沉积盆地的热动力系统

地热资源主要是指地球内部所含的热量(泛称地热资源)。其实质是指能够经济地为人类所利用的地球内部的热能。地球每年通过地表传输的热量很大,但在有限的地区内不仅很小,而且很分散,目前的经济技术条件尚无法抽取和利用。但是地球内部的一些构造活动,能够使地球分散的内热在有限的地域内富集,并且达到了能够为人类开发利用的程度,这种地热便构成了具有实质意义的地热资源。

按照我国《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)规定,地热资源按温度属性划分并结合热传递方式可分为3种类型:①高温(＞150℃)对流型地热资源;②中温(90～150℃)、低温(＜90℃)对流型地热资源;③中低温(25～150℃)传导型地热资源。沉积盆地型地热资源以中低温传导型为主,热动力系统具有特定的特征。

1.地温场

地温场是反映盆地热动力系统的重要标志,地温场空间分布的不均一性,是中国沉积盆地复杂性的特征之一。在地壳深部壳幔热结构、区域大地构造(包括厚皮构造、薄皮构造)控制下,中国沉积盆地的地温场及其演化具有以下主要特点:①各盆地之间和某一盆地内部,地温场在空间上很不均一,受构造背景控制明显;②多数盆地在发育的主要时期,地温梯度总体较高,一般都大于3.5～4.0℃/100m,部分大于4.5℃/100m,甚至5.0℃/100m;③部分海相或较稳定的盆地,在发育的某些阶段和盆地演化晚期或末期,常经历一次热演化较高的构造热事件;④除目前正在演化的盆地外,多数沉积盆地现今的地热场较低,地温梯度均小于4.0℃/100m,多数盆地小于3.0℃/100m;⑤在成盆期和成盆期后,盆地的热演化过程一般不具连续性或渐变性,往往表现出明显的阶段性及突变性,且这种热演化高度非线性的特点类型多样,因盆而异。

根据大地热流测试及推算,我国东部、中部和西部沉积盆地大地热流背景不同(东高西低),主要分布在40～75mW/m2之间。这就预示着在一定深度内,我国主要沉积盆地以低温地热流体为主,部分地区存在大于90℃,小于150℃的中温地热流体。

2.地热成因

地壳的热能来源于外热能和地球内热能。

外热能主要包括太阳辐射热、地球与其他天体相互作用(潮汐摩擦)热,外热能控制着地球大气圈、水圈、生物圈及岩石圈发生的生物、化学及其他作用。外热能主要影响地球表面及近地表处的温度场。

地球内热能即来自地球本身的热能,包括地球演化过程中来自深部地幔释放出来的热能和地球内部放射性元素(主要是U,Th,K等)蜕变时所放出的热能,以及少量的由沉积负载、挤压推覆、火山岩活动等产生的热能。这些热能中,有的是地球本身直接产生,有的则是由机械能转为化学能,再由化学能转化为热能。

关于地幔传导热和地壳放射性同位素衰变热所占的比例问题,不同的学者有不同的观点,不同的学术报告有不同的比率值。如反映我国东部沉积盆地热动力成因特点的主要观点有苏北盆地地幔热流为41.3mW/m2,占地表热流的61%(王良书,1989);松辽盆地地幔热流占63%(汪集旸等,1986),华北盆地地幔热流在53.9%～62.2%之间(天津市地质矿产勘查开发局,1981)。也有人给出不同深度上的热源估量,如0.00～100km地幔热流占50%,100～200km占75%,200～300km占85%,300～400km占92%,400～6400km占98%。不同沉积盆地,即使同一沉积盆地不同人计算的结果存在一定的差异,原因在于所计算的盆地构造活动性、深部结构存在差异,以及人们对壳内岩石物理性质、深部热结构、热状态特征和温度分布模型认识的不同所造成(龚育龄,2005)。

地球内部蕴藏着巨大的热能,它决定着地球层圈构造的形成和演化,岩石圈板块运动、裂谷、盆地和大陆边缘构造的形成,以及变质作用、岩浆成矿作用和地震活动等无一不与地球内部热作用过程直接有关。地球深部的热活动使地壳发生大规模伸展、断裂、形成各种类型的盆地,并通过热构造作用改变着地壳表面的构造格局,在不同类型的盆地中形成不同的热动力系统。如松辽盆地、渤海湾以及海域盆地都显示了由地幔热上涌,内部的热能及其热动力增加,形成盆地沉降和构造变形的基本驱动力(冯福闿,1993)。

3.盆地热力对油气生成的控制作用

盆地内烃源岩在热动力条件下向油气演化,因热动力系统不同,烃类的相态结构与分布有很大差异。例如,中国东部的裂谷型张性盆地,地温场较高,有机质演化速度快,所以松辽盆地中生界烃源岩大约埋深在1200～1400m即进入生油门限;渤海湾、东海等盆地第三系(古近系、新近系)生油岩的上门限深度也只有2500～3200m。这类盆地演化的结果可成为油盆,也可成为气盆。我国西部某些压性盆地,如准噶尔盆地、塔里木盆地古地温和现今地温都不很高,热作用对这类盆地的构造演化影响不是很大,因而使有机质演化速度放慢,生油门限深度增加。所以有人指出:“如果把准噶尔盆地的二叠系生油岩放到东部某个热盆地内同一深度的话,早已超越生油范围而进入生气范围之内”。

显然,地热在盆地形成和油气演化中起控制作用,地热盆地与含油气盆地往往是叠合的,所以在研究沉积盆地型地热资源时往往借鉴含油气盆地的一些工作方法和研究成果。