江汉盆地中深层构造演化对地热的影响

祝林

长江大学地球物理与石油资源学院 湖北 武汉 430100

“碳中和”作为人地协调演化的一个重要标志，事关地球生态系统的可持续发展，已上升到国家战略层面，并已成为国际社会的共识。地学在“碳中和”进程中具有举足轻重的地位。马冰等人以可再生能源替代传统的化石能源，并将其用于二氧化碳的捕集与封存，是当前地学研究的热点。我国拥有丰富的地热资源，对其进行有效的开发与利用，对于我国能源结构的优化、降低碳排放均有重大的实际意义。

1 地质背景

江汉平原地处中扬子板块的东北边缘，北起大洪山逆冲推覆区的东南缘，中间是对冲区，南是江南雪峰逆冲推覆区，后被洪湖左走滑断层所切分成两个区域。中扬子是东秦岭-大别造山带与江南陆块构造带的过渡地带，江汉平原东缘印支期以来经历了多期次的应力场、多期次的构造变形，形成了多期次的构造应力场、多期性和多层次的构造变形。

2 盆地内构造样式及地热系统条件

2.1 张性构造样式

在盆地形成的历史进程中，在伸展与挤压两大构造体系的交互作用下，形成了一种叠置构造。江汉盆地在燕山晚期经历了一系列的构造逆转，形成了众多的拉张构造。沿大型逆冲断裂发育了强烈的倒转作用，形成地堑、地垒和断阶等构造样式。

2.1.1 地堑（半地堑）

它是一种在大规模逆冲断层中，经拉伸、反转而成的地堑型或半地堑型结构。这类构造对前期褶皱结构的改造作用极大，其底界常为前白垩系褶皱带的高端区，造成热储垂向连续性差，盖层下切，储盖条件极其恶劣。

2.2.2 地垒

沉积盆地的热源是地幔热传导和某些放射性元素释放的热能。这一类型的地热区通常深度很大，有的深度比较浅，具有地壳厚度小、温度梯度大的特点。在某些具有大断层的盆地地热水系统中，也有来自深部的高温岩浆气体作为热源。沉积盆地是径流的重要汇集区，其内部热库多呈分层分布，在供水短缺情况下，其内部热库的空间分布主要受控于构造；在补给充足的情况下，断层的发育特征和岩体的展布是决定地层水分布的重要因素。它受两个方向相反的拉张断裂所控制，两侧下凹，中间相对隆起，从而构成了一堵墙。在前白垩纪，由于受两个方向的力或反作用的作用，在较早的逆冲断裂的下盘上所产生的拉张向斜，以及经拉伸、反转而形成的断垒。这一类型的构造对地热的聚集有利。

2.2.3 断阶

发育在箕状断陷的内部，在大型逆冲反转断层的上盘发育系列同向的伸展断层，平面上呈台阶状延伸，该类构造样式与断陷一样对早期的地热系统起破坏作用。

2.2 双重逆冲构造样式

双重构造常发育于逆冲推覆构造带中，由由顶板冲断层和底扳冲断层所围限的叠瓦冲断夹块组合而成。383-2测线和YLW-01-379-5测线均见双重构造样式，383-2测线南东端顶底板断层均沿基底岩系内部滑脱面滑动，内部夹有震旦系-志留系断块，由一系列鱼刺状排列的与顶底断层倾向反向断层组成。YLW-01-379.5测线南东端的双重构造底板断层为基底岩系内部滑脱面，顶板断层为志留系内部滑脱面，夹有震旦系-志留系断块，内部发育有与顶底板断层倾向相反的叠瓦状构造。

在盆地的南北两侧，上述构造的变形程度和规模均有不同，南、北两期逆冲构造倾角较小，规模较大，形态较完整；北坡角较陡分布多，大小不等，常被两套单冲叠瓦构造夹持。

2.3 岩浆岩刺穿构造样式

与加里东-印支期相比，中扬子区燕山期（侏罗纪-白垩纪）的岩浆活动显著增强，地幔-壳源两类岩浆同时存在，但主要以花岗岩型岩浆为主，且分布范围广，燕山早、燕山晚期均有分布，但以后一种方式为主。然而，幔源岩浆作用微弱，区域差异显著，仅有基性岩脉、玄武岩零星分布，且均为燕山晚期。华南（含中扬子）在燕山期以挤出为主，并伴有走滑剪切，其岩浆活动以大陆地壳二云母花岗岩为主，幔源岩浆很少；燕山晚期，华南地区大量出露了大量的双峰型火山岩、基性岩壁群、煌斑岩、玄武岩、A型花岗岩、花岗岩等，并伴随着大量的岩浆混合，揭示了深部地幔物质的上抬和拉张-减薄。

中生代、新生代岩浆活动区地壳较薄，高温地慢层埋藏相对较浅，易向上传递热能，区域热流值较高，岩浆侵人受已有构造的控制，岩浆在上升的过程中，强大的地应力对原有构造进行改造，岩浆岩体形成后，在围岩中可能还保留有深大断裂破碎带，有利于地下热水的生成和聚集，且岩浆向上侵入时，易与围岩接触部位产生流动构造和破裂构造，有利于地下水的贮存和运移。

3 深大断裂特征对地热的控制作用

江汉盆地潜北断裂构造复杂，分支断裂多，断面形状复杂，断层倾向差异大，断层间距大，形态复杂。依据前北断裂上下盘构造特征，以及各段断裂的类型、分布、产状、间距等特征，将前北断裂整体划分为三个区段，分别与丫角低凸起、荆门坳陷、乐乡关凸起、汉水凹陷和永隆河隆起区等古构造区内的正、负古构造单元，使它们之间的构造及演化存在差异。再加上盐泥的变形作用，使断层的结构形式发生了变化，并在不同阶段、不同阶段形成了不同的断层转化带。横截面的几何形状有直形、铲形和坐椅等。其中，正向断阶、逆断阶、地堑、地垒、Y形、马尾、多字、花状等断裂组合是比较普遍的一种。断裂的平面组合形式有：侧向-辐射型，帚状-品型，网格型，斜列式等。

断裂它一方面是地热能的传递通道，主要将深部的热源用对流的方式带到上部，在上部的储集层形成一个高温异常的聚集区[1]。另一方面由于内部张性特征可以直接作为地热储层。

一个较好的断裂带可以用来储存一个热流体，通过裂缝结构运输或穿透。但对于压性地层，其导水能力差可作为良好的保温隔热带。断裂通过连接深部热源、上部热储层和盖层，成为地热系统形成的纽带，提供热能量和热流体运移通道。

4 构造演化对地热的影响

江汉平原东部自印支期以来由于受到多种应力场作用和多边界条件的限制，区域构造演化具有构造应力场的多重性、构造活动的多期性、构造变形的多层次性等特点[2]。江汉平原区构造演化主要经历了三个构造形变阶段印支期以前的稳定沉降与间歇性隆升阶段、印支-燕山早期的冲断推覆阶段和燕山早期后的伸展变形阶段。

4.1 前印支期古构造形成演化

在印支期之前，江汉盆地是一个位于克拉通内阶地的海相盆地。在此期间，受抬升和沉降限制的构造活动较弱，基底热流较低（Yuan等人，2007）。江汉盆地及其北缘盆地主体表现为陆缘盆地为陆缘海和陆表海性质。板缘褶皱造山，盆地内形成隆起。南秦岭广泛的出现的盆隆构造景观代表了华南板块北缘被动大陆边缘沉积体系，形成了一套震旦-早古生代的远硅质建造[3]。寒武纪，盆地东部地区在拉张转换机制下，形成了一套从海底火山岩到深水碳酸盐、浅海碎屑岩构造，地热储盖条件不错。志留系盆地大部分沉积的是泥页岩沉积厚度大，分布稳定，是一套良好盖层，对寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储中的地热流体起着保温作用。晚石炭世—早二叠世的吴东运动，形成了区域性的不整合面，之后在中二叠世连续沉积了一套稳定的碳酸盐岩，是良好的区域性地热储层。

4.2 早中三叠世克拉通盆地演化阶段

早三叠世，江汉盆地表现为碳酸盐岩台地环境，且台地出现镶边。大冶早期，江汉盆地平原区沉积物为深灰色、灰色薄层状灰岩，泥质灰岩夹条带状鲕灰岩，属碳酸盐岩深缓坡环境，构成一套稳定的地热盖层。

自中三叠世以来，由于华南和华北两大板块的不断碰撞和拼合，导致整个大陆的地壳隆升，海水逐渐西移，并伴随着小规模的海进，形成了一系列海陆交错的碎屑岩系。而中三叠世晚期褶皱转换期，发育的逆冲推覆构造使大巴山和大红山向南挤压。在这段时间里，地壳层增厚，从而使热流降低。中三叠世之后，印支主期活动的爆发，使海水消退，海洋的沉积史宣告终结，进入了一个由大陆沉积为主的新时代。

晚三叠世开始，该盆地的北部是一片造山带，其北部和中部均发育有一套完整的弧后前陆盆地。在盆地中，由于褶皱的增强，使其形成了一个巨大的前陆坡和前陆隆。

4.3 侏罗纪末期—白垩早期岩浆岩活动改造演化阶段

在经历了强烈的剥蚀后，在挤压-拉张应力的作用下，岩石中的酸性岩浆岩发生了侵入、喷出，并产生了一系列的岩浆穿透和隐蔽穿透结构。穿透与隐穿刺构造是由岩浆活动所致，多为早白垩世晚期，在盆地挤压-伸展转换过程中形成，早白垩世拉张断陷活动微弱，只在盆地西侧活动。在该地区的东缘，形成了早白垩世的一个局部的沉积空间，该地区的大多数地区仍处于持续的前白垩纪古陆的剥蚀状态。

4.4 白垩纪—新近纪断陷演化阶段

中、上白垩世属拉张构造环境，大部分控盆断层是由于前期的推覆式挤压断层的后期回滑而形成的。江汉盆地晚白垩世初期，多条 NW向的基底断层在拉张作用下发生了强烈的断陷，对晚白垩世的沉积有显著的控制，导致其前缘厚、后倾，形成了多条 NW向展布的地堑-半地堑断陷，对侏罗系、上覆热储、盖层的改造与破坏，且受早白垩系盖层的影响。在经历了燕山构造运动后，中生代以来，该地区经历了一系列的造山带构造变形，整体上呈现出伸展状态，尤其是在造山作用下，在近南北向的挤压作用下，形成了一套北北东向构造。NW向共轭剪切节理与近东西张节理交汇部位，发育一系列规模较大的断层，为地热的生成创造了所需的产流与排水条件。

该地区的主要储层是寒武-奥陶纪和石炭纪-二叠系。这两个地区都属于碳酸盐岩热储，巨厚的志留纪下埋有寒武纪-奥陶系碳酸盐岩热储。该区的储集岩为志留系、晚二叠世-侏罗纪和白垩纪-古下第三系。志留系地层为泥页岩、粉砂质泥岩和粉质页岩，具有较高的厚度和较好的隔热和保温能力，对寒武-奥陶系碳酸盐岩储层具有较好的隔热和隔热功能。白垩纪-古第三系是一套中厚层的粉砂岩、粉砂岩和砾岩，上部粉砂岩对深部的砂岩和砾岩热储具有很好的隔热效果；上二叠统-侏罗系以硅质岩、砂岩、灰岩和泥页岩为主，对石炭-的碳酸盐岩储层起到了一定的隔热保护作用。

5 结束语

江汉盆地地处江南-雪峰造山带北缘，中扬子东北缘，东秦岭—大别造山带南缘。东秦岭—大别、江南—雪峰两侧碰撞造山带是该区盆地形成的重要制约因素。燕山运动形成了江汉盆地构造格局，发育一系列大规模的隆起和坳陷，沉积了巨厚的中生代和新生代地层，砂岩和泥岩交互叠置的沉积构造，为地下热水的储集和保温提供了良好的地质环境。

古生界各个层位的热储潜力区域，均集中于冲断带两侧，其中，北部是大洪山推覆带第四、第五推覆体，南部是江南雪峰冲断推覆带的第一推覆体，江南雪峰冲断推覆带第二推覆体第一和第二推覆体。印支期以来，本区志留系以下的地层均未遭受过强烈的剥蚀，或剥蚀强度不大，且具有相对稳定的展布。在燕山晚期，其南部的白垩纪下不整合构造倒转，使潜山低断层能够捕捉到早期的垂向运移热水，从而构成了一套全新的油气成藏体系。其北洪山滑脱层的第四推覆构造，是下古生界的一个良好的稳定性区域。