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论文
青藏高原东北缘深部地质构造与地热资源分布关系的研究
发布时间：2020-04-08 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
龙登红1,2，周小龙1，杨坤光2，辜平阳3，高银虎1，王树明1，陈桂凡2
（1.甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水，741020；2.中国地质大学（武汉），湖北 武汉430074；3.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安710054）
摘要：青藏高原内部及边缘分布大量地热田，主要有青海共和–贵德地热田、甘肃张掖盆地地热田、甘肃天水地热田、云南腾冲地热田等，所有地热田系统整体围绕青藏高原边缘呈带状展布，主要受控于青藏高原构造活动。对该区域多个地热田进行分析，均具有深部热源垂直传导供热、深大断裂和其发育的次级断裂为有利通道等特性。青藏高原深部分布多个通道流，在地震层析成像观测结果、远震Ｐ波走时层析成像等地球物理资料上均有显著反应，青藏高原中北部地壳低速–高导层是部分熔融层的岩石学证据亦被证实。主要地热田均分布在通道流沿线，根据地热田的研究成果，认为下地壳的通道流不仅为地热田提供热源，形成明显的大地热流异常区带，通道流区域的地壳厚度减薄、构造活动增强，热流易于向上传导运移。综合分析后初步建立了地热分布与通道流关系模型、与通道流相关的地热田地热模型，认为青藏高原东北缘地区分布的多个地热田均受控于其深部的通道流；通过对该区域地热资源前景进行分析，认为甘肃天水地区位于通道流的交汇部位，地热资源前景巨大。
关键词：地热资源 青藏高原 通道流 天水地热 地质调查工程
基金项目：甘肃省基础“甘肃省定西市华家岭－黄家窑地区四幅1：5万矿产远景调查”；甘肃省基金“甘肃省天水市甘谷县地热资源调查评价”。
作者简介：龙登红（1987–），男，汉族，甘肃环县人，本科，工程师，地质学专业，主要从事区域基础地质调查研究工作。邮箱：625571323@qq.com
Research on Relationship between the Deep Geological Structure and Geothermal Resource Distribution in the Northeastern Tibetan Plateau
Long Denghong1,2，Zhou Xiaolong1，Yang Kunguang2，Gu Pinyang3，Gao Yinghu1，Wang Shuming1，Chen Guifan2
（1.The First Institute of Geology and Mineral Exploration, Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration, Tianshui 741020, Gansu, China; 2.China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China; 3.Xi'an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China）
Abstract：Large number of geothermal fields distributed on the margin and inside of the Tibetan Plateau such as Gonghe-Guide geothermal field, Zhangye geothermal field, Tianshui geothermal field and Tengchong geothermal field. All these geothermal field systems are characterized by their distribution basically along the Tibetan Plateau and controlled mainly by tectonic activities of the Tibetan Plateau. Analysis on multiple geothermal fields shows that they all have deep heat source vertical upward conduction heating through favorable channels as deep faults and their secondary faults. It is widely known that several channel flows exist under the deep Tibetan Plateau which are remarkably shown in geophysical data like the seismic tomographic imaging and teleseismic P-wave travel time tomography. It has also been verified by petrologic evidence that the low-velocity and high conductive layer beneath the crust of the Mid-Northern Tibetan Plateau is a partial melting layer. In view of geothermal field distribution along the channel flow above with other geothermal field research results, it is believed that the channel flows not only act as heating resources, but also form significant terrestrial heat flow abnormal zones. In the area of channel flows, crustal thickness is thinned, structural activities are intensified, and the heat are easier to transfer upward. According to comprehensive analysis, the relationship model of geothermal distribution and channel flow and the geothermal field model related to channel flow are preliminarily established. The paper holds that many geothermal fields distributed in the northeast margin of the Tibetan Plateau are controlled by the channel flow in the deep crust. Through the analysis of the prospect of geothermal resources in this area, it is suggested that Tianshui area in Gansu Province is located at the intersection of channel flows, and has great prospect of geothermal resources.
Key words：Geothermal resource; Tibetan Plateau; Channel flow; Geotherm of Tianshui; Geological survey engineering
About the first author： LONG Denghong, male, born in 1987, engineer, mainly engages in geological investigation and study of mineral resources; E－mail：longdeng88@qq.com.
Fund support：Supported by the Geological Survey Program Foundation Of Gansu Province.
地热系统形成的基础是热源，大规模的热源是形成大型地热系统的必要条件，是造山带型地热系统和盆地型地热系统的相同先决条件（张英，2017）。已有研究表明，位于地壳浅部5km以内的岩浆岩会在5~20Ma年期间冷却至围岩温度，只有新近纪以来浅层次侵入的规模较大的岩浆岩体能对地热热源具有显著贡献（张朝锋，2018）。对于非岩浆型地热系统，主要以地球深部传热和放射性物质生热作为热源，较高的热背景值对于地热系统的形成非常关键（张英，2017）。地球深部热能以对流和传导的方式传输到地球浅部，在地表能量释放方式主要为洋陆作用、盆山作用、岩浆活动等，构成释热构造系统（图1）（李德威，2017）。
图1 通道流动模式图（据Klemperer，2006）
（a）压力驱动的泊肃叶流，（b）上地壳挤压（上）或岩石圈俯冲作用（下）驱动的库爱特流，（c）叠加泊肃叶流和库爱特流。
Fig. 1 Modes of channel flow（after Klemperer，2006）
（a）Poiseuille flow driven by pressure gradient.（b）Couette flow driven by upper-crustal extrusion（above）or lithospheric subduction（below）. （c）Combined Poiseuille flow and Couette flow.
青藏高原内部及边缘，分布有大量地热田，主要受控于青藏高原构造事件。青藏高原腹地分布有羊八井地热田、羊易地热田和古堆地热田，等；沿着青藏高原边缘分布有青海共和–贵德地热田、甘肃张掖盆地地热田、甘肃天水地热田、陕西关中盆地地热田、云南腾冲地热田等，所有地热田系统整体围绕青藏高原边缘呈带状展布。目前对各个地热田的热源研究争议较大，有岩浆型和深部地幔热流等不同观点（方斌，2009；孙红丽，2015；许鹏，2018；刘健，2018；张朝锋，2018）。本文以青藏高原东北缘为研究对象，对其地热的热源从深部构造背景场进行研究，对其地热资源前景进行预测分析。
1、青藏高原东北缘深部地质构造特征
青藏高原地壳电性结构存在显著的不均一性，处于不同构造演化阶段和具有不同构造性质的大地构造单元（李德威，2001）。大量的地球物理资料表明，青藏高原下地壳具有高导层、低速层、热流密度值异常等特征，显示青藏高原不存在刚性的岩石圈，可解体出分层流变的弱下地壳（赵继龙，2007）。青藏高原与周边沉积盆地的地壳结构差异性特征，可能由于下地壳可能发生流动（李德威，2000），其下地壳高导层、低速层等的形成，与青藏高原活动过程中的中下地壳岩石的热软化和韧性流动有关。由伦敦地质学会主办召开的“大陆碰撞带中–下地壳的通道流、挤出和折返”大会上（2004年），给出了通道流（Channel Flow）的模型，主要对青藏高原地壳中岩层的通道流或韧性剪切挤出方面进行探讨（滕吉文，2012）。
通道流模型认为以青藏高原为例的一些造山带区域，相对于较为刚性的上地壳和岩石圈上地幔，处于中间层的中、下地壳作为强度较低的塑性流变层，具有更强的流动性，因而在高原厚地壳的重力差异驱动或是上地幔的拖曳作用下易发生流动而形成通道流（Klemperer，2006）（图1）。青藏高原周边盆地的地幔物质上涌后莫霍面凸起，在重力势能及热驱动下下地壳黏性物质流入青藏高原幔坳区，造成青藏高原下地壳物质加厚、构造隆升伴生地壳深部热流物质上升和侧向扩展，从而在北部、东部和南部均形成具有通道流结构（赵继龙，2007）。
图2 青藏高原及邻区新生代火山岩的时空分布叠合于95km深度剪切波速度分布图（据叶卓，2018）
Fig. 2 Shear-wave velocity map at 95 km depth of the Tibetan Plateau and its adjacent area, overlain by spatial and temporal distribution of the Cenozoic volcanisms (modified from Ye Zhuo, 2018)
地震层析成像观测（Bao X，2015）显示，在青藏高原存在大面积的地幔低速带，位于上地幔顶部深度，从中北部连续延伸到东部地区（图2），可能指示了下方的软流圈地幔流在印度–欧亚大陆的板块汇聚挤压下向东的逃逸挤出。通过开展SKS波各向异性观测，显示在中北部和东部地区的特征，符合地幔软流圈挤出的动力学特征（王琼，2013）。青藏高原新生代钾质火山活动时空迁移，具有从高原腹地向周缘迁移的趋势特征（莫宣学，2007），在东北部的秦岭构造带内的礼县–宕昌地区分布有含有地幔包体的钾质基性火山岩，可能指示了青藏高原下方存在流向秦岭的地幔流通道（图2）。据西秦岭地区地震物探成果显示，青藏高原北东部天水地区地区存在一个巨型地幔热隆，在地幔热隆的上部存在一个埋深约40km、厚度约20km的壳内韧性流变层。认为其为青藏高原向东流动的软流圈地幔流与周缘刚性块体发生碰撞，致使地幔流发生局部扰动，从而触发和加速了秦岭边界带下方的岩石圈地幔拆沉和热侵蚀过程，地震剖面亦证实青藏高原东北缘地壳经历了高原隆升后强烈的减薄作用（王海燕，2014；叶卓，2018）。
图3 青藏高原及其邻区层析成像图（Zhao，2013）
Fig. 3 The tomography of Tibet Plateau and its adjacent areas（Zhao，2013）
通过高分辨率的QLg波数据（Zhao，2013），获得青藏高原及其邻区层析成像图（图3），显示了青藏高原强烈衰减区域普遍存在部分熔融，显示在青藏高原东北缘深部物质流动通道有3条，分别为共和–民乐一线、贵德–天水–西安一线、天水–宕昌–成都一线。根据远震Ｐ波走时层析成像研究，认为青藏高原东北缘中下地壳存在明显方位各向异性的低速层，显示在秦祁地块下面有深达70km的高速异常（图4），阻断了青藏高原块体下地壳低速层向东北方向的延伸，与下地壳通道流模式相吻合（董兴朋，2018）。
图4 不同切片的P波速度扰动（每层深度标于图的左下角）（董兴鹏，2018）
Fig.4 The P wave velocity perturbation images in different slices（after Dong, 2018）
通过对青藏高原中北部宕昌地区的新生代火山岩和包体的研究，认为长英质岩浆由地壳岩石在700～1050℃的温度和0.5～1.5GPa的压力条件下熔融形成，与地球物理、地壳包体和地球物理与岩石学模拟得出的结论相一致（袁超，2016；王强，2016）。研究显示，中下地壳中存在8%～20%的熔体，显著改变了地壳强度，有利于熔体弱化的中下地壳向北和向东流动。在高温、部分熔融的中下地壳中，地壳熔体强化的塑性流动使得青藏高原保持较为一致的整体抬升，并使得青藏高原东北部边缘发生扩展活动。
2、地热资源特征
印度–欧亚碰撞形成的巨大构造动力，导致青藏高原大面积发生区域性地壳缩短和增厚，大规模岩浆活动、高原快速隆升，伴随着频繁的大地震和强烈的地表水热活动，同步形成了蕴藏丰富的地热资源（白嘉启，2006），形成了我国温泉数量最多、延伸最长、规模最宏伟的地热带。在青藏高原东北缘地区，形成一系列地热田，其成因具有相似的特征，本文选择甘肃张掖地热、青海共和地热、甘肃天水地热、陕西关中地热，对其地热特征进行简要分析（图5）。
（1）张掖地热
张掖地热为位于青藏高原北部地区，形成于张掖盆地内，属盆地传导型中低温地热田，水源主要靠南部祁连山区大气降水和冰雪融水下渗侧向补给和盆地自身越流补给。地热主要靠大地热流正常增温，其温度随热储层埋藏深度增加而升高，热源可能来自上地幔。地下水深循环主要依靠祁连山北缘断裂和盆地内NNW向断裂内形成的导水构造和通道，在地下深循环过程中加热，热储层主要为孔隙发育、渗透性较好的古近系白杨河组（魏红军，2007；张振杰，2018；俞兆虎，2018）。
（2）贵德地热
贵德盆地为一新生代断陷盆地，基底由印支期花岗岩组成，其上沉积着新生代古近纪和新近纪中新世、上新世，为典型的传导型中低温地热资源。热能的来源主要来自于地球内部地幔热能及地壳岩石放射性元素衰变产生的热能；新生界沉积物为研究区内地下热水的形成和赋存提供了良好的储盖条件和地热水库容。地下热水中的化学成分显示，除了从深部带来的成分外，主要是靠径流运移过程中与围岩的溶滤作用及水岩作用而成（李乐乐，2016；郎旭娟，2017）。
贵德盆地莫霍面埋深浅，岩石圈厚度较薄，盆地内断裂发育。贵盆地内三河平原地热区地温呈现出由边缘向中心增高的趋势，地温梯度值介于5.29℃/100m-9.70℃/100m之间，远高于正常地温梯度值2.5℃/100m。大地热流值的分布大体上呈现出从南往北逐渐增大的趋势，这与莫霍面的埋深规律正好相反，说明莫霍面埋深越浅，温度越高，约有利于地下热水的形成，说明热源主要来源深部传导热（郎旭娟，2016）。
图5 青藏高原及周缘地热资源分布图（据王贵玲，2017）
Fig. 5 Distribution map of geothermal resources in the Qinghai-Tibet Plateau and the periphery（modified from Wang Guiling, 2017）
（3）天水地热
天水地区地温场高、温泉多，与深部存在SN向构造与地表近EW向构造形成立交桥式构造有关。据地震测深、大地电磁测深推断天水–西吉一线莫霍面、地幔高导层上隆，地壳厚度仅为45km，岩石圈厚度为90km，远小于邻区（110–160km）。在天水–西吉地区的中地壳存在约15–20km的低速、高导层，可能是部分熔融物质热状态的间接反映。
温泉多沿基底隆起、区域性断裂以及重力梯级带反映的隐伏断裂带分布，并且多出现在活动断裂的交汇部位。如沿西秦岭北缘和渭河断裂带分布的天水街子、中滩、武山温泉，沿通渭–清水断裂分布的通渭、秦安、清水温泉，沿中祁连构造带北缘会宁–张家川隐伏断裂分布的西巩驿、义岗温泉，都与近南北向断裂交汇有关，形成东西成行、南北成列的网状格局（梁炳仁，2016）。天水地热田的热源争议较大，笔者认为三叠纪岩体形成时间较早，个别以往认为是新近纪岩体，已被最新测年数据确定为三叠纪（丁守卓，2015），岩体整体放射性元素含量不高，故岩体无法提供足够热源。认为该区域主要热源为深循环地热能，天水地区的大地热流值高达86mw/m2（姜光政，2016），地下水沿某些活动断裂深入地下，被深部地球热能加热，又沿深大断裂向上运移。
（4）陕西关中地热
关中盆地是位于鄂尔多斯台地和秦岭造山带之间的特殊构造体，盆地内新构造运动强烈，莫霍面隆起，活动断裂切错交织，凸凹断块相间（赵慧，2009）。关中盆地莫霍面埋深约浅6~16km，岩石圈厚度较薄，莫霍面温度较高，盆地内大地热流值平均值为69.62 mw/m2，属大地热流异常区。横向和纵向的测温曲线表明，热储温度随热储埋深的增加而增大，热的深部来源特征显著（孙红丽，2015；饶松，2016）。独特的地质地热背景造成了盆地内地热资源以地壳热传导通过岩石加热基底为主，盆地边缘或浅层含水层以局部热对流为辅的热循环系统，垂向热传导是区内热主要来源，而对流型传递是区内地热资源维持温度稳定的重要作用。
对以上地热田进行分析，认为地热田具具有相似的热源，均主要为深部热源垂直传导供热，地下水主要来源于大气降水，少量深部水，深大断裂和其发育的次级断裂为水运移的有利通道，但对于深部热源的来源，在以往工作中未进行分析研究，本次进行重点探讨。
3、深部构造特征和地热资源分布关系的讨论
根据地质特征和地球物理特征综合分析，认为在青藏高原下地壳–上地幔之间，存在塑性高温物质运移的通道。在青藏高原东北部地区，主要分布有3条通道流，其通道流分布与该地区地热资源的分布具有高度的一致性，分别为共和–民乐通道流（分布有共和地热、张掖地热）、贵德–天水–西安通道流（分布有天水地热、关中地热）、天水–成都–云南通道流（分布有天水地热、四川地热、云南地热）（图2）。同时在天水地区向北有一条小规模的次级通道流，其主要受到鄂尔多斯地块的阻挡后，通道物质流沿着地块西侧边缘带北上，形成了兰州地热。从图上可以明显看出，高原东北缘地区的所有地热田均位于通道流上，并且通道流的主通道上的地热资源前景均较好，而在次级小通道上的地热田温度相对偏低。
图6 中国大陆地区热流图（据汪集旸，2012）
Fig. 6 Updated map of heat flow in the continental area of China
（modified from Wang Jiyang, 2012）
对高原东北缘的地热的热源研究中，早期认识主要以岩浆热源的观点，目前通过多个地热田的勘查，未发现深部的供热岩浆岩，目前主流观点均认为以上地幔热流传导为主，垂向热传导是区内热主要来源。从我国大地热流分布图可以看出（图6），青藏高原腹地的大地热流值最高，向北和东部方向递减，与通道流和地热田分布特征一致，显示总体为热传导型地热田的特征。
结合以上特征，笔者认为青藏高原东北缘地区分布的多个地热田，均受控于青藏高原深部的通道流控制。青藏高原下地壳通道流内物质运移，不仅为地热田提供热源，形成明显的大地热流异常区，并且通道流带上的地壳厚度减薄，使得热流物质易于向上运移和上升。
图7 通道流与地热田在区域三维空间关系示意图
(1)通道流;(2)高温地热田;(3)中低温地热田;(4)断层;(5)地热田与通道流关系连接线.
Fig. 7 3D Map of relation between channel flow and geothermal field
(1) Channel flow; (2) High temperature geothermal field; (3) Medium and low temperature geothermal field; (4) Fault; (5) Connection line between geothermal field and channel flow
通过以上分析，初步建立出青藏高原东北缘地区地热分布与通道流模型（图7），主要地热田分布于通道流沿线。在青藏高原地区的地热主要以高温地热田为主，该区域新生代岩浆岩发育，主要为岩浆型地热，地热主要分布于地热通道与北东向两组构造的交汇位置，以羊八井地热等为代表；在青藏高原前缘分布的盆地型地热田，在通道流上方的盆地型地热田资源丰富，以中低温地热为主，少量高温地热，例如共和-贵德地热田；在造山带内发育的地热田，主要受控于通道流上方的构造发育程度，在多组构造交汇地区分布，主要以中低温地热田为主，例如武山温泉、街子温泉等。
图8地热田模型图（通道流切面）
Fig. 8 The Model diagram of geothermal field (Channel flow section model)
据此初步建立与通道流相关的地热田地热模型（图8）。在通道流经过地段，地壳厚度减薄、莫霍面上移，构造断裂相对发育程度加强。通道流热量源源不断向上运移（亦有少量上地幔的热量），同时少量幔源和通道流内的热流体向上运移；沿着盆地断裂带向下运移的地表水在循环过程中持续加热后，沿着断裂带运移进入热储层，由于上部的盖层封闭作用使得热流体保存在热储层中，在局部联通地表分布的断裂带处热泉出露。水热型地热主要以开发利用热储层地热为主，干热岩型地热主要以开发通道流上方的高温岩石，热源主要以通道流的热量传导供应。
根据该认识，对地热资源潜力进行初步预测分析。在通道流沿线分布的共和地热、贵德地热、天水地热、关中地热等，理论上认为其地热资源前景巨大，目前已经在共和地热、关中地热资源等均取得的巨大成果，而天水地区地热资源勘查工作尚未取得重要进展。甘肃天水地区位于东西向通道流和南北向通道流交汇部位，理论上具有巨大的地热资源前景，需要在下一步加强地热勘查工作，力争实现该区域地热资源勘查取得重大突破。
4、结论
（1）对青藏高原腹地及东北缘分布的多个地热田进行分析，认为地热田具有相同的概念模型。地热田均具有热源垂直传导供热热源。
（2）根据地质和地球物理特征分析，认为青藏高原的深部分布多个通道流。在地震层析成像观测结果、远震Ｐ波走时层析成像等地球物理资料上均有显著反应，同时青藏高原中北部地壳低速–高导层是部分熔融层的岩石学证据被证实。
（3）青藏高原东北缘地区分布的多个地热田均受控于青藏高原深部的通道流控制。青藏高原下地壳通道流内物质运移，不仅为地热田提供热源，形成明显的大地热流异常区，并且通道流带上的地壳厚度减薄，使得热流物质易于向上运移和上升。
（4）对区域地热资源分析，认为甘肃天水地区处于通道流的交汇位置，地热资源前景巨大。
致谢：笔者在研究及成文过程中得益于与孟继红高级工程师、陶天才水文高级工程师、张勇地矿高级工程师等的讨论，审稿专家对文章提出诸多宝贵的修改意见和建议，在此表示由衷的感谢。
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