五大连池地热研究

2013-10-16芦少春

黑龙江科技大学学报 2013年4期

芦少春

(黑龙江科技大学地质工程研究所，哈尔滨 150022)

0 引言

火山活动常伴随有局部地震、地热梯度增高和温泉出露等现象。五大连池火山群形成于第四纪，在地表留下14个火山锥。最后一次喷发在1721年，形成了老黑山、火烧山，距今约300 a，属于现代火山。五大连池在地质上位于松辽盆地的北缘，而处相同位置的大庆、林甸等地亦有温泉存在。因此，有关矿泉的利用引起众多学者的关注。

1991 年，赵继昌等[1]，2012 年徐丹等[2]研究了矿泉水的成因和水循环。毛翔等[3－4]研究了五大连池火山群分布及地质特征。关于地热的研究，除文献[5－8]外，较鲜见。笔者对五大连池的地热要素及地热显示等进行研究。

1 地质背景

1.1 构造环境及地层

五大连池地区构造边界在东北、西北和南面依次是小兴安岭、大兴安岭构造带和松辽盆地三个构造单元，被围成三角形。大地构造区划属于小兴安岭—松嫩盆地中的沐河屯隆起带南端，南隔EW向讷莫尔河断裂与松辽盆地断陷带为邻。讷莫尔河断裂属岩石圈断裂，切割深度达上地幔[3]。

区内地层主要有白垩纪的嫩江组、第三系的孙吴组、第四系的玄武岩和松散堆积物。

上元古界固安屯组(Pt3g)，是区内最老浅变质岩石，为灰黑色炭质板岩、灰色粉砂质板岩、浅灰绿色绿泥石英片岩、浅灰色二云片岩，发育板理、片理。在三叠纪花岗岩中呈孤岛状，共同构成结晶基底。

石炭统额头山组(Ce)，下部为千枚岩、板岩、片岩、片麻岩夹变质酸性凝灰岩。上部为变质中酸性火山岩夹千枚岩，被华力西晚期黑云母花岗岩和燕山早期花岗岩类侵入。

白垩统嫩江组(K2n)，主要为一套杂色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、含砾泥岩和砂砾岩，其中三段富水性较好。该组在区内北部广泛出露的沉积盖层，为孔隙、裂隙承压含水岩组，分布较广。

第三系中—上新统孙吴组(N1－2s)，为一套杂色砂岩、砂砾岩夹薄层泥岩的松散沉积物，具有交错层理。由未胶结的黄色、黄褐色砂砾岩组成，区内仅在格拉球山南坡出露，与下伏嫩江组为假整合接触。

第四系地层，为下更新统白土山组，中更新统荒山组和焦得布山玄武岩组，上更新统亚黏土层、五大连池玄武岩组和哈尔滨组，全新统地层分为高河漫滩堆积、老黑山玄武岩组、现代河床及低河漫滩堆积[8]。第四系发育比较齐全，以火山喷发玄武岩为主，为裂隙、孔隙潜水含水岩组。

1.2 断裂构造

五大连池火山区的构造以NE向和NW向断裂为主，同时还有EW向和SN向断裂。NE向属压性断裂，有卧虎山—火烧山断裂、焦得布山—莫拉布山断裂、尾山—马场断裂和药泉山—温泊断裂。NW向断裂属张性断裂，有药泉山—南格拉球山断裂、东焦得布山—火烧山断裂、老黑山—温泊断裂[4]。NE向和NW向两组断裂相交，构成了棋盘格式构造体系。火山区南部有EW向纳莫尔河断裂;火山区中部SN向断裂是克洛—五大连池—二克山断裂，这两组断裂均为深大断裂。此外，火山区东侧有NE—SW向的隐伏大断裂。小孤山—东龙门山—尾山断裂，属于地壳深断裂，是岩浆上升的通道，控制了火山喷发作用。三池—石龙河断裂，是一NNE断裂，沿此断裂出现了大量的矿水泉，同时出现了热红外扫描圈定的温度偏高水体，说明此断裂是控制地下水排泄的基底断裂[5]。

1.3 侵入岩与火山活动

侵入岩为三叠纪花岗岩(Tγ)和白垩纪花岗岩(Kγ)。三叠纪花岗岩为二长花岗岩和碱长花岗岩，地表仅有零星出露，与上元古界浅变质岩构成该地区的结晶基底。白垩纪花岗岩岩性为二长花岗岩，呈岩株状侵入三叠纪花岗岩中。白垩纪花岗岩由于含有放射性元素U、Th，为地壳浅部热源体。

火山活动从早更新世开始到1721年结束。其运动规律中更新世中期最强，中更新世晚期至晚更新世趋于减弱，在全新世又有所增强;火山运动具有继承性;地面上的14座火山锥有规律地排列在NE向和NW向张性断裂交汇处，见图1，该处也是岩浆的上涌通道。

图1 五大连池火山群棋盘格式构造体系Fig.1 Wudalianchi volcanoes checkerboard format tectonic system

2 地热显示

2.1 地表

地壳浅部存在地热，一定会在地表或地壳浅部留下一些蛛丝马迹，如地表地热显示、岩石物性异常、地下水成分变化等。虽然五大连池矿泉水温度低于25℃，但有很多地热存在的显示。

在老黑山的火山锥体上，冬季时常见到“雪融”现象，周边积雪覆盖，而多处的“热点区”雪落即融，面积一般在2～4 m2。药泉山上有多处热气孔，在－30℃的冬季，溢出气体温度在7～11℃，热气在气孔边缘遇冷结成霜冰，形成“霜塔”。在焦得布山熔岩流中的“石塘”内覆盖着白雪，而裂隙中，有枝繁叶茂的绿树红叶[5]。在焦得布山南面的宝泉村村边小溪，冬季溪水长流，溪内绿草丛生，溪边湿地见不到覆盖的白雪。老黑山南侧熔岩台地上有一不冻水体“温泊”，面积约为0.1 km2，水深1～2 m。大气温度－30℃时，泊水温度在14～18℃。

老黑山硫质喷气孔中见到来源于火山和岩浆活动的“硫华”，其被带到地表的温度条件为130℃。

1982—1984年地面测温剖面证明卧虎山、笔架山、老黑山、火烧山、格拉球山和药泉山等火山锥温度偏高，表明喷发后的火山口附近岩浆余热尚存。

2.2 地热梯度

1975—1976年对研究区进行了地热普查，在五大连池火山区域打了40余眼钻井，多数孔深均在250 m以上。据钻孔测温资料测算，40余眼钻孔的平均地热梯度为3.58℃/hm，比正常梯度高0.50℃/hm。地热梯度异常点有药泉山和南格拉球山，地热梯度值分别为4.53和5.00 ℃/hm[6]。

2.3 地球物理场

据大地电测深剖面资料，五大连池火山群属于岩浆来自上地幔的火山类型。在下地壳至上地幔之间，有一个埋深为30～50 km的高导层，在龙镇附近形成一隆起的界面，南部被讷莫尔河岩石圈断裂断开、抬起。在东部小孤山南2～3 km深处、西部格拉球山南5 km深处，均有高导层存在。因此，五大连池火山群，不仅是软流圈物质上涌流穿透岩石圈在地表形成的，也是热异常在地表的显示。

1997年的电磁探测，以老黑山为中心，布设了7条测线，71个测点。在老黑山、火烧山和笔架山每个火山口地下几百米以下存在一上宽下窄似铆钉状的高阻异常体，异常体深度达20 km，中心位置位于老黑山及偏东一侧，该高阻体穿过地壳与地幔连接。老黑山高阻区两侧5～10 km深度存在低阻层，在笔架山、南(北)格拉球山附近该低阻层深度为5 km[7]。2000年，吉林大学对笔架山和南、北格拉球山区域进行了电磁探测的加密观测，布设了4条测线、8个测点。结果显示，该区在80 km以上可分为6个电性层，为高阻、低阻互层。第二层为低阻，电阻率小于10 Ω，厚约100 m，埋深80 m以下;第四层电阻率为50～80 Ω，厚度为7～11 km，埋深在3 km以下;第六层电阻率为3～50 Ω，埋深在3 km以下。在三个低阻层中，第二、四层应是地下含水层，第四层属于深部地热异常或隐伏热储带区域，第六层是上地幔岩层。

2.4 遥感

1982年，对五大连池火山群进行了1∶10 000航空彩色摄影、彩红外摄影和热红外扫描。圈出了陆地温度大于9℃的温度升高地段，沿NE向和NW向两条火山链分布，其中NW向卧虎山—火烧山热红外扫描温度≥14℃;NW向火烧山—卧虎山—团结水库也是热异常带。在五池、四池、二段和头池等水体温度＞21℃的温度偏高地段，同步测温外界气温平均低3～7℃。利用航空黑白照片影像特征，解译出的13处冬天不冻水体，有的分布在热红外扫描圈定水体温度升高地段附近。

在遥感图像上，可以圈出笔架山至火烧山和三池、二池、头池在内的环形构造，其北部被线性构造切去约四分之一，所在部位包括两条NE向导热构造、热红外圈定的部分温度偏高区，不冻水体等，该环形构造是花岗岩体分布的范围。

2.5 地震

第四纪以来，该区处于间歇性上升阶段，频繁的火山活动，微震不断，表明断裂仍在活动，说明五大连池地区处于地壳不太稳定的构造活动带内。据五大连池火山监测站1984—1992年地震资料，五大连池地区地震震级较小，震源浅，多在1～5 km，集中分布在卧虎山西南和格拉球山南，表明地壳上部有熔融的岩浆囊。

2.6 温标

温标是根据地下热水中SiO2质量浓度测定地下热水的温度。药泉山矿水SiO2质量浓度，取最高34 mg/L计算，其热水的温度为50℃左右;南泉水中SiO2最高质量浓度66 mg/L，热水温度可达85℃。据此估算五大连池地区存在40～60℃温热水。

从上述各种现象可以看出，五大连池虽然没有温泉，但在地壳浅部应该存在岩浆房或导热通道，将深部的地热传导到地面，导致地面出现多种局部地热异常现象。

3 地热分析

研究区是否存在可利用的地热，必要条件是具备地热要素，即热源、储热层、盖层和导热通道。若存在可利用的地热，为何在地表会出现冷泉，且地热异常征兆不明显，这些需要进一步研究和探讨。

3.1 地热要素

(1)热源。岩浆房是地热的主要热源之一，也是地热异常的重要标志。五大连池地壳中是否还存在岩浆房，是大家关注的问题。一种观点认为根据本地出露的是冷泉，表明不存在岩浆房;另一种观点认为，五大连池在老黑山、火烧山地壳中存在岩浆房。

岩浆房存在的证据:老黑山喷出的部分熔岩流和火山弹，含大量由花岗岩部分熔融形成的灰白色玻璃质浮岩的捕虏体，说明地壳中花岗岩地区有过一个小的岩浆房;卧虎山和南北格拉球一带，常有不少轻微地震且地壳中存在低阻区;火烧山是一个塌陷式火山，说明其地下浅部应存在一浅部岩浆房。文献[8]证实老黑山、火烧山各有一个岩浆房，且互相连通。老黑山岩浆房距地表8 km，火烧山岩浆房距地表不到3 km[8]。也有研究认为包裹体测定压力的工作显示岩浆房距离地表仅约3 km。

黑龙江地震局采用岩浆固结的STEFEEN问题的理论公式，反演五大连池火山区壳内铆钉形岩浆房的固结曲线和固结时间，推算五大连池火山休眠时限为万年量级，确定老黑山、火烧山岩浆通道并没有完全固结。也有学者曾经利用单相Stefan理论公式反演过岩浆房的固结曲线和固结时间，得出了五大连池古火山己经固结，而五大连池的老黑山、火烧山岩浆房还没有固结的结论[3]。

另外花岗岩侵入体中含有放射性U、Th，它们也是浅部地热的热源。

(2)储层与盖层。五大连池火山群分布面积约800 km2。地表大部分地段覆盖1～2 m亚黏土，其下为5～150 m厚度的玄武岩，夹亚黏土及砂砾石层。玄武岩下伏第三系砂砾岩;白垩系泥岩、页岩互层;石炭系板岩和片岩，总厚度250～300 m[1]。

研究区由上到下依次为第四系玄武岩孔隙、裂隙潜水，中部为自垩系嫩江组砂岩孔隙承压水，底部为寒武系片岩、板岩和印支期花岗岩中裂隙承压水，水中富含大量CO2气体及矿物质成分[2]。第四系松散堆积物为潜水含水层;石炭系的额头山组、白垩系的嫩江组和第三纪的孙吴组是该区承压水含水层;固安屯组是裂隙承压水含水岩组。额头山组、嫩江组和孙吴组是储热层，孔隙度较高，导热性好。

第四系地层含三层玄武岩，即焦得布组、五大连池组和老黑山组地层。玄武岩的导热性差，隔热效果好，是非常好的盖层。研究区因第四系覆盖，地下热量难以传导到地面，故在地面没有明显的地热显示。

(3)导热通道。区内NE向与NW向两组断裂相交，构成了棋盘格式构造体系，断裂的交汇处是火山喷发的主要通道。NE向断裂属压性断裂，阻碍了地热的传导。NW向断裂属张扭性断裂，属开放性，是地热的导热通道。该区的地热通过近SN向的深大断裂从上地幔传导到地壳浅部，再通过NW向的断裂传导到地面。

3.2 相关问题

(1)冷泉。研究区的泉水温度低，属于冷泉，主要集中在药泉山处。该区第四系地层中地表的亚黏土下是玄武岩台地，有三层玄武岩。玄武岩的导热系数是2.177，导热性差，下部岩浆房的热量难以传达到地面。药泉山NE向断裂为主干断裂，断裂为压性阻水断裂。矿水区的NE向和南侧为NW向断裂，该两断裂为一侧导水、一侧阻水的张扭性断裂。NE、NW两组断裂既切断了EW向断裂，又割断了矿水区与外界的水力联系，加上白垩系泥岩覆盖层的存在，使矿水区具备了良好的封闭条件。故泉水为冷泉。

(2)局部地热显示。研究区存在局部地热异常显示，这些地热异常产生的原因主要分布在NW向的张性断裂带上，是SN向深大断裂将上地幔或地壳深部的地热传导到地壳中上部，然后再通过NW向断裂传导到地面，而产生了局部地热异常。

低阻现象是存在地下水，或岩浆房内岩浆处熔融状态，电阻相对较低，标志着热源或热储层的存在。