准噶尔盆地大地热流特征与岩石圈热结构

饶 松，胡圣标，朱传庆，唐晓音，李卫卫，汪集旸

1 中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学，北京 100049

3 中国石油大学（北京），北京 102249

1 引 言

准噶尔盆地位于新疆北部，处于81°E—92°E、43°N—48°N之间，是我国西部重要的含油气盆地.盆地平面形状呈南宽北窄的近三角形，东西长700km，南北宽370km，面积13.4×104km2，沉积岩最大厚度可达15km［1］.从现今大地构造位置上看，准噶尔盆地位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块及塔里木板块的三角地带，是哈萨克斯坦板块的东延部分，为三面被古生代缝合线包围的晚石炭世到第四纪发展起来的典型的多旋回叠合盆地［2－3］，具有由早古生界褶皱基底和前寒武系结晶基底组成的“双层基底”结构特点［4－5］，经历了多期构造－热演化［6－8］.以 整 体 构造演化特征为背景，根据盆地各区构造演化和含油气方面的差异性，准噶尔盆地可以划分为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、西部隆起、东部隆起和北天山山前坳陷等6个一级构造单元［9］，如图1所示.

准噶尔盆地现今地温场和岩石圈热结构研究始于20世纪90年代.20多年来，前人通过开展盆地及周缘钻孔温度测量和热导率、生热率等热物性参数测试，报道了一批大地热流数据，对准噶尔盆地现今地温场和地温分布特征有了基本认识［10－14］.刘国壁等根据760个测温点资料，计算了准噶尔盆地地温梯度为20.7℃／km，大地热流为35.6mW／m2，提出准噶尔盆地属于“冷盆”的认识［10］；张惠蓉等报道了准噶尔盆地东部隆起火烧山油田地温梯度为23.7℃／km，大地热流值为40.8mW／m2［11］；祖金华等研究了新疆305地学断面北段的地热特征，指出盆地西南部大地热流较北天山山前和西北缘高［12］；邱楠生等对准噶尔盆地地温分布特征进行了系统分析，指出在地表热流相近的情况下，沉积岩层的组构决定了深部地温的分布［13］；王社教等根据系统的测温数据和岩石热导率测试结果，报道了准噶尔盆地首批35个大地热流数据，其中A类数据26个，B类数据8个，D类数据1个（即位于北天山山前坳陷的小1井，地温梯度为11.6℃／km，大地热流值为23.4mW／m2，图1中热流测点编号20），结果显示盆地平均地温梯度为21.2℃／km，平均大地热流为42.3±7.7mW／m2［14］，这也是准噶尔盆地迄今为止汇编于全球大地热流数据库的仅有的一批高质量的热流数据.

2000年以来，随着油气勘探开发的快速发展，准噶尔盆地新增了一大批地温数据；光学扫描法（Optical Scanning Method）在岩石热导率测试中的广泛应用［15］，也让大规模、高精度的岩石热导率测试成为可能.作者系统收集了准噶尔盆地2000年以来新增的102口钻孔的系统测井温度和400多口钻孔的试油温度资料，共筛选出11口钻孔高质量的系统试油温度数据；通过光学扫描法测试了15口钻孔共187块代表性岩石热导率，首次建立了准噶尔盆地热导率柱；新增了11个高质量的（A类）大地热流数据，并分析了盆地大地热流分布特征.此外，在分层地壳模型建立的基础上，揭示了准噶尔盆地东部隆起和北天山山前坳陷岩石圈热结构的差异.这一工作代表了目前准噶尔盆地现今地温场研究的最新进展，将为盆地动力学研究和油气资源评价提供可靠的地热学依据.

图1 准噶尔盆地构造单元划分（据文献［9］）及岩石热导率、大地热流测点分布图I—乌伦古坳陷（Wulungu Depression）；Ⅱ—陆梁隆起（Luliang Uplift）；Ⅲ—中央坳陷（Central Depression）；Ⅳ—西部隆起（Western Uplift）；Ⅴ—北天山山前坳陷（Southern Depression）；Ⅵ—东部隆起（Eastern Uplift）Fig.1 Distribution of structural units（after Ref.［9］）and the measurements of thermal conductivity and heat flow in Junggar Basin

2 地温资料

2.1 地温资料的类型

沉积盆地现今地温场研究主要借助各种钻孔测温，由于测温类型多种多样，因此测温数据的质量参差不齐.按照数据质量从高到低，钻孔测温数据大致可以分为四类［16］，它们在地温场研究中的作用存在很大差异：（1）系统稳态测温，指钻孔热平衡时间以后的系统测温，代表了研究区真实的地温状况，这种测温资料最可靠、精度最高，是地温场研究最关键的资料，但获取困难，资料较少；（2）静井温度，指关井数天或长期关井后将仪器下放至射孔井段获得的试油温度，有时为对不同的含油层段进行试油，数次关井并将仪器下放至不同深度进行温度测量，从而获得钻孔的系统试油温度，它在一定程度上可以替代研究区系统稳态测温，这类资料是地温场研究的主要依据之一；（3）准稳态测温数据，指关井后静井1～3天内所测的温度数据，与稳态测温资料相比，其误差较大，只能作为区域地温场研究的必要补充；（4）瞬态测温，指完井后不到1天所进行的测温，由于静井时间短，地温与井温尚未达到平衡，测得的井温曲线不能反映真实的地温状态，因而也无法用于地温场的研究，如准噶尔盆地莫深1井，470～4472m瞬态系统测井温度揭示地温梯度仅8.1℃／km，远小于试油温度揭示的地温梯度21.0℃／km.

2.2 地温资料分析和筛选

在王社教等［14］工作的基础上，作者共收集了2000年以来新增的102口钻孔的系统测井温度和400余口钻孔的试油温度资料，经过分析共筛选出彩47、西泉092、沙19、莫15、玛纳1、拐19、阜东5、彩深1、彩504、彩45和夏盐15等11口钻孔具有高质量的系统试油温度数据，如图2所示，除部分井段可能因断层或地下水活动的影响，局部温度呈异常变化以外，总体上温度随深度线性增加，体现出传导性地热特征，可以用于准噶尔盆地现今地温场的研究.

2.3 准噶尔盆地现今地温梯度分布特征

图2 准噶尔盆地新增热流钻孔温度－深度分布曲线1—彩47（Cai47）；2—西泉092（Xiquan092）；3—沙19（Sha19）；4—莫15（Mo15）；5—玛纳1（Mana1）；6—拐19（Guai19）；7—阜东5（Fudong5）；8—彩深1（Caishen1）；9—彩504（Cai504）；10—彩45（Cai45）；11—夏盐15（Xiayan15）Fig.2 The change of geotemperature with depth in the 11boreholes

对温度－深度曲线用最小二乘法进行线性拟合，得到以上11口钻孔的地温梯度（如表3所示），相关系数全部大于0.99，表明温度－深度线性关系很好，地温梯度计算可靠.结合王社教等报道的35个地温梯度数据［14］，绘制了准噶尔盆地现今地温梯度分布图（图3），并对各构造单元平均地温梯度进行了统计（表4）.结果表明，准噶尔盆地现今地温梯度为11.6～27.6℃／km，平 均21.3±3.7℃／km，与塔里木盆地平均地温梯度22.6±3.0℃／km接近［17］，低于柴达木盆地20～33℃／km［18］、鄂尔多斯盆地29.3 ℃／km［19］、四川盆地22.8 ℃／km［20］，与东部中新生代断陷盆地相比则更低［21－26］.区域上，地温梯度的分布与基底的构造形态密切相关，东部隆起地温梯度最高，变化范围在18.5～26.9℃／km之间，平均为23.4℃／km；陆梁隆起地温梯度次之，介于16.7～26.2℃／km，平均为23.0℃／km；中央坳陷和西部隆起地温梯度大致相当，分别为21.3℃／km和20.5℃／km；乌伦古坳陷仅有一个测点，地温梯度为19.5℃／km；北天山山前坳陷的地温梯度最低，变化于11.6～21.4℃／km之间，平均仅为17.1℃／km.

3 岩石热导率

3.1 岩石热导率测试方法

岩石热导率表示岩石传热的特性，其物理意义为：沿热传导方向在单位厚度岩石两侧的温度差为1℃时单位时间内所通过的比热流量，单位为 W／（m·K）.精确的热导率测量，是基础地热和应用地热研究中热流计算以及地质体热物理性质研究的基础之一.岩石热导率测试方法十分繁多，其中代表一维稳态热源测试原理的轴向热流法（如分棒法）和代表二维径向非稳态热流测试原理的热线法（如探针法）得到了广泛的应用［27］.20世纪90年代以后，光学扫描技术［15］被应用于岩石热导率测试之中，其测量效率高、无接触测量方式、可以直接测量岩心样品（不需制样）以及能够定量评估岩石的热各向异性和非均质性等优点，使其得到了广泛应用，迄今为止，该方法已经成功应用于东欧地台Vorotilovo深钻［28］、俄罗斯科拉半岛深钻［29］和中国苏鲁—大别大陆深钻等岩心热导率测试［30］.

图3 准噶尔盆地现今地温梯度分布图（℃／km）Fig.3 Distribution pattern of present－day geothermal gradient in Junggar Basin（℃／km）

本次岩石热导率测试，使用德国生产的TCS（Thermal Conductivity Scanning）热导率自动扫描仪，其测量范围为0.2～25W／（m·K），测量精度为±3%.测试过程中，两个红外传感器分别记录加热之前和之后的温度，差值代表温度增量Θ，其与热源功率Q和热导率K之间的定量关系为

实际应用中，温度增量Θ与电信号U成正比例关系，因此，热导率计算公式可进一步简化［15］：

式中x表示热源和传感器之间的距离，KM和KR分别表示实测样品和标样的热导率，ΘM和ΘR分别表示实测样品和标样的温度增量，UM和UR分别表示实测样品和标样的电信号.

3.2 岩石热导率饱水校正

影响岩石热导率的因素有很多，包括温度、压力、岩石本身的特性和压实成岩演化程度等，但最主要的是岩石的成分和结构特点.岩石热导率随温度增加而降低，随压力增加而升高，在一定程度上，二者在地壳深部可以抵消.在疏松多孔的岩石中，孔隙度及其有关特性，如孔隙的大小及连通性、含水量及充填物质等，对岩石热导率影响很大，因此有必要对热导率测试结果进行饱水校正［27］：

孔隙度φ根据钻孔声波测井数据计算：

图4 准噶尔盆地岩石热导率统计直方图Fig.4 Histogram of thermal conductivity in Junggar Basin

式中，Km、Kc分别为实测热导率和校正热导率；Kw为水热导率，0.600W／（m·K）；Ka为空气热导率，0.026W／（m·K）；Δt为实测声波时差；Δtma为砂岩骨架声波时差，182μs／m；Δtφ为水的声波时差，620μs／m；Cp为压实校正系数，对于压实的岩石Cp＝1，未压实的岩石Cp＞1.

3.3 不同岩类热导率测试结果

作者对准噶尔盆地15口钻孔（即伦参1、陆9、石120、陆东1、滴中1、风城1、玛13、中佳1、沙门1、盆4、莫深1、盆参2、霍10、台8和吉174井）共187块岩石样品进行热导率现场测试，样品选取遵循盆地岩石热导率测试的三个基本原则，即覆盖了盆地6个一级构造单元（图1），包含了盆地沉积盖层所有层位（C、P、T、J、K、E、N）和几乎所有岩石类型（砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、火山岩、变质岩）.准噶尔盆地岩石热导率统计直方图（图4）表明，热导率值相对比较集中，变化于1.167～3.062W／（m·K）之间，平均为2.209±0.383W／（m·K），主体介于2.0～2.6W／（m·K），占测试样品的57.2%.这一结果比邱楠生对准噶尔盆地160块岩石热导率统计结果2.048W／（m·K）［31］略大，与塔里木盆地平均热导率值2.304W／（m·K）［32］非常接近.准噶尔盆地不同岩类热导率测试结果汇编于表1，可见砾岩和变质岩热导率高，泥岩、粉砂岩和砂岩热导率大致相当，不同类型火山岩热导率差别较大.

图5 准噶尔盆地不同岩类热导率与深度的关系图Fig.5 The relationship between thermal conductivity and depth by different lithology in Junggar Basin

表1 准噶尔盆地不同岩类热导率统计结果Table 1 Thermal conductivity data of different lithology in Junggar Basin

从不同岩类热导率与深度的关系图（图5）可以看出，此次岩石热导率测试深度变化于1146～7005m，主要集中在2500～5500m深度范围.除个别异常点偏离正常趋势外，总体上热导率随着深度增加略有增大，这符合岩石热导率与深度正相关的普遍规律.但就不同的岩类而言，热导率与深度的相关性存在差异：粗砂岩和砂砾岩的热导率随深度增加，数值变化不大，即岩石热导率与深度的相关性小；而中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩随深度的增加，热导率呈线性增加趋势，火山岩类（凝灰岩居多）的热导率与深度也存在明显的正相关关系.上述现象说明，以粒间孔为主要储集空间的砂泥岩类和以裂缝为主要储集空间的火山岩类，随深度增加，压实作用增强，孔隙度逐渐降低，岩石热导率随之增加［14］.

3.4 准噶尔盆地岩石热导率柱

前已述及，本次热导率测试包含了盆地沉积盖层所有层位（C、P、T、J、K、E、N）.根据本次测试的187块岩石热导率数据，首次建立了准噶尔盆地热导率柱（表2）.除新近系仅有一个样品外，三叠系热导率最高，平均为2.505±0.276W／（m·K）；侏罗系和石炭系热导率次之，平均为2.307±0.332和2.218±0.401W／（m·K）；二叠系平均热导率为2.176±0.299W／（m·K）；白垩系和古近系热导率最低，分别为1.837±0.286和1.794±0.428W／（m·K）.根据准噶尔盆地热导率柱，按照不同层位厚度加权平均，可以估算各测温井段平均热导率（表3）.

表2 准噶尔盆地岩石热导率柱Table 2 Thermal conductivity data of different formation in Junggar Basin

表3 准噶尔盆地新增大地热流数据表Table 3 Data of new heat flow in Junggar Basin

4 大地热流

4.1 大地热流数据质量分析

大地热流是表征由地球内部向地表传输并在单位面积上散发的热量，它是地球内部的各种动力学过程的能量平衡在地表最直接的反映，在数值上，大地热流值等于地温梯度与地层热导率之积：

式中，q为大地热流（或称地表热流）值（mW／m2）；K为热导率（W／（m·K））；为地温梯度（℃／km）；负号表示热流方向与地温梯度方向相反.

很显然，大地热流数据质量取决于地温梯度和岩石热导率的测试精度.本次研究工作，计算热流的11口钻孔均为系统试油温度，井温数据线性很好，代表了传导性地温特征；热导率根据准噶尔盆地岩石热导率柱，按照不同层位厚度加权平均计算获得，因此获得的大地热流数据质量很高，为A类数据.

4.2 准噶尔盆地大地热流特征

图6 准噶尔盆地现今大地热流分布图Fig.6 Distribution pattern of present－day heat flow in Junggar Basin

表4 准噶尔盆地不同构造单元地温梯度和大地热流统计表Table 4 Data of geothermal gradient and heat flow of different structural units in Junggar Basin

夏盐15等11口钻孔的大地热流计算结果如表3所示.结合王社教等报道的准噶尔盆地首批35个大地热流数据［14］，编制了准噶尔盆地现今大地热流分布图（图6），各构造单元平均大地热流统计见表4.结果显示，准噶尔盆地大地热流介于23.4～56.1mW／m2，平均为42.5±7.4mW／m2，与塔里木盆地大地热流平均值43.0±8.5mW／m2非常接近［21］，低于我国中部、东部和海域大中型沉积盆地［18－26］，也低于我国大陆地区大地热流平均值63±24.2mW／m2［33］，属于典型的“冷”盆（热流＜50mW／m2［34］），反映了较为稳定陆块的构造背景，与世界典型克拉通盆地如Michigan盆地［35］和 Willliston盆地［36］热背景一致.区域上，准噶尔盆地大地热流与地温梯度分布规律基本一致，主要受控于盆地内基底的构造形态，表现为东部隆起大地热流最高，变化范围在35.8～56.1mW／m2之间，平均为46.9mW／m2；其次为陆梁隆起，介于35.4～53.7mW／m2，平均为45.5mW／m2；乌伦古坳陷、中央坳陷和西部隆起大地热流较低，分别为43.2、42.4和40.7mW／m2；北天山山前坳陷大地热流最低，变化于23.4～42.4mW／m2，平均仅为33.9mW／m2.

5 岩石圈热结构

大地热流由两部分组成，即地壳岩石中U、Th、K等放射性元素蜕变产生的热量（地壳热流，qc）和来自地球深部的热量（地幔热流，qm）.壳、幔两部分热量的配分比例及其组成关系，构成了某个地区岩石圈热结构，它直接影响到现今地壳、上地幔的活动性及深部温度状况.在准噶尔盆地分层地壳模型建立的基础上，利用“回剥法”逐层计算由地壳放射性元素生热产生的热流（qA），得到qc＝ΣqA，由qm＝q－qc计算地幔热流.准噶尔盆地分层地壳模型参考邵学钟等［4］，生热率模型及参数取值见表5.

大地热流受基底构造形态及其上覆沉积盖层厚度所控制，基底坳陷区沉积岩厚度大，而沉积岩相对于基底岩石热导率较低，对来自地壳深部的热流起着屏蔽作用，使热流在侧向上发生“折射”，导致盆地隆起区的热流高于坳陷区.此外，快速的沉积作用对地温场和大地热流产生强烈的压制作用，使地表热流迅速降低.准噶尔盆地东部隆起M界面（莫霍界面）埋深43.5km，B界面（褶皱基底面）埋深6km，沉积层的厚度仅3.5km；而北天山山前坳陷M界面埋深50 km，B界面埋深13.8km，沉积层的厚度达 12.9 km［4］.基底构造起伏及其沉积盖层厚度的巨大差异，可以导致东部隆起大地热流较北天山山前坳陷增大，而北天山山前坳陷新生代以来的快速沉积，将进一步引起地表热流值降低.因此在计算之前有必要进行地表热流的还原，以消除热流汇聚和快速沉积作用引起的热流异常.

研究中，选取准噶尔盆地最具代表性的两个构造单元，即大地热流最高而沉积层厚度最小的东部隆起，和大地热流最低而沉积层厚度最大的北天山山前坳陷分别计算岩石圈热结构，其计算结果可以大致作为准噶尔盆地壳幔热流比值的下限和上限.为了方便对比研究，两个构造单元地表热流值均取盆地平均值42.5mW／m2.计算结果（图7）表明，东部隆起地壳热流为18.8mW／m2，地幔热流为23.7mW／m2，壳幔热流比值为0.79；北天山山前坳陷地壳热流26.0mW／m2，地幔热流为16.5mW／m2，壳幔热流比值为1.58.这一计算结果与汪洋利用地下流体氦同位素比值估算的准噶尔盆地壳幔热流比例1.5和地幔热流21mW／m2［37］基本一致.

表5 准噶尔盆地地壳生热模型及参数取值Table 5 The crustal heat production model and parameter in Junggar Basin

图7 准噶尔盆地东部隆起（a）和北天山山前坳陷（b）地壳结构、生热模型和热结构特征（地壳分层模型据邵学钟等［4］）Fig.7 The crustal structure，heat production model and thermal structure of Eastern Uplift（a）and Southern Depression（b）in Junggar Basin（The crustal structure is from Shao et al［4］.）

6 结论与认识

准噶尔盆地现今地温梯度较低，介于11.6～27.6℃／km，平均为21.3±3.7℃／km.区域上，地温梯度的分布与基底的构造形态密切相关，东部隆起地温梯度最高，平均为23.4℃／km；陆梁隆起次之，平均为23.0℃／km；中央坳陷、西部隆起和乌伦古坳陷地温梯度大致相当，分别为21.3、20.5和19.5℃／km；北天山山前坳陷的地温梯度最低，平均仅为17.1℃／km.

准噶尔盆地岩石热导率值相对比较集中，变化于1.167～3.062W／（m·K）之间，平均为2.209±0.383W／（m·K），主体介于2.0～2.6W／（m·K）.不同岩类热导率统计结果表明，砾岩和变质岩热导率高，泥岩、粉砂岩和砂岩热导率大致相当，不同类型火山岩热导率差别较大.总体上，准噶尔盆地岩石热导率随着深度增加略有增大，符合岩石热导率与深度正相关的普遍规律.根据本次测试的187个岩石热导率数据，首次建立了准噶尔盆地热导率柱：三叠系热导率最高，侏罗系、石炭系和二叠系热导率次之，白垩系和古近系热导率最低.

基于高质量的地温资料和高精度的热导率数据，为准噶尔盆地新增了11个高质量的（A类）大地热流数据.大地热流数据统计结果显示，准噶尔盆地大地热流介于23.4～56.1mW／m2，平均为42.5±7.4mW／m2，表现为“冷”盆特征.准噶尔盆地大地热流与地温梯度分布规律基本一致，主要受控于基底构造形态，东部隆起大地热流最高，平均为46.9mW／m2；陆梁隆起次之，平均为45.5mW／m2；乌伦古坳陷、中央坳陷和西部隆起大地热流较低，平均为43.2、42.4和40.7mW／m2；北天山山前坳陷的大地热流最低，平均仅为33.9mW／m2.

在分层地壳模型建立的基础上，计算了准噶尔盆地东部隆起和北天山山前坳陷的岩石圈热结构.结果表明，准噶尔盆地地壳热流介于18.8～26.0mW／m2，地幔热流介于16.5～23.7mW／m2，壳幔热流比值介于0.79～1.58，属于典型的“冷壳冷幔”型热结构.横向上，准噶尔盆地地幔热流值与莫霍面起伏一致：莫霍面隆起区地幔热流高，莫霍面坳陷区地幔热流低.

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