四川盆地位于扬子板块西缘，是在上扬子准地台的基底上发展起来的，经历了古生代-早中生代的早期克拉通坳陷(位于上扬子克拉通西部)和晚三叠世-新生代晚期的前陆盆地两个演化阶段^{[1- 3]}.印支期是扬子板块发生重大变革的阶段，其构造演化的特点为古特提斯域逐渐封闭，周缘造山带与前陆盆地相耦合，陆相碎屑开始充填沉积.后经燕山期和喜马拉雅期的构造运动，形成了现今盆地面貌.四川盆地的地温场和大地热流研究始于20世纪80年代.20多年来，前人利用盆地及周缘地区的几百口钻孔温度资料和大量的热导率、生热率等热物性参数，报道过一批大地热流数据[1，4~8]，取得了一些对四川盆地地温场分布特征的认识，如川中地区热流值较高，女基井的大地热流达73.8mW/m^2[5]，川弥87井达68.83 mW/m^2[1]，川西北和川东北热流值相对较低，对于四川盆地的热状态有了基本的认识.但是，这些资料的质量参差不齐，有些是停钻后短时间内的非稳态测温结果，孔口温度偏高，孔底温度偏低.有些是完钻后3 天以上的试油温度，井液温度随静井时间增加而接近初始地温.选择静井时间较长的钻孔进行集中测量，可以最大程度地减少误差，获取真实可靠的地温资料.

作为陆域主要海相沉积盆地之一，四川盆地是目前国内油气勘探的重点区域.作者近年来开展了一系列的油田稳态钻孔温度测量及大量的系统热导率、生热率测定，获得了一批新的地温梯度和大地热流数据，提出了沉积地层岩石热导率系列柱，这不仅可以丰富深部热状态、岩石圈热结构等地球动力学研究的地热参数，而且还可以为盆地热历史恢复、烃源岩成熟度演化和油气成藏动力学研究提供重要的基础资料.

2007至2009年，作者先后在四川盆地的西北部、北部、南部和东北部等不同构造单元选取有代表性的油气钻孔进行了温度测量，获得9口钻孔的测温数据(钻孔分布位置见图 1).这些钻孔的静井时间最短是2个月，最长的超过5年，钻孔内的温度基本恢复到了开孔前的初始状态，测温数据可视为稳态资料，对这些区域内原有的温度资料起到了补充和校正作用.野外测量工作使用英国R.G.公司的钻孔温度连续采集系统，配置铂电阻探头，测量分辨率为0.1 ℃，数据记录间隔为0.01m.从孔口开始记录温度，测量深度最浅的有1340m, 最深的是4810m(表 1).依据实测孔温数据，绘制了这些钻孔的温度剖面图(图 2).

图 1

Fig. 1

图 1 四川盆地测温钻孔分布图 Ⅰ.多层滑脱中、高陡背斜带；Ⅱ.平缓褶皱带；Ⅲ.单层滑脱中、低背斜带. Fig. 1 Locations of temperature-logging boreholes in the Sichuan Basin Ⅰ.Medium-highangleanticlinebeltofmulti slip-layers H .Gently fold belt ^.low-even anticline of single slip-layer.

表 1(Table 1)

表 1 四川盆地钻孔地温梯度和热导率测量结果 Table 1 Geothermal gradients and thermal conductivities of temperature-logging boreholes in the Sichuan Basin

表 1 四川盆地钻孔地温梯度和热导率测量结果 Table 1 Geothermal gradients and thermal conductivities of temperature-logging boreholes in the Sichuan Basin

图 2

Fig. 2

图 2 实测钻孔地温-深度分布曲线 1-丁山1孔(Dingshan1)；2-川泉128孔(Chuanquan128)；3-川石55孔(Chuanshi55)；4- 龙深1 孔(Longshen1)；5- 川5 孔(Chuan5)；6-龙651孔(Long651)；7-双庙101孔(Shuangmiao101)；8-普光12孔(Puguang12)；9-铁北1孔(Tiebei1) Fig. 2 Temperature-logging results in selected boreholes

以川5孔为例，可以看出地温梯度在垂向上的分布并不是十分均一的(图 3)，这与地层的岩性或热导率变化有关:泥页岩层位的地温梯度相对较大，白云岩层位的相对较小，砂岩层位则没有明显的规律.对于特定的钻孔，一般来说在测温孔段的岩石放射性热贡献是可以忽略的，大地热流相对稳定.泥页岩的热导率较小，传热性能较差，地温梯度相对较大；白云岩的热导率较大，传热性能较好，地温梯度相对较小；而砂岩的导热性能变化比较大，所以地温梯度也将随之发生变化.除丁山1 孔外，其余8口钻孔温度曲线整体呈线性分布，反映了地下深处的热量以热传导为主，用线性回归方法可直接获取钻孔的平均地温梯度.

图 3

Fig. 3

图 3 川5孔(a)和丁山1孔(b)的地温梯度(G)分布图 Fig. 3 Geothermal gradients in boreholes Chuan 5 (a) and Dingshan 1 (b)

丁山1孔的温度曲线在中间凸起(图 2)，从地层上看，凸起是从早寒武系开始，直到二叠系底部，对应深度为2776.5~845 m, 切点位置对应奥陶系下统湄潭组地层的底界.从岩性上看，湄潭组下部是厚达一百余米的页岩，岩石致密，为良好的盖层(图 3).曲线凸起的上缘约为845 m, 对应志留系上统韩家店组上部，韩家店组为厚达300m 的页岩层.根据温度曲线的变化，将其分成四段与对应的岩石热导率分别计算热流，中间两段热流与上下两段的热流相差大于20mW/m².因此，温度曲线的分段变化并不是由岩石热导率差异所造成的，而是地下热液上涌的结果，热液被湄潭组阻挡后只有极少部分渗透过去，继续对志留系地层起着加热作用，残留热液到达韩家店组后，由于巨厚页岩层的阻挡完全不再向上运移，残留热液不再对上覆地层产生影响，从而引起温度垂向上的快速变化.温度曲线出现分段现象时，可采用上、下两段的温度曲线来进行校正，以获取热传导的正常地温梯度.

结合前人的研究成果，作者收集整理了179口钻孔的测温数据^{[4- 10]}，绘制了四川盆地地温梯度等值线(图 4).在我国大陆地区，上扬子地块为中-低地温梯度区，地温梯度普遍介于20~35 ℃/km 之间，四川盆地现今地温梯度为17.7~33.4℃/km, 算术平均值为22.7℃/km, 小于中扬子区江汉盆地(33.59℃/km)^[11]和下扬子区苏北盆地(30℃/km)^[12]的地温梯度.江汉盆地和苏北盆地是中新生代盆地，现有资料主要是松散盖层的地温梯度，今后随着钻孔深度的不断增加，所测出的基岩地温梯度将会出现一定程度的下降.

图 4

Fig. 4

图 4 四川盆地地温梯度等值线图 Fig. 4 Geothermal gradient contour map in the Sichuan Basin

在区域分布上，四川盆地地温梯度的特征比较明显，川中至川西南地区的地温梯度比较高，介于24~30℃/km, 沿东北方向向外逐渐下降至20℃/km左右，川东北外缘甚至低至16℃/km 左右.将图 3与盆地的基底埋深(图 5)^[13]进行对比可以发现，地温梯度与基地埋深基本上是负相关关系.在威远构造带，基底埋深较小，最浅处小于5km, 地温梯度超过30℃/km；在川中-川西南基底隆起两侧，地温梯度基本上在20℃/km 左右；川东北山前裂隙发育，地下水向下渗透，引起局部地温梯度的进一步降低，大大低于盆地的平均值.

图 5

Fig. 5

图 5 四川盆地基底埋深图(据罗志立[13]，1998修改) Fig. 5 Depth of the settings basement in the Sichuan Basin (after Luo[13])

本次研究中，作者测量了四川盆地25 口钻孔297块岩心样品的热导率.根据这些样品的岩石层位，建立了四川盆地沉积地层岩石热导率系列柱(表 2).

岩石样品采用德国产TCS热导率仪进行测量.设备的测量范围为0.2~25 W/(m·K)，测量精度为±3%.所测岩心样品包括砂岩、泥岩、硬石膏、灰岩和白云岩等，热导率介于1.694~5.547 W/(m·K)，泥岩的平均值最小，为2.50 W/(m·K)，硬石膏的平均值最大，为3.81 W/(m· K)，大多数岩石样品的热导率主要集中在2~4 W/(m· K)之间(图 6).从实际测量结果来看，样品的热导率与埋藏深度的关系不大(图 7)，这是因为四川盆地岩层一般都经历过深埋、压实和抬升剥蚀过程，岩石热导率主要由岩性所决定.砂岩由于其成分和结构的差异，孔隙率变化比较大，导致热导率也比较离散.从表 2可以看出，侏罗系及其下地层泥岩的热导率比较大且离散性较小，说明这些泥岩层的压实性比较好.中下三叠统白云岩较其它层位白云岩的热导率比较离散，与该层位孔隙比较发育的物理特征相吻合.

图 6

Fig. 6

图 6 四川盆地岩石热导率分布直方图 (a)全部样品岩石热导率；(b)砂岩热导率；(c)泥岩热导率；(d)碳酸盐岩热导率. Fig. 6 Histograms of thermal conductivities in the Sichuan Basin (a) Thermal conductivity of all sample, (b) Thermal conductivity of sandstone, (c) Thermal conductivity of mudstone, (d) Thermal conductivity of carbonate.

图 7

Fig. 7

图 7 四川盆地岩石热导率随深度的变化(未校正结果) Fig. 7 Thermaf conductivities vs.depth in the Sichuan Basin

表 2(Table 2)

表 2 四川盆地沉积地层的岩石热导率 Table 2 Formation thermal conductivities in the Sichuan Basin

表 2 四川盆地沉积地层的岩石热导率 Table 2 Formation thermal conductivities in the Sichuan Basin

影响岩石热导率的主要因素有:矿物成分、孔隙度、温度、压力、孔隙饱水度^{[14， 15]}等.岩石热导率随压力增加而升高，随温度增加而下降.在一定程度上，两者在地壳深部可以互相抵消^[16]，所以可以暂不考虑岩石热导率的温压校正，而只考虑孔隙度对热导率的影响.

岩石都具有孔隙，地下热传导是在饱水情况下发生的，而岩石热导率是在不饱水甚至干燥的情况下进行测量的，孔隙中所赋存的主要是空气而不是水.空气和水的热导率有很大差异^{[14， 17]}，通常需要对岩石热导率进行饱水校正，饱水系数视孔隙发育情况而确定.四川盆地因为抬升剥蚀缺失新生界地层，大部分地区的第四系沉积物直接覆盖在中生界地层之上.由于中生界地层曾覆盖过巨厚的沉积物^{[18- 20]}，地层压实程度较大，所以岩石结构致密，成岩程度较高，孔隙度较小，可以不做饱水校正^[21].对照前人的研究结果^[22]，埋藏深度少于3000m 的泥岩，校正系数取1.1，其他的不做校正；埋藏深度少于3000m 的砂岩，校正系数取1.1~1.4，3000~6000m 的取1.1，超过6000m 的不做校正；碳酸盐岩一律都不做校正.

大地热流是可以直接测量出的、表征区域地热状态的综合性热参数.通过地壳浅层直接测量获得的温度或地温梯度固然反映了区域地热特征，但由于复杂的地质环境，这些数据的大小并不总是能作为衡量区域基本地热特点的尺度，更不能彼此等同^{[23， 24]}.因此，大地热流成为了地热学研究的关键. 根据实测地温梯度和对应的岩石热导率，可以方便地计算出9口钻孔的大地热流(见表 1).在进行大地热流的计算时，钻孔的岩石热导率，尽可能采用测温钻孔岩芯的热导率，如果该钻孔无岩芯或岩芯不全，则采用表 2数据，然后根据层厚加权计算测温段的岩石热导率.结合收集整理的46 个大地热流数据^{[4- 10]}，绘制了四川盆地大地热流等值线图(图 8).从总体上看，四川盆地大地热流介于35.4~68.8mW/m²，平均值为53.2mW/m²，比下扬子区60 mW/m² 和中国大陆地区大地热流平均值63mW/m²要低[^{[12， 25]}，与相邻的中扬子区江汉盆地52.3 mW/m² 相近^[11]，比塔里木盆地^{[22， 26， 27]}和准噶尔盆地^{[24， 28]}略高.

图 8

Fig. 8

图 8 四川盆地大地热流等值线图 Fig. 8 Heat flow contour map in the Sichuan Basin

世界上的裂谷盆地、拉张盆地和弧后盆地都具有较高的热流，而前陆盆地和克拉通盆地的热流往往比较低^[28].晚三叠世以前，四川盆地属于较古老的克拉通盆地，晚三叠世至新生代晚期演化为前陆盆地.与世界上典型的克拉通盆地相比，如美国的Michigan 盆地(42~54 mW/m²)、Williston 盆地(49 mW/m²)、巴西的Parana 盆地(56 mW/m²)等^{[29， 30， 31]}，四川盆地的大地热流与它们相近，说明上扬子克拉通与其他克拉通盆地尽管存在差异，但中低热流的特征是一致的，反映了较为稳定的中新生代构造-热演化特征.

在区域分布上，四川盆地基底隆起区的大地热流较高，坳陷区的比较低.川中和川西南的大地热流达到60~70 mW/m²，而川西北的大地热流为50~60mW/m²，在川东北大巴山褶皱带前缘的大地热流低至40mW/m² 左右，基底构造对大地热流的控制作用十分明显^{[32， 33]}.

对照图 4和图 8不难发现，由于数据覆盖面的不同，地温梯度等值线更具有区域特征，如威远构造带有多个地温梯度数据但缺少大地热流数据，在图 4中表现为封闭的高值，而图 8就没有体现.尽管有这些差别，但地温梯度和大地热流的整体变化趋势是一致的，即川中和川西南较高，向外扩展逐渐降低，这充分体现了两者的内在联系.

四川盆地的测温工作是中国大中型盆地首次进行系统的深孔温度测试，由相同人员使用同一仪器进行测量，避免了不同人员和不同仪器对测试结果的影响，这对盆地内运用其它方法所获取的地温资料具有很好的标定作用.例如，在川东北普光气田附近50×60km² 范围内测量了普光12、双庙101及铁北1三口钻孔的井温，获得的地温梯度基本相近，大地热流也基本相同，标准偏差仅为0.17，较好地反映了该构造区域的热状况.而卢庆志^[7]发表了相同区域大地热流的标准偏差是3.94，最小值与最大值之差达到13mW/m²，这对于研究深部热状态会产生较大的影响.因此，油田的试油温度等资料在使用前需要对资料质量进行评估或校正.由于热流体的向上运移和汇聚，油气田一般都位于高地温梯度区或地温正异常区^{[34- 37]}，川东北海相气田主要包括普光、罗家寨、渡口河、铁山坡这四个构造气田，其中以普光储量最大^[38].根据现有资料可以发现，普光、罗家寨、渡口河三个气田虽然地温梯度较低，但大地热流较高，地温也比周围区域要高，属于地温正异常区.由此可见，钻孔井温测量和大地热流研究对油气勘探具有重要的指示作用.至于铁山坡气田低热流的现象，是个别原因还是油田提供的温度资料不准确，有待今后稳态钻孔测温资料进行验证.中国海相油气勘探的地热学研究尚处于初级阶段，许多科学问题还需要深入研究，而稳态钻孔温度和岩石热导率的准确测量，是所有地热学研究工作的基础.

四川盆地的地温梯度为17.7~33.3 ℃/km, 平均值为22.8 ℃/km.在区域分布上，地温梯度与盆地基底埋深大体呈负相关，川中至川西南地区的地温梯度比较高，介于24~30 ℃/km, 沿东北方向向外逐渐下降至20 ℃/km 左右，川东北外缘的地温梯度最低.

四川盆地的大地热流为35.4~68.8 mW/m²，平均值为53.2mW/m²，与世界上典型的克拉通盆地具有相似的中低热流特征.在区域分布上，大地热流明显受基地构造控制，隆起区为60~70mW/m²，坳陷区低于60mW/m²，在川东北大巴山褶皱带前缘甚至低于40mW/m².

该盆地沉积岩层的热导率主要由岩性所决定，与现今埋深没有明显的相关性.川东北普光气田的稳态钻孔温度测量结果表明，采用油气田生产部门提供的温度资料时需要进行筛选或校正，准确的稳态温度测量对海相油气勘探具有重要的指导意义.

致谢 中国石油化工股份有限公司西南勘探分公司及南方勘探分公司对钻孔测温工作给予了大力支持和配合，中国石油化工股份有限公司西南勘探开发研究院何志国老师在野外作业中提供了现场指导，袁玉松博士和张毅博士对论文初稿提出了修改意见，在此一并表示感谢.