广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示.pdf

DOI：10.16030/ki.issn.1000-3665.202302054甘浩男，蔺文静，王贵玲，等.广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示 J.水文地质工程地质，2023，50(4):26-38.GAN Haonan,LIN Wenjing,WANG Guiling,et al.Lithospheric thermo-rheological structure of the Huangshadong geothermal field inHuizhou of Guangdong and its heat-sources implicationsJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(4):26-38.广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示甘浩男1,2，蔺文静1,2，王贵玲1,2，闫晓雪1,2，岳高凡1,2，翁炜2,3，张德龙2,3（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄050061；2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心，河北 石家庄050061；3.中国地质调查局北京探矿工程研究所，北京100083）摘要：岩石圈热-流变结构研究是揭示岩石圈范围内热状态的有效手段，开展地热异常区的岩石圈热-流变结构研究可以对热源贡献进行有效约束。东南沿海地区是我国地热资源重要分布区，地表出露大量天然温泉，地热钻探揭露深部具有较高的地温梯度，然而关于其热源机制尚未有定论，且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象，分析岩石圈尺度温度分布和流变强度，探讨黄沙洞地热田的热源构成，分析浅部水热系统的热影响，并对干热岩资源前景进行分析。结果表明：（1）黄沙洞地热田水热活动影响下地表热通量为 130.3 mW/m2，地壳热流与地幔热流值相近，表现为温壳温幔型岩石圈热结构，此外，构造活动相关热流达到了 30.560.3 mW/m2；（2）岩石圈流变结构显示中地壳存在韧性流变层，上地壳与下地壳以脆性破裂为主，下地壳与地幔表现出流变结构耦合，为相对稳固的地壳底界；（3）黄沙洞地热田的热源以地壳构造活动产生的热源为主，地幔热源和放射性生热是主要的热源组成部分，构造热作用的主要方式包括区域深断裂的热聚敛和水热系统循环换热，两者可能通过“接力式”热传递携带热量至浅表；（4）区域深断裂的热聚敛在构造热作用中的占比是影响干热岩资源前景的关键因素。本项研究可为后续东南沿海同类型地区的干热岩资源勘查与靶区选址提供参考。关键词：热-流变结构；热源；黄沙洞；干热岩；大地热流中图分类号：P314 文献标志码：A 文章编号：1000-3665（2023）04-0026-13Lithospheric thermo-rheological structure of the Huangshadonggeothermal field in Huizhou of Guangdong and itsheat-sources implicationsGAN Haonan1,2，LIN Wenjing1,2，WANG Guiling1,2，YAN Xiaoxue1,2，YUE Gaofan1,2，WENG Wei2,3，ZHANG Delong2,3（1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China；2.Technology Innovation Center for Geothermal&Hot Dry RockExploration and Development,Ministry of Natural Resources,Shijiazhuang,Hebei050061,China；3.BeijingInstitute of Exploration Engineering,China Geological Survey,Beijing100083,China）Abstract：The thermo-rheological structure of the lithosphere is an effective method to reveal the thermal state 收稿日期：2023-02-21；修订日期：2023-05-18投稿网址：基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB1507401）第一作者：甘浩男（1988-），男，硕士，副研究员，主要从事岩石圈热-流变结构研究工作。E-mail：通讯作者：王贵玲（1964-），男，博士，研究员，主要从事地热资源赋存理论及勘查开发研究工作。E-mail： Vol.50 No.4水文地质工程地质第 50 卷 第 4 期Jul.，2023HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGY2023 年 7 月within the lithosphere.Studies of the thermo-rheological structure of the lithosphere in geothermal anomaly areascan effectively constrain the contribution of heat sources.The southeastern China is an important distributionregion for geothermal resources,with a large number of natural hot springs emerging on the land surface.Boreholes in this region have identified high geothermal gradients at depth.However,the mechanism of the heatsources is still controversial,and whether the hot dry rock resources exists is not clear.In this study,we take theHuangshadong geothermal field in Huizhou of Guangdong as the research target.We analyze the temperaturedistribution and rheological strength of the lithosphere,discuss the heat sources of the Huangshadong geothermalfield,examine the thermal influence of shallow hydrothermal systems,and predict the prospects of dry hot rockresources.The results show that the heat flux under the influence of hydrothermal systems in the Huangshadonggeothermal field is 130.3 mW/m2,and the crustal heat flow is similar to the mantle heat flow,showing a warm-crust-warm-mantle lithospheric thermal structure.In addition,the structural heat flux reaches 30.560.3 mW/m2.The rheological structure of the lithosphere shows that the middle crust has a ductile rheological layer,the uppercrust and the lower crust are mainly controlled by brittle failure,and the lower crust and the lithosphere mantleshow coupling in the rheological structure,which indicates a relatively stable crustal bottom boundary.The heatsources of the Huangshadong geothermal field is dominated by the tectonic heat source,and the mantle heat sourceand radiogenic heat production are the main heat source components.The main parts of tectonic heat sourceinclude the heat accumulation in regional deep faults and cyclic heat transfer in hydrothermal systems,both ofwhich may carry heat to the surface through“relay”heat transfer.The proportion of heat accumulation of regionaldeep faults in the tectonic heat source is the key factor affecting the prospects of dry hot rock resources.Keywords：thermal-rheological structure；heat source；Huangshadong；hot dry rock；heat flow 大陆岩石圈的强度受其热-流变结构控制，而热-流变结构是研究造山带隆升、大陆边缘汇聚等地球动力学演化的重要参考依据1 3，同时也是了解表层地热异常的热源构成的有效途径。研究岩石圈热结构的主要手段是利用一维稳态热传导方程计算不同深度的温度和热流情况，并得到岩石圈的热结构特征4 8。利用岩石圈流变结构可以分析壳内低速体所在深度的脆韧性特征，判断其流变强度条件。随着深度增加与温度升高，中、下地壳逐渐演变为以位错蠕变的韧性流动为主9 12。我国东南沿海位于亚洲大陆东部边缘南段，是濒太平洋地区构造-岩浆带的重要组成部分。地热、地震、火山以及断裂的分布，都严格受控于大地构造特征13 14。东南沿海是我国典型地热异常区，也是中低温地热资源的重要分布地区15 16，出露有近 500 处天然温泉17，整体的热储温度大致为 100150 C，少量地热田（如漳州、惠州）热储温度可以达到 140150 C18 19。广东省已发现超过 300 处天然热泉，大部分都分布在区域性断裂及隐伏花岗岩体附近20，预计可开采量高达 23.8104 m3/d21。学者曾报道东南沿海地区在浅层水热活动影响下，地温梯度可达到40 C/km，在中高温热田中（如漳州、福州）可达到 7085 C/km15，22。然而，在不受水热活动影响的地区，如漳州盆地内钻孔揭露的热传导地温梯度仅为 18.421.8 C/km23 25，与水热活动影响区的地温梯度具有显著差异。广东惠州黄沙洞地热田是东南沿海的典型地热异常区，天然温泉的水温在 56.063.7 C22。其中深度为 591.5 m 的 ZK8 钻孔钻获了井口 98.2 C、井底118.2 C 的中高温热水20。黄沙洞 HSD-ZK001 钻孔揭示在孔底 820 m 处温度为 90 C，地温梯度达到 88.3 C/km26。黄沙洞惠热 1 井施工深度为 3 009 m，根据钻井测温曲线，井底最高温度达到 127.5 C18。然而黄沙洞地热田的浅部水热资源的热源仍不明确，且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。Xi 等27通过重力方法研究认为广东地区的热成因主要来自于伸展作用引起的软流圈上涌。岩石学和气体同位素研究认为岩石圈伸展可以引起新生代玄武质岩浆侵位，地幔上涌叠加了高放射性花岗岩生热，可能是区域主要的热源28 30。祝小辉31则认为岩浆余热和放射性生热是地热田主要热源，断裂活动摩擦生热是次要热源。范艳霞等26认为中新生代以来构造作用形成的深部结构可能是深层地热形成的主要因素。前人学者对惠州地区干热岩的资源潜力普遍看好18，22，32 33，但并未2023 年甘浩男，等：广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示 27 实际探获干热岩资源。因此，本文以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象，依托地热科学钻探惠热 1 井获取的地温曲线和岩心矿物学及热物性数据，通过岩石圈热-流变结构定量研究深部岩石圈结构的温度和流变强度，探讨黄沙洞地热田的热源来源，分析了水热系统的热影响，并对区域干热岩资源前景进行分析。1 地质背景惠州黄沙洞地热田大地构造位置属于华夏板块南部，北侧为江南造山带，东侧为太平洋构造域（图 1）。新元古代以来经历了复杂的多期次构造演化34 35。晚中生代以来，经历了由特提斯构造域向太平洋构造域的转变，古太平洋俯冲造成了包括研究区在内的整个华南地区发生广泛的岩浆-构造活动13，36 37。黄沙洞地热田处于 NE 向河源断裂带和莲花山断裂带之间。莲花山断裂带为地壳尺度的、近 NE 向的板内线性断裂，控制了侏罗白垩纪时期的局部变形及岩浆作用37。河源深断裂带是邵武河源断裂的一部分，也是新生代河源盆地与中生代地层的天然分界38。黄沙洞地热田主要出露于前寒武系地层中，包括震旦系上统乐昌峡群老虎塘组（Z2lh）、寒武系下统八村群牛角河组（1n）。岩浆岩主要位于黄沙洞地热田西北侧，为大点顶单元（J1D）侵入体，呈岩株状产出，面积约 28.83 km2 28。惠热 1 井钻探位于黄沙洞地热田，钻孔揭露地层 1 550 m 以浅为前寒武系沉积盖层，1 5503 009 m 为隐伏花岗岩体。J1DC1cD1-2lZ2lh黄沙洞村Zk8温 泉 区 1 km 0惠热 1井D1-2l261n1n37Zk8 8华南华北板块南中国海研究区N5J1DC1c1C1c4Z2lh图 1 黄沙洞地热田地质构造简图（大地构造位置简图修改自文献 39）Fig.1 Simplified geological map of the study area(Simplified tectonic map of South China is modified after Ref.39)1石炭系下统测水组石英砂岩、粉砂岩；2泥盆系中下统老虎头组石英质砾岩、含砾砂岩、粉砂岩；3寒武系下统牛角河组变余结构砂岩与板岩、碳质板岩；4震旦系上统老虎塘组变质粉砂岩、砂岩、千枚状页岩；5早侏罗世大点顶单元细粒黑云母二长花岗岩；6整合岩层界线；7断层；8地热井 2 数据及研究方法 2.1 数据来源本文获取了惠州及周边区域不同岩性的放射性生热率数据作为背景值（表 1）。同时收集了惠州黄沙洞地区惠热 1 井测温曲线，以及不同深度岩心热导率、密度、放射性生热率等数据，用于同区域背景值进行对比分析（表 2）。获取了惠热 1 井岩心及周边地层的矿物组成，用于分析矿物组成与岩石放射性生热率之间的联系（表 3）。热导率、放射性元素及矿物组成相关数据的测试方法详见文献 28。岩石放射性生热率由实测的岩石中 U、Th、K 等3 种放射性元素含量计算获得：A=102(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)（1）式中：A岩石生热率/（Wm3）；CU、CTh岩石中 U、Th 的质量分数/（gg1）；CKK 的质量分数/%；岩石密度/（kgm3）。2.2 岩石圈热结构分析方法大陆热流数据主要基于钻井测温数据和岩石热导率测量结果获得，已知钻井的地温梯度和相应井段的岩石热导率，就可计算得到大地热流40。计算公式如下：q=kdTdz（2）式中：k岩石热导率/（Wm1K1）；dT/dz地温梯度/（Ckm1）。qa从热源构成上来看，地表热通量可表述为：qa=qc+qm+qt（3）式中：qc地壳总热流/（mWm2）；28 水文地质工程地质第 4 期qm地幔热流/（mWm2）；qt构造活动相关热流/（mWm2）。q=qc+qm大地热流，属于地表热通量的一部分。获取地表热通量后，根据地球物理获取的研究区的分 表 1 惠州及周边区域不同岩性放射性生热率统计表Table 1 Radiogenic heat production of different rock types inHuizhou and surrounding area 编号岩性CK/%CTh/（gg1）CU/（gg1）/（kgm3）A/（Wm3）CHA026D砂岩1.9728.004.952.493.13CHA036D3.2213.803.012.431.83CHA058D6.0824.405.342.263.04CHA038D0.221.270.472.440.21CHA040D5.5819.453.562.482.56CHB092D4.3418.903.092.532.35CHB156D5.6422.104.142.242.59CHA044D2.4128.601.392.472.34CHB107D1.607.912.242.411.14CHB114D4.5717.704.682.052.17CHA049D3.2733.803.192.483.18CHB185D1.2811.452.132.551.38HZB05D*2.9210.802.142.391.39HZB056D*2.7519.904.152.482.48HZB065D*4.5825.603.832.212.61HZB072D*3.6916.254.902.202.22HZB093D*1.0510.801.852.291.12CHB098D花岗岩类3.0010.153.562.531.78CHB196D4.7429.605.712.673.92CHA006D5.4331.806.602.664.34CHB110D4.2368.3022.702.6210.63CHB164D4.6055.6024.102.5910.04CHB127D5.4235.607.332.454.40CHB068D4.1316.053.222.582.22CHB130D6.7539.7011.352.586.02CHB176D5.3546.309.092.585.77CHA047D3.8719.455.792.372.81CHB126D5.9133.305.532.544.02CHB063D4.7246.5021.402.578.72CHB048D4.8141.2011.552.545.90CHB060D5.7014.702.892.682.28CHB049D4.3725.0029.302.619.35CHB029D5.4337.7014.902.626.74CHB102D5.1967.5015.302.478.31CHB171D4.9055.4011.902.667.24CHB100D4.4181.7020.902.6011.01CHA018D4.6031.3011.352.545.19CHB101D4.7061.2017.052.628.79CHB088D5.1141.907.202.464.76CHB193D5.2849.608.422.686.04CHA004D3.8920.104.292.672.83CHB037D6.0625.304.592.593.36HZB032D*4.5830.9016.352.325.82HZB036D*3.3031.407.812.243.72HZB075D*0.3051.1013.802.245.90HZB086D*4.6237.0014.252.345.77HZB098D*3.8928.906.832.153.28HZB017D*页岩5.1520.003.782.362.48HZB023D*2.0615.351.392.401.43HZB043D-1*2.8016.253.321.931.60HZB043D-2*3.5920.804.832.152.40注：*样品数据来自闫晓雪28。表 2 惠热 1 井钻孔岩心热物性参数统计特征值28Table 2 Thermal properties of cores from HR1 in theHuangshadong geothermal field 编号深度/m岩性测量热导率/（Wm1K1）校正热导率/（Wm1K1）生热率/（Wm3）HR-1273砂岩3.533.451.79HR-2276砂岩6.1575.993.21HR-3427砂岩7.2946.972.09HR-4655砂岩2.7782.692.71HR-5968砂岩2.7782.641.29HR-61 262砂岩5.1974.582.09HR-71 568花岗岩类1.6971.644.39HR-81832花岗岩类6.7785.736.69HR-92005花岗岩类4.3613.724.52HR-102 383花岗岩类1.9371.937.31HR-112 704花岗岩类5.3115.307.46HR-123 005花岗岩类5.87 表 3 惠热 1 井及周边岩石中各矿物组成质量占比Table 3 Mineral composition of different rock types in HR1 andthe surrounding area 编号质量分数/%钾长石钠长石石英方解石云母黏土矿物HR-1*24751HR-2*22515139HR-3*762229HR-4*14193730HR-5*2644HR-6*491932HR-7*64132201HR-8*543484HR-9*8546HR-10*3441205HR-11*3942154HR-12*3835243CHA004D13.532.647.46.5CHA006D17.822.945.713.6CHB028D100CHB037D21.727.351CHB045D100CHB088D16.218.964.9CHB102D24.726.748.5CHB126D20.318.852.18.8CHB164D16.333.150.6CHB176D16.531.638.913CHB193D19.626.544.59.4注：*样品数据来自闫晓雪28；表中空白表示无此项或未测，其余表中空白同此解释。2023 年甘浩男，等：广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示 29 qrqc=qrqm=qqcqtqtqmqcqt层岩石圈模型，采用类似“回剥”法逐层计算由各层放射性元素生热产生的热流，相加得到地壳总的热流贡献。地幔热流，在构造稳定区 为 0，与共同构成地表热通量；在构造活动区大于 0，地表热通量则大于相应的构造稳定区，最终即可获得研究区的岩石圈热结构模型，这也是热源来源的计算基础。假设深部岩层的热导率与生热率均为常数，且岩石圈内部热是以热传导方式向外传递，则一维稳态传导方程可表示为41：TZ=T0+qH/kAH2/2k（4）式中：TZ深度 Z 处的温度/C；H计算层段的厚度/km；T0、q计算层段顶面的温度/C 和热流值/（mWm2），地表温度可取研究区年平均 气温；A、k 意义同前。2.3 岩石圈流变结构分析方法岩石圈的分层结构流变强度根据脆性变形所需差应力（b）与韧性变形所需差应力（d）的大小确定。脆性变形采用脆性破裂准则计算42：b=(13)gz(1)（5）式中：断层类型相关参数，取值 0.7543；孔隙流体因子，取值 0.3743；平均密度/（kgm3）；g重力加速度/（ms2）。韧性变形采用幂律流变定律42：d=(Am)1nexp(E/nRT)（6）式中：应变速率/s1；Am、n物质相关常数；E活化能/（kJmol1）；R普适气体常数，取值 8.314 J/（molK）；T温度/K，由岩石圈热结构获得的温度场确定。取各深度上的脆性与韧性差应力最小值作为流变结构强度，即 z=min(b,d)42。通过计算不同深度流变结构强度，即可建立岩石圈流变结构模型。3 结果 3.1 地表热通量根据式（2）计算获得惠热 1 井所在黄沙洞地热田的地表热通量，计算时样品热导率利用热导率与温度的相关关系方程进行了温度校正44。计算得到黄沙洞地热田的地表热通量为 130.3 mW/m2，较前人计算的热流值（105115.5 mW/m2）28，45 46偏高。黄沙洞地热田周边稳定区域的大地热流值为 70 mW/m245，可以认为该值代表了不受构造和水热循环影响的区域热流背景值。3.2 岩石放射性生热率惠热 1 井的花岗岩类放射性生热率高达 4.397.46 W/m3，在世界同类型岩石中生热率亦属较高值45，47。同类岩性条件下，深度对生热率的影响无明显规律。惠热 1 井岩心中的 U、Th 和 K 元素含量三元分布基本落入区域同类岩石的分布范围中（图 2）。其中惠热 1 井盖层砂岩放射性元素含量接近区域平均值，而惠热 1 井花岗岩类放射性元素相对更富集U 元素，而贫 Th 元素。背景砂岩背景花岗岩类背景页岩惠热1井砂岩惠热1井花岗岩类KUTh20%0%40%60%80%100%20%0%40%60%80%100%20%0%40%60%80%100%图 2 惠热 1 井及周边岩石生热率三元图Fig.2 Ternary scatter plot of radiogenic heat production of thecore samples of HR1,showing the relative proportions of U,Th,and K in the total radiogenic heat production 为探究主要造岩矿物与岩石放射性生热率的相关性，绘制了惠热 1 井岩心放射性生热率与石英、长石及深度的相关性图解（图 3）。受岩性控制，散点图基本都呈现出两个显著的分区。其中生热率表现出随石英含量增大而减小，且随长石类含量增大而增大的趋势。这与前人证实的产热量与二氧化硅富集的相关性相似48。3.3 岩石圈热结构横穿黄沙洞地热田的地震波速剖面结果显示，从化惠州港口剖面莫霍面深度为 3330 km49 50，本文参考 Xiao 等46设定莫霍面深度为 32 km。上地 30 水文地质工程地质第 4 期壳深度为 010 km，结合惠热 1 井钻探揭露地层情况推测，01.5 km 为前寒武系地层，1.510 km 为花岗岩类岩石；中地壳为1020 km，由闪长岩组成；下地壳对应深度2032 km，平均成分相当于辉长岩46；岩石圈地幔设定为二辉橄榄岩。本文建立的热结构模型中使用的参数参见表 4。表 4 黄沙洞地热田岩石圈分层结构及热物性Table 4 Lithospheric layered structure and relative radiogenicheat production and thermal conductivity in Huangshadonggeothermal field 地表热通量/（mWm2）岩石圈分层/km放射性生热率/（Wm3）热导率/（Wm1K1）130.3（水热活动区）/70（稳定区）上地壳034.273.923104.27exp(z/D)3.06中地壳（1020）0.802.70下地壳（2032）0.033.00岩石圈地幔（32）0.033.40 按照黄沙洞地热田水热活动区和周边稳定区 2 种热通量条件，通过式（4）计算得到黄沙洞地热田水热活动区及周边稳定区的岩石圈热状态（图 4、表 4），莫霍面温度分别为 1 143 C 和 442.7 C。本文计算水热 深度/m石英质量分数/%长石类质量分数/%分类盖层砂岩花岗岩类生热率/（Wm3）深度/m石英质量分数/%长石类质量分数/%生热率/（Wm3）3 0002 5002 0001 5001 000500765432180604020080604020002 0004 000 02.55.07.510.0050100050100图 3 惠热 1 井主要造岩矿物与放射性生热率关系Fig.3 Radiogenic heat production verses main minerals of HR1 深度/km温度/地幔绝热线渤海湾鄂尔多斯塔里木四川盆地松辽盆地准噶尔柴达木海拉尔黄沙洞（稳定区）文献27文献451582437612345678黄沙洞（水热活动区）2004006008001 000 1 200 1 400020406080100120图 4 黄沙洞地热田岩石圈热结构Fig.4 Lithospheric thermal structure in Huangshadonggeothermal field注：18 数据来自 Jiang 等50。2023 年甘浩男，等：广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示 31 活动区热状态时使用了惠热 1 井全井段的平均热导率和地温梯度，更为完整地包含了水热活动的影响。与我国典型盆地岩石圈热结构51对比，黄沙洞地热田岩石圈热结构温度高于四川盆地、塔里木盆地等地区，其中稳定区热结构与四川盆地接近，水热活动区热结构地温场温度高于渤海湾盆地（图 4）。考虑到水热活动区与周边稳定区在壳幔尺度构造背景相近，因此设定其具有相同的地壳热流和地幔热流值。放射性元素衰变产生的热能总和为38.26 mW/m2，地幔热流为 31.74 mW/m2，区内壳、幔热流比为 1.21，表现出温幔温壳的特征，地壳热流略高于地幔热流。构造活动相关热流达到 35.060.3 mW/m2（表 5）。3.4 岩石圈流变结构温度场是计算研究岩石圈流变结构的基础11。以稳定区岩石圈热结构为参考，基于黄沙洞地热田岩石圈分层岩石矿物特征，选取干石英和干二辉橄榄岩作为流变参数进行流变结构研究，结果如图 5 所示，选取的参数见表 6。从壳幔结构来看，下地壳与相连的岩石圈地幔均以脆性破裂为主要流变形式，表现出壳幔的耦合流变作用。在地壳内部，中地壳（1520 km）受干石英流变学控制，表现出韧性特征，也是壳内的弱强度层。岩石圈地幔上部（3262 km）表现为脆性破裂为主，下部（62 km 以深）受干二辉橄榄岩流变学控制，过渡为韧性变形。整体来看，黄沙洞地热田地壳最大强度为 200 MPa，岩石圈地幔的最大强度为 964 MPa。需要指出的是，岩石圈地幔在干二辉橄榄岩流变学控制下强度逐渐减弱，在 100 km 附近已减少至 5 MPa 以下，说明可能已达到岩石圈底界，但这一结果与计算获得的热岩石圈厚度（130 km）不一致，而与地震学岩石圈厚度相近54。5001 000上地壳中地壳下地壳岩石圈地幔干石英岩干二辉橄榄岩流变强度/MPa深度/km020406080100图 5 惠州黄沙洞地热田岩石圈热-流变强度曲线Fig.5 Thermal-rheological structure of the Huangshadonggeothermal field 表 6 黄沙洞地热田岩石圈流变结构参数表Table 6 parameters for the lithospheric rheological structures of the Huangshadong geothermal field 分层结构岩性选择岩性活化能/（kJmol1）应力指数物质相关常数/（MPans1）参考文献上地壳沉积地层和结晶基底脆性破裂42中地壳花岗质层干石英15241.19810852下地壳辉长岩层脆性破裂42岩石圈地幔二辉橄榄岩二辉橄榄岩（干）523445.0053 4 分析与讨论 4.1 热-流变结构可信性分析对于地表热通量计算，本文使用了黄沙洞地区惠热 1 井的实测岩心热导率及地温测井曲线用于获取热导率和地温梯度值。岩心热导率通过校正，可代表岩心所在深度实际温压条件下的热导率值。通过惠热 1 井测温曲线揭示的地温梯度，与岩石热导率的倒数进行线性拟合测试，结果也显示出一定的线性相关性，如图 6（a）所示，表明其为符合一维稳态傅里叶方程的计算公式。为验证测温曲线获取的地温与稳态条件下地层温度的差别，选择了02 000 m 及03 000 m两次测温曲线约束的恒温带温度、中性点温度及井底温度推求近似稳态温度曲线55，如图 6（b）所示，表 5 黄沙洞地热田岩石圈热结构及深部温度Table 5 Lithospheric thermal structure and deep temperature inHuangshadong geothermal field 热结构水热活动区热流值稳定区热流值热流组成/（mWm2）地表热流130.3070.00地壳热流38.2638.26地幔热流31.7431.74构造热流60.30地壳热流/地幔热流1.21.2地壳深部温度/C地壳底界温度1 091.4442.710 km处温度362.2178.220 km处温度722.3314.930 km处温度1 030.0421.6 32 水文地质工程地质第 4 期结果显示 4 个点连线的趋势线拟合度达到了 0.924 2，估算的稳态地温梯度为 31.05 C/km，取矫正后的岩石热导率平均值为 4.06 W/（mK），估算地表热通量为126.06 mW/m2，与本文估算的结果基本一致。热导率、地温梯度参数的取值及计算结果说明了热通量计算结果的可信。古气候和地形对钻孔地温的影响，参考德国 KTB-VB 钻孔中的温度记录，更新世地表温度变化在钻孔底部约为 1.3 K56。本文参考该影响值换算为地表热通量则造成的影响为 1.82 mW/m2。02 000 m测温03 000 m测温估算稳态趋势线（a）地温梯度-热导率倒数关系图（b）惠热1井不同阶段地温测量对稳态测温拟合趋势井底温度中性点温度井底温度y=28.122x 1 044.5R2=0.924 2恒温带温度深度/m温度/地温梯度/（km1）1/热导率/（mKW1）1.00.80.60.40.201020304050602040608010012014005001 0001 5002 0002 5003 000公式y=a+bx截距0.345 120.104 91斜率0.001 390.003 05残差平方和0.226 73可决系数（COD）0.022 58图 6 惠州黄沙洞地热田近似稳态温度推测曲线Fig.6 Approximate steady-state temperature estimation curveof the Huangshadong geothermal field 由于黄沙洞地热田所在区域新生代以来未出现广泛的岩浆-构造活动36 37，笔者赞同前人关于随时间变化的热状态也可以用稳态地热来描述的观点57 58。岩石圈作为对流地幔的导热上边界层，因为垂直热梯度比水平梯度大得多，一维热传导对于仅考虑垂直热传导的传热方程具有较好的近似58。但需要注意，通过水热循环和构造活动影响下获取的地表热通量包括了地壳总热流、地幔热流和构造活动相关热流三部分，以此计算的岩石圈热状态代表了区域地温场在构造活动条件下能达到的垂向温度上限，而远离水热活动的稳定区可能代表了区域地温场在构造活动影响最小条件下的垂向温度下限。文中使用的岩石圈分层结构参考了前人学者对研究区域地热及地球物理观测结果，选取的分层热物性参数中，03 km 采用惠热 1 井实测结果，4 km 以深采用经验公式与经验值进行赋值5，46，5