端東濮坳陷現(xiàn)今地溫梯度為～32 ℃·km-1.它們與冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度相近,這表明渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度并未受到南北向區(qū)域構(gòu)造的影響.另外,渤海灣盆地冀中坳陷的現(xiàn)今熱巖石圈厚度為98～109 km,而其西部的鄂爾多斯盆地?zé)釒r石圈厚度為130～140 km(汪洋和程素華,2011),其東部的濟(jì)陽坳陷熱巖石圈厚度僅為71～90 km(劉紹文等,2005; Qiu et al.,2014).這表明,與地震巖石圈相似,華北克拉通熱巖石圈也具有西厚東薄的特征(何麗娟,2014; He,2015),從而為華北克拉通破壞研究提供了新依據(jù).
綜合前人研究成果認(rèn)為,渤海灣盆地現(xiàn)今地溫梯度為30～36 ℃·km-1,大地?zé)崃鳛?8～69 mW·m-2,與西部塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地相比(馮昌格等,2009; 饒松等,2013),屬于高地溫梯度和高熱流區(qū),這主要是與區(qū)域構(gòu)造演化背景有關(guān).早期研究證實(shí)古近紀(jì)時(shí)期,渤海灣盆地處于裂陷發(fā)育期(漆家福等,1995; 侯貴廷等,2001; 丁增勇等,2008),此時(shí)地幔上拱和巖漿活動(dòng)頻繁,不僅造成深部巖石圈減薄,而且導(dǎo)致這一地區(qū)地表熱流增大到80 mW·m-2以上(左銀輝,2011).新近紀(jì)以來,隨著太平洋板塊向歐亞大陸俯沖帶后退,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)由拉張轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓,渤海灣盆地進(jìn)入坳陷發(fā)育階段.同時(shí)伴隨著巖石圈厚度增厚和火山活動(dòng)減弱,渤海灣盆地從新近紀(jì)至今一直處于熱衰減狀態(tài).但由于冷卻時(shí)間相對(duì)短,這一地區(qū)現(xiàn)今仍具有較高的地溫梯度和大地?zé)崃?王良書等,2002; 龔育齡等,2003; 邱楠生等,2009).
冀中坳陷現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃髌矫娣植寂c基底地形起伏具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.凸起區(qū)地溫梯度和大地?zé)崃髌?而凹陷區(qū)偏小.這主要是因?yàn)榘枷輩^(qū)沉積了相對(duì)較厚的沉積物,多以砂、泥巖為主,這些巖性熱導(dǎo)率通常較低,而凸起區(qū)基巖熱導(dǎo)率相對(duì)較大,沉積蓋層和基巖熱導(dǎo)率的差異產(chǎn)生了“熱折射”效應(yīng)和熱流的再分配,于是造成熱流向隆起部位聚集,結(jié)果坳陷部位形成低溫區(qū),凸起部分形成高溫區(qū)(熊亮萍和高維安,1982; Lin et al.,2000; 馮昌格等,2009; 饒松等,2013).圖6表明冀中坳陷腹部凸起區(qū)廣泛分布的地?zé)崽锱c高熱流具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.這除了與凸起區(qū)高熱導(dǎo)率有關(guān)外,還與水動(dòng)力條件有關(guān)(周瑞良,1987).在凸起區(qū),深部地下水順著開啟性較好的斷裂溶洞等通道垂向流動(dòng)到淺部新生界地層時(shí),會(huì)同時(shí)把深部熱量帶到淺部,從而形成高溫異常區(qū),即地?zé)崽?周瑞良,1987).
致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所胡圣標(biāo)研究員和博士生高鵬在巖石熱導(dǎo)率測(cè)試方面提供的幫助; 感謝華北油田研究院提供的大量基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)！
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(本文編輯何燕)
基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41125010,91114202,41402112)和中國石油大學(xué)(北京)科研基金(2462013YJRC034)資助.
作者簡(jiǎn)介常健,男,1982年生,河北人,講師,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方面的研究.E-mail:changjian@cup.edu.cn
doi:10.6038/cjg20160322 中圖分類號(hào)P314
收稿日期2015-03-31，2016-01-27收修定稿
Present-day geothermal regime of the Jizhong depression in Bohai Bay basin,East China
CHANG Jian1,2,QIU Nan-Sheng1,2,ZHAO Xian-Zheng3,XU Wei1,2,XU Qiu-Chen1,2,JIN Feng-Ming3,HAN Chun-Yuan3,MA Xue-Feng3,DONG Xiong-Ying3,LIANG Xiao-Juan3
1StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China2BasinandReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China3PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,HebeiRenqiu062552,China
AbstractAs a second major tectonic unit of the Bohai Bay basin,the Jizhong depression is a very typical area in China with enrichment of buried-hill hydrocarbon reservoirs.Based on 117 borehole temperature data and 45 measured thermal conductivity data,we studied present-day geothermal characteristics of the Jizhong depression systematically such as geothermal gradient,terrestrial heat flow,thermal lithosphere thickness and lithospheric thermal structure.The results show that the present-day geothermal gradients at depths 0～3000 m in this region range from 20.8 ℃·km-1to 41.0 ℃·km-1with a mean of 31.6 ℃·km-1,lower 1～3 ℃·km-1than uncorrected value.The heat flow varies between 48.7～79.7 mW·m-2with an average of 59.2 mW·m-2.Present-day geothermal gradients and heat flow of this depression gradually increase from west (basin margin) to east (basin interior) horizontally.These values in sub-uplift areas of the Jizhong depression are usually higher than those of the sub-depression regions,and their variations correspond to the basement relief very well.Meanwhile,the uplift areas with high heat flow in the central Jizhong depression host amounts of geothermal fields.In addition,we calculated the thickness of present-day thermal lithosphere of study area to be 98～109 km,and its lithospheric thermal structure is a “cold crust and hot mantle” type now.This study has an important guiding significance for hydrocarbon exploration and geothermal energy exploitation in the Jizhong depression,and provides new insights for deep lithosphere research (especially for the scientific problem-North China Craton destruction).
KeywordsJizhong depression; Geothermal gradient; Heat flow; Lithospheric thermal structure; Bohai Bay basin
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Chang J,Qiu N S,Zhao X Z,et al.2016.Present-day geothermal regime of the Jizhong depression in Bohai Bay basin,East China.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):1003-1016,doi:10.6038/cjg20160322.
