地球物理学报  2015, Vol. 58 Issue (7): 2391-2401   PDF    
两淮煤田大地热流分布及其构造控制
彭涛1, 吴基文2, 任自强2, 徐胜平2, 张海潮2
1. 西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054;
2. 安徽理工大学地球与环境学院, 安徽 淮南 232001
摘要:基于127块煤系地层岩石样品的热导率测定结果,并结合59个井田内可靠的系统测温数据,计算得出两淮煤田的大地热流值,并编制大地热流分布图,其结果表明:两淮煤田大地热流值变化范围为29.7~83.9 mW·m-2,平均值为58.3 mW·m-2,和其他沉积盆地存在一定的差异,且淮南煤田大地热流值(63.7 mW·m-2)远大于淮北煤田(55.2 mW·m-2).综合分析得出,两淮煤田大地热流与其他盆地的差异以及淮南煤田热流值高于淮北煤田的现象为构造演化和区域地质背景的控制结果;而研究区内热流的分布不均主要是由于受地质构造对地温场的影响所致,推覆构造上下盘现今热流值的差异尤为突出.
关键词两淮煤田     热导率     大地热流     构造控制    
Distribution of terrestrial heat flow and structural control in Huainan-Huaibei Coalfield
PENG Tao1, WU Ji-Wen2, REN Zi-Qiang2, XU Sheng-Ping2, ZHANG Hai-Chao2    
1. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;
2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China
Abstract: The terrestrial heat flow value is an important parameter to characterize the geothermal field in a region precisely. For the Huainan-Huaibei coalfield, the data of geothermal distribution, thermo-physical tests of rock and the distribution of terrestrial heat flow remain very little. To solve this problem, we use reliable well-logging data of temperature to delineate the distribution characteristics of terrestrial heat flow and analyze the influence of geological structure on current distribution of heat flow in this area.
The determination of heat flow values depends on reliable well-logging data and test results of thermal conductivity of rock. Data from 159 boreholes for measuring temperature in steady state with long quiescent time in 59 coal mines or exploitation areas have been used to compute the geothermal gradients. The thermal conductivity values of 127 rock samples were measured, which were collected from 12 boreholes of 6 coal mines. Data of terrestrial heat flow at 37 sites of steady state for approximate temperature testing and 22 sites for simple temperature testing have been acquired and the distribution map of terrestrial heat flow of the Huainan-Huaibei coalfield has been prepared.
The results show that the minimum terrestrial heat flow is 29.7 mW·m-2, and the maximum is 83.9 mW·m-2,mostly between 50 mW·m-2 and 70 mW·m-2, with average 58.3 mW·m-2. On the whole, the terrestrial heat flow value of Huainan coalfield is higher than that in Huaibei coalfield. The abnormal area of high values in the Huainan coalfield is large. The values in the mid-east area are the highest, while those in the west are the secondary, and the southeast is the lowest. The heat flow values in the south and west are high while that in the east is low in the Huaibei coalfield.
The distribution characteristics of current terrestrial heat flow in Huainan-Huaibei coalfield are mainly controlled by evolution of tectonics of the North China plate and regional geological background. The big differences of heat flow value between Huainan and Huaibei coalfields are the result of the influence of the distance to the plate boundary and the late crust uplift. The asymmetry of heat flow in the study area is mainly resulted from the influence of geological structure on the geothermal field, and the core of the anticline and deep and large extensive faults are usually the areas with high heat flow values, while the upper walls of the Fufeng and Xusu nappes have low heat flow values.
Key words: Huainan-Huaibei Coalfield     Thermal conductivity     Heat flow     Structural control    
1 引言

大地热流值是一个综合性参数,与地温梯度、岩性、岩石的热导率和厚度等因素密切相关,所以它比其他地热参数更能准确的反映一个地区地热场的特征(叶正仁和Hager,2001王良书等,2000龚育龄等,2003).

两淮煤田位于安徽省北部,区内煤炭资源丰富,是我国重要的煤炭生产基地.但随开采深度的增大,地质条件愈发复杂,高温问题突出,所以煤矿研究领域越来越关注矿区的地温和地热研究工作(郭平业,2009).目前,两淮煤田内研究成果和认识较为丰富,但煤田地温分析多集中于满足生产需求方面,一般仅对某一矿井或局部矿区的地温特征进行探讨(谭静强等,2009a2009b雒毅等,2011王伟光等,2010);涉及到岩石热物理参数测试和大地热流分布等研究极少(谭静强等,2010).本次对研究区内7个井田12个钻孔不同层位的岩石进行采样,测试得到127块样品的热导率结果,利用可靠的井温测井数据得出区内的大地热流分布特征,并分析地质构造对现今两淮煤田热流分布的影响.

2 研究区地质概况

两淮煤田地处安徽北部,为华北型的中朝准地台石炭-二叠系聚煤区的东南部(图 1),位于鲁西断隆和华北断坳两个二级构造区内,分布范围为北起肖县、砀山,并与江苏西北和鲁西煤田分布区相连;东界限于郯庐断裂,北至利国—台儿庄断裂,南达淮南寿县—定远断裂,向西延入河南境内.本区构造走向主要为两组,一组是在古运动时期受到南北向的 应力形成众多近东西向的褶皱、深大断裂和逆冲推覆构造等;另一组是与郯庐断裂近于平行的北东向构造.

图 1 两淮煤田构造刚要图及大地热流分布(图中热流计算孔编号对应表 1中孔号) Fig. 1 The structure outline map and Heat flow map of Huainan-Huaibei Coalfield(The serial numbers of calculated holes of heat flow in the figure correspond to the numbers of boreholes in table 1)

两淮煤田以中部蚌埠隆起为界,分为淮北和淮南两个煤田.淮北煤田夹峙于近EW向的丰沛隆起和蚌埠隆起之间,以宿北断裂为界,分为北部闸河矿区和南部涡阳、宿临矿区;含煤地层的分布主要受控于区内近EW向的宽缓褶皱和断裂组合,以及徐宿弧形推覆构造等,多保存于断陷盆地内,尤其是向斜部位(琚宜文,20022005).淮南煤田位于近EW向的刘府断裂和寿县老人仓断层之间,以阜凤推覆构造为界分为潘谢和谢李等矿区,其现今构造几何学特征显示了南北向的挤压作用(张泓等,2003).

3 数据资料

大地热流指在数值上等于岩石热导率和垂向地温梯度的乘积:

式中:Q为大地热流(mW·m-2),κ为热导率(W·(m·K)-1),dT/dZ为地温梯度(℃·km-1).所以,确定了计算段内岩石热导率和地温梯度,就可以获得热流值的大小.

3.1 井温测井和地温梯度的确定

地质勘探中,井温测井资料主要包括近似稳态测温和简易测温两类.近似稳态测温数据一般在完井3d以后测得,井液和岩温已经基本达到平衡,所测数据能更客观地反映地层的真实温度,因此可以直接用来求取地温梯度,用于计算热流时具有更高的可靠性.所以本次研究仅利用井温数据静井时间较长的近似稳态测温钻孔资料,共收集了两淮煤田59个矿井或勘探区(淮北煤田38个、淮南煤田21个)的159个近似稳态钻孔测温资料,几乎覆盖了整个研究区.图 2为计算大地热流所选用的各矿井或勘探区具有代表性的近似稳态孔井温测井数据.

图 2 两淮煤田系统连续测温曲线 Fig. 2 Systematically continuous temperature logging curves of Huainan-Huaibei Coalfield

通常,地温梯度的大小是根据地温梯度的定义进行计算,即计算测温钻孔全井段(恒温带至井底)地温梯度的大小.但是从图 2中可以明显的看出,浅部温度随深度的变化为非线性关系,无规律性,这是由于基岩面以上新生界松散层沉积物热导率较小,且在一定程度上受地球外部热的影响;相反,基岩面以下岩石为固结的坚硬岩石,热导率大,主要受地球内部热源的影响,温度和深度之间呈较好的线性关系,表现为传导型井温曲线.所以,利用定义法求解的地温梯度忽略了基岩面上下岩层的差异性,其结果存在一定的误差,本次研究统计了各个测温孔基岩面的深度和温度,然后利用公式(2)求取各个测温孔的平均地温梯度(没有近似稳态孔的井田,用区内两次测试温差较小的简易测温孔代替):

式中:G为钻孔基岩面以下平均地温梯度(℃·km-1); T为井底温度(℃);T为基岩面温度(℃);H为井底深度(m);H为基岩面深度(m).地温梯度计算结果见表 1.

表 1 两淮煤田大地热流值汇总表 Table 1 The heat flow database of Huainan-Huaibei Coalfield
3.2 岩石热导率

岩石热导率表示岩石传热量的特性,是主要的岩石热物参数,也是获取大地热流值所必须的基础数据.两淮煤田内有关岩石热物理性质研究极少,仅有谭静强等(2009a2009b)对淮北矿区中南部岩石进行过系统的相关测试.为全面了解两淮煤田煤系地层岩石热传导性能,本次研究共测定了各层位127块样品的热导率值,样品采自淮北煤田的任楼矿、卧龙湖矿、孙疃矿、祁东矿、杨庄矿和淮南煤田的口孜东矿、顾北矿,共12个钻孔,平面上分布具有很好的代表性(图 1).所采样品深度范围介于90~1272 m之间,垂向上取样也相对较均匀,岩石类型主要包括:砂岩(细砂岩、粗砂岩、中砂岩、粉砂岩)、泥岩、岩浆岩、煤等,分布于N—C3的各时代地层,基本代表了两淮煤田煤系地层的主要岩石类型.

测试结果表明(表 2图 3),两淮煤田煤系地层岩石热导率介于0.37~4.36 W·(m·K)-1之间,平均值为2.54 W·(m·K)-1,热导率呈高斯分布,众值介于为2~3 W·(m·K)-1之间,极小值和极大值均较少.

表 2 岩石热导率测试结果汇总表 Table 2 The summary table of the tested results of rock thermal conductivity

图 3 中文标题 Fig. 3 英文标题

按照热流值的获取要求,井温测井和岩石热导率测试应为同一钻孔,但在实际工作中很难做到.考虑到本次二叠系煤系地层岩石取样深度分布均匀,具备了足够的代表性,并且研究区内相同层位的岩石热导率差别细小,所以,本文在实测的基础上采用钻孔各岩性厚度加权平均法计算求得各个测温孔的平均热导率值(谭静强等,2010何争光等,2009孙占学等,2006).

由于不同岩石的热导率存在较大差异,根据测试结果,将岩性分为四大类:泥岩、砂岩、煤和岩浆岩(由于区内钻孔揭露其他岩性的岩石极少,所以本次不参与计算),各岩性热导率大小,均为淮南、淮北煤田岩石样品测试结果的均值(表 3).由于两淮煤田新生界松散层厚度不均匀,对用加权平均法求取的热导率值影响较大,且为了和基岩面一下地温梯度值保持一致,本次热导率计算范围均为基岩面以下地层,计算结果见表 1.

表 3 两淮煤田岩石热导率分布直方图 Table 3 Histogram of thermal conductivity for rock form in Huainan-Huaibei Coalfield
4 大地热流分布

依据以上热导率和地温梯度的确定方式,共得出两淮煤田37个近似稳态测温点和22个简易测温点的大地热流数据(表 1),并绘制了两淮煤田大地热流分布图(图 1).两淮煤田共59个井田大地热流 值数据中,最小值位于杨庄井田,为29.7 mW·m-2,最大值位于新集井田,为83.9 mW·m-2,总平均值为58.3 mW·m-2;众值分布于50~70 mW·m-2之 间,占全部数据点的67%之多,其中50~60 mW·m-2 之间有17个,60~70 mW·m-2之间有22个.两淮煤田大地热流分布特征具体表现如下:

1)淮南煤田大地热流值变化介于31.9~83.9 mW·m-2之间,平均为63.7 mW·m-2,整体热流值较大.大于70 mW·m-2的高值区位于中东部的潘集背斜、顾桥、张集以及阜凤推覆构造附近的新集矿区,最高值位于新集一矿,达83 mW·m-2;其次为淮南煤田西部,热流值一般在60 mW·m-2左右;煤田东南角、阜凤推覆构造以南的谢一井田热流值最小,仅为31.9 mW·m-2.

2)淮北煤田大地热流值变化介于29.7~74.1 mW·m-2之间,平均为55.2 mW·m-2,各井 田差别较大,整体上小于淮南煤田.大于60 mW·m-2 的高值区位于宿县和临涣矿区的南部以及涡阳和闸河矿区的西部,包括宿县矿区的祁东、祁南矿,童亭背斜周围的孙疃、许疃、任楼矿,涡阳矿区的花沟井田,闸河矿区的卧龙湖和黄集矿等,其中最大值为黄集井田的74.1 mW·m-2.低值区几乎覆盖整个北部闸河矿区.

总体上说,淮南煤田大地热流值高于淮北煤田.淮南煤田高值异常区范围较大,表现为中东部高,西部其次,东南部最小;淮北煤田表现为南部和西部高,东部偏小.

5 现今热流分布的构造控制

本次计算的大地热流值几乎全部在《中国大陆 地区大地热流数据汇编》的平均值61±15.5 mW·m-2 范围以内,两淮煤田平均值58.3 mW·m-2略低于 中国大陆地区大地热流平均值(61 mW·m-2)和安 徽省大地热流均值(62 mW·m-2)(胡圣标等,2001),与华北克拉通南部地区大地热流值(56.54 mW·m-2)非常接近(何争光等,2009),但是远低于渤海湾盆地(69 mW·m-2)(Hu S B et al.,2000)、苏北盆地(68 mW·m-2)(王良书等,1995).淮南和淮北煤田的大地热流差异较为明显,淮南煤田平均热流值为 63.7 mW·m-2,而淮北煤田为仅为55.2 mW·m-2,这与 何争光等(2009)的淮北矿区大地热流值53.0 mW·m-2 相差无几,但是小于淮北煤田中南部平均大地热流约(60 mW·m-2)(谭静强等,2010).无论是区域大地热流的差异还是区内热流的分布不均,都与地质构造有着密切的关系.

5.1 区域地质背景和构造演化

一个地区的地温场特征是该区所处地质构造环境与长期地质演化结果的集中体现,所以不同的区域构造单元,其热流的分配体制也不相同,越年轻的活动性地带热流值越高,导致现今地温场存在较大的差异.两淮煤田属华北晚古生代聚煤区的一部分,位于华北板块东南缘(图 1),所以其现今地温场与区域地质背景的关系非常密切.

华北板块与周缘板块之间的相互作用以及岩石圈的深部作用过程构成了研究区长期演化的地球动力学机制(任战利,2000崔军平等,2007;武昱东等,周庆华等,2008;2009;饶松等,2013).华北聚煤盆地形成以后,板块经历了多次大规模的构造运动,包括二叠系的印支运动、中生代的燕山运动和新生代的喜马拉雅山运动.板块从侏罗纪之前的低温,至燕山期大规模构造运动和岩浆活动引起的高温,再到新生代喜山运动之后逐渐降温的过程中,由于多期板块运动引发的热流上升、岩石圈的减薄等原因,形成了现今华北板块地温较高的现象,这和两淮煤田相对较高的热流值能够很好的对应.此外,已有研究表明,受岩石圈厚度的影响,华北克拉通南部地区现今地温场总体上表现为东高西低、北高南低的趋势(何争光,2009),这也很好的解释了两淮煤田热流相对低于同处华北板块的渤海湾和苏北盆地.

不同板块间碰撞后的伸展区域以及深部断裂带一般是高热流分布带(王桂梁等,1992),淮南煤田相对于淮北煤田更加靠近华北板块和扬子板块的交界处,在发生构造运动时,其接受深部热流补给更为直接,这是淮南矿区地温高于淮北矿区的原因之一.

根据构造—埋藏史(琚宜文等,2002王桂梁等,1992)表明,两淮煤田发育含煤地层以后,在晚二叠世晚期印支运动使得该区形成大量的东西向构造,淮南复向斜和蚌埠复背斜(蚌埠隆起)就是该期的产物;由于淮南煤田处于淮南复向斜内,而淮北煤田位于蚌埠隆起的北部,淮北煤田地势相对高于淮南煤田;在华北和华南板块发生强烈碰撞时,受到强大的挤应力作用,淮南复向斜内的淮南煤田埋藏更深,盖层较厚(淮南煤田松散层均厚359.2 m),而淮北煤田随着地壳的缓慢抬升,自中生代早期开始长期处于剥蚀状态,上覆盖层变薄(均厚269.4 m),热流散失严重;新生代伴随着整个中国东部强烈的伸展作用,研究区伸展性正断层广泛发育,造成煤系地层整体性再一次受到破坏,煤系地层经历的抬升作用其所受地温降低,这是淮南煤田热流高于淮北煤田的原因之二.

总体上说,两淮煤田大地热流分布特征主要受华北板块大地构造背景的控制.从华北聚煤形成以后,华北板块经历多期运动,此外,东部郯庐断裂带的左行平移都在很大程度上影响着两淮煤田,而淮南煤田热流与淮北煤田不同的原因是由距离板块交界带的远近和后期地壳抬升的程度两者共同作用的结果.

5.2 区内地质构造

图 1可知,区内热流值异常点主要分布于大型褶皱、深大断裂活动带附近.两淮煤田复杂的基底构造和演化历史,多样的盖层构造组合,影响着深部热流的分配,形成现今不同的构造部位热流和地温分布不同的现象.

1)基底起伏和褶皱构造  基底起伏和褶皱构造对热流传递的控制最为突出,隆起区上部即背斜构造轴部热流值容易集中,具有较高的地温、地温梯度和热流值.以淮南煤田陈桥—潘集背斜为例,热流值大于65 mW·m-2的高值区从东至西基本连续成片分布,几乎全部集中在背斜轴部,并且和陈桥—潘集背斜轴向的走向基本保持一致.在煤田中部,陈桥—潘集背斜轴向在此发生改变,由东西向转为北北东向,所以顾桥等井田也呈高值热流值区.研究区内还有很多矿区和井田内都显示出基底起伏对地温的控制现象,如淮北煤田的童亭背斜和宿南背斜等,由于研究成果较多(谭静强等,2009a2009b李红阳等,2009杨丁丁等,2012),本文不再赘述.

2)断裂构造  断层的存在既可以实现热流的阻隔,又能导致热流的传递和运移,所以断层带(尤其是较大的断层带)附近,常产生热流的高低异常现象.两淮煤田在受到多期次的挤压和伸展运动之后形成了区内大量规模不一的正逆断层,走向以SW和NE两组方向为主.淮北煤田西部涡阳矿区内发育多条落差大、延伸长和角度高的张性正断层,成为导通地下水和岩浆岩倾入的主要通道,致使地下深部热流源源不断地输送到上部,改变了原始的热流状态,形成目前高热流值区.另外,当正断层位移很大,断层带很厚,并且被碎屑物填充时,由于断层带内热导率小,断层就充当了阻隔下盘热源往上传递的角色,从而产生了断层两盘的地温差异.

3)逆冲推覆构造  两淮煤田在构造演化中产 生了众多逆冲推覆构造(Li,1994Wemicke,1981),以淮南煤田的阜凤推覆构造和淮北煤田的徐宿推覆构造为代表.阜凤推覆构造属于东秦岭一大别山北缘逆冲推覆构造北支的延伸部分(解东宁等,2006),徐宿推覆构造是由淮北煤田在燕山早期受到板块的持续挤压作用以及郯庐断裂带的左行平移产生的(解东宁等,2006琚宜文等,2011).由图 1可知,推覆构造两侧热流均有明显的差异,表现为上盘热流值低、下盘热流值高的特点.徐宿推覆构造位于淮北矿区东部,并且被宿北断裂断开,在北部闸河矿区表现为 一系列近SN向的逆掩断层,南部宿县矿区为西寺坡逆掩断层.闸河矿区推覆体上盘热流均在45 mW·m-2 以下,局部更低,而下盘的黄集、卧龙湖井田等则大于70 mW·m-2;宿县矿区徐宿推覆体热流分布整体表现为由西南至东北逐渐减小的趋势,位于系统 上盘的朱仙庄和芦岭煤矿,热流值均在45 mW·m-2 以下,而推覆体下盘的祁东、祁南和桃园矿等达到60 mW·m-2以上.同样,阜凤推覆体 下盘的谢一和新庄孜井田热流值远低于下盘的井田.

两淮煤田聚煤盆地形成以后,伴随着强烈的构造运动,在应力作用下形成了现今呈双冲—叠瓦扇构造形态的推覆构造体系(图 4).淮南煤田的阜凤推覆构造和淮北煤田的徐宿推覆构造对热流分布的影响机制非常相似:推覆体上盘的井田均位于叠瓦状构造的夹块之中,随着推覆体的作用,煤系地层缓慢抬升,由于其所受底部热流减小,并发育大量高角度断层,上部地层在长期处于剥蚀状态热流逐渐散 去,形成现今热流偏低的状况.此外,推覆体构造也间接的导致上盘基岩上覆新生界松散层厚度小于下盘,松散层的热导率偏低,上覆巨厚的松散层在一定程度上可以对热流起到“保存”的作用,所以松散层厚度也是推覆体上下盘热流差异的原因之一.

图 4 两淮煤田逆冲推覆构造剖面(据王桂梁等,1992.修改,剖面位置如图 1所示) Fig. 4 Section of thrust nappe structure in Huainan-Huaibei Coalfield(modified from Wang Gui-liang et al.1992,the section site is available from Fig. 1)
6 结论

1)两淮煤田大地热流值变化范围为29.7~83.9 mW·m-2,平均值为58.3 mW·m-2,低于华北板块北部的沉积盆地;淮南煤田大地热流值(63.7 mW·m-2)整体上大于淮北煤田(55.2 mW·m-2),淮南煤田总体表现为中东部高、西部其次、东南部最低,淮北煤田呈由西南至东北逐渐减小的趋势.

2)两淮煤田现今大地热流分布特征主要受华北板块大地构造演化和区域地质背景的控制,淮南煤田与淮北煤田热流值的较大差异是由距离板块交界带的远近和后期地壳抬升的程度两者共同作用的结果.

3)研究区内热流的分布不均主要是由于受地质构造对地温场的影响所致,背斜核部和深大张性断裂多出现高热流值区,而阜凤和徐宿推覆体上盘表现为低热流值区.

致谢 感谢中国科学院地质与地球物理研究所对本次岩石样品进行测试,并提供准确的数据;安徽省煤田地质局、淮北矿业集团、淮南矿业集团、皖北煤电集团地测处和各煤矿地测科工作人员为本次现场实验和资料收集给予了极大地帮助;审稿专家提出的宝贵意见对文章修改起到了关键作用,在此一并表示感谢.

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