南海盆地地热地质条件和资源形成因素

谢玉洪,郑华安,梁玉凯,多 吉,宋荣彩,王迎春,郑 峰,陈海雯

(1.中国海油南海油气能源院士工作站,海口 570312;2.中海石油(中国)有限公司 海南分公司,海口 570312;3.西藏自治区 地质矿产勘查开发局,拉萨 850010;4.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;5.成都理工大学 能源学院, 成都 610059)

随着全球经济的不断发展,日益凸显的能源危机和环境污染迫使人类将目光投向清洁能源。我国陆上地热能资源调查、发电示范项目、梯级利用及综合利用等研究进展迅速,成果丰硕[1-2],海洋地热能资源调查及利用仍处于起步阶段。南海新生代构造应力演化活跃,致使热活动事件频繁[3]。追其热状态研究,始于20世纪70年代,由美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质观测所最先公布出36个热流值;80年代中后期至90年代末,中国众多学者参与到南海热流研究,取得了一系列成果,包括:南海构造热演化、深部热状态及岩石圈热结构等方面的研究成果[4-8]。近20年来,伴随油气勘探开发及南海地热研究的逐步展开,获得了大量的热流基础数据及相关研究成果[9-17]。前人初步研究表明,南海地热资源面宽量大质优,地质背景条件明显优于陆上(平均地温梯度:陆上2.5 ℃/100 m,海洋高达4.9 ℃/100 m),发育热盆—超热盆(平均大地热流值>60 mW/m2))。在南海海域油气田的勘探开发生产过程中,若能将其加以有效开发利用,可形成特色的油、气、热三位一体的传统能源+新能源开采利用模式,在海域地热综合利用的示范效益和社会效益意义更重大。

1 构造背景

南海位于西太平洋西区,呈北东—南西向伸展的菱形边缘海,南北长为2 900 km,东西宽为1 600 km,总面积350×104km2,是中国近海面积最大、水最深的海区[18]。南海海盆的形成演化受到欧亚、印度和太平洋3大板块相互作用的影响。在对南海及其邻区的主要断裂期次及相应各期应力场分析的基础上,结合南海构造事件和周边各地块之间的相互作用,将南海新生代构造演化分为4个阶段[19]:①古新世—中始新世大陆伸展阶段。在华南板块、印度板块和欧亚板块的相互作用下,南海古陆开始张裂;②晚始新世—早渐新世强烈减薄阶段。澳大利亚板块向北移动,东西—北东向断裂发生强烈活动,大陆张裂强烈减薄阶段;③晚渐新世—中中新世海底扩张阶段。早期开始加快向南俯冲,32 Ma华南陆缘东部发生扩张,南海扩张自东向西逐级传递,约30 Ma时,琼东南盆地扩张方向由南南东向转向近南北,全面进入扩张时期;④晚中新世—至今的扩张期后阶段。南海北部陆缘张性断裂基本结束,形成北西向为主的走滑断裂体系。近5 Ma以来区域性走滑断裂活动活跃,导致海底麻坑、火山、底辟发育[20-21],在琼东南盆地中部发育大面积的底辟、气烟囱;在莺歌海盆地中央坳陷带发育众多底辟群,这正是5 Ma以来活动构造最为活跃的地带,也是热事件最活跃区。

利用一级全扫描质谱鉴定药物的代谢产物是药物代谢研究中一种常用的手段，本实验对金芪降糖片给药血样进行了全扫描，但由于药物中移行成分含量较低，无法得到较好峰形的一级全扫描质谱图，因此本实验采用MRM筛选大鼠血清中的代谢产物。MRM的本质特点是选择具有目标物结构特征的母离子和其子离子为指标进行离子监测，在定性分析中能够快速找到符合代谢特征的离子对信号，专属性更强，能够快速鉴定药物的体内代谢产物。实验结果显示，各成分出峰信噪比大于3，分离度大于2。

2 南海地热地质条件

2.1 南海地热地质特征

南中国海现今地热特征是历史热演化的最终产物,热演化与构造演化密切相关。岩石圈的拉张减薄是影响现今大地热流分布的重要构造事件,南海地区的岩石圈热松弛时间约发生在62 Ma之前,因此,南海现今大地热流分布与60 Ma以来的新生代构造运动联系密切[22]。Nissen S.S.等人[7]认为,南海自中新世开始处于区域性沉降阶段,但区域性的高热流无法用纯剪切与简单剪切2种模式解释,薄化的岩石圈厚度、异常高的地壳生热率、区域性岩浆活动(近5 Ma)是否更加有说服力。何丽娟等[22]通过多期构造热演化模拟表明,南海区域性高热流是中新世以来的构造运动所导致。南海岩石圈热松弛时间大约为62 Ma,早期拉张作用基本不影响当前的地温场分布。在早渐新世,南海地区拉张程度较小,软流圈热上涌造成的热异常也较小;中新世时,拉张程度逐渐增加,地幔热流大幅度上涌,对地温场有强烈影响,但持续时间较短,热流仅有微小增加;到上新世,盆地继续拉张且拉张程度较大,地幔热流继续大幅度上涌,造成地表热流急剧增大,此时大约5.2 Ma,对现今热流影响最大。在邱前锋[23]、王晓芳等[24]系统收集的南海热流数据的基础上,添加本次研究所得热流值69个,绘制出南海现今热流图(图 1)。

图1 南海地区现今热流图(据邱前锋[23]修改)Fig.1 Current heat flow map of the South China Sea

热流资料表明:南海地区中央盆地的大地热流平均值最高,达 88 mW/m2。珠江口盆地西部、西北次海盆、西南次海盆、中建南盆地、东部次海盆以及南部曾母盆地等出现高热流。东部边缘吕宋岛附近热流值相对较低,平均值为 49.1 mW/m2。在北部边缘沉积的数个沉积盆地中,莺歌海-琼东南盆地因受到底辟和热液作用的影响,热流值在几个沉积盆地中最高,平均值达到78.7 mW/m2,高于中国大陆 64.08 mW/m2。在珠江口盆地凹陷处,出现了异常高的热流值,研究表明该位置对应较浅岩石圈底界,可能与海盆拉张后期的岩浆活动有关[24-25]。

Y3Ga5O12(YGG)晶体可以看做是用离子半径更大的Ga3+取代YAG晶体中的Al3+，这种取代导致晶体的晶格间距扩大，有利于Nd3+的掺入．与YAG晶体类似，YGG晶体具有高的化学稳定性、硬度、热导率(9 W/mK)和光学均匀性，以及有适合稀土离子或者过渡金属离子取代的格位[15]．由于Nd∶YGG晶体熔点较高且存在氧化镓挥发的问题，目前仅有的报导为光学浮区法生长的Nd∶YGG单晶．

Yan Q.S.、Li J.B.等[26-27]的研究成果表明,西南次海盆东部的海底热流分布与海底扩张后南海周缘大量岩浆活动的规律保持一致,在西侧基底则主要发育一些深大断裂和以伸展构造为主的断块。南海南部的曾母盆地热流值非常高,平均值达到98 mW/m2,是一个大陆地壳基底上的大型超热沉积盆地。

（一）充分发挥财政资金“放大器”功能，有效弥补了政府资金不足。通过信贷担保，实现了财政支农资金由直接投入向间接支持的转变，调动了更大规模的资金投入农业农村和脱贫攻坚等重点领域。通过盘活存量支农资金、调整专项资金结构，既撬动了信贷资金支持新型农业经营主体发展，也解决了扶贫小额信贷资金存在的“农户不愿贷、金融机构不敢贷”的问题。通过农担公司的“杠杆”作用，可以充分发挥财政资金放大效应，减轻政府投入压力。通过银担分险，可有效降低信贷风险，将政府承担的融资风险控制在较低限度内。

2.2 南海地热流体特征

热流体按起源及作用分为4类:盆地流体、地幔流体、变质流体和岩浆流体[28-29]。其中沉积盆地储层中的地层水(或称为油田水),是沉积盆地中重要的地热流体介质,通过莺-琼盆地钻孔地层水的同位素、离子分析研究,判断其来源和演化过程,为盆地级地热资源评价提供依据。

南海南部,如曾母盆地、文莱-沙巴盆地等地以碳酸盐岩储层为主,南海北部,如莺歌海、琼东南盆地等地以海相细砂岩储层为主[40-43]。在琼东南盆地崖城气田、莺歌海盆地东方气田和即将开发的超高温高压气田乐东气田,钻遇高温气田和大量高温水体,形成优质的水热型地热资源(表3)。油气和地热资源在勘探研究和开发实施中有许多相通之处:水热型地热水和油气都属于流体资源,也需要存储在地下岩石的孔隙或者断层空间内,同样需要对储层(热储)开展岩性、物性等研究;但在流体性质、化学成分等又有不同:地热研究,不仅需要进行水体性质、温度、物性、运移等研究,同时也要进行地下水的储量规模、补给条件和速度、开发实施、动态监测等研究。

莺歌海盆地和琼东南盆地是南海北部重要的含油气盆地。对东方、崖城气区钻孔11个地层水样品的氢氧同位素分析研究表明(图2),均偏离全球大气降水线。其中,崖城气区地层水样品值接近于海南古海水值,东方气区样品值处于降水线与深部海水蒸发线之间,说明水源主要是深部古海水或参杂少部分大气降水。北部湾及珠江口盆地地层水位于海水附近和海水蒸发轨迹线上(图2),说明这2个盆地的地层水在一定程度具有相同的起源[30]。

2.2.2 地层水成因分析

有道是“学习是人类进步的阶梯”，是提高素质的基本途径，是干部成长规律的客观要求。要想有所作为，必须始终保持一种勤奋学习的状态，把学习当作一种追求、一种境界、一种生命趣味，树立终身学习、时时学习、事事学习的观念。当下，不论是经济发展全球化，还是信息网络技术的日新月异，都充分表明生存环境的变化在不断加大加快，生存和发展需要我们不断加强学习、终身学习，正如陈毅元帅在《赣南游击词》中说的那样“勤学习、落伍实堪悲”。

图2 莺-琼及北部湾、珠江口盆地水稳定同位素类比图Fig.2 Comparison of water stable isotopes between Ying-Qiong Basin,Beibu Gulf,Pearl River Mouth Basin and other waters

表1 所研究的地层水的特征系数的结果(Yu H.等[30])Table 1 Results of the characteristic coefficients of formation water from studied strata(Yu H.et al[30])

其中,γ为meq/L,w为mg/L。

比较典型的是莺歌海盆地中央坳陷底辟区(图5),地震解析显示出形态各异的地震反射杂乱的“模糊带”,根据钻孔资料反映,可确定为底辟热流体侵入活动对地震反射波在地层中的传播产生影响而形成的。

新悦公园离录像厅并不远，进了公园，我往喷泉的方向走，远远就看见一个女孩子站在第二个白蘑菇亭下。细高个，长头发，穿着白花蓝底的短裙子。开始我以为是姚菲菲，欢喜得狂奔而去。跑近了才发现不是姚菲菲，是一个从未见过的陌生女孩儿，眉清目秀得像年历画里的女明星，还有短裙外面的两条玉腿，白皙修长，晶莹剔透。

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地下水与围岩的水—岩反应会使地下水的水化学类型、性质等发生变化。由于在水—岩反应中溴离子基本不参与反应。因此,将溴离子作为横坐标来对比各种离子浓度,反映地下热水进行深循环过程中与围岩发生的水-岩反应。北部湾及珠江口盆地水样的Br与Mg、Na、Sr的关系如图3。大部分样品Sr2+相较于海水中更为富集,源于盆地内的围岩主要是含大量斜长石的碎屑岩,可能是地层水中Sr2+的主要来源,此外,Sr2+在地层水中的富集也可能归因于方解石的白云石化(图3-A)。图3-B和图3-C显示,2个盆地的地层水呈Ca富、Mg贫特征,是方解石的白云石化现象。Ca2+在地层水中的富集也可能源于阳离子交换,是地层水中Na+的衰竭支持了这一观点(图3-D)。

图3 溴与主要离子的浓度关系(Ca,Mg,Sr 和 Na)(Yu H.等[30])Fig.3 The relationship between bromine and main ions (Ca,Mg,Sr and Na)(Yu H.et al[30])海水的蒸发线是由Shouakar-Stash 给出的结果 (西伯利亚A:Ca—Cl盐水,该盐水是在西伯利亚地区生产的,是俄罗斯西伯利亚平台上蒸发的古海水的残留物。西伯利亚B:Na—Cl盐水,主要来自俄罗斯西伯利亚地台的海泡石溶解)

3 南海地热资源形成的有利因素分析

3.1 热条件和热结构

3.1.1 新生代多期拉张形成区域性高地热背景

由于没有更深和盆地系统的钻孔资料,对南海广大盆地的热结构还知之甚少,但通过开展跨南海西南次海盆 OBS、多道地震与重力联合调查[21],发现龙门海山及其下方地壳的低密度结构物质。分析认为,龙门海山位于西南次海盆中央裂谷,在海底多次(23 Ma、14 Ma、3.5～3.4 Ma、0.5～0.4 Ma)扩张期间,岩浆活动频繁,断裂发育,海水易下渗至上地幔与橄榄岩发生水化反应,进而为蛇纹岩泥火山的形成创造了条件[21,32](图5)。随着热流往海盆方向的增加及地壳厚度的减薄,地幔热流所占比例也相应为前人观点提供了实例佐证[33]。

针对这些研究，本文试图探讨大学生词汇知识与词汇应用能力熟练程度的关系，以了解他们所掌握的词汇知识是否能区分不同的熟练程度。

图4 莺歌海盆地底劈区温度分布剖面图Fig.4 Temperature distribution profile of mud-dome area in Yinggehai Basin

南海新生代共经历多期拉张作用,由于早期拉张已超过或接近岩石圈热松弛时间,其对现今地温场的影响基本消失;中中新世时,南海拉张程度逐渐增大,但持续时间较短,对地温场的影响较小;10 Ma左右,南海大幅度拉张而导致的热流强烈影响着地温场;后期(上新世)持续的拉张演化加剧了热流活动,最终在叠合作用的影响下形成了现今南海热流异常[22]。莺歌海盆地5.2 Ma以来处于右旋走滑阶段,盆地持续拉伸,沉降速率加快,热活动进入了高潮,是盆地古地温最高时期,1.9 Ma达至峰值。热活动活跃的底辟核心区附近的LD井孔群在3 500～4 000 m深度的海底扇热储中,温度达220 ℃(图4-A),温度剖面说明深部热物质上涌提供了“热通道”,造成现今地温异常(图4-B)。

图5 跨南海西南次海盆西北-东南剖面综合地壳模型和热结构解释(汪俊等[21],梁光河[32]) Fig.5 Comprehensive crustal model and thermal structure interpretation of the northwest-southeast section across the southwestern sub-basin of the South China Sea

3.1.2 盆地热结构

南海现今热流分布特征是深部热异常、晚期岩浆等热事件、地壳与沉积层的生热贡献以及沉积物热效应等多种主要因素综合作用的结果,其壳、幔热流配分影响到现今地壳、上地幔的活动性及深部温度状况[34]。如莺歌海盆地自新生代以来,经历了几次拉伸运动,造成盆地中央凹陷区岩石圈大幅减薄(最薄处仅 5～7 km)[28],随着深部地幔热物质上涌,使地表温度与地表热流升高,现今地温场发生明显变化。在中科院南海所与德国基尔大学海洋地球科学研究中心联合中国海洋石油南海西部公司和海南省地震局于 1996 年获得盆地深部速度结构的地学断面基础参数上(图6)[35],通过测试9口井钻井 13 块岩芯样品的岩石热导率及放射性生热率测试,按照地壳分为沉积盖层、上地壳上部、上地壳下部低速和下地壳4层进行计算,沉积盖层的生热率取本次及前人实测结果的平均值为1.77 μW/m3,而深部地壳岩石的放射性生热率,采用L.Rybach[36]所提出的计算公式:

lnA=B-2.17Vp

(1)

上式中,B是通过大量实验得出的常数项,前寒武系岩石取13.7,显生宙岩石取12.6,Vp为地震波速(km/s)。

通过本次新增及收集前人莺歌海盆地中央凹陷及其周缘热流数据[36-38]成果计算得到表2,最终得到的莺歌海盆地中央凹陷地壳结构与热结构模型如图7所示。莺歌海盆地中央凹陷大地热流值(Q0)平均为 78.6 mW/m2,其中地壳热流(Qc)平均值为 32.4 mW/m2,地幔热流(Qm)约为46.3 mW/m2,地幔热流与地表热流之比(Qm/Q0)约为0.59,符合Wang Jiyang所提出的“冷壳热幔”的岩石圈热结构特征。

3.2 储层条件

中国南海盆地地热资源储层以渐新世至中新世早期的浅海陆架相碳酸盐岩、灰岩和生物礁灰岩以及滨海相及三角洲相砂岩为主,陆架碳酸盐岩储层孔隙度介于10.0%～33.0%,台地灰岩和生物礁灰岩孔隙度为9.3%～55.2%,砂岩储层孔隙度介于5.0%～33.0%,渗透率为0.01～100.0 md。

图6 莺歌海盆地地壳结构速度模型(修改自刘赛君等[39]) Fig.6 Crustal structure velocity model of Yinggehai Basin (modified from Liu S J,et al.[39])

表2 莺歌海盆地中央凹陷带地壳热量计算表Table 2 Crustal heat calculation results of central depression in Yinggehai Basin

图7 莺歌海盆地中央凹陷地壳结构与热结构模型 Fig.7 Crustal structure and thermal structure model of central depression in Yinggehai Basin

2.2.1 地层水来源

表3 莺歌海盆地东方-乐东区地热资源潜力一览表Table 3 Statistics of regional potential of geothermal resources in Dongfang-Ledong area of Yinggehai Basin

3.3 热流通道条件

南海海域发育多条断裂,据重磁震反演资料,可将断裂按规模分为以下3类:岩石圈断裂、地壳断裂和基底断裂[19],如红河断裂带是岩石圈断裂、中建岛断裂带是地壳断裂、琼东断裂带则是基底断裂(图9)。南海复杂的断裂构造格局,不仅影响地震的孕育,同时也影响着地温场的空间分布[44],深大断裂带为南海深部热物质提供向上运移的通道,在热传导的背景上叠加了热对流,使得区域上体现出明显的大地热流高异常区(图9)。

2.2.3 水-岩过程

图8 南海海域主要断裂分布及主要盆地热流值分布(据张亮[19],蔡黎[45]修改)Fig.8 Distribution of major faults and heat flow values in major basins in the South China Sea

3.4 盖层条件

经历自中晚生代以来的张裂、海底扩张作用以及板块碰撞运动等构造事件的叠加改造,不仅造就了南海复杂多样的构造格局,同时也堆积有厚薄不等的沉积层,海盆的沉积厚度一般低于2 km,但莺歌海、琼东南及珠江口盆地最大沉积厚度可达17 km[46]。根据油气勘探成果,对盖层岩性、厚度、脆性,及其与断层底辟的关系综合评价,识别了盆地级别的2套质量较好、分布稳定的海相泥岩盖层:①三亚组中上部-梅山组沉积的浅海相泥岩,②黄流组(一段)-莺歌海组-乐东组陆架、陆坡泥岩层。两套盖层厚度大,封闭性好,在盆地中分布稳定[47-48]。崖城气田盖层为中新统梅山组钙质高压泥岩,封盖能力强,莺9井渐新统陵水组油层之上的中新统三亚组泥岩盖层,其封盖能力亦较强[47]。可见,从区域盖层的角度,在盆地级别的地热系统和油气成藏系统有相对的一致性(图9),只是前者封闭油气、而后者是封闭热传递路经。

图9 莺-琼盆地油气成藏体系和地热系统的划分Fig.9 Division of hydrocarbon accumulation system and geothermal system in Ying-Qiong Basin

4 南海区域地热资源潜力及利用方向

地球深部有巨大的地热潜力,绝大部分的区域超过1 000 ℃[49-54]。中国近海包括渤海、黄海、东海和南海,总面积470多万平方公里,属于西太平洋汇聚板缘型地热域,具有丰富的地热资源,目前仅开展了资源估算等工作。南海区域面积大,本次工作获得的点上地温梯度和热流值均较高,宏观的地热指标十分优异(平均地温梯度:陆上2.5 ℃/100 m,南海4.9 ℃/100 m),在世界范围内属于优质水平(热盆-超热盆,大地热流值>60 mW/m2),地热资源具有先天优势。其特殊的地理位置和地质背景同时也造就了南海独特的地热利用方式,对比羊八井、羊易、insheim 等地热电站的相关参数,海上地热发电理论上可行且具有一定的优势。

4.1 技术优势

陆上冷却系统,采用风冷,占地面积大、消耗能量多,据估算消耗能源占发电量的20%(冬)～30%(夏)。海上冷却可以考虑直接用海水冷却,效果好、效率高、节能多,所以海上设备更简单,体积更小,仅需发电机、交换机、控制台。海上勘探开发设施完善,拥有完整的开发、生产等技术设备和专业人员,有助于地热资源利用方案的落实和执行。海上地热资源发电,可在油气生产平台直接使用,或原位制氢、制氨,也可为油气产区或者岛礁能源保障提供多能融合方案。

当年渥巴锡率领近十七万部众踏上了东归故土之途，在伏尔加河流域仍然留下很多卫拉特蒙古人。20世纪苏联时期，这部分卫拉特人建立了卡尔梅克苏维埃社会主义自治共和国，创造过辉煌，在1943年12月的一天(应是28日)又遭厄运，被以通敌(德国法西斯)一夜之间自治共和国被撤消，所有卡尔梅克居民被迁徙到西伯利亚，成为“被惩罚的民族”，直到1957年才得以平反，自治共和国重建，整个民族的名誉得以恢复。

4.2 经济优势

利用现有油气生产装置,减少投入,降低地热能利用成本。陆地地热发电总投资中,发电投资、钻探投资和其他杂项大约是各占1/3,海上钻探投资占比1/3～1/2,可大大降低成本。莺歌海盆地东方气田平台用电量30～40×104kW·h/d,按照透平发电机发电量计算,每天发电用气量20×104m3天然气。按天然气价格1.41元/m3,每天需花费30万元用于发电,相当于每度电0.705元/kW,即0.1 $/kWh。 国际上地热发电售电价格差别较大,日本:0.303 $/kWh;德国:0.282 $/kWh;土耳其:0.105 $/kWh;印尼:0.129～0.145 $/kWh;羊八井二期为国家投资,经核算后的电价为0.49元/kW·h,相当于0.07 $/kWh;羊易地热田目前是0.25元/kW·h(元/度)售电,相当于0.036 $/kW·h。对比国内外地热发电和海上天然气发电的电价,可以看出海上地热发电具有明显优势,地热发电的发展潜力巨大。

4.3 开发利用潜力方向

虽然海上地热资源及发电技术具有以上优势,但海上生产平台的地热发电机组小型化、模块化和自动化研究仍处于起步阶段。目前,已探索了针对海上生产平台可利用空间及油气井生产情况,需进一步攻关有机朗肯循环双工质地热发电技术,优化小型化、模块化、定制化的单井发电装置;基于小型化发电装置,开发海上平台油气井伴生地热就地发电技术体系,并形成发电后热水处理、平台生活热水供应、供暖制冷的梯级利用流程,完成南海独特的地热利用方式。

5 结 论

a.南海现今高热背景与最近一次拉张运动密切相关,大幅度的拉张使得大量热流涌入,而且南海部分沉积盆地的沉积厚度较厚,减少了热量的散失,形成了现今南海的高热背景。

电气工程施工会耗费的大量材料，所以要进行有效管理，才能实现资源最优化配置，有利于提升整体经济效益。在选购的时候，确保性能、规格、尺寸都符合要求，和国家认证或者社会信誉好的厂家合作，质量都是有保障的，双方签订协议，明确各自权利和义务，一旦出现问题可以及时解决，避免造成不必要的损失。由于种类比较多，在现场一定要堆放在固定位置上，不仅可以方便使用，而且不会出现错误的情况，推动施工顺利开展。同时做好对材料抽样检查，不合格产品一律不予使用，从源头上控制好，对于保证工程质量有着重要的意义。

b.南海深部热物质通过深大断裂带等热通道构造向上运移至储层,同时储层上部区域沉积的厚层泥岩,是地热资源的绝佳保温层,有效减少了地下热能的散失,为南海地热资源的形成提供有利条件。

c.海上地热发电在技术上及经济上具有一定的优势,但是目前的研究仅处于起步阶段,需要进一步深入研究,形成南海地热的独特发电方式。