楊露梅，鄺榮禧，郭 慧，左麗瓊，茍富剛，許書剛，張 碩

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018)

0 引 言

蘇南現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)是我國(guó)第一個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)，踐行綠色低碳的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式是實(shí)現(xiàn)區(qū)域現(xiàn)代化建設(shè)、追求高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑。隨著國(guó)家對(duì)雙碳目標(biāo)的明確，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在需求，國(guó)家對(duì)清潔能源的開發(fā)利用已經(jīng)越來(lái)越重視。地?zé)崮茏鳛橐环N非碳基清潔能源，加大對(duì)其的開發(fā)利用對(duì)于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排、雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。為了準(zhǔn)確評(píng)估蘇南地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)潛力，開展蘇南地區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征的研究，是計(jì)算地?zé)豳Y源量的重要前提[1]。

蘇南隸屬于下?lián)P子陸塊，對(duì)于下?lián)P子區(qū)，因其地溫場(chǎng)和大地?zé)崃骶哂袇^(qū)域性的特征，吸引了諸多學(xué)者開展了大量的針對(duì)性的研究[2-4]，并取得了一系列的成果?，F(xiàn)有的研究表明，蘇北盆地和郯廬斷裂帶是高熱流密度和高地溫梯度區(qū)，下?lián)P子區(qū)大部分的現(xiàn)今地溫梯度為18～25 ℃/km，蘇北盆地地溫梯度較高(平均為30 ℃/km)?？傮w而言，成果多是大區(qū)域的，且對(duì)蘇北盆地地溫場(chǎng)研究較深入，而蘇南地區(qū)作為同屬于下?lián)P子陸塊的區(qū)域，其地溫場(chǎng)相關(guān)的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有的研究對(duì)蘇南地區(qū)地?zé)豳Y源量評(píng)估和開發(fā)利用指導(dǎo)性不高。本文收集區(qū)內(nèi)39口地?zé)峋疁y(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)研究區(qū)及周邊地區(qū)地?zé)釘?shù)據(jù)，對(duì)蘇南地區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征開展精細(xì)研究，同時(shí)分析地溫場(chǎng)的主要影響因素，為蘇南地區(qū)地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

蘇南地區(qū)在構(gòu)造上隸屬于下?lián)P子陸塊，地跨蘇皖前陸盆地和江南古陸西北緣的江南被動(dòng)陸緣(江南過(guò)渡帶)兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元[5]。晉寧運(yùn)動(dòng)形成區(qū)內(nèi)淺變質(zhì)巖基底，自震旦紀(jì)—三疊紀(jì)形成一套分布穩(wěn)定蓋層沉積，晚侏羅世以來(lái)，由于太平洋板塊擴(kuò)張活動(dòng)而進(jìn)入強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)期，使早期板塊體系瓦解，以深大斷裂和斷塊差異性活動(dòng)為主要特征，并伴隨強(qiáng)烈?guī)r漿浸入和噴出活動(dòng)。蘇南可劃分為蘇北坳陷、中部隆起、蘇南坳陷和南通—太湖隆起等構(gòu)造單元(圖1)。

2 研究區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征

2.1 鉆井測(cè)溫曲線

采用鉑電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)量精度為0.1 ℃，測(cè)量范圍0～80 ℃。本次共收集到39個(gè)地?zé)峥椎暮?jiǎn)易測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和6個(gè)孔的穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)[6]，選取溧陽(yáng)天目湖RLT1井、滸墅關(guān)RGD1井等13口井的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)繪制了鉆孔溫度-深度曲線，從測(cè)溫剖面可以看出，深部溫度隨著深度的增加而逐漸增高，顯示出良好的線性特點(diǎn)，具有傳導(dǎo)性地?zé)岬奶卣?圖2)[7-9]。

圖2 蘇南地區(qū)鉆孔溫度-深度曲線(數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[6] )Fig.2 Plot showing the change of geo-temperature with depth(data from ref.[6])

2.2 地溫梯度的分布特征

地溫梯度表示溫度隨深度的變化速率，采用最小二乘法計(jì)算地溫梯度[1]。對(duì)簡(jiǎn)易測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采用“三點(diǎn)法”結(jié)合穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正[9-10]。通過(guò)計(jì)算得到蘇南地區(qū)地溫梯度范圍為14.9～26.5 ℃/km，平均值為21.3 ℃/km，比蘇北盆地低(平均地溫梯度為30 ℃/km)。結(jié)合蘇南地區(qū)周邊23個(gè)已發(fā)表的地溫梯度數(shù)據(jù)(表1)繪制了蘇南地區(qū)3000 m以淺的地溫梯度分布圖(圖3)[2，11-12]。在3000 m以淺的計(jì)算區(qū)間，蘇州市南部和江寧區(qū)、溧水區(qū)與句容市交界地區(qū)是高地溫梯度區(qū)，平均地溫梯度值高于24 ℃/km，主要集中在構(gòu)造隆起區(qū)(中部隆起、南通—太湖隆起)。

表1 蘇南地區(qū)地?zé)峋販靥荻冉y(tǒng)計(jì)[2，11-12]Table 1 Statistics of geothermal gradients of geothermal wells in Southern Jiangsu[2，11-12]

2.3 深部地溫分布特征

蘇南目前有地?zé)峋?9口，大部分集中在3000 m以淺。根據(jù)本次收集的地?zé)峋疁y(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，深部地溫采用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程[13-14]來(lái)或者由已知的平均地溫梯度來(lái)估算[15]，繪制了1000 m、2000 m和3000 m 深度地溫場(chǎng)分布圖(圖4—圖6)[16]。1000 m埋深下，蘇南大部分地區(qū)的溫度低于45 ℃，南京湯山地區(qū)存在地溫異?？蛇_(dá)到55 ℃以上；2000 m埋深下，蘇南大部分地區(qū)的溫度低于65 ℃，南京湯山地區(qū)、江寧區(qū)、溧水區(qū)與句容市交界地區(qū)、吳中區(qū)臨湖地區(qū)、吳江區(qū)松陵鎮(zhèn)西南部等地，在2000 m埋深出現(xiàn)區(qū)域上的高值點(diǎn)，可達(dá)65 ℃以上；3000 m埋深下，蘇南大部分地區(qū)的溫度低于90 ℃，僅在吳中區(qū)臨湖地區(qū)、吳江區(qū)松陵鎮(zhèn)西南部3000 m地溫可達(dá)到95 ℃以上，而在宜溧山區(qū)及浦口區(qū)地層溫度與區(qū)域相比略低，與地溫梯度較低相對(duì)應(yīng)。不同深度地溫場(chǎng)特征在平面上表現(xiàn)出相同的規(guī)律，中部隆起、南通—太湖隆起區(qū)高于蘇北坳陷、蘇南坳陷區(qū)，且與地溫梯度的分布規(guī)律相近，深度越大，分布特征越相似[16]。

圖4 蘇南地區(qū)1000 m深度地溫場(chǎng)分布特征Fig.4 Temperature contour at depth of 1000 m in Southern Jiangsu

2.4 大地?zé)崃鞣植继卣?/h3>

大地?zé)崃髅芏?，?jiǎn)稱大地?zé)崃骰驘崃?，定義為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)地球表面單位面積的熱流值。在一維穩(wěn)態(tài)條件下，熱流(q)在數(shù)值上是巖石熱導(dǎo)率(K)和垂向地溫梯度(G)的乘積：q=G×K。大地?zé)崃髦凳且粋€(gè)綜合參數(shù)，相較于其他地?zé)釁?shù)更能精確地反映地溫場(chǎng)的特點(diǎn)。

本次共收集蘇南及周邊大地?zé)崃髦?3個(gè)，其中12個(gè)在蘇南地區(qū)，主要分布于蘇南句容盆地、無(wú)錫、宜興、江陰等地(表2)。根據(jù)蘇南地區(qū)收集到12個(gè)井點(diǎn)的熱流密度值分析，蘇南地區(qū)大地?zé)崃髦到橛?1～73.5 mW/m2之間，平均值為64.2 mW/m2，低于蘇北盆地區(qū)域平均大地?zé)崃髅芏戎?68 mW/m2)，與下?lián)P子區(qū)大地?zé)崃髅芏缺尘爸到咏?圖7)[2]。鎮(zhèn)江市南京市交界地區(qū)、宜興市南部、蘇州市北部是高熱流區(qū)，平均大地?zé)崃髦蹈哂?5 mW/m2，隆起區(qū)大地?zé)崃髅芏雀哂谯晗輩^(qū)。

3 影響因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制現(xiàn)今地溫場(chǎng)的分布，根據(jù)前人研究，地溫場(chǎng)分布特征受斷陷盆地、斷塊隆起帶和深大斷裂的控制，且不同構(gòu)造單元基地起伏的不同，會(huì)導(dǎo)致地溫場(chǎng)空間分布的差異[16-18]。通過(guò)比較圖1、圖3和圖7，發(fā)現(xiàn)大地?zé)崃?、地溫梯度高值均集中分布在中部隆起區(qū)和南通—太湖隆起，說(shuō)明大地?zé)崃髦岛偷販靥荻染尸F(xiàn)凸起區(qū)相對(duì)坳陷區(qū)較高的分布特征。從地溫場(chǎng)剖面圖可以看出，蘇南地區(qū)深部地溫也同樣表現(xiàn)出凹凸分布的特征，隆起區(qū)溫度高于坳陷區(qū)溫度(圖8)。

3.2 巖石熱導(dǎo)率

巖石熱導(dǎo)率的分析測(cè)試是研究區(qū)域地層熱導(dǎo)率的最常規(guī)方式。早在1986年到1988年間，王良書等先后三次采集了江蘇地區(qū)內(nèi)的露頭樣品和巖心樣品，計(jì)算了部分地層的熱導(dǎo)率值[2，5]。為進(jìn)一步完善區(qū)域不同地層的熱物性柱，本次研究重點(diǎn)針對(duì)前人研究相對(duì)薄弱的新元古界錦屏組、中元古界埤城群、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)高家邊組進(jìn)行了巖石樣品的熱導(dǎo)率測(cè)試，在進(jìn)一步總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出了江蘇地區(qū)特別是蘇南地區(qū)各地層的熱導(dǎo)率(表3)。

如圖9展示了蘇南地層厚度和熱導(dǎo)率垂向分布圖。全區(qū)各地層平均巖石熱導(dǎo)率波動(dòng)較大，測(cè)試結(jié)果中最小值為第四系的黏土和砂，熱導(dǎo)率為1.6 W·m-1·K-1；最大值為志留系S2m1，熱導(dǎo)率7.99 W·m-1·K-1。總體上，熱導(dǎo)率隨地層由老到新，表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。古生界地層熱導(dǎo)率普遍較高，大于3.0 W·m-1·K-1；中生界地層熱導(dǎo)率次之，大多為2.0～3.0 W·m-1·K-1；新生界地層熱導(dǎo)率最低，介于1.5～2.5 W·m-1·K-1之間。深部震旦系—侏羅系地層熱導(dǎo)率相對(duì)較高，普遍大于3.0 W·m-1·K-1，尤其是志留系—泥盆系地層、震旦系—寒武系地層的熱導(dǎo)率可達(dá)4.0 W·m-1·K-1以上，上震旦統(tǒng)燈影組地層熱導(dǎo)率可達(dá)6.0 W·m-1·K-1以上，均可作為良好的導(dǎo)熱、儲(chǔ)熱層。

圖9 蘇南地區(qū)地層厚度和熱導(dǎo)率分布(地層代號(hào)指示見(jiàn)表3)Fig.9 Distribution characteristics of formation thickness and thermal conductivity in Southern Jiangsu

熱導(dǎo)率變化的最主要的影響因素是巖性的差異，其次是變質(zhì)程度、孔隙度等，另外，溫度、壓力、各向異性對(duì)熱導(dǎo)率的影響也不可忽略。研究區(qū)灰?guī)r、白云巖的地溫梯度普遍小于砂巖、泥巖的地溫梯度，熱導(dǎo)率偏高的地層地溫梯度偏小，不同地層熱導(dǎo)率的差異會(huì)導(dǎo)致地溫梯度垂向上的變化[15，19]。地溫梯度在平面上的總體變化規(guī)律與居里溫度面的形態(tài)具有較好的相關(guān)性[5]。

研究區(qū)鉆孔存在地溫梯度分段現(xiàn)象，以沙家浜地?zé)峋疄槔?，整體來(lái)看地溫梯度隨深度的變化趨勢(shì)可分為2段，上部灰?guī)r的地溫梯度平均值為4.4 ℃/km，深度范圍為300～795 m，下部砂泥巖的地溫梯度波動(dòng)范圍為7～25 ℃/km；平均值為17.6 ℃/km，深度范圍為795～2500 m(圖10)。從代表性鉆孔的地溫梯度圖可以看出，地溫梯度隨深度的變化存在明顯的“二分”現(xiàn)象，主要原因是上部的地層的巖性為灰?guī)r，下部地層的巖性主要是砂巖、泥巖、頁(yè)巖等，三疊系灰?guī)r的熱導(dǎo)率較二疊系砂泥巖高(表3)，且上部灰?guī)r的地溫梯度分布較均勻，說(shuō)明地下水對(duì)流作用強(qiáng)烈，使得內(nèi)部溫度趨于一致，這與灰?guī)r裂隙較發(fā)育，滲透系數(shù)較大有關(guān)[1，7，20]。

圖10 沙家浜地?zé)峋販靥荻扰c巖性關(guān)系圖Fig.10 Geothermal gradient vs.stratigraphic column of Well Shajiabang

3.3 蓋層厚度

第四系及新近系(松散)蓋層的地溫梯度相較基巖的地溫梯度高，因此松散蓋層厚的深部地溫高于松散蓋層薄的深部地溫[5]。從圖3可以看出，東部地溫梯度較西部高，因?yàn)闁|部松散層厚度大于西部，西部松散層厚度小于80 m，東部松散層厚度在100～250 m之間。

3.4 火山巖體

火山巖體的分布對(duì)地溫場(chǎng)的分布有很重要的影響。蘇州南部蘇錫斷裂規(guī)模大，活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，影響深度大，控制了侏羅紀(jì)及白堊紀(jì)地層沉積及新生代火山活動(dòng)，使深部熱能沿?cái)嗔厌尫?。蘇州花崗巖位于西部基巖丘陵山區(qū)近中心部位，是區(qū)內(nèi)最大的巖體，大致分布在靈巖山一帶，如蘇州高新RGN1井在970 m見(jiàn)花崗巖，屬燕山早期三次侵入復(fù)式巖體，同位素年齡為155～120 Ma[21]，呈巖株?duì)钋秩肴B系及更老的地層中，形成高的地溫場(chǎng)。

4 結(jié) 論

(1)蘇南地區(qū)地溫梯度范圍為14.9～26.5 ℃/km，平均值為21.3 ℃/km，隆起區(qū)地溫梯度高于坳陷區(qū)。1000 m埋深下，大部分地區(qū)地溫低于45 ℃；2000 m埋深下，大部分地區(qū)的地溫低于65 ℃；3000 m埋深下，大部分地區(qū)的地溫低于90 ℃，深部地溫分布特征與地溫梯度的分布趨勢(shì)相近。

(2)蘇南地區(qū)大地?zé)崃髦到橛?1～73.5 mW/m2之間，平均值為64.2 mW/m2，低于蘇北盆地區(qū)域平均大地?zé)崃髅芏戎?68 mW/m2)，與下?lián)P子區(qū)大地?zé)崃髅芏缺尘爸到咏?，隆起區(qū)大地?zé)崃髅芏雀哂谯晗輩^(qū)。

(3)影響蘇南地區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)的主要影響因素包括地質(zhì)構(gòu)造、巖石熱導(dǎo)率、蓋層厚度和火山巖體。蘇南地區(qū)深部地溫表現(xiàn)出凹凸分布的特征，隆起區(qū)溫度高于坳陷區(qū)溫度；研究區(qū)鉆孔存在地溫梯度分段現(xiàn)象，熱導(dǎo)率高的地層地溫梯度較熱導(dǎo)率低的地層小。