上海地區(qū)大地熱流分布特征及深部地層溫度預測

才文韜

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海淺層地熱能發(fā)展研究中心，上海 200072；3. 上海淺層地熱能工程技術研究中心，上海 200072）

地熱能資源是一種清潔環(huán)保的綠色能源，具有儲量巨大、可再生、持續(xù)穩(wěn)定等特點。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征、熱流體傳輸方式、溫度范圍及開發(fā)利用方式的不同可分為淺層地熱能、中深層地熱能（水熱型）和干熱巖地熱能[1]。目前，上海地區(qū)地熱能資源利用類型主要為淺層地熱能，中深層地熱能資源處于勘查評價階段[2-3]。中深層地熱能資源開發(fā)利用前需進行地熱資源勘查評價，通常分為地熱資源勘查、預可行性勘查、可行性勘查及開采4個階段[4-6]。大地熱流簡稱熱流，是地球內(nèi)部熱能傳輸至地表的一種最為直接的顯示[7]；同時，大地熱流值也是地熱資源評價的重要參數(shù)之一，大地熱流分布特征一直是地熱研究中的重要工作[8]。上海地區(qū)尚未系統(tǒng)開展過區(qū)域大地熱流值研究工作。到目前為止，除淺層地熱能調(diào)查評價工作中開展的200 m以淺地層的測溫和熱物性參數(shù)測試外，深部地層無可供大地熱流值研究的有效數(shù)據(jù)，主要是缺乏基底巖層的測溫和熱物性參數(shù)測試數(shù)據(jù)。本文利用上海市淺層地熱能調(diào)查評價工作中200 m以淺地層測溫、熱物性參數(shù)測試數(shù)據(jù)進行大地熱流的測算[9-13]，并以此預測深部地層溫度，對中深層地熱能開發(fā)利用提供參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層及巖性

上海地區(qū)位于下?lián)P子板塊[14-15]，陸域基巖除松江佘山一帶呈孤丘零星出露，廣為覆蓋著第四紀松散沉積物，第四紀地層主要是由黏性土、粉性土和砂性土構(gòu)成的松散沉積物，堆積厚度變化較大，一般為160～320 m，大致呈現(xiàn)由西南向東北逐漸加厚的趨勢。基巖地層由下至上有：中—古元古界金山群淺粒巖、石英巖、斜長角閃巖、片巖夾大理巖；古元古界惠南板巖；震旦統(tǒng)上統(tǒng)燈影組白云巖；古生界寒武統(tǒng)超山組頁巖，大陳嶺組白云巖和灰?guī)r，楊柳崗組灰?guī)r和泥巖，超峰組白云巖；奧陶統(tǒng)侖山組白云巖，紅花園組灰?guī)r，牯牛潭組灰?guī)r；志留統(tǒng)康山組石英砂巖；中生界侏羅統(tǒng)勞村組凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖，黃尖組安山巖、凝灰?guī)r、凝灰熔質(zhì)角礫巖，壽昌組凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖；白堊統(tǒng)浦口組礫巖，赤山組砂巖；以及新生界古新統(tǒng)夏駕橋組砂質(zhì)泥巖、泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，北橋組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。其中上侏羅統(tǒng)火山巖系勞村組、黃尖組和壽昌組分布面積最廣，遍布于全市，面積約占基巖總面積70%以上。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

根據(jù)地球物理場特性、基巖地質(zhì)、斷裂特征及新構(gòu)造活動特性，在區(qū)域構(gòu)造單元劃分的基礎上，將本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造劃分為上海—浙西地塊和蘇州南通地塊2個二級構(gòu)造區(qū)，上海—長江口斷隆區(qū)、安甪—青浦斷陷區(qū)和金山—杭州灣斷隆區(qū)等4個三級構(gòu)造區(qū)，以及11個四級構(gòu)造帶，詳見圖1和表1。

自前晉寧期以來，印支運動、燕山早期的繼承斷裂、晚白堊世發(fā)育的斷裂等不同時代形成的主干斷裂構(gòu)造和配套構(gòu)造，構(gòu)成了上海地區(qū)如今復雜的斷裂網(wǎng)[14]。具體可劃分有北東、北北東、北西—北北西和近東西（北西西、北東東）四組（圖2）。從斷裂構(gòu)造之間的相互關系來看，北東、近東西向斷裂一般屬早期構(gòu)造，北北東、北西—北北西向斷裂為晚期構(gòu)造。據(jù)規(guī)模大小，可分為深斷裂、基底斷裂和蓋層斷裂，前兩者多屬北東向斷裂。深斷裂有湖蘇斷裂（F1）；基底斷裂有太倉－奉賢斷裂（F2）、張堰－南匯斷裂（F10）、楓涇－川沙斷裂（F9）；其它為蓋層斷裂。

圖1 上海地區(qū)構(gòu)造單元劃分Fig.1 Subdivision of tectonic units in Shanghai

表1 上海地區(qū)構(gòu)造單元劃分[16] Table 1 Subdivision of tectonic units in Shanghai

2 巖土體導熱系數(shù)及地溫梯度

2.1 巖土體導熱系數(shù)

巖土體導熱系數(shù)是計算大地熱流值的重要參數(shù)。采用瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk熱常數(shù)分析儀對84個鉆探孔取得的2200余件土層樣品進行導熱系數(shù)測試，再根據(jù)各鉆探孔地層厚度計算得到鉆孔綜合導熱系數(shù)，上海地區(qū)150m以淺巖土體綜合導熱系數(shù)為1.547～1.925W/(m·k)，東部沿海及中部鄰近第四系厚度小于150m的區(qū)域?qū)嵝阅茌^好，導熱系數(shù)大于1.80W/(m·k)；青浦區(qū)西南部、松江區(qū)西部、金山區(qū)的導熱系數(shù)值相對較低，小于1.65W/(m·k)。導熱性中等地區(qū)主要分布在崇明區(qū)中部、嘉定區(qū)東南部、松江區(qū)東部、閔行區(qū)西部及東南角、奉賢區(qū)西北角及東部、浦東新區(qū)、中心城區(qū)東北部和寶山區(qū)東部。全市第四系150m以淺巖土體平均導熱系數(shù)分布見圖3。中深部基巖各層段巖石的熱導率根據(jù)搜集已有測試結(jié)果或區(qū)域資料進行綜合確定，寒武系、震旦系白云巖熱導率相對較大為4.70 W/mK，基巖分布面積最廣的侏羅紀火山巖導熱系數(shù)相對較低，詳見表2。

圖2 上海地區(qū)斷裂構(gòu)造分布略圖Fig.2 Distribution of fault structure in Shanghai

表2 上海地區(qū)典型地層熱導率Table 2 Coefficient of thermal conductivity for typical stratum in Shanghai area

圖3 第四系150m以淺巖土體平均導熱系數(shù)分布Fig.3 Distribution of comprehensive thermal conductivity coefficient of rock-soil within 150m in Quaternary

2.2 地溫梯度

淺層地溫場的垂向分布特征受當?shù)貧夂颉⒌貙咏Y(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀覆蓋層厚度、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素影響，通常可分為變溫層、恒溫層、增溫層。變溫層溫度隨著地表環(huán)境溫度的變化而變化，恒溫層溫度常年穩(wěn)定，增溫層溫度隨深度的增加而升高。一般用地溫梯度或增溫率來表示增溫層的溫度特征，同時淺地溫梯度也是計算大地熱流值的重要參數(shù)。取得地溫數(shù)據(jù)最直接的方式穩(wěn)態(tài)連續(xù)測溫，本文地溫數(shù)據(jù)均是在鉆探、埋管結(jié)束7天以上，待地溫完全恢復至原始狀態(tài)后，由淺至深逐一連續(xù)測量得到的。根據(jù)測溫數(shù)據(jù)計算得到上海地區(qū)200 m深度范圍地層溫百米增溫率約為2.31～3.73 ℃，平均約為3.04 ℃，總體上大致呈由西南向東北逐漸降低的變化趨勢（圖4）。50 m、100 m、150 m深度溫度統(tǒng)計結(jié)果見表3，50 m深度平均地溫為18.7 ℃，100 m為20.2 ℃，150 m為21.7 ℃。

圖4 第四系200m以淺地溫梯度等值線圖Fig.4 Geothermal gradient contour map in Quaternary 200 m

3 大地熱流分布特征

大地熱流簡稱熱流，是指從地球內(nèi)部向地表傳播的熱量，常用單位是毫瓦每平方米（mW/m2）。大地熱流是地球內(nèi)部熱能傳輸至地表的一種現(xiàn)象，無法直接測量，但可以利用導熱系數(shù)及地溫梯度計算得到。本文根據(jù)84個測溫孔測溫數(shù)據(jù)和巖土體綜合導熱系數(shù)，按照公式1進行計算：

式中：q為地表大地熱流值；λ為巖土體綜合導熱系數(shù)；dt/dz為地溫梯度；“-”表示熱流方向與地溫梯度反向。

由此計算得到了各測溫孔大地熱流計算值（表3），計算結(jié)果表明本區(qū)地表大地熱流值在40.67～68.37 mW/m2之間，平均值為52.62 mW/m2，大部分地區(qū)地表大地熱流值略低于下?lián)P子區(qū)區(qū)域背景值60 mW/m2。同時，根據(jù)計算結(jié)果繪制了上海地區(qū)地表大地熱流分布特征圖（圖5）。從圖可以看出，本區(qū)地表大地熱流的分布受基底起伏和斷裂構(gòu)造控制，高值區(qū)位于安甪—青浦斷陷和金山—杭州灣斷隆兩個三級構(gòu)造區(qū)內(nèi)，整體表現(xiàn)出西部地區(qū)高、東南沿海地區(qū)低；熱流值較高區(qū)主要分布在嘉定外崗、安亭、馬陸、南翔、江橋一帶，青浦趙屯、華新、重固、趙巷一帶，松江區(qū)大部分地區(qū)，以及金山城區(qū)、楓涇、朱涇等地；浦東新區(qū)臨港新城、南匯地區(qū)，閔行三林、浦江，奉賢區(qū)奉賢新城、金匯鎮(zhèn)、奉城鎮(zhèn)，崇明縣西北部的紅星農(nóng)場、長征農(nóng)場、廟鎮(zhèn)、港西、東風農(nóng)場、城橋鎮(zhèn)、橫沙島等地大地熱流小于50 mW/m2，屬較低區(qū)域。

4 深部地溫分布特征

目前上海地區(qū)深部鉆孔地溫資料較為缺乏。為了解上海地區(qū)的深部地溫的分布情況，本文基于穩(wěn)態(tài)熱流狀況下通過淺部的地溫資料對深部（深度大于200 m）地溫進行預測。為簡便計算，假定巖石的導熱率不隨時間和位置的變化而改變且不考慮巖石的生熱率，簡化一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程，計算公式如下：

表3 各測溫孔大地熱流計算值Table 3 Calculation value of heat flow of hole of each temperature measurement

圖5 大地熱流分布特征Fig.5 Distribution characteristics of heat flow

式中：T(Z)為計算點地溫；T0為恒溫層溫度；q為大地熱流；Zi為計算點以淺范圍內(nèi)各層段的厚度；λi為計算點以淺范圍各層段的熱導率。

其中，恒溫層溫度和地表大地熱流根據(jù)全市84個測溫孔原始地溫測試數(shù)據(jù)及前文計算結(jié)果，基巖地層層段及巖性按照本區(qū)巖石圈垂直分層和基巖面、印支面、變質(zhì)巖頂面分析結(jié)果。

依據(jù)預測結(jié)果繪制的深度1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m地溫等值線見圖6。

圖6 不同深度地溫等值線Fig.6 Temperature contours at different depth

由圖可見，1 000m深度地溫（圖6a）一般在35.6～51.9 ℃，平均為45.2 ℃。溫度高值主要分布在嘉定區(qū)外崗—青浦區(qū)—松江區(qū)沿線，浦東新區(qū)高橋—金橋—張江—川沙一帶，金山區(qū)金山城區(qū)、楓涇、朱涇等地。2000m深度地溫（圖6b）一般在45.9～80.3 ℃，平均為63.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—練塘沿線、松江區(qū)佘山—大港—新浜沿線、九亭—泗涇沿線、金山區(qū)楓涇—朱涇沿線、金山城區(qū)、浦東新區(qū)高橋—金橋—張江—合慶沿線等地，地溫普遍在70 ℃以上。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風農(nóng)場沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。3000 m深度地溫（圖6c）一般在56.2～108.7 ℃，平均為78.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇沿線、金山區(qū)朱涇—廊下沿線等地，地溫普遍高于95 ℃。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風農(nóng)場沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。4000m深度地溫（圖6d）一般在66.6～137.1 ℃，平均為91.3 ℃。溫度高值主要分布在青浦區(qū)趙屯—青浦城區(qū)—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇沿線—金山區(qū)朱涇—廊下沿線等地，地溫普遍在115 ℃以上。低值區(qū)主要分布在崇明廟鎮(zhèn)—港西—東風農(nóng)場沿線、浦東新區(qū)祝橋—南匯—新場沿線、奉賢區(qū)金匯—金山亭林—張堰沿線等地區(qū)。

上海西南部地區(qū)熱導率相對較低且增溫率較大，同時受楓涇－川沙斷裂（F9）、張堰－南匯斷裂（F10）構(gòu)造影響，深部地層形成局部高溫異常區(qū)。但隨斷裂帶向東延伸地溫逐漸降低，斷裂構(gòu)造對地溫場的影響逐漸減弱，表明地溫場雖受斷裂構(gòu)造作用影響，但也受其他構(gòu)造事件共同作用。上海地區(qū)大地構(gòu)造屬性以及地下深部構(gòu)造形態(tài)的研究一直處于零散開展的狀態(tài)，基礎地質(zhì)調(diào)查資料十分有限，還需進一步開展上海地區(qū)構(gòu)造演化調(diào)查工作分析地溫場異常的主要影響因素。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)84個測溫孔現(xiàn)場測溫數(shù)據(jù)和巖土體綜合導熱系數(shù)，計算了上海地區(qū)大地熱流并繪制了等值線圖，大地熱流平均值為52.62 mW/m2。本區(qū)熱流的分布受基底起伏和斷裂構(gòu)造控制，高值區(qū)位于上海西部安—青浦斷陷和金山—杭州灣斷隆兩個三級構(gòu)造區(qū)內(nèi)，其余大部分地區(qū)地表大地熱流值略低于下?lián)P子板塊區(qū)域背景值。

（2）預測并繪制1000～4 000 m深度地溫分布圖，高溫區(qū)主要分布在上海西南部青浦趙屯—松江佘山—青浦練塘—金山楓涇—金山朱涇—金山廊下一帶，未來具備一定地熱開發(fā)潛力，2000m深度地層溫度一般大于70℃。

（3）深部高溫異常區(qū)主要與楓涇－川沙斷裂（F9）、張堰－南匯斷裂（F10）有關，但隨斷裂帶向東延伸地溫逐漸降低，表明地溫場分布不只受斷裂影響，還受其他構(gòu)造事件共同作用。