伸展盆地地表热流值的模拟计算——以渤海湾盆地济阳坳陷为例

伸展盆地的大地热流值可以认为是由地幔热流、地壳内部和盆地沉积物生热效应以及岩石圈和沉积物导热性质等多个因素综合叠加的结果。本文根据传热学理论,分析了纯剪切模式条件下伸展盆地内的地表热流值贡献的分布规律及其与伸展因子的理想关系,认为深部热源的能量、伸展因子大小、地壳浅层的生热性质以及盆地构造位置是控制盆地热流高低和展布的关键因素。结合沉积地层的导热性质、放射性元素的生热效应、岩浆底侵和火山作用等因素对大地热流的影响,对纯剪切模型进行了改进,并以渤海湾盆地济阳坳陷为例,计算了研究区的现今地表热流分布,得到了与正演模拟相接近的结果,验证了该方法思路的有效性。同时对该地区幕式伸展裂陷过程中的地表热流值变化趋势进行了模拟,认为在不同的伸展裂陷幕地表热流值表现为阶段式的升高,在末期达到最大值。

全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流 .本文在三维球坐标框架下 ,就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常 (基于全球地震层析结果 )以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献 .由于地幔动力系统具有较高的Pe数 ,可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布 .结果表明 ,与地幔内部密度异常产生的热效应相比 ,运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用 .观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应 .计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征 ,即温度随深度的剧烈变化 ,这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的 .一个下地幔粘度比上地幔高出 30倍的粘度结构 (文中使用的粘度模型 2 )较之其余模型的拟合程度似乎更好 .

皖西地区岩石热导率及地表热流特征

通过已有资料共收集10组皖西地区地表热流数据,表明区内岩石热导率与地表热流平均值分别为2.65W/mK、75.04mW/m^(2),其中热导率与全球大陆岩石平均值相似,地表热流略高于大陆热流平均值。计算得出区内花岗岩生热率平均值为4.63μW/m^(3)。根据地表热流值特点,可分为北段、中段、南段三个热流区域。自北向南,地表热流值越来越低,反映了不同区域在岩石组成、地温梯度、地壳厚度、构造活动和岩石圈热结构上的差别。

江西省实测地表热流值及特征

综合已有资料,共收集25个江西省大地热流数据。全省实测热流平均值为70.14 mW/m^2,略高于全球大陆热流平均值。根据其热流值特点,结合区域地质构造背景,可分为3个热流对比区——赣北、赣中、和赣南地区。赣北和赣南地区分别处于扬子地块东南缘江南造山带和华夏地块华南造山带中,实测地表热流平均值分别为58.0、76.03 mW/m^2。赣中包括赣东北地区受到华夏和扬子地块对接碰撞影响,经历沉积、推覆作用和岩浆作用等地质活动,表现出较高的地表热流值72.21 mW/m^2。自赣北、经赣中到赣南,地表热流值越来越高,反映了不同区域在岩石组成、放射性生热元素含量、地壳厚度、构造活动和岩石圈热结构上的差别。

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。

传导-对流型热流的计算模拟

本文对8个初始模型和7个组合模型中沿断层的水热对流、断层产状、山体地形和沉积盆地与基岩热导率反差等四个影响因素对传导型地表热流分布的影响进行了计算机模拟研究。模型设计和参数的选值以西藏中北部一些地热区实测的传导-对流型热流为主要参考依据,但不直接涉及对流组分的校正,而着眼于更广泛的单因子和多因素的模型研究。分析中采用无量纲参数:α=(K_1)/(K_2)(K_1和K_2分别为基岩和沉积盆地的热导率),β=(q_1)/(q_2)(q_1和q_2分别为地表热流的垂向分量和模型的底部热流)以及γ=L/H(L和H分别为离模型左侧边界的距离和山体的高度),以求更广的普适性。对模拟结果的分析表明,上述四项影响因素依其重要性可排序为对流强度—断层倾角—介质热导率反差—地形效应。

苏北盆地的大地热流与深部状态

通过对苏北盆地15口系统测温井孔的资料处理和计算表明其热流值变化于53—85mW/m^2,对13口油井的油层温度资料处理计算得到的热流值变化于55—81mW/m^2.

华北地区岩石圈有效弹性厚度及其地球动力学意义

以EIGEN-6C4模型布格重力异常数据、V19.1地形数据和CRUST1.0模型地壳数据为基础,采用导纳法和相关函数法联合反演,计算华北地区岩石圈有效弹性厚度(T_(e))。结果表明,华北地区T_(e)值的分布存在明显的横向不均匀性,西部鄂尔多斯地块为高值区,T_(e)厚度约为30~60 km;中部华北平原为低值区,T_(e)厚度约为5~25 km;鲁东黄海地块为中、高值区,T_(e)厚度约为20~50 km。华北克拉通高T_(e)值区与稳定的鄂尔多斯地块相对应,中、低T_(e)值区则对应构造相对活跃的太行山构造带和郯庐断裂带。从T_(e)值与地表热流的关系来看,高T_(e)值区一般对应低热流值区,而低T_(e)值区一般热流值也较高,这与岩石圈厚度和地表热流的一般分布规律一致。从T_(e)与地震的空间分布来看,华北地区的地震活动主要集中在中、低T_(e)值区,表明T_(e)较低的地区稳定性较差,可能更有利于地震的孕育和发生。

二维应变速率正演模拟

由给定的随时间和空间变化的二维应变速率分布计算速度场,根据速度场计算二维热传导方程,得到岩石圈的热演化结构,然后计算由热扰动引起的密度变化,进而确定加载到岩石圈上的载荷,根据载荷计算挠曲方程,最终得到盆地的沉降.在此基础上讨论了热源对地表热流和沉降的影响以及岩石圈有效弹性厚度对盆地几何形态的影响.结果表明,热源对地表热流影响显著,对沉降影响不大,岩石圈有效弹性厚度则控制盆地的几何形态.二维应变速率正演为下一步的反演奠定了基础.

华北地区上地幔温度及岩石圈厚度分布研究

上地幔温度是控制地幔流变性和动力学过程的关键参数之一．本文利用高分辨率s波地震层析成像速度结果，基于岩石温度与地震波速度的关系，研究了华北地区上地幔50～300km深度范围内的温度分布和“热”岩石圈厚度．为了验证结果的可靠性，本文用计算的上地幔60km深度处的温度作为底面约束，得到了相应的地表热流．计算地表热流与观测地表热流之间符合程度较好，相对误差大部分都在地表热流观测误差范围之内．通过对上地幔的温度分布进行分析，我们研究发现：（1）在上地幔浅部，温度与地表构造之间有很好的对应关系．在小于170km的深度上，温度呈现东高西低的分布态势．温度较高的区域集中在东部的河淮盆地、渤海湾盆地、华北平原和中部陆块的交界处、西部鄂尔多斯高原北缘的银川一河套地堑以及阴山地区，同时，这些地区的岩石圈厚度也相应较薄，大约为80～100km；（2）西部的鄂尔多斯高原是整个华北地区岩石圈地幔温度最低的地区，比东部地区低200～400℃，岩石圈厚度相应最厚，平均岩石圈厚度达到140～150km，最厚处超过160km．（3）在170km以下的软流圈地幔部分，温度分布发生反转，西部温度高于东部，表明东、西部陆块在地质历史时期经历了不同的深部地幔动力学过程．

开封市地热系统特征

以 2 8眼地热井水温资料为基础 ,研究了开封市地热系统的地温、地温梯度及地表热流值的分布特征及控制因素。结合钻孔柱状和地热水动态资料 ,划分了亚热储层 ,并说明了各亚热储层地热水之间的相互关系及水文地质特征。依据地热水水质化验结果 ,评价了各亚热储层地热水的水化学特征。利用放射性同位素14 C法 。

塔里木盆地巴楚隆起与塔北隆起构造-热演化的对比分析

巴楚隆起和塔北隆起具有相似的的构造特征.从构造-热演化的角度出发,恢复了这2个地区沉积埋藏史、构造沉降史以及热演化史.通过对比分析,可以看出巴楚地区热流一直大于塔北地区,这可能导致巴楚地区生烃期早,而巴楚区隆起发育时间晚,后期断裂活动又比较剧烈,这些不利因素导致了巴楚地区勘探进展不如塔北地区理想.

地热学岩石圈厚度计算方法综述

地热学岩石圈厚度体现了长时间尺度上的岩石圈热学作用,可以反映地球深部动力学过程。介绍了地热学岩石圈厚度的计算方法,探讨了这种方法的参数选取和影响因素,并对比了地热学岩石圈厚度与其他类型岩石圈厚度的差异及其原因。结果表明:地热学岩石圈厚度的计算结果受地壳分层结构、岩石生热率、岩石热导率以及地表热流的影响;地质历史时期内的地壳分层结构要结合岩石学、岩石地球化学等领域最新研究成果得出;地表热流较低(42mW·m-2)时,岩石圈地幔生热率对计算结果的影响非常显著,岩石圈地幔生热率变化0.02μW·m-3,地热学岩石圈厚度计算结果最高变化40km,岩石圈地幔热导率每变化0.2W·(m·K)-1,地热学岩石圈厚度变化15km;地表热流为60mW·m-2时,岩石圈地幔生热率每变化0.02μW·m-3,地热学岩石圈厚度变化3km,岩石圈地幔热导率每变化0.2W·(m·K)-1,地热学岩石圈厚度变化5km;地表热流增高1mW·m-2,地热学岩石圈厚度约增加3km;地热学岩石圈厚度与岩石学、地震学岩石圈厚度略有差异,其差异取决于流变边界层的厚度。

地幔对流的数值实验研究

数值实验是地幔对流研究的基本方法。本文概述了近二十年地幔对流研究的主要进展,介绍并评价了每个研究阶段所提出的新概念和新思想。最后,着重讨论了上地幔与全地幔对流的论争。

根据地震波速度和放射性生热率推导大陆地壳的热模式(Ⅰ)

实验结果表明地震波速与生热率之间存在一定的关系,爆炸地震的结果可用于估算地壳热源的分布.假定放射性生热率与深度通常存在指数关系A（z）=A0 exp（-z/D）,这里,对数减量D在整个地壳中并不一定是不变的常量,D值可能的垂向特性曾应用中欧和东欧各不同构造单元的大量的地震波速剖面进行了研究,看来参数D是随深度减小的,这与我们由U、Th、K组分热贡献而建立起来的关系DI≤DTh【DK所预测的D值将随深度增加的结果恰恰相反.指数分布中D参数的大小反映了放射性元素在地壳中的分异富集程度,D值越高,分布越均一;D值越小,则相应地表明放射性元素含量随深度锐减. 为了对生热率随深度的指数分布关系提供更有力的证明,对其他一些简单的模式也进行了研究.为此目的,对世界范围内的200多个地区的由波速转换的生热率剖面进行了统计检验,结果证实了上述的结论,A（z）随深度的指数分布式看来是一种最佳的逼近.根据我们的结果,上部和下部地壳的放射性结构一定存在很大的差别,在直至10—15km的深度,U还可能由于地下水的深循环而经历一定的重新分布.在此深度以下,放射性元素保持其初始的组分.资料也表明,A（z）与地质历史存在一定的关系.放射性元素基于温度条件而向上迁移,这种现象在温度较高的地区尤为突出,地幔热流的估算值也存在很大的差别,前寒武纪地盾区为15—25mW/m2,而年轻的构造域可高于40mW/m2,反映了地壳的长期构造稳化过程.

沿欧洲地学断面的深部温度和岩石层的厚度

沿欧洲地学断面(EGT)24个地域的地壳、土地慢的一维德态热传导模型揭示出年轻的地质区下方,其温度较高,在Moho面为450°一825℃.地慢热流值的范围为18一72mw/m^(2),根据地震波速度和放射性元素的相关性估算,地壳热流密度的基值占地表热流密度的48%左右.Moho以下的温度梯度(约5-23mK/m)低,相应的地表热流密度达到最小值.地温达到地慢熔融温度的0.85的深度在前寒武纪和加里东期区域较大,在早元古代斯堪的纳维亚地盾下为最大,约195 km.在海西期和阿尔卑斯期的地域,该深度普通较浅,较深的值(最大150km)与sardinia和Corsica的造山带和大陆块一致,在Ligurian海和Sardinian海峡下方,岩石层厚度明显地减少到约50km.全世界的岩石层厚度都受热流密度控制,随着岩石层一软流层深度的增加而热流密度按幕定律减小.

板块激发的地幔流动对于全球热流分布的作用

利用一个相对简单的等粘度模型 ,探讨了板块运动的热效应及其对于观测热流的形成与分布的作用 .结果表明 ,运动的板块确实对地幔内部的温度场有实质性影响 。

华北东部中生代热体制转换及其构造意义

华北东部新生代沉积中心区受新生代快速沉积的影响，前新生代地层于现今处于最高古地温，前期的古地温信息已不复存在，但新生代沉积厚度较小的相对隆起区或古-中生代残留盆地中，前第三纪不同构造层内的镜质体反射率(R0)古温标数据所记录中生代古地温信息未被晚期热事件所叠加覆盖，从而使得前新生代的古地温信息得以保存．根据华北东部盆地古、中生代构造层中镜质体反射率恢复的古地温梯度和古热流结果表明：华北东部中生代中晚期(J3-K1)相对于中生代早期和现今具较高的古地温梯度(40～55℃/km)和古地表热流(>80mW／m^2)．中生代中晚期较高的古热流意味着该时期的“热”岩石圈厚度只有50～55km，较中生代早期“热”岩石圈厚度(135～148km)显著减薄．华北东部中生代中期地表热流变更发生在～110Ma，它所对应的深部构造一热过程应发生在中侏罗世(～160Ma)．

冲绳海槽地球动力学热模拟

冲绳海槽属太平洋沟弧盆系,长1200km,宽100余公里,平均水深超过1000m,南部最深处2334m。实地地球物理考察表明,海槽全区布格重力异常和空间异常均呈北东向相对正高场值区,平均布格异常值为79.4m Gal,海槽南端可达160m Gal;空间异常平均值为60—100m Gal。根据重力反演计算的地壳厚度为14—20km,因此海槽比西侧大陆架和东侧岛弧的地壳(30 km)薄10—16km,但比正常洋壳的厚度仍大得多(金性春等,1984)。从海槽区的地震剖面图(Herman et al.,1978)

基于制冷剂毛细管地板供热的空气源热泵运行实验研究

本文对应用于实际项目的新型制冷剂毛细管地板供热的空气源热泵系统进行了运行实验测试。该热泵系统冬季运行时,利用敷设于地板中的制冷剂毛细管辐射末端供热,制冷剂在毛细管中冷却冷凝放热。通过现场测试,分析了该地板辐射末端供热时的室内环境特性,以及空气源热泵系统的运行特性。测试结果表明,供热时地表温度在25~34℃范围内,在供热量较大时地板表面温度会高于相关标准要求。室内空气温度在部分时间段超出室内设定值。由于系统间歇运行,在启停阶段需要考虑地板本身蓄放热的影响。此外,基于地板的蓄热特性,机组除霜阶段室内温度稳定、不受影响。在室内设定温度为24℃、22℃工况时,系统稳定运行阶段的平均COP分别为2.52、2.92,全天COP平均值则为3.38与3.5。测试还发现,在供入地板的制冷剂分歧管附近,受制冷剂过热段的影响,产生局部地板温度超高等问题。通过现场测试,对系统的实际运行状态进行了分析,对存在的问题等提出了后续研究的关注点。