王朱亭，胡圣標，王一波，姜光政，張超

1 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，徐州江蘇 221116 2 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029 3 成都理工大學，成都 610059

0 引言

大地熱流是地球內(nèi)部熱動力過程在地表最直接的體現(xiàn)，反映了巖石圈熱狀態(tài)和能量的平衡，其中蘊含著豐富的地質(zhì)、地球物理和地球動力學信息(Furlong and Chapman, 2013; He, 2015; Hu et al., 2000).因而，開展大地熱流測量是研究區(qū)域現(xiàn)今地溫場特征和深部巖石圈熱結(jié)構(gòu)最為重要的工作之一.大地熱流的定義為單位面積、單位時間以熱傳導的方式由地球內(nèi)部傳輸至地表，而后散發(fā)到太空中的熱量.由于大地熱流的熱傳導屬性，使得其在計算的過程中會受到許多因素的影響，尤其是地下水對流等(胡圣標等, 2001; 姜光政等, 2016; 汪集暘, 2015).而大地熱流在數(shù)值上等于地溫梯度與巖石熱導率的乘積，對熱流值計算的影響最終歸根于地層溫度波動和巖石熱導率差異上.因此，對計算出的熱流值的可靠性分析同樣是一項重要工作.通常，在熱流數(shù)值匯編的過程中，根據(jù)熱流值的質(zhì)量或可靠性把其劃分為A、B、C、D類等(汪集旸和汪緝安, 1986).

對于大地熱流計算過程中的影響因素，從不同的尺度可以劃分為：(1)淺部影響因素.主要包括地下水活動和巖石熱導率差異兩個方面；地下水的流動會對地層溫度有著顯著的影響，在補給區(qū)，地下冷水的下滲會將圍巖中的熱量帶走，促使該區(qū)域熱流值低于背景熱流值；在遷流區(qū)，地下水以水平運動為主，沿途不斷吸收圍巖的熱量，熱流值沿地下水流方向逐漸增加，局部地段的熱流值近似于背景熱流值；在排泄區(qū)，地下水將深部的熱量攜帶至淺部，使地表熱流值顯著增加.巖石熱導率對熱流值計算的影響主要體現(xiàn)在在基巖起伏區(qū)上覆沉積蓋層段，由于基巖相對于上覆沉積巖具有更高的熱導率，熱量在向上傳輸?shù)倪^程中會優(yōu)先向基巖凸起區(qū)匯聚，最終造成基巖凸起區(qū)沉積蓋層段相對于凹陷區(qū)沉積蓋層具有更高的地溫梯度值或熱流值.(2)深部控制因素.對于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，主要包括地殼厚度、放射性生熱率等，上地殼中異常富集的放射性生熱元素會造成地表熱流異常；對于構(gòu)造活躍區(qū)，巖漿作用、火山活動等同樣會對地表熱流值產(chǎn)生巨大的影響.

對于牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)，其淺表存在熱異常，沉積蓋層段的地溫梯度值達45.0 ℃·km-1以上，地表熱流值在90.0 mW·m-2左右(陳墨香等, 1982; 李衛(wèi)衛(wèi)等, 2014; 王朱亭等, 2019).對于其熱異常的成因，不同的學者開展了相應的研究，認為渤海灣盆地巖石圈的減薄且破碎，地幔物質(zhì)的上涌使得該區(qū)域具有較高的熱背景，同時淺部基巖起伏產(chǎn)生的熱折射及地下水對流共同造成了該區(qū)域的熱異常(Guo et al., 2019; Yue et al., 2019; Chun and Jiang, 2018; Ting and Wei, 2021).但是，上述研究主要是從深部構(gòu)造熱活動和淺部熱量再分配等方面進行的概述性描述，缺少相應的量化研究，尤其是針對巖溶型白云巖層高滲性對上覆地層溫度影響大小的研究尚為空白.本文以牛駝鎮(zhèn)凸起及周邊區(qū)域鉆井測溫、巖石熱物性測試、鉆井地層數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合數(shù)值模擬手段，開展白云巖層高滲性對上覆地層段熱流值計算影響大小的研究.

1 區(qū)域地質(zhì)背景

牛駝鎮(zhèn)凸起位于渤海灣盆地西部，處于冀中坳陷區(qū)中央基巖凸起帶上，總體呈北東向展布，面積約為400 km2.凸起區(qū)的西部為徐水凹陷，北部為廊坊—固安凹陷，東部為霸縣凹陷，南部為保定凹陷、饒陽凹陷等(楊海盟等, 2014; 于長春等, 2017).新生界地層作為凸起區(qū)蓋層覆蓋全區(qū)，巖性主要為砂泥巖；中、古生界地層因受中新生代時期的構(gòu)造作用，地層抬升遭受剝蝕，使得該地層在區(qū)內(nèi)大部分缺失，造成新生界地層直接覆蓋在元古界白云巖層之上；太古界地層主要以片麻巖、花崗片麻巖、變粒巖等結(jié)晶變質(zhì)巖為主，主要分布在牛駝鎮(zhèn)凸起北西側(cè)固安斷裂、東側(cè)牛東斷裂形成的斜坡帶上，根據(jù)已知的鉆井地層信息，該巖層最淺埋深僅為1.6 km左右(圖 1)(Wang et al., 2019b; 陳墨香等, 1982; 何登發(fā)等, 2018a).最后，牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)斷裂構(gòu)造廣泛發(fā)育，如東側(cè)的牛東斷裂、南側(cè)的徐水—雄縣斷裂、西側(cè)的牛西或容城斷裂等，由于上述斷裂主要發(fā)育在拉張構(gòu)造環(huán)境下，斷層均為正斷層，斷層深度不等，有些斷裂深度可達變質(zhì)結(jié)晶基地.作為渤海灣盆地的一部分，牛駝鎮(zhèn)凸起發(fā)育有一套太古宙-古元古代變質(zhì)結(jié)晶基底；中元古代華北克拉通經(jīng)歷陸內(nèi)裂谷作用，主要發(fā)育淺海相碳酸鹽巖，沉積了較厚的地層；新元古代-古生代, 構(gòu)造活動以整體性的升降運動為主，地層而遭受長期剝蝕；新近紀-第四紀,牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)進入坳陷演化階段，整體以沉降為主(常健等，2016；何登發(fā)等, 2018b).

2 地熱地質(zhì)背景

2.1 鉆井測溫曲線

鉆井測溫是獲取一個地區(qū)現(xiàn)今地溫場最直接的手段，根據(jù)鉆井測溫曲線獲取的地溫梯度值也是大地熱流計算過程中一個重要的環(huán)節(jié).雖然鉆井測溫曲線記錄的是不同深度鉆井液的溫度，但根據(jù)鉆井測溫曲線的形態(tài)可以反映出相應的地熱地質(zhì)信息，如導水斷裂的位置、地層滲透性及地下水的補給與排泄等(饒松等, 2016; 徐明等, 2011).對于以熱傳導為主的測溫曲線，受巖石熱導率的影響，地層溫度隨深度表現(xiàn)為全井段線性或分段線性增加；當鉆井遭遇導水斷裂或高滲層時，測溫曲線會偏離線性，呈現(xiàn)局部升溫或降溫；在地下水的補給區(qū)，鉆井測溫曲線呈“下凹型”，在地下水的排泄區(qū)，測溫曲線呈“上凸型”，上凸和下凹的形態(tài)與幅度取決于地下水上涌或下滲的速率(Wang et al., 2019a).由于鉆井測溫曲線具有上述重要的地熱地質(zhì)屬性，在本次研究過程中，共涉及6口鉆井測溫曲線，其中實際測量4口(安01、溫泉花園3、天驥井、獻縣)，搜集2口(岔2、岔9). 鉆井測溫曲線如圖2所示.

圖1 (a) 牛駝鎮(zhèn)凸起及周邊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造； (b) 連井剖面； (c) 地層剖面圖(李衛(wèi)衛(wèi)，2014)Fig.1 (a) Geological structure map of Niutuozhen uplift and its surrounding area； (b) Connecting-well profiles； (c) Stratigraphic section

圖2 牛駝鎮(zhèn)凸起及周邊鉆井測溫曲線(Wang et al., 2021；常健等, 2016; 姚亞輝等, 2020)Fig.2 Borehole temperature logging in Niutuozhen uplift

圖中，安01和溫泉花園3井位于牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)，獻縣井位于牛駝鎮(zhèn)凸起東南部獻縣凸起區(qū)，天驥井位于東部滄縣隆起區(qū)；這些鉆井典型的特征是鉆探揭示白云巖層，而白云巖層溫度較為特殊，不同于傳導型測溫曲線地層溫度隨深度的線性增加，也不同于導水斷裂造成地層溫度的強烈波動，該巖層溫度表現(xiàn)為高度均一化.對于安01井，鉆井地層包含底部1000 m厚度的變質(zhì)基巖層，從測溫曲線線性特征可以看出熱量在底部變質(zhì)基巖層段內(nèi)的傳輸以熱傳導為主，因而該巖層地層溫度能夠反映該區(qū)域深部溫度場特征，同時通過該層段計算的熱流值也是后續(xù)開展數(shù)值模擬研究一個重要的邊界條件.對于岔2井和岔9井，其位于牛駝鎮(zhèn)凸起東部相鄰的霸縣凹陷區(qū)內(nèi)，鉆井地層為沉積砂巖等，溫度隨深度線性增大；同其他測溫曲線相比，由于這兩口鉆井位于凹陷區(qū)內(nèi)，在同等埋深下地層溫度相對較低.

根據(jù)最小二乘法對上述鉆井測溫曲線沉積蓋層段的地溫梯度值進行計算(Bullard, 1939)，線性回歸方程式如下：

T(z)=T0+GZ，

(1)

其中G代表地溫度，℃·km-1；T0代表恒溫帶溫度，一般用多年平均氣溫值代替；T(z)代表深度Z處的溫度值，最終計算的結(jié)果如表1所示.

表1 代表性鉆井沉積蓋層段地溫梯度值Table 1 Geothermal gradient in the sedimentary layer for the typical boreholes

從表中可以看出，在白云巖層埋深較淺的基巖凸起地區(qū)，沉積蓋層段地溫梯度值異常高，以安01井為例，蓋層段的地溫梯度值高達50.8 ℃·km-1，關于其成因機制，通常認為熱導率差值產(chǎn)生的熱折射以及白云巖高滲性產(chǎn)生的地下水對流共同造成牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)淺表溫度異常.同時，通過對比表中不同鉆井沉積蓋層段的地溫梯度值，可以發(fā)現(xiàn)隨著白云巖層埋深的增大或沉積層厚度的增加，蓋層段的地溫梯度值逐漸減小并趨于正常(表1)，可認為渤海灣盆地沉積層段地溫梯度正常值在36.0 ℃·km-1左右.這表明，一定厚度的白云巖層由于其高滲性產(chǎn)生的地下水對流對上覆地層溫度影響的幅度與范圍同樣具有一定的大小，當沉積蓋層厚度足夠大時，白云巖層由于其物性特征對上覆地層溫度或地溫梯度值的影響可以或略不計.溫泉花園3和獻縣井的蓋層埋深僅差135 m，而蓋層段地溫梯度差值在10.0 ℃·km-1左右.二者較大差異的原因可能為：從構(gòu)造單元劃分看，溫泉花園3井位于冀中坳陷內(nèi)牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)而獻縣井位于滄縣隆起獻縣凸起區(qū)，兩者凸起區(qū)和周邊凹陷區(qū)沉積蓋層厚度差異大小及沉積巖與基巖熱導率差異大小的不同都會對凸起區(qū)沉積蓋層段地溫梯度的大小產(chǎn)生影響.總之，由于渤海灣盆地內(nèi)廣泛發(fā)育有巖溶型白云巖層，而其層內(nèi)熱對流效應確實能夠造成淺表異常，因而研究其高滲性對上覆地層溫度場的影響大小與范圍對后續(xù)地表熱流值可靠性分析及巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究有重要的意義.

2.2 巖石熱導率和生熱率

在本次研究中，實際測量加搜集共計獲取牛駝鎮(zhèn)凸起及其周邊區(qū)域213塊鉆井巖心樣品的熱導率值(Wang et al., 2021；Yue et al., 2019；Cui et al., 2019)；其中包含52塊沉積砂巖，115塊白云巖及46塊變質(zhì)基巖.測量結(jié)果如圖3所示.對于沉積蓋層段的砂泥巖，其熱導率值的范圍為0.62～6.81，主要分布區(qū)間為1.0～3.0，平均值為2.15，石英含量越高其熱導率值越大；對于白云巖層段，熱導率值異常高，范圍為2.24～14，主要集中分布在4.0到8.0之間，平均值高達5.46，該層段熱導率值較大的跨度范圍與其泥質(zhì)含量有關，泥質(zhì)含量越高其熱導率率值越小；對于底部變質(zhì)基巖層段，巖性主要為片麻巖、變粒巖等，其熱導率的范圍為1.69～6.65，平均值為3.13.對于巖石生熱率，實際測量15塊沉積砂巖樣品，范圍為0.15～1.95，平均值為0.98；白云巖共計84塊，范圍為0.03～3.29，主要集中分布與0.03到1.0之間，平均值為0.56；對于變質(zhì)基巖層段，其生熱率值的范圍為0.03～4.27，平均值為0.79.根據(jù)上述描述，可以看出該區(qū)域沉積蓋層段及底部變質(zhì)基巖層段相對于白云巖層段具有較小的巖石熱導率以及較高的巖石生熱率值.上述巖石熱物性資料是后續(xù)溫度場分析、熱流值計算及數(shù)值模擬研究重要的參考依據(jù).

圖3 不同類型巖石樣品熱導率和生熱率值Fig.3 Thermal conductivity and radioactive heat production for different rock types

2.3 大地熱流分析

由于大地熱流值在數(shù)值生等于地溫梯度與巖石熱導率的乘積，根據(jù)傅里葉定律(Powell et al., 1988)，熱流值可以由公式計算得出：

(2)

其中，Q為大地熱流，mW·m-2；K為巖石熱導率，W·m-1·K-1； dT/dZ為地溫梯度，℃·km-1.負號代表大地熱流方向與地溫梯度方向相反，通常情況下，對于特定的鉆孔而言，大地熱流值可以視為定值.

在本次熱流分析中，首先對渤海灣盆地熱流分布特征進行統(tǒng)計分析，結(jié)合安01井底部變質(zhì)基巖層段熱流值大小，進而確定該區(qū)域背景熱流值.通過對比安01井沉積蓋層與變質(zhì)基巖層段熱流值的差值，從而對巖溶型白云巖層內(nèi)流體對流以及熱導率側(cè)向差異產(chǎn)生的熱折射對牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)地表熱流值影響大小有一定的認知.在后續(xù)的研究中，重點研究高滲層內(nèi)流體對流對地表熱流值影響的大小，這是由于熱導率側(cè)向差異產(chǎn)生的熱折射從本質(zhì)上屬于熱傳導效應，相對于熱對流其傳熱效率較低，因而對淺表地層溫度的影響較小.

首先，對渤海灣盆地及周邊熱流測點進行搜集整理，共計718個，其中391個來自第四次大地熱流匯編，327個來自油田相關的資料(Jiang et al., 2019; 龔育齡等, 2003).根據(jù)搜集整理的熱流數(shù)據(jù)，繪制渤海灣盆地熱流分布圖及分布直方圖(圖4b)，從圖4b中可以看出該區(qū)域熱流主要分布在50.0～70.0 mW·m-2之間，熱流平均值在65.0 mW·m-2左右.其次，對安01井底部變質(zhì)基巖層段熱流值進行計算，通過公式(1)計算得出該層段平均地溫梯度值為18.6 ℃·km-1，平均熱導率值為3.13，通過二者的乘積可知該層段熱流值在58.2 mW·m-2左右.由于安01井變質(zhì)基巖層段上部碳酸鹽層、沉積巖層的厚度及生熱率值已知，通過變質(zhì)基巖層段的熱流值累加上上覆碳酸鹽和沉積巖層生熱率的熱流值貢獻(公式(3))(Furlong and Chapman, 2013; Morgan and Sass, 1984).通過上述計算分析可以得知，安01井或牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)周邊真實地表熱流值應為59.6 mW·m-2左右.

Qb=Qo-A·ΔZ，

(3)

式中，Qb為巖層底部熱流值，Q0為巖層表面熱流值，A為該巖層生熱率值，ΔZ為該巖層厚度.

通過上述對渤海灣盆地熱流分布特征以及安01井底部變質(zhì)基巖層段熱流值進行分析，可知牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)熱流背景值在60.0 mW·m-2左右.然而，通過對安01井沉積蓋層段熱流值進行計算，對于該層段巖石熱導率，由于巖心樣品并非來自該鉆井，因而不再對巖石熱導率的進行溫度、壓力及飽水校正，沉積蓋層段平均熱導率值取1.76(Rhee, 1975; 郭颯颯等, 2020)；蓋層段地溫梯度平均值為50.6 ℃·km-1，通過熱導率與地溫梯度的乘積可知該鉆井蓋層段熱流值在89.4 mW·m-2左右.因而，該區(qū)域沉積蓋層段的“熱流值”與真實熱流背景值差值在30.0 mW·m-2左右.由于渤海灣盆地廣泛發(fā)育有巖溶型白云巖層，而白云巖層內(nèi)流體對流確實能夠造成淺表溫度異常，這很容易影響后續(xù)對巖石圈熱結(jié)構(gòu)甚至地球動力學的分析.其次，通過前面對不同鉆井沉積蓋層段的地溫梯度值進行分析可知，隨著白云巖層埋深的增加，蓋層段的地溫梯度值在逐漸減小，對應的沉積層段的熱流值也會逐漸較小，可以預知，當沉積蓋層厚度足夠大時，沉積蓋層段的“熱流值”會逐漸接近該區(qū)域熱流背景值大小.如本次研究中的岔9和岔2井，其位于霸縣凹陷內(nèi)，沉積蓋層的厚度較大，蓋層段的熱流值分別為50.6和60.4 mW·m-2左右，能夠反映該區(qū)域真實熱流值大小.因而，開展一定厚度高滲性白云巖層內(nèi)地下水對流對上覆熱流值計算段地層溫度影響的幅度與范圍研究能夠使我們更加正確的認識該區(qū)域計算熱流值的可靠性，進而更加可靠的進行巖石圈熱結(jié)構(gòu)及地球動力學分析等.

圖4 (a) 渤海灣盆地大地熱流分布圖； (b) 渤海灣盆地熱流分布直方圖Fig.4 (a) Heat flow distribution map of Bohai Bay Basin; (b) Heat flow distribution histogram of Bohai Bay Basin

3 模型方法

3.1 概念模型和數(shù)學模型

根據(jù)牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)地質(zhì)地層信息，建立以下概念模型，對高滲性白云巖層內(nèi)地下水流動對上覆地層溫度影響的大小與范圍開展研究.在研究的過程中，通過簡化把模型簡化為上部沉積蓋層段、中部高滲性白云巖層段及底部變質(zhì)基巖層段.研究的內(nèi)容主要包括兩部分：一是當高滲性白云巖層埋深一定時(本次研究中其埋深設定為2 km)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)D值的大小來實現(xiàn)(圖 5a)，研究不同高滲性白云巖層厚度(D)內(nèi)地下水流動對上覆地層溫度場影響的大小；二是當高滲性白云巖層厚度一定時，通過調(diào)節(jié)參數(shù)L值，來研究高滲層在不同埋深下其上覆地層溫度受其熱對流影響的大小，在本次研究中，高滲性白云巖層厚度設定為2 km(圖5b).在上述思路指引下，開展數(shù)值模擬研究，通過對比模型表面熱流值與熱通量值的差別，來確定高滲性巖層內(nèi)地下水對流對淺表地層段熱流值的影響大小.

圖5 (a) 高滲層不同厚度等埋深研究模型； (b) 高滲層等厚度不同埋深研究模型Fig.5 (a) Research model for the high permeability formation with different thicknesses under a certain buried depth; (b) Research model for the high permeability formation with different buried depths under a certain thickness

根據(jù)上述概念模型開展研究，主要考慮水熱耦合關系，這是由于地下水在流動的過程中產(chǎn)生的熱對流會影響溫度的分布，而溫度的變化會影響地下水相關的參數(shù)進而影響地下水流動(Clauser and Villinger, 1990; Dong et al., 2018).在研究的過程中，把巖石地層視作為多孔介質(zhì)，其內(nèi)部流體流動滿足達西定律；對于其傳熱方式，包含熱傳導和熱對流，用多孔介質(zhì)傳熱表示(Wagner et al., 2013).對于模型中的沉積砂巖和變質(zhì)基巖層，由于其滲透性較差為非滲透層；對于巖溶型白云巖層，其具有異常高的滲透率，地下水可以在層內(nèi)流動(Liu et al., 2019; Pandey et al., 2017).多孔介質(zhì)傳熱控制方程為

(5)

式中T代表溫度，Q代表熱源項，μ為滲透流速，ρ和CP代表多孔介質(zhì)密度和比熱.對于巖層內(nèi)地下水流動，其控制方程為

(6)

(7)

式中ρf代表地下水水的密度，Qm為質(zhì)量流項.

3.2 初始值及邊界條件

根據(jù)渤海灣盆地或牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)現(xiàn)今地溫場特征，該區(qū)域地溫度梯度在35.0 ℃·km-1左右，因而以該梯度值為依據(jù)設定模型垂向地層溫度的初始值(Liu et al., 2016; Qiu et al., 2014; 左銀輝等, 2013).對于模型表面溫度，選取該區(qū)域年平均氣溫14 ℃；對于模型底部，采用安01井變質(zhì)層段熱流值58.2 mW·m-2.模型兩側(cè)邊界均采用熱絕緣且無橫向水流，詳細的參數(shù)資料如表2所示.

4 結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述數(shù)據(jù)資料和研究思路，對模型進行計算，時間尺度為1百萬年.首先研究一定厚度的高滲層在不同埋深情況下對地表熱流值的影響大小，高滲層的厚度保持2.0 km不變，埋深從1.2 km漸變至3.6 km深度.圖6是高滲透層在埋深為3.2 km時地層溫度分布情況，從圖中可以看出，由于白云巖層具有異常高的滲透率，垂向上地層溫度的增加使得地下水密度減小，從而在垂向上產(chǎn)生負浮力，進而引起層內(nèi)地下水對流使得高滲層溫度呈高度均一化，這也是3.2～5.3 km深度范圍高滲性巖層內(nèi)溫度擾動強烈的原因.同時，高滲層內(nèi)地下水流動產(chǎn)生的熱對流效應使得熱量能夠從底部快速的向上傳輸，從而使高滲層上覆一定范圍內(nèi)巖層的溫度發(fā)生波動，造成溫度異常.如圖6中2.0至3.2 km深度范圍內(nèi)的等溫線產(chǎn)生一定程度的波動.對于其他深度區(qū)間內(nèi)的溫度，由于其巖層滲透率較低，層內(nèi)熱量的傳輸以熱傳導為主，溫度等值線呈直線分布.

表2 模型計算相關參數(shù)值Table 2 Parameters used in the conceptual model

根據(jù)上述計算結(jié)果，對模型表面地表熱流值數(shù)據(jù)進行提取并繪制成圖7，白云巖高滲層的埋深分別為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6 km.從圖中可以看出，當高滲層埋深為1.2 km時，高滲層內(nèi)地下水對流對上覆蓋層段熱流值造成較大的波動，局部熱流值高達90.0 mW·m-2以上，模型表面地熱熱流平均值為88.5 mW·m-2左右.但隨著白云巖高滲層埋深的增加，層內(nèi)熱對流對上覆地層熱流值的影響在逐漸減小，如當高滲層埋深為1.6 km時，表面平均熱流值為86.0 mW·m-2，當其埋深增加至2.4 km時，熱流平均值為83.0 mW·m-2.當白云巖高滲層埋深足夠大時，其層內(nèi)地下水對流對地表熱流值的影響可以忽略不計；如當其埋深為2.8、3.2、3.6 km時，模型表面的熱流值波動較小且其平均值分別為80.0、78.0、76.0 mW·m-2左右.從上述的分析可知，隨著高滲層埋深厚度埋深每增加0.4 km，其地表熱流平均值減小大約3.0 mW·m-2左右，且當高滲層厚度埋深增加至3.0 km左右時，高滲層內(nèi)地下水對流對地表熱流值的影響可以忽略.上述研究的前提是白云巖高滲層的厚度為2.0 km不變，可以分析得知隨著白云巖高滲層厚度的增加，其層內(nèi)熱對流效應對上覆地層溫度影響的幅度和范圍也會逐漸增大.

其次，研究白云巖高滲透層在埋深一定的情況下，不同高滲透層厚度對上覆地層溫度場或熱流值影響大小和規(guī)律，高滲透層的厚度從0.5到3.0 km不等.從計算結(jié)果可以看出隨著高滲層厚度的增大，其層內(nèi)地下水對流對上覆地層溫度的影響的大小越大.當高滲透層厚度為0.5 km，即D=0.5時，由于高滲透厚度較小，其層內(nèi)熱對流效應較弱，因而對模型表面熱流值的影響較?。坏请S著高滲透層厚度的增大，其層內(nèi)地下水流動對上覆地層熱流值的影響越大，模型表面熱流值的波動越強烈.如當高滲透層厚度為0.5 km時，熱流值保持80.0 mW·m-2基本不變；但是當厚度增加至3.0 km時，熱流值波動較大，最高熱流值可達95.0 mW·m-2以上，平均值為88.0 mW·m-2左右(圖 8).

圖6 高滲層下溫度場分布特征Fig.6 Temperature distribution characteristics under the high permeability formation

圖7 高滲透層不同埋深下模型表面熱流值分布特征Fig.7 Heat flow distribution characteristics on the calculation model surface under different buried depth of the high permeability formation

圖8 高滲透層不同厚度下模型表面熱流值分布特征Fig.8 Heat flow distribution characteristics on the calculation model surface under different thickness of the high permeability formation

5 結(jié)論

本文通過實際測量和搜集牛駝鎮(zhèn)凸起及周邊區(qū)域6口典型鉆井測溫曲線和213塊巖石熱物性資料，對該區(qū)域地溫場分布特征及不同巖層熱物性資料有了詳盡的認識.

首先，牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)地層巖石熱物性大小具有明顯的分層性，上部沉積砂巖和底部變質(zhì)基巖相對于白云巖具有相對較低的熱導率和較高的生熱率值.如沉積砂巖熱導率和生熱率的平均值分別為2.15，0.98，而白云巖層具有異常高的熱導率值和異常低的生熱率值，其平均值為5.46和0.56.上述巖層熱導率的大小是分析不同巖層溫度分布特征的重要部分，如白云巖層異常高的熱導率值在一定程度上導致了該巖層溫度分布具有相對均勻的特征(地溫梯度值小).

其次，鉆井測溫結(jié)果顯示牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)沉積蓋層段具有異常高的地溫梯度值，在50.0 ℃·km-1左右，而周邊霸縣凹陷區(qū)沉積巖層段地溫梯度值僅為32.0 ℃·km-1左右，說明沉積蓋層厚度差異產(chǎn)生的側(cè)向熱導率變化所引發(fā)的熱折射效應對蓋層段地層溫度分布有一定的影響.尤其是經(jīng)過對牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)安01鉆井開展鉆井測溫，獲取該區(qū)域底部變質(zhì)基巖層段溫度場分布特征，其層段地溫梯度值為18.6 ℃·km-1，結(jié)合巖層熱導率值，計算得知其熱流值在58.2 mW·m-2左右.通過變質(zhì)基巖上部巖層段的熱流值累加上上覆碳酸鹽層和沉積巖層生熱率的熱流值貢獻，可以得知安01井或牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)周邊真實地表熱流值應為59.6 mW·m-2左右.相比于受到地下水對流或熱折射效應影響的沉積蓋層段90.0 mW·m-2的“熱流值”，通過該變質(zhì)基巖層段計算出的地表熱流值更加能夠反映該區(qū)域的熱流值背景，該熱流值也是后續(xù)進行巖石圈熱結(jié)構(gòu)及地球動力學分析重要的依據(jù)，同時也是數(shù)值模擬研究中重要的邊界條件.

另外，由于巖溶型白云巖層的存在，其層內(nèi)地下水流動造成牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)沉積蓋層段具有異常高的地溫梯度值，在50.0 ℃·km-1左右，但是隨著白云巖高滲層埋深的增大，其上覆沉積蓋層段的地溫梯度值逐漸降低，這說明一定厚度高滲透層內(nèi)熱對流效應對上覆地層溫度的影響具有一定的大小和幅度.根據(jù)實測資料，對高滲透層在等厚度不同埋深情況下對上部地層溫度影響的范圍開展水熱耦合研究，結(jié)果表明，一定厚度下高滲透層內(nèi)地下水對流對地表熱流值的影響隨著其埋深的增加而減小，當高滲透層厚度為2.0 km且埋深達3.0 km及以上時，其層內(nèi)熱對流效應對地表熱流值的影響幾乎可以忽略.同時，當高滲透巖層埋深一定時，其層內(nèi)地下水對流對地表熱流值的影響會隨著其厚度的增加而增大.