南华北地区各坳陷古地热场特征
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发布时间：2022-04-24 09:54
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时间：2022-06-18 18:16
目前已经有一些单位和个人在南华北地区各坳陷及其各凹陷，对地热演化进行过一些分散的研究。所采用的研究方法包括镜质体反射率、磷灰石裂变径迹退火特征、生物标记化合物及古地磁资料反演等等。这些研究成果的系统性较差，且精度和可靠性有差异。为了了解南华北地区的盆地热演化特征，有必要对这些研究成果进行一次系统总结。
1.周口坳陷古地热场特征
（1）三叠纪末石炭－二叠系古地温
周口坳陷在中晚海西期至早中印支期时稳定下沉，构造作用和岩浆活动较弱，古地温场较为平稳，该区基本处于正常地温梯度范围，如襄城凹陷、谭庄－沈丘及倪丘集凹陷，地温梯度在30～33℃/km。周参13井二叠系底部Ro值在1%左右，至三叠纪末有效受热时间为90Ma，查曾道富所制有机质演化的时间、温度和煤变质量板，得古地温为139℃。根据“六五”成果，三叠系厚2500m，石炭－二叠系厚1100m，地表古地温20℃，古地温梯度33.1℃/km。这与向龙斌 向龙斌.1989.南华北地区石炭－二叠系岩石抽提物的有机地化研究.内部研究报告.
（2）侏罗纪—早白垩世古地温
在晚侏罗世—早白垩世，南华北地区的基底断裂复活，裂陷作用广泛发生，同时岩浆活动趋于频繁，例如在周17井、周浅1井等均见到火山岩。所形成的附加地热场叠加在正常地热场之上，使这个时期的地温梯度增高达33℃/km 左右。何礼章等 王良书、张鹏.2004.中石化股份公司油田事业部勘探先导项目子课题《南华北盆地群地热场特征与热演化》.内部研究报告.
表5-14 周参11井早白垩世古地温（据古地磁资料推测）
表5-15 午5井新生代古地温（据古地磁资料推测）
表5-16 周19井早白垩世古地温（据古地磁资料推测
（3）晚白垩世—古近纪古地温
在这个时期，裂陷作用趋于活跃，断裂活动和岩浆活动都比较频繁，附加地热场有所增强，平均地温和地温梯度都较高。午参2井的实测井温资料表明，现地温梯度为29.3℃/km，采用浅川忠 王良书、张鹏.2004.中石化股份公司油田事业部勘探先导项目子课题《南华北盆地群地热场特征与热演化》.内部研究报告.
表5-17 周参12井早白垩世温度（据古地磁资料推测）
2.开封坳陷古地热场特征
根据赵伟卫等（2002）对济源凹陷磷灰石裂变径迹的研究（图5-23），第三系样品（L-2、L-3、L-5）可能仅遭受过一次简单的热事件（裂变径迹均为单峰分布），而中生界样品（L-7、L-9、L-10）可能经受过两次热事件（裂变径迹具有双峰特征）。利用每个样品的裂变径迹年龄及其随深度增加而减少的特征，进行模拟退火计算，得出了每个样品所经历的最高古地温（表5-18），即古近系和中生界样品对应的古地温范围分别为67～74℃和114～125℃。
由此可进一步推算出古近纪和中生代的平均古地温梯度：
GT=dT/dH=（74-67）/（832-608）=3.1℃/100m;
GM=dT/dH=（125-114）/（3182-2802）=2.9℃/100m。
两期古地温梯度值均低于现今（3.25℃/100m），表明两期古热流值均低于现今热流值。这可能与该凹陷两期构造作用的差异有关。开封坳陷古地热场特征可归结为：
1）中生界磷灰石裂变径迹经历了两次退火过程，地温梯度为2.9℃/100m；古近系磷灰石裂变径迹经历了一次退火作用，地温梯度为3.1℃/100m。
2）研究区的中生代构造－热*与新生代存在明显差异，在中生代具有前陆拗陷性质，地温梯度相对低；在古近纪研究区具有伸展裂陷性质，地温梯度相对较高。
3.合肥坳陷古地热场特征
（1）合肥坳陷有机质热演化特征
在合肥坳陷只获得了一些钻井的局部层段Ro检测数据。为了分析该坳陷有机质的热演化历史，在特定条件下可以把同一凹陷的相邻钻井分段检测数据合并起来处理。
表5-18 磷灰石裂变径迹年龄和古地温计算结果
图5-23 济源凹陷磷灰石裂变径迹长度分布直方图
例如，在该坳陷东北部的定远－大桥凹陷北部的一个次级凸起之上，合深4井二叠系上石盒子组测试层段（2300～2500m 井段）的14个Ro测试数据，主要分布在0.9%～1.01%范围内。其有机质基本上处于成熟阶段，lnRo-H剖面回归直线斜率为6.347×10-4。二叠系之上不整合覆盖着厚度仅千余米的上白垩统至古近系，其间缺失侏罗系至下白垩统。在900m 深度上的一个古近系泥岩样品的Ro数据为0.64%（表5-19），与下伏二叠系Ro样品数据（>0.9%）之间存在明显间断。因此，合深4井二叠系的Ro值及其随深度变化的梯度，反映了合肥坳陷尤其是定远－大桥凹陷前侏罗纪或晚古生代末的有机质演化特征。在合深4井南侧不远处的定远－大桥凹陷中部，合深6井1270～1860m 井段的上白垩统下段向导铺组11个Ro测试数据，主要分布在0.44%～0.57%，有机质基本上处于低熟阶段，相应的lnRo－H 剖面回归直线斜率分别为3.1×10-4。由于该井向导铺组的上覆地层是上白垩统上段张桥组（610m）和第四系（14m），缺失古近－新近系，与合深4井880m 井深附近的古近系Ro为0.64%合并考虑，则合深6井的Ro数据及其随深度变化的斜率或梯度，应当代表定远－大桥凹陷晚白垩世乃至古近纪伸展裂陷阶段的有机质热演化状况（图5-24）。
表5-19 合肥坳陷的实测Ro数据
在合肥坳陷中南部防虎山推覆体的ZK3井、ZK5 井及ZK6井中，178～338m井深范围内的下侏罗统防虎山组6个Ro测试数据普遍较高，Ro值域分布主要集中于2%～3%。其中测得4个Ro数据的ZK6井lnRo-H 剖面回归直线斜率为11.29×10-4。结合盆地构造演化史分析，防虎山推覆体很可能是在侏罗纪沉积期末就位的，ZK6井Ro测试数据及其随深度变化的斜率或梯度，应该代表了相关区域侏罗纪前陆坳陷形成阶段的有机质演化状况。考虑到该井处于构造相对活动的六安大断裂上盘，这个偏高的有机质成熟度，可能与逆冲推覆作用的摩擦生热有关。由逆冲推覆作用产生的附加地热场能使岩层有机质成熟度升高，已经被许多研究成果所证明。
在合肥坳陷南部的舒城凹陷，合深2 井中的古近系仅获得一个Ro测试数据（0.7496%）。通过对该井区古近系剥蚀厚度的恢复及沉积埋藏史分析，并以古地表Ro为0.2596%进行计算，得到该井段古近系Ro随深度变化的相关关系式为lnRo=4.06×10-4H-1.3863，相关直线的斜率约为4.1×10-4。这个Ro值与盆地北部合深4井古近系大致相当，但略为偏高一些，可以作为盆地南部山前凹陷区古近纪裂陷作用阶段有机质热演化状况的代表。
根据lnRo的变化梯度（表5-20），合肥坳陷的有机质热演化大致可以划分为以下几个阶段：①前侏罗纪（晚古生代末）中高梯度阶段，lnRo-H 直线斜率为（5.5～6.4）×10-4；②侏罗纪—早白垩世高梯度阶段，lnRo-H 直线斜率为（10～11）×10-4；③晚白垩世—古近纪中低梯度阶段，lnRo－H直线斜率为（3.1～4.1）×10-4；④新近纪以来较低梯度阶段，现今井孔测温为2.18℃/100m，近似于lnRo－H直线斜率2.18×10-4。这几个有机质热演化阶段与该坳陷的构造演化阶段相对应。
图5-24 合深4井和合深6井lnRo-H图
表5-20 合肥坳陷lnRo变化梯度
（2）合肥坳陷古地温梯度估算
对于古地温欠补偿的多旋回沉积盆地（坳陷），用不同构造－地层单元的lnRo与深度H（单位：m）进行线性回归分析，可得到不同盆地（坳陷）演化阶段的lnRo=aH+b关系式；而对于古地温超补偿的多旋回沉积盆地（坳陷），必须挑选未被后期掩盖或“消融”的先期不同构造－地层单元的Ro测试数据，建立代表相应盆地（坳陷）演化阶段的lnRo与深度H的lnRo=aH+b关系式。在此基础上，可以利用如下方法估算不同时期的古地温梯度：
lnRo=aH+b
lnRo=0.0078T-1.2
T=aH/0.0078＋（b+1.2）/0.0078
T2-Tl=a（H2-H1）/0.0078
由此推得：
G=100（T2-T1）/（H2-H1）＝100a/0.0078≈a×109℃/100m
当Ro数据太少而不足以求得线性关系时，一般可先利用Ro进行地层单元的剥蚀量恢复，并设定近地表处Ro为0.25%，进而求得古地表至Ro测试点古埋深H的近似线性关系，即lnRo=aH+b，再利用上述方法近似求取相应地层单元沉积期的古地温梯度。
依据古地温场对比分析结果，结合盆地构造－沉积演化特征，采用上述公式估算了合肥坳陷不同演化阶段的古地温梯度，结果如下：
1）前侏罗纪（晚古生代末）中高地温场阶段，其古地温梯度为5.5～6.4℃/100m。
2）侏罗纪—早白垩世高地温场阶段，恢复其古地温梯度为10～11℃/100m，考虑到断裂带对其影响，实际古地温梯度可能比恢复值要低2～3℃/100m。
3）晚白垩世—古近纪中低地温场阶段，恢复其古地温梯度为3.1～4.1℃/100m。
4）新近纪以来较低古地温场阶段，其地温梯度约为2.18℃/100m。
合肥坳陷古地温场演化与上述有机质热演化相对应，也与该坳陷构造演化阶段相对应，是晚古生代以来整个南华北地区构造－热*演化的结果。
（3）合肥坳陷磷灰石裂变径迹数据与盆地热演化特征
薛爱民等（1994）曾利用合肥坳陷内7个磷灰石裂变径迹样品资料，反演模拟了该坳陷自侏罗纪晚期以来各套地层的古地温变化（图5-25；表5-21）。模拟结果揭示出该坳陷南北两地不同的构造演化和受热史，反映了大别山构造发展对坳陷南北两地区影响的差异。
图5-25 7个磷灰石样品的裂变径迹长度分布
测试结果表明，各样品裂变径迹长度分布复杂，峰值多，短径迹比例大，所有的模拟曲线（图5-26）都显示存在两次以上的退火经历，即存在两次以上的大幅度升温与降温过程。若将这种区域性大幅度升温与降温过程归因于埋藏和剥蚀作用的话，则可认为合肥坳陷自侏罗纪以来发生过两次以上的大幅度沉降与抬升地质构造活动。
表5-21 合肥坳陷磷灰石裂变径迹数据
图5-26 部分样品热史反演结果
1号样品来自坳陷南部，7号样品来自坳陷北部
在靠近大别山的地区，上侏罗统在白垩纪早期曾经受到大于120℃的热作用；早白垩世晚期出现构造抬升，使中生界遭受剥蚀，从而出现一次冷却；随后古近纪的裂陷又曾使其地温回升至100℃左右，至古近纪末盆地基底再次抬升而致地温再度下降；新近纪以来，随着大型陆内坳陷——河淮盆地的形成，地温又有所上升却没能达到80℃，而新近纪中后期以来则一直处于下降之中。在盆地北部地区，中、晚侏罗世出现大规模构造抬升，下、中侏罗统遭受严重剥蚀，地温曾降至30℃以下；从早白垩世开始，坳陷基底伸展裂陷，中生界地温曾经再次升到过100℃左右；晚白垩世晚期出现的构造抬升，再次使中生界遭受剥蚀，促使地温下降；其后，中生界在古近纪早期再次经受平均100℃左右的热作用，古近纪晚期以来则处于持续冷却状态。
显然，合肥坳陷南部和北部的温度变化过程有较大差异。南部中生代发生的首次重要降温过程出现在早白垩世后期，而北部中生代发生的首次降温过程比南部来得晚，相当于南部地区的第二次降温事件。合肥坳陷侏罗系和下白垩统热演化程度明显高于其上覆层位，代表了中－新生代的最高古地温场演化阶段；而上白垩统接近退火带上限，热演化程度较低，与下伏层系构成较为明显的古地温不整合。这一点与通过Ro资料所反映的古地温场分布的特点一致，也与构造－地层格架分析所厘定的前渊拗陷－伸展裂陷－前陆拗陷－伸展裂陷－大型拗陷的演化历程相吻合。
