唐山及其鄰區(qū)熱流值的測定

唐山及其鄰區(qū)熱流值的測定

地球的發(fā)育和發(fā)展受地球熱的控制。地球內(nèi)部的熱是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)和地震等地質(zhì)作用的基本能源。地?zé)崮艹鳛橐环N新能源受到人們的重視外,地?zé)嵫芯恳彩堑厍騽?dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容。目前,已有不少學(xué)者用大地?zé)崃鳒y量方法來研究地殼和上地幔的熱狀況。本文涉及的唐山及其鄰區(qū)的范圍是北至遷安楊店子,南到黃驊岐口,東至灤縣及渤海,西到豐潤和滄東斷裂。筆者以該區(qū)為例,進(jìn)行大地?zé)崃骱偷販販y量,從而討論地?zé)釛l件與地震活動(dòng)的關(guān)系。一、地表下地溫隨深度的變化就本區(qū)已測得的14個(gè)熱流值(圖1、表1)可看出,燕山隆起區(qū)南緣熱流值在1.11—1.90HFU,黃驊坳陷熱流值在1.86-2.53HFU,黃驊坳陷與滄縣隆起過渡帶1.22—1.51HFU,渤海兩個(gè)熱流值1)為2.36、1.72HFU。工作區(qū)地溫場平面上的展布情況和垂直的變化情況見圖2、3。以地表下500米深度地溫的變化情況為例:遷西,遷安,趙各莊,唐山等地低于20℃,豐南錢家營,灤縣響堂、張疃,寧河任風(fēng)等地低于24℃。黃驊坳陷內(nèi)的地溫是29℃或高于30℃。地表下800米深度的地溫情況;開灤唐山礦不超過25℃,開平石泉莊也在25℃以內(nèi),錢家營一般不超過29℃,個(gè)別在30℃以上。大港、柏各莊、塘沽等地11個(gè)鉆孔實(shí)測溫度38℃至46℃。地表下地溫隨深度增加的情況以地溫梯度表示(℃/100米或℃/公里)。它們的分布情況:唐山周圍一般地溫梯度小于2℃/100米。錢家營一般小于2℃/100米,而在背斜軸部及斷裂帶大于或等于3℃/100米。豐潤車軸向斜一般小于1.3℃/100米,最大不超過1.9℃/100米。灤縣、寧河、豐南、寶坻等地的鉆井地溫梯度不超過2.6℃/100米。在黃驊坳陷內(nèi)的大港、塘沽、柏各莊等地的地溫梯度大于3.℃/100米,港西凸起和柏各莊“古潛山”的地溫梯度大于3.5℃/100米。天津平均地溫梯度3.5℃/100米,天津地質(zhì)局把地溫梯度大于4℃/100米劃為熱異常區(qū),分三個(gè)熱異常區(qū);王蘭莊熱異常區(qū),異常中心的梯度8.5℃/100米,萬家碼頭熱異常區(qū),異常中心的梯度8.8℃/100米,山嶺子熱異常區(qū),異常中心的梯度8.4℃/100米。地溫隨深度變化的特點(diǎn)反應(yīng)在地溫梯度的垂直變化上,作者調(diào)查井的最大深度4000米,它們的垂向變化有三種情況:1)沉積蓋層的梯度3.0—3.5℃/100米,基巖的梯度1.7-2.6℃/100米?；鶐r的地溫梯度小于蓋層。2)沉積蓋層與基巖的地溫梯度沒有明顯差異。3)新生代沉積盆地中3、4千米鉆孔未打穿第三紀(jì)地層時(shí),隨著深度增加地溫梯度沒有減小的趨勢,只是隨巖性變化地溫梯度有起伏現(xiàn)象。二、地質(zhì)構(gòu)造對土壤溫場的影響1.唐山—區(qū)域地溫場的分布與地質(zhì)構(gòu)造單元的關(guān)系:工作區(qū)位于華北斷塊的東北,寶坻-昌黎斷裂和滄東斷裂將本區(qū)劃分為燕山隆起區(qū)、黃驊坳陷和滄縣隆起,三個(gè)構(gòu)造區(qū)各具有不同的地?zé)崽匦?圖3)。燕山隆起區(qū)南緣為1.11—1.31HFU的正常熱流值,在背斜軸部和活動(dòng)斷裂帶熱流值1.66HFU至1.90HFU,在向斜軸部一個(gè)鉆井用240-520米深度上的巖芯熱導(dǎo)率與全井平均地溫梯度計(jì)算的熱流值約0.94HFU。該區(qū)熱流平均值約1.42HFU。區(qū)內(nèi)除在活動(dòng)斷裂帶有中低溫?zé)崴蜕倭繙厝?地溫偏低,地溫梯度一般都不超過2℃/100米。唐山位于燕山塊陷,唐山附近除斷裂帶熱流值為1.77HFU外,其他約1.11HFU左右,地溫低,地溫梯度小于2℃/100米。根據(jù)深部溫度的推算,唐山地區(qū)的溫度低于相鄰地區(qū),這與大地電磁測深,航磁居里面埋深等數(shù)據(jù)可互為印證,因此唐山附近地溫低可能與地質(zhì)構(gòu)造,深部地質(zhì)條件有關(guān)。黃驊坳陷是中、新生代沉降區(qū),與北面燕山塊陷的垂直差異運(yùn)動(dòng)顯著。寶坻-昌黎斷裂以北,第四系沉積厚度約幾十米至400多米。寶坻-昌黎斷裂以南的“古潛山”新生代沉積厚約1000多米,在渤海附近凹陷區(qū)可達(dá)8000米。坳陷中熱流的變化與次一級構(gòu)造有關(guān),如凸起和“古潛山”中熱流值大于2.0HFU,凹陷內(nèi)熱流值在1.80HFU左右。黃驊坳陷熱流平均值是1.98HFU,而燕山隆起區(qū)南緣的平均值是1.42HFU,兩者相差較大,前者接近中—新生代造山區(qū)的平均值,后者接近古生代褶皺區(qū)的平均值。坳陷中地溫高,地溫梯度在3℃/100米以上。柏各莊、塘沽等地的地溫與唐山相比在地下800米深度相差15℃左右。地下2000米深度的溫度,在唐山附近實(shí)測一個(gè)鉆井深1700多米和根據(jù)河北煤田勘探一隊(duì)測量的10個(gè)1000米以上鉆井推算約在41℃—73℃間,41℃在向斜軸部,73℃位于背斜軸部,一般在50℃左右。而柏各莊,塘沽,大港等地根據(jù)作者和大港油田的數(shù)據(jù),2000米深度溫度在73℃-90℃之間,一般在80℃左右。寧河位于黃驊坳陷西北,臨近滄東斷裂和寶坻-昌黎斷裂交界的部位,其地溫略高于唐山,地溫梯度2.3℃/100米。根據(jù)京津唐地區(qū)人工地震測深資料,柏各莊西南地殼厚度較薄,最薄約31公里,與西南的黃驊對應(yīng),大致構(gòu)成北東—南西方向的上地幔隆起區(qū)。而唐山—寧河位于玉田上地幔隆起區(qū)與柏各莊—黃驊上地幔隆起區(qū)之間的地殼厚度變化帶。作者認(rèn)為上述區(qū)域地溫場的差異可能反映這個(gè)地區(qū)地殼厚度的不均一性。2.天津2/100m唐山嶺子上背斜的岳42井,深706米,井底溫度29℃,而在背斜東面及東北面坳陷中岳44井(1120米)及最深的岳39井(1146米),井底最高溫度27.5℃。豐南錢家營一般地溫梯度在2℃/100米以下,在背斜軸部3.5℃/100米。背斜軸部熱流值為1.66HFU,向斜軸部約為0.94HFU。天津位于滄縣隆起北端,熱異常位于雙窯凸起、小韓莊凸起、小東莊和大東莊凸起,而白塘口凹陷是低溫區(qū),地溫梯度1.9-2.2℃/100米。上述材料證實(shí)背斜的地溫高,向斜的地溫低。同時(shí)天津地質(zhì)局的同志還認(rèn)為天津熱異常的形成和活動(dòng)受深斷裂控制。3.沿海河斷裂與熱事件本區(qū)是新構(gòu)造活動(dòng)區(qū),北東向的滄東斷裂和北西轉(zhuǎn)東西向的寶坻-昌黎斷裂為本區(qū)的主要斷裂,此外,北北東和北西向斷裂也較發(fā)育。這些深的活動(dòng)性斷裂是巖漿或深部熱水上升的通道。據(jù)石油鉆探資料,沿海河斷裂有第三紀(jì)玄武巖分布,柏各莊厚層玄武巖的分布也與斷裂有關(guān)。根據(jù)物探資料,白塘口西斷裂和東大橋斷裂有火成巖沿?cái)嗔亚秩?火成巖的活動(dòng)是地質(zhì)發(fā)育史上的熱事件。另外,作者在斷裂帶附近測得較高的熱流值(1.77-1.90HFU)。又如鄰近寶坻-昌黎斷裂的寧河楊撥井,井深460米,溫度29.1℃,地溫梯度3.8℃/100米,而其北東崔成井,井深480米,溫度20℃,地溫梯度1.7℃/100米,這說明沿活動(dòng)斷裂有深部熱水補(bǔ)給。這類實(shí)例很多,不多例舉。三、熱價(jià)計(jì)算參數(shù)地殼表層地溫場分布的不均勻性主要受地質(zhì)構(gòu)造的影響,而地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)又與地球深部熱物質(zhì)的不穩(wěn)定性有關(guān)。了解地殼和地幔的熱狀態(tài)是研究巖石圈的演化和動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容,為此,作者對本區(qū)地殼和上地幔的溫度進(jìn)行了計(jì)算。地殼溫度計(jì)算通?？紤]熱源分布有三種情況.熱源作階函數(shù)分布;熱源作線函數(shù)分布;熱源作指數(shù)函數(shù)分布。當(dāng)熱源作階函數(shù)分布時(shí),溫度是以假定穩(wěn)定熱狀態(tài)條件來計(jì)算。在一個(gè)具有恒定熱產(chǎn)率及恒定熱導(dǎo)率層內(nèi)部的一維溫度方程:式中Z為深度,T0是地表溫度,Q為地表熱流,K是計(jì)算層的熱導(dǎo)率,A是計(jì)算層的熱產(chǎn)率。如果熱產(chǎn)率隨深度減少,那么計(jì)算層中的溫度用下式計(jì)算:Q0是來自厚度與b有關(guān)的某層之下的熱流,b為直線斜率。本文采用(1)式計(jì)算,計(jì)算參數(shù)見表2,計(jì)算結(jié)果見表3、圖4。計(jì)算地區(qū)位于新構(gòu)造活動(dòng)區(qū),因不同的地質(zhì)條件,地殼、上地幔的溫度—深度曲線的形態(tài)也不相同。懷來-延慶盆地屬汾渭斷陷帶,是由第四紀(jì)活動(dòng)斷裂控制的斷陷盆地,沿活動(dòng)斷裂溫泉分布廣泛,后郝窯熱異常區(qū)分布在盆地南緣,東面延慶盆地根據(jù)現(xiàn)有熱流值推算莫霍熱流QM=0.45HFU,莫霍面溫度為676.8℃。唐山位于燕山塊陷,新生代以來是塊斷升降運(yùn)動(dòng)為主,地表熱顯示不明顯,莫霍面熱流QM=0.33HFU,莫霍面溫度532℃。大港—柏各莊位于黃驊坳陷為新生代沉降區(qū),第三系沉積厚度約6000米,地殼表層地溫偏高,新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,莫霍面熱流QM=0.99HFU,溫度957℃。北京東南是熱異常區(qū),莫霍面熱流qM=0.8HFU溫度883.4℃。四、區(qū)域地質(zhì)背景及地震成因唐山地震發(fā)生的區(qū)域地質(zhì)背景與渤海盆地有密切關(guān)系,渤海盆地是第三紀(jì)以來長期大幅度下沉的沉降區(qū),屬新華夏構(gòu)造體系的第二沉降帶。其構(gòu)造是在基底斷塊水平拉伸作用下沿?cái)鄬酉破?、傾斜、重力滑動(dòng)而形成的盆地。渤海的地殼構(gòu)造,自遼河坳陷西南方向穿過渤海到山東濟(jì)陽坳陷有一條地幔隆起帶,地幔隆起的最高處位于渤中坳陷,莫霍面埋深約29公里,在這條隆起帶上分布著一系列坳陷,在這些坳陷中渤中坳陷最深,沉積厚度最大,新生代沉積厚度約一萬米。從切割渤海的地質(zhì)剖面看,由于基底斷塊的水平拉伸作用,反映在地質(zhì)剖面中穿過上第三系館陶組,下第三系與基底之間的正斷層形成迭瓦組合,第三系地層不整合復(fù)蓋在中生代火山巖系和古老的變質(zhì)巖系之上,表現(xiàn)為重力高區(qū)。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)汪品先等同志對我國東部第四紀(jì)海侵地層的研究,認(rèn)為第四紀(jì)海侵旋回是世界性洋面升降與地區(qū)性地殼運(yùn)動(dòng)疊加的結(jié)果。統(tǒng)計(jì)沿海33個(gè)鉆孔的資料認(rèn)為我國東部沿海遭受第四紀(jì)海侵的機(jī)會是越早越少,越晚越多,這主要是我國東部大陸逐漸下沉的結(jié)果。如果取同一海侵層作標(biāo)志,根據(jù)形成時(shí)的古深度和現(xiàn)在的埋深,可計(jì)算出此層形成以來的升降幅度。華北第Ⅲ海侵層(Q)比較容易對比,對渤中凹陷、河北海興、山西運(yùn)城盆地三個(gè)井進(jìn)行計(jì)算后,認(rèn)為第Ⅲ海侵層形成以來渤中凹陷下沉約230公尺,運(yùn)城盆地上升270公尺,河北海興未受升降運(yùn)動(dòng),從渤海到山西升降幅度達(dá)5000公尺,再以更新世初的海侵層為例,河北蔚縣、懷來此層位于海拔600公尺左右,而山東惠民該層埋深約900-1000公尺,兩地相差達(dá)1500公尺。現(xiàn)代水準(zhǔn)復(fù)測資料說明渤海在持續(xù)下沉而太行山在繼續(xù)上升。而且,現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)與現(xiàn)代活動(dòng)斷裂有緊密關(guān)系,通過區(qū)內(nèi)的北京—天津—渤海的北西向斷裂及滄東斷裂都是近期仍在活動(dòng)的斷裂。渤海盆地下侏羅紀(jì)末處在斷裂火山活動(dòng)期,如石臼坨構(gòu)造帶多由安山巖類,玄武巖類及火山碎屑巖組成。第三紀(jì)火山活動(dòng)以裂隙噴發(fā)為特征。柏各莊、塘沽及鄰近的渤海海域,第三紀(jì)時(shí)可能有多期玄武巖分布。它們是盆地沉積過程中火山活動(dòng)的產(chǎn)物。用黃驊坳陷地表熱流推算深部溫度,得深度19公里處約600℃,莫霍面溫度約1000℃(圖5)。鑒于數(shù)據(jù)有限,這個(gè)計(jì)算值還不能普遍用于黃驊坳陷,但據(jù)柏各莊地區(qū)地質(zhì)條件、大地電磁測深資料(殼內(nèi)高導(dǎo)層埋深約18公里,上地幔高導(dǎo)層埋深約42—44公里)和航磁資料(居里面埋深約16公里)均與本文計(jì)算值趨于一致,因此可認(rèn)為19公里溫度600℃相當(dāng)于柏各莊地區(qū)殼內(nèi)高導(dǎo)層部位。目前對殼內(nèi)高導(dǎo)層成因尚有兩種推測:一種認(rèn)為是相變脫水的產(chǎn)物,一種則認(rèn)為是殼內(nèi)物質(zhì)部分熔融結(jié)果。而上地幔的溫度計(jì)算與電磁測深結(jié)果分析在柏各莊地區(qū)地下45-50公里處有局部熔融層。以地?zé)醽硌芯康卣鸪梢?必須注意熱區(qū)和冷區(qū)的分布。工作區(qū)內(nèi)天津、塘沽、柏各莊及鄰近的海區(qū)和大港是相對熱區(qū)。而唐山附近及寧河以西與滄縣隆起相接的斜坡帶是相對的冷區(qū)。它們的深部溫度差異(圖5)可以看出,假若在柏各莊以南,塘沽以東的上地幔有局部熔融,那么熱區(qū)和冷區(qū)間會產(chǎn)生地幔物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)或局部對流,從而給唐山地震提供力源。渤海及其周邊地區(qū)第三紀(jì)沉積厚度很大,沉積層熱導(dǎo)率低,便于地殼內(nèi)熱量的儲存和聚集。由于地殼構(gòu)造的不均一性,在解剖不同地質(zhì)單元的區(qū)域地?zé)釄鰰r(shí),必須考慮到由巖石熱導(dǎo)率的變化所引起的熱量的側(cè)向轉(zhuǎn)移。在上述地區(qū),由于垂直方向熱量傳遞困難,就會產(chǎn)生側(cè)向轉(zhuǎn)移,如在“古潛山”形成熱異常區(qū)。從地質(zhì)構(gòu)造分析穿過上第三系,下第三系及基底的張性正斷層形成地壘-地塹,箕狀,Y字型和迭瓦狀等形態(tài),說明中、新生代以來深部熱活動(dòng)對渤海及其相鄰地區(qū)的地質(zhì)發(fā)展起著一定的作用。五、熱區(qū)、冷區(qū)的分布及地震地質(zhì)性質(zhì)1.地?zé)釛l件與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系,燕山隆起區(qū)的南緣熱流平均值為1.42HFU。黃驊坳陷平均值為1.98HFU。地殼表層地溫變化與小構(gòu)造有關(guān)系,通常認(rèn)為背斜地溫高,向斜的地溫低。深的活動(dòng)斷裂是深部熱物質(zhì)運(yùn)移和活動(dòng)的通道。在活動(dòng)斷裂帶有高熱流和較大的地溫梯度。.2.大地?zé)崃鞣从车貧?、上地幔的熱狀況,地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地殼、上地幔熱結(jié)構(gòu)的不均勻性有關(guān),計(jì)算唐山地區(qū)地殼各層的溫度,為探討唐山地震成因提供了依據(jù)。對唐山、大港—柏各莊、北京東南及延慶的計(jì)算結(jié)果概括如下:唐山莫霍面熱流0.33HFU,溫度532℃。大港—柏各莊莫霍面熱流0.99HFU,溫度956.6℃。北京東南莫霍面熱流0.8HFU,溫度883.4℃。延慶莫霍