沧县隆起中部大地热流及岩石...结构特征：以献县地热田为例_段和肖.pdf

地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.070沧县隆起中部大地热流及岩石圈热结构特征：以献县地热田为例段和肖1，3，刘彦广1，2，3*，王贵玲2，3，边凯3，牛小军4，牛飞4，胡静5 1.河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056000 2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心，河北石家庄 050061 3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061 4.河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000 5.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212100摘要：岩石圈热结构是了解大陆岩石圈构造变形及演化等大陆动力学问题的重要基础，更是地热田热源机理研究的核心问题，尤其对于深部地热资源开发具有重要的科学指导意义.沧县隆起中部地热资源丰富，地热地质条件较好，但该地区岩石圈热结构尚不明确，制约着区域地热资源勘查开发.本文以沧县隆起中部献县地热田为研究区，开展了 4 000 m 深井测温、精细的岩土热物性测试，查明了该区大地热流特征及热结构特征，填补了大地热流测量空白区，建立了研究区岩石圈热结构概念模型，估算了其深部温度及岩石圈厚度.结果表明，献县地热田大地热流值为 70.58 mW/m2，居里面埋深约为 24 km，莫霍面温度约为 749，热岩石圈厚度约为 8596 km.关键词：沧县隆起；献县地热田；大地热流；岩石圈热结构；地热能.中图分类号：P314 文章编号：1000-2383(2023)03-988-14 收稿日期：2022-02-25Characteristics of the Terrestrial Heat Flow and Lithospheric Thermal Structure in Central Cangxian Uplift:A Case Study of Xianxian Geothermal FieldDuan Hexiao1，3，Liu Yanguang1，2，3*，Wang Guiling2，3，Bian Kai3，Niu Xiaojun4，Niu Fei4，Hu Jing5 1.School of Earth Sciences and Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056000，China 2.Technology Innovation Center for Geothermal&Hot Dry Rock Exploration and Development，Ministry of Natural Resources，Shijiazhuang 050061，China 3.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China 4.Hydrogeological Team，Hebei Coalfield Geology Bureau，Handan 056000，China 5.School of Civil Engineering and Architecture，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212100，ChinaAbstract:Understanding the lithospheric thermal structure is an important basis for understanding the continental dynamics(i.e.,tectonic deformation and evolution)of the continental lithosphere.It is also the core of studies on the thermal source mechanisms of 基金项目：河北省重点研发计划项目（No.20374201D）；自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心开放基金项目（No.SK202104）作者简介：段和肖（1996-），男，硕士研究生，主要从事地热地质研究ORCID：0000000290305355Email：*通讯作者：刘彦广，Email：引用格式：段和肖，刘彦广，王贵玲，边凯，牛小军，牛飞，胡静，2023.沧县隆起中部大地热流及岩石圈热结构特征：以献县地热田为例.地球科学，48（3）：988-1001.Citation：Duan Hexiao，Liu Yanguang，Wang Guiling，Bian Kai，Niu Xiaojun，Niu Fei，Hu Jing，2023.Characteristics of the Terrestrial Heat Flow and Lithospheric Thermal Structure in Central Cangxian Uplift：A Case Study of Xianxian Geothermal Field.Earth Science，48（3）：988-1001.第 3 期段和肖等：沧县隆起中部大地热流及岩石圈热结构特征geothermal fields.Most importantly,it can provide scientific guidance for the exploration and development of deep geothermal resources.The Cangxian uplift enjoys rich geothermal resources and favorable geothermal geological conditions.However,its lithospheric thermal structure is still unclear,which restricts the exploration and development of regional geothermal resources.Focusing on the Xianxian geothermal field in the middle part of the Cangxian uplift through the temperature measurement of a 4 000 m deep well and fine tests of geotechnical thermophysical properties,this study has ascertained the characteristics of the terrestrial heat flow and lithospheric thermal structure in the study area,thus filling the gap in terrestrial heat flow measurement.Moreover,this study has established a conceptual model of the lithospheric thermal structure of the study area and estimated the deep temperature and lithospheric thickness in the study area.The results show that the Xianxian geothermal field has a heat flow of 70.58 mW/m2,a burial depth of the Curie surface of about 24 km,a Moho temperature of about 749,and a lithospheric thickness of about 85-96 km.Key words:Cangxian uplift;Xianxian geothermal field;terrestrial heat flow;lithospheric thermal structure;geothermal energy.岩石圈的热流和热结构是研究区域构造热背景 和 地 球 动 力 学 过 程 的 重 要 基 础（Furlong and Chapman，2013；黄方等，2015），也是影响地热资源成因演化过程的重要条件（Lachenbruch，1970；饶松等，2016）.因此，岩石圈的热流和热结构研究一直是地热学的重要课题.Schintgen et al.（2015）获取了岩石的热导率、辐射产热率和密度等参数，运用数值模拟手段，建立了大卢森堡地区雷诺海西带二维稳态热模型和传导热模型，分析了其热流值与岩石圈热结构，发现老艾菲尔地幔柱的热量尚未完全到达地表.Njiteu Tchoukeu et al.（2021）通过分析中非次区域地温梯度、大地热流及岩石圈热结构，发现刚果克拉通的热流值与区域居里面深度和克拉通的构造稳定性有直接关系，班吉磁异常的来源并不唯一，并且与刚果克拉通的构造有关.Shi et al.（2021）对 Olkaria地热系统的温度测井资料进行分析，计算了该地热系统的热流值，讨论了热源和传热过程、渗透结构和流动模式以及上升流和补给区的影响，研究表明 Olkaria 系统的热流状态可能是地幔热异常、岩浆活动和热液循环的综合结果，地下深处 69 km 的壳内熔融体或岩浆储层为 Olkaria 地热系统提供了主要的热源.刘峰等（2020）研究了燕山中部地区的七家茅荆坝地热田岩石圈热结构，并计算了其深部地温分布，发现该区较高的热流主要受区域花岗岩侵入基底与上地壳、中地壳岩石放射性产热的影响.饶松等（2016）等人通过对渭河盆地岩石圈热结构的研究，分析得出，岩石圈表层的构造运动引起软流圈被动上涌，其产生的相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流相互叠加作用，共同构成了渭河盆地中低温地热田的热源机理.Zhang et al.（2018）通过求解稳态热传导方程，建立了共和盆地和贵德盆地的一维地壳热结构模型，并用数值模拟的手段，成功反演了共和盆地钻孔的垂直和水平温度变化；研究表明，共和盆地异常热主要受地壳增厚放射性生热和浅岩浆库冷却的共同作用.黄方等（2015）基于二维稳态热传导方程，利用有限元数值模拟方法，得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征，从地热学角度印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.崔悦等（2020）通过实测数据构建冀中坳陷 中 部 地 壳 分 层 模 型，计 算 了 冀 中 坳 陷 中 部 的 Moho面温度以及热岩石圈厚度；研究表明，较薄的热岩石圈使得热流更易传导到地壳浅部，而热导率较低、巨厚的新近系沉积层为研究区提供隔热保温的作用，共同形成了该地区地热异常的成因背景.沧县隆起地热资源丰富，专家学者针对开发利用较早的沧县隆起北段开展了一些大地热流和岩石圈热结构研究工作，形成了初步的理论认识.沧县隆起中部地区地热资源开发较晚，研究工作滞后，缺乏大地热流及岩石圈热结构等基础性研究，制约了地热资源成因机理研究和地热勘查开发.因此，本文以沧县隆起中部献县地热田为研究对象，开展了地热井测温、岩石热物性测试、区域地球物理勘查研究，分析了该地区大地热流值和区域地热背景，并结合现有深部科学地热钻孔资料，揭示了沧县隆起带中部地区岩石圈热 结 构，对 探 索 沧 县 隆 起 形 成 和 演 化 的 地 球 动力 学 过 程 具 有 重 要 意 义，