莺歌海盆地现今地温场及热结构研究

2023-12-15宋荣彩董贵宇陈海雯王迎春郑华安梁玉凯

成都理工大学学报（自然科学版） 2023年6期

郑峰,宋荣彩,董贵宇,陈海雯,王迎春,张超,吴涛,郑华安,梁玉凯

(1.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;2.中海石油(中国)有限公司海南分公司,海口 570312;3.中国海油南海油气能源院士工作站,海口 570312)

南海北部沉积盆地热体制研究开始于21世纪初期[1],近年来,许多学者对南海北部陆缘沉积盆地地热特征做了相应研究。单竞男等[2]通过南海北部琼东南盆地大地热流数据与岩石热物性参数,结合盆地内的四条地震剖面,计算了琼东南盆地的岩石圈热结构与深部莫霍面温度;唐晓音等[3]通过收集整理珠江口盆地热流数据与岩石热物性参数,对珠江口盆地岩石圈热结构进行了深入研究;其他学者也对北部湾盆地、南海西北次海盆、东部次海盆、北部大陆架和南沙海槽的热结构做了许多研究[1,4-7],而对于莺歌海盆地地热资源的研究目前仅限于大地热流平面展布特征、热物性参数分析等[1,4,8-10]。

本文收集整理前人所发表的莺歌海盆地及其周缘钻井测温、大地热流、岩石热物性资料以及横跨盆地的地震剖面等数据[8-17],并通过钻井实际取样,对莺歌海盆地9口钻井岩芯样品进行了分析测试,新增了莺歌海盆地13个岩石热物性参数,在此基础上基于一维稳态热传导方程,计算并绘制出莺歌海盆地现今地温场不同深度平面分布图;并在中德合作所测的地震剖面基础上,运用地热学计算方法,算得测线位置处的壳、幔热流值分配关系,对其深部热结构特征进行了探讨。本文的研究成果丰富了莺歌海盆地的地热学参数,为盆地地热资源的整体评价以及构造热演化的研究工作提供参考。

1 构造与沉积特征

南海是西太平洋最大的边缘海,地理位置上处于欧亚、印澳、太平洋板块和菲律宾4个板块相互作用的结合部,在其北部陆缘附近,形成了包括莺歌海盆地、琼东南盆地、北部湾盆地、珠江口盆地在内的众多盆地[18-19],其构造演化历史非常复杂,导致其特殊的沉积充填特征[20-22]。

莺歌海盆地位于海南岛西部,中南半岛东部,盆地整体样式呈菱形,盆地整体面积为 12.7×104km2,是南海西北部大陆边缘沉积的新生代走滑伸展盆地,主要受北西向、北北西和近南北走向的基底断裂带控制(图 1)[23-25]。

自新生代以来,盆地充填从底部的冲积扇、河流、湖沉积向上过渡为滨浅海碎屑岩相直至半深海相沉积,总体上显示了1个海进充填序列[26],沉积的地层自下而上分别为始新统的岭头组,渐新统的崖城组和陵水组,中新统的三亚组、梅山组和黄流组,上新统的莺歌海组以及第四系的乐东组地层(图2)[27]。

2 岩石热物性参数

沉积盆地中岩石表现出的本身的一些热物理性质是研究盆地沉积层及其相关的物理现象的基本参数[28],岩石的热物性参数包括了岩石的生热率、热导率、比热容、热扩散系数、密度等参数,其中的热导率跟生热率是研究区域性地温场、大地热流、岩石圈热结构以及恢复盆地热历史不可或缺的参数[9,28-30]。

本次共采集莺歌海盆地9口钻井13块岩芯样品(取样位置见图1),所采集样品主要位于莺歌海盆地中央凹陷底辟带附近,岩性为砂岩和泥岩,地层时代来自于莺歌海组与黄流组,采样地点在空间上较为分散,在地层上具有一定的代表性,能够为莺歌海盆地提供一批新的岩石热物性参数。本次实测了生热率以及热导率2个热物性参数,其余密度等热物性参数根据之前测试报告所得,测试结果如表1所示。

图1 莺歌海盆地及周缘构造图Fig.1 Tectonic map of the Yinggehai Basin and its periphery

图2 莺歌海盆地地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Yinggehai Basin(修改自韩丙耀[27])

表1 岩石热物性测试结果Table 1 Test results of rock thermal properties

2.1 岩石热导率

岩石热导率是岩石热物性参数中最主要的参数之一,是用来研究地壳和上地幔热结构及地球深部热状态的基础[11]。本次岩石热导率(λ)测试在油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)完成,所用测试仪器为德国生产的 THB(Transient Hot Bridge),热导率测试范围为0.01～5 W/(m·K),测试的温度范围为-150 ℃～200 ℃,测试原理和具体方法见文献[31]。

2.2 岩石生热率

岩石放射性生热率(A)指的是单位时间、单位体积内岩石放射性元素衰变所产生的热量,放射性元素主要是 U、Th、K 3种。对于岩石生热率的计算,目前不少学者都提出过相应的计算方法[32-34],本文计算岩石放射性生热率采用L.Rybach[32]所提出的经验公式计算,即

A=0.01ρ(9.52wU+2.56wTh+3.48wK)

(1)

式中:A为岩石放射性生热率(μW/m3),ρ为岩石密度(g/cm3),wU、wTh、wK分别为岩石样品中U、Th、K的质量分数。放射性生热元素(U、Th、K)含量测试由四川西冶检测科技有限公司完成,所使用的仪器为美国生产的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。

2.3 测试结果

表1展示了本次所取莺歌海盆地 9 口钻井 13 块岩心样品的岩石热导率及放射性生热率测试结果。通过表 1 得到,黄流组岩样的热导率平均值为 2.61 ± 0.46 W/(m·K),莺歌海组岩样的热导率平均值为 1.82±0.35 W/(m·K),整体平均值约为2.35±0.57 W/(m·K);黄流组岩样的放射性生热率平均值为 1.16±0.34 μW/m3,莺歌海组岩样的放射性生热率平均值为 1.58±0.24 μW/m3,整体平均值为 1.30±0.24 μW/m3,与何丽娟等[35]所测试的结果基本一致。

3 地温场分布规律及特征

3.1 现今地温梯度特征

本文在综合利用前人测温数据的基础上[10,34],又收集了部分井的测温数据,这些温度数据深度范围主要在1 000～4 000 m之间,地层岩性主要是砂岩与泥岩,绘制出莺歌海盆地部分井的地层温度随深度变化图如下所示(图3)。从图中看出,温度数据随深度线性增加,体现了典型的热传导特征。其中,S-005与S-006样品所在井的地温梯度达到5.08 ℃/100 m,地温梯度值远高于中国平均地温梯度(3.0 ℃/100 m)。通过数据还反映出所收集的地温梯度分布在3.29～5.08 ℃/100 m,高于中国西部地区的四川盆地(2.28 ℃/100 m)[37]、塔里木盆地(2.00 ℃/100 m)[38]和准噶尔盆地((2.12～2.26 ℃)/100 m)[39]的地温梯度,也较中国近海的东海(3.27 ℃/100 m)[40]与南黄海(2.86 ℃/100 m)[41]的地温梯度都高。另外,通过前人研究成果可知,莺歌海盆地现今平均大地热流值为 74.7±10 mW/m2[15],高于中国大陆地区(61.5±13.9 mW/m2)[42],也比东海(70.6 mW/m2)[40]与南黄海(69 mW/m2)[41]高,由此可见,莺歌海盆地属于“典型”热盆。

图3 莺歌海盆地实测钻孔温度-深度变化图Fig.3 Temperature-depth variation of measured boreholes in the Yinggehai Basin

3.2 现今地温场特征

在对测温数据分析的基础上,结合岩石的生热率与热导率等热物性参数,通过热传导方程计算了盆地不同深度的地层温度,并绘制出莺歌海盆地不同深度的地层温度分布图。

在计算沉积盆地浅层地温时,一般不考虑岩石热导率与生热率随时间和位置的变化[2],故采用一维稳态热传导方程进行计算,公式如下式(2)[43]

tz=t0+(q0Z)/K-(AZ2)/2K

(2)

式中:tz为所求取界面的温度(℃),t0为海底温度(℃),q0为海底热流值(mW/m2),Z为所计算的深度(km),A为计算层段顶部的沉积岩石放射性生热率(μW/m3),K为沉积岩石热导率(W/(m·K))。

对于海底温度t0,本文计算使用施小斌等[10]所使用的计算公式:

t0=-8.7946 lgZ+62.958

(3)

t0=exp(6.506617-0.7352185 lgZ)

(4)

在上式中,Z代表海底深度(m),计算规则参考前人研究所得,当海底深度Z<600 m,按照公式(3)进行计算,计算结果>25 ℃ 时,取三亚年平均气温 25 ℃;当600 m≤Z<2 800 m时,按公式(4)进行计算;当海底深度Z>2 800 m时,海底温度基本趋于稳定(2.2 ℃)[44]。

而由于部分井测试数据并不完整,一部分井只有岩石热导率数据或者岩石放射性生热率,所以根据本次实测以及前人所在莺歌海盆地及其附近所得成果[8-14],对于未测定岩石热物性参数的井,放射性生热率A取平均值1.77 μW/m3,岩石热导率K取平均值为 1.93 W/(m·K)。通过式(2)计算得到莺歌海盆地1 000 m、2 000 m及3 000 m深度处的地层温度,采用 Kriging 插值法[45]对莺歌海盆地及周缘温度数据进行插值处理,得到莺歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深度界面处的地温分布图(图4)。

图4 莺歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深度界面温度分布图Fig.4 Temperature distribution at the 1 000 m,2 000 m and 3 000 m depth interface in the Yinggehai Basin

莺歌海盆地1 000 m深度地层温度分布在40 ℃～85 ℃之间,地层温度由中央向盆地北西、南东区域逐渐降低。其中在河内凹陷、莺西斜坡及中央凹陷附近的温度普遍较高,地层温度>60 ℃,在盆地北西角落、莺东斜坡部分地区以及盆地南东角落附近温度略低,计算的地层温度<60 ℃。分析其原因,可能受到断裂带以及中央泥底辟活动的控制,导致盆地在地温梯度上存在明显差异,最终计算得到的地层温度最大差值达到45 ℃。

莺歌海盆地2 000 m深度地层温度大部分分布于60 ℃～130 ℃之间,局部温度>130 ℃,地层温度较高的区域主要是河内凹陷—临高凸起南西方向—泥底辟一带,在河内凹陷附近的地层温度>130 ℃,为全盆最高温分布区,地层温度分布特征大体上与1 000 m深度保持一致。莺歌海盆地3 000 m深度温度与2 000 m 深度温度分布特征基本保持一致,沿着河内凹陷—临高凸起南西方向—中央泥底辟一带地层温度普遍较高,总体上3 000 m深度地层温度介于80 ℃～200 ℃。在河内凹陷附近地层温度>180 ℃,在临高凸起南东向及中央底辟带部分地区地层温度>140 ℃。

盆地现今地温场受到构造活动性强弱、断裂构造分布、地壳厚度、最后一次热事件等诸多因素的影响[46]。从总体上看,莺歌海盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m 深度处的温度分布特征基本一致,盆地内的断裂构造与地壳厚度对地温场分布有明显的控制作用,在断裂发育处与中央凹陷地壳减薄处热异常非常明显;而莺西斜坡因缺少数据点的控制,所以在断裂发育处温度较低。

造成莺歌海盆地现今地温场异常的原因之一可能是断裂活动的影响。莺歌海盆地自开始形成以来,受到一系列北西—南东向的走滑断裂的控制,诱使盆地局部发生张性破裂产生底辟构造,加剧了地层的破裂程度[47],导致莺歌海盆地岩石圈产生许多断裂构造,为深部热物质上涌提供了“热通道”,造成现今地温异常;另外,岩石圈减薄也是导致局部热的重要原因之一,自新生代以来,莺歌海盆地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[48]),随着深部地幔热物质上涌,现今地温场发生变化,导致温度上升,使得地表温度与地表热流升高。

4 岩石圈热结构

4.1 计算原理

岩石圈的热结构关系主要是指一个研究区内地壳与深部地幔热流的配分比例及其组构关系[49],而壳、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[50]。通常情况下,在地表所测试的大地热流值(Q0)主要由2部分组成,一部分是上部地壳岩石中 U、Th、K 等放射性元素放射性生热产生,另一部分则由深部地幔产热。地壳岩石生热率随深度采用目前普遍应用的分层阶段函数模型,则地表热流值计算公式如下:

(5)

在上式中,Q0为地表热流(mW/m2),Qm为地幔热流(mW/m2),Qc为地壳岩石放射性生热(mW/m2),A为岩石生热率(μW/m3),Zm为莫霍面埋深(m),Ai为第i个岩层中岩石放射性生热率(μW/m3),δi为第i个岩层厚度(m)。

4.2 地壳结构模型及生热率取值

在计算地壳热流与地幔热流分配之前,首先需要给出比较符合研究区实际情况的地壳结构模型[3]。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 年在莺歌海盆地附近进行了深部地震联测获得的地学断面,揭示了莺歌海盆地深部速度结构(图5)[51],为本文的计算提供了地震波速(Vp)、地壳厚度(δ)等基本参数,测线位置见图 1。

图5 莺歌海盆地AA′剖面地壳结构速度模型Fig.5 Crustal structure velocity model of AA′ section in Yinggehai Basin(修改自刘赛君等[15])

本文地壳生热率的估算方法是将地壳分为沉积盖层、上地壳上部、上地壳下部低速和下地壳4层进行计算,对于沉积盖层岩石放射性生热率,根据上文取平均值为 1.77 μW/m3。而对于地壳深部岩石放射性生热的计算,采用L.Rybach等[52]根据大量实验数据所提出的计算深部岩石放射性生热率公式

lnA=B-2.17Vp

(6)

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

4.3 计算结果

根据地壳结构模型以及岩石生热率的分层阶段函数进行地壳热流的计算,其中,本条测线地理位置上位于莺歌海盆地中央凹陷内,经莺歌海 1 号断裂横跨莺歌海盆地,整条测线总长 210 km,最终建立的地壳分层模型具体参数与生热率计算结果如表2所示。

表2 莺歌海盆地中央凹陷地壳结构与生热率计算Table 2 Calculation of crustal structure and heat generation rates in the central depression of the Yinggehai Basin

根据地壳分层模型以及Vp与岩石生热率之间的经验公式,可计算得到深部地壳各层的生热率(表3),并由此计算地壳热流与地幔热流的大小及地幔热流在地表热流中所占的比重。

表3 莺歌海盆地中央凹陷地壳热量计算表Table 3 Heat calculation of the central depression crust in the Yinggehai Basin

图6展示了莺歌海盆地地壳热流、地幔热流以及地幔热流在地表热流的占比值沿着计算剖面的展布情况。从图6-A中可知,整体上本条剖面的地壳热流自NE向着SW减小,与莺歌海盆地地壳减薄的趋势表现相似,并且剖面的地壳热流从测点A5(105)处的34.6 mW/m2减小到A1(OBH11)处的 28.2 mW/m2。地幔热流表现出自NE向着SW方向逐渐增加,变化趋势与地表热流相反。图6-C展示了AA′剖面的地幔热流在地表热流中所占的比重,从图中可以知道,地幔热流在地表热流中所占的比值范围56%～64%,表现出从盆地边缘向盆地中央逐渐增大的趋势。

图6 莺歌海盆地中央凹陷AA′剖面各测点热流Fig.6 Heat flow at each measuring point of AA′ section in central depression of Yinggehai Basin

莺歌海盆地中央凹陷地壳结构与热结构模型如图7所示。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成果计算得到,莺歌海盆地中央凹陷大地热流值(Q0)平均为 78.6 mW/m2,根据表2得到莺歌海盆地中央凹陷地壳热流(Qc)平均值为 32.4 mW/m2,则地幔热流(Qm)约为 46.3 mW/m2,地幔热流与地表热流之比(Qm/Q0)约为0.59,超过海底热流的50%,符合Wang Jiyang[53]所提出的“冷壳热幔”的岩石圈热结构特征,因此,莺歌海盆地具有“冷壳热幔”结构。