南海北部陆缘琼东南盆地深水区现今地热特征

2023-01-06李香兰刘绍文朱继田李旭东熊小峰尹宏伟

高校地质学报 2022年6期

吴迪，李香兰，刘绍文, ，朱继田，李旭东，熊小峰，尹宏伟

1. 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，地理与海洋科学学院，南京 210023；2. 中国南海研究协同创新中心，南京 210093；3. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，南海西部石油研究院，湛江 524057；4. 南京大学地球科学与工程学院，南京 210023

沉积盆地热体制研究是指根据盆地的热量生成和运移，分析盆地的热状态、热结构以及热演化过程。沉积盆地热体制是大陆边缘构造研究的重要组成部分。一方面，岩石圈的流变学和强度等力学性质均与其热状态密切相关（Watts et al., 2003;Hyndman et al., 2009; Cloetingh et al., 2011），而流变学控制了大陆岩石圈裂解的样式和动力学过程（Behn et al., 2002; Gueydan et al., 2008）。另一方面，沉积盆地的构造演化也与地球内部的热力学过程密切相关，不同类型的盆地具有不同的构造-热体制（Cloetingh et al., 2011）。因此，盆地热体制的研究可以为盆地的成因机制与演化过程提供重要的地热证据。此外，油气的生成、迁移和保存更是与温度有直接关系（Tissot et al., 1978; 王良书和施央申，1989 ；Barker, 1996; Förster et al., 1999; 邱楠生等，2004; Makhous et al., 2005; 汪集暘等，2015）。

全球油气勘探已进入深水、深层等新阶段，南海北部大陆边缘新生代张裂盆地油气潜力大，是全球典型的深水油气勘探选区，目前已取得重要进展，得益于高温高压天然气成藏新理论、勘探新技术、新方法的攻克，成功发现并评价一系列大中型优质气田，在琼东南盆地松南宝岛凹陷深水区、珠江口盆地阳江凹陷新区等相继取得重大勘探突破（谢玉洪等，2016；谢玉洪和高阳东, 2020）。琼东南盆地作为南海北部主要含油气盆地之一，已发现 L17、L25和L13等大气田，是中国海洋深水油气勘探的主力区块。琼东南盆地热体制的深入研究能为该区油气资源潜力评价提供重要的科学依据和关键数据支撑。

已有许多学者开展了对包括琼东南盆地在内的南海北部沉积盆地的热体制的研究，包括地温梯度、大地热流和构造—热演化等，并取得相当的进展（李雨梁和黄忠明，1990；龚再升和李思田, 2004；Yuan et al., 2009; 米立军等, 2009; 单竞男等, 2011;Wang et al., 2014; 唐晓音等, 2014; 施小斌等, 2015;2017）。前人相关工作主要集中在浅水区（水深＜300 m），由于深水区（水深＞300 m）数据采集难度大、成本高、数量少，因而对于深水区地温场特征的认识不足，制约了对琼东南盆地区域地热特征的整体认识。琼东南盆地深水区先后报道了30个热流数据，其中，Shi等（2003）等早期报道了17个热流数据，随后徐行等（2006）报道了7个热流数据，李亚敏等（2010）报道了2个热流数据，近期施小斌等（2015）又新报道4个热流数据。随着琼东南盆地深水油气勘探的加速和进展，深水区获得了一批新的钻孔温度数据。本研究新增了琼东南盆地21口钻井的测温数据，其中包含10口浅水区钻井和11口深水区钻井，通过对其测温数据开展校正和统计分析，并结合该地区新近测试的岩石热物性参数，获得了21个新的大地热流数据，据此讨论了该区的地温梯度及热流分布特征，分析了影响琼东南盆地地温场特征的主要因素，最后估算深部储层温度。这些成果可为琼东南盆地油气资源潜力评价提供新的科学支撑。

1 地质背景

南海位于欧亚板块、印度—澳大利亚板块和太平洋—菲律宾海板块等多板块交汇地带，是西太平洋最大的边缘海之一，具有复杂的构造演化历史（孙珍等，2006；李家彪等，2011；王颖等,2013）。南海南、北部共轭大陆边缘发育一系列新生代拉张盆地，琼东南盆地位于南海西北部大陆边缘，东为西沙海槽，西为莺歌海盆地，北为海南隆起，南为永乐隆起，是一个NE-SW方向延伸的新生代张裂型盆地（朱继田等, 2011）。盆地历经古近纪的张裂作用、新近纪的裂后坳陷作用以及晚中新世以来的快速构造沉降作用，具有典型的“断—坳”双层结构（谢文彦等, 2007；张功成等, 2007；雷超等, 2011；宋洋等, 2011；赵民等,2010），盆地平面上呈现南北分带特征，由北向南可分为4个一级构造单元：北部坳陷区、中部隆起区、中央坳陷带、南部隆起区（图1）。根据断裂组合和隆坳格局，每个一级构造单元可细划分为若干次级隆起和凹陷构造单元。

图1 琼东南盆地构造单元划分图Fig. 1 Sketch showing the structure and subdivision of the Qiongdongnan Basin

盆地地层从上至下分别为第四系乐东组，上新统莺歌海组，中新统黄流组、梅山组和三亚组，渐新统陵水组和崖城组，其中下渐新统崖城组为海陆过渡相和浅海相沉积，上渐新统陵水组为滨海—浅海相沉积，中新世以来主要为滨海—浅海、半深海—深海沉积（朱继田等, 2011）。盆地主要发育渐新统崖城组和中新统梅山组—三亚组两套主力烃源岩（谢玉洪和高阳东, 2020）。

2 数据与方法

地层温度、地温梯度和大地热流是刻画区域地温场特征的主要参数。准确的地层温度是计算地温梯度和大地热流的基础。常见的钻井测温数据主要包括钻孔系统连续测温（也即温度测井）和地层试油温度，后者包括钻杆试油温度（DST）和孔底温度（BHT）等，其中稳态的系统连续测温和DST一般可认为近似代表地层真实的环境温度。

本研究中所使用的钻孔测温数据主要为电缆测温数据（MFT），因钻孔所在地层受钻井液循环等扰动，所测温度值往往低于实际地层温度，需要进行相应温度校正，才能用于地温梯度和热流的计算。根据钻井完井地质报告，在一段静井时间内，多次重复测量的钻井孔底温度，可用Horner（1951）校正法进行温度校正，获得相对可靠的地层温度。Horner校正法的基本公式如下：

其中，T测为钻井孔底不同静井时间的实测温度，te为测温时停钻后时间，即完钻后静井时间，tc为钻井液循环时间，也就是达到完钻深度的最后一段钻井作业的时间，P为常数，与地层深度和岩石物性有关，不同深度和不同井位的P值可能不同。本次研究共收集到21口钻井的有效电缆测温数据，其中包含10口浅水区钻井和11口深水区钻井。校正后的测温数据结合海底温度及钻孔深度，即可得到钻井点的平均地温梯度。

大地热流（Q）是指地球内部向地表传输并在单位面积上散发的热量，反映了地球内部各种动力学过程的能量平衡。大地热流值在数值上等于地温梯度与地层热导率（K）的乘积：

其中，Q为大地热流值（mW/m2）；K为地层热导率（W/m·K），与地层物性相关，为地温梯度G（℃/km）。公式前的负号，代表大地热流的传递方向和地温梯度方向相反。课题组团队已完成琼东南盆地代表性地层岩石热物性测试，给出了盆地的平均热导率为2.11±0.55 W/（m·K），平均岩石生热率为1.98±0.88 μW/m3（蔡黎等, 2019）。本次研究中，我们将前人已有的相关岩石热物性数据和本次实测数据汇总，建立了琼东南盆地地层热物性参数系列柱（表1）。结合该地区岩石热物性数据和地温梯度数据，计算获得了21口钻井的热流值。

表1 琼东南盆地地层平均热物性Table 1 Average formation thermal properties of the Qiongdongnan Basin

结合上述岩石热导率数据和校正后的地层温度，本研究新增计算W1等21口钻井的地温梯度及大地热流值。在此基础上，汇编该地区前人已发表的相关地热数据（米立军等，2009；施小斌等，2015；Shi et al., 2003；徐行等，2006；李亚敏等，2010），编制了目前琼东南盆地数据覆盖最为全面的新一轮地温梯度分布图和热流分布图。

深部储层温度对于油气保存条件评价具有重要意义，是盆地地温场研究的重要内容之一。由于温度测井的成本以及钻孔分布的不均一性等现实问题，结合实测的岩石热物性参数和热传导方程解析解估算深部温度，是研究深部储层温度一个重要的手段。一维稳态热传导方程求取深部温度的计算公式如下（Chapman, 1986）：

其中，Tz为深度z（km）处的温度，T0为地表温度，这里取底水温度（BWT），也即海底温度；Q0为钻孔的实测海底热流（mW/m2），K为地层热导率（W/m·K），A为地层生热率（μW/m3）。

袁玉松等（2007）提出拟合南海地区水深小于600 m时的平均海底温度经验公式：

施小斌等（2015）提出拟合南海地区水深600~2800 m时的平均海底温度计算公式：

其中，Z为水深（m），由于本文获取的钻井数据中水深最大为1714 m，所以这两个公式即能满足所有的计算要求。本研究中所用到的海底温度根据水深不同分别采用以上两个公式进行计算。

基于上述方法和前面获取的岩石热物性及相应的钻孔热流为约束，我们分别计算出了盆地内T30（莺歌海组底界面）、T40（黄流组底界面）、T50（梅山组底界面）、T60 （三亚组底界面）、T70 （陵水组底界面）的平面温度分布（甘军等, 2019）。

3 结果

图2为琼东南盆地部分钻孔的温度校正示意图，图中拟合方程的截距即为校正温度，校正后的温度普遍比原始温度要高出10℃左右（图3），这一结果与前人的温度校正范围基本一致（Förster et al., 1999；施小斌等，2015）。校正后的温度具有较高的可信度，可用于稳态地温场相关研究。

图2 琼东南盆地钻井校正温度求解示意图Fig. 2 Schematic illustration of the bottom temperature correction of the drilling holes in the Qiongdongnan Basin

图3 钻孔校正前后温度对比Fig. 3 Temperature comparison before and after borehole correction

本研究新增计算W1等21口钻井的地温梯度及大地热流值（表2）。其中，10口浅水区钻井平均地温梯度为38℃/km，平均热流为64.7 mW/m2；11口深水区钻井平均地温梯度为45.3℃/km，平均热流为77 mW/m2。

表2 琼东南盆地新增大地热流数据Table 2 The newly acquired heat flow data of the Qiongdongnan Basin

截止目前，琼东南盆地的地温梯度和热流数据共计117个，研究区地温梯度分布范围为26.2~59.6℃/km，多数集中于30~50℃/km，占比达90%，平均值为39.4±4.86℃/km。笔者利用反距离权重法（Inverse Distance Weight-IDW）进行插值处理，绘制了琼东南盆地地温梯度分布图（图4）。可以看到，浅水区地温梯度显著低于深水区地温梯度值，也即具有“北低南高”的空间分布格局，同时盆地东部的长昌凹陷表现为高值异常区。盆地的地温梯度分布具有显著的横向不均一性。

图4 琼东南盆地地温梯度分布图Fig. 4 Geothermal gradient distribution of the Qiongdongnan Basin

具体而言，浅水区（76个）地温梯度数据分布范围为26.2~41.6℃/km，多数集中在30~40℃/km区间内，平均值为36±2.87℃/km。深水区的41个地温梯度值分布范围为37.3~59.6℃/km，多数集中在40~50℃/km范围内，平均值为45.6±3.54℃/km，比浅水区平均值高出近10℃/km。

长昌凹陷共有10个地温梯度数据，其值分布范围为43.9~59.6℃/km，平均值为50.1±3.46℃/km，高出浅水区平均地温梯度值14℃/km，高出深水区平均地温梯度值4.5℃/km。

琼东南盆地的大地热流值介于50~120 mW/m2之间，其中有95个热流数据集中在60~90 mW/m2范围内，数量占比达81%，平均为73.2±8.67 mW/m2，显示盆地现今热流整体偏高。此外，笔者按反距离权重法插值绘制了琼东南盆地大地热流分布图（图5）。结果显示，研究区大地热流平面上呈现出明显的“北低南高、东高西低”的分布特征，也即北部浅水区大地热流相比于南部的深水区大地热流明显偏低，东部的长昌凹陷为区域高值异常区。

图5 琼东南盆地现今大地热流分布图Fig. 5 Heat flow distribution of the Qiongdongnan Basin

浅水区共有76个热流数据，最小值为50.6 mW/m2，最大值为78 mW/m2，多数热流值集中在60~78 mW/m2范围内，平均值为 67.5±5.48 mW/m2（表3）。深水区共有41个热流数据，最小值为70.8 mW/m2，最大值为120 mW/m2，大多数热流集中在70~90 mW/m2范围内，平均值为 83.8±7.26mW/m2，比浅水区热流平均值高约16 mW/m2。东部的长昌凹陷共有10个热流数据，分布范围为89~112 mW/m2，平均值为94.5±6.4 mW/m2，比浅水区平均值高约27 mW/m2，比深水区平均值高约12 mW/m2。

表3 琼东南盆地分区地温梯度与热流特征值汇总Table 3 The geothermal gradient and heat flow of the Qiongdongnan Basin

我们也据此估算了盆地T30-T70层系的温度状态，这里以T30界面为例说明盆地深部地层温度的分布特征（图6）。T30层系高温区域出现在盆地西部的崖南地区，预测温度为46~174℃，平均温度为122℃；低温出现在松南地区，其温度为37~91℃，平均为69℃；其他区域平均温度为83℃，整体表现出“西高东低”的特征。需要说明的是，虽然盆地东部的地温梯度和热流都明显高于西部，但T30界面的温度却表现为西高东低的特征。这是因为盆地西部地区的T30平均埋深为2798 m，而东部平均埋深仅为1410 m，东、西部T30地层的差异埋深是其主控因素，超过了区域基底差异热流的影响（甘军等，2019）。

图6 琼东南盆地T30界面温度估算分布图（甘军等，2019）Fig. 6 estimated deep temperatures for T30 formation within the Qiongdongnan Basin

4 讨论

4.1 琼东南盆地热状态特征

本研究获得了琼东南盆地一批新的热流数据。相较于前人的结果，如Yuan等（2009）指出琼东南盆地平均热流值为72.9±14.2 mW/m2，米立军等（2009）指出南海北部（包含珠江口盆地和琼东南盆地）浅水区平均热流值为66±9.8 mW/m2，深水区平均热流值为77.5±14.8 mW/m2，唐晓音等（2014）指出琼东南盆地平均热流值为71.1±13 mW/m2，上述结果与本次研究所得琼东南盆地最新平均热流值（73.2±8.67 mW/m2）十分接近。

据本文最新统计，琼东南盆地大地热流值平均为73.2±8.67 mW/m2，高于中国大陆地区（61±15.5 mW/m2）（汪集暘等，2015）。与中国近海其他地区相比，也普遍高出5~10 mW/m2左右，是一个典型“热盆”（表4）。比如，南黄海南部坳陷的热流值介于65~74 mW/m2之间，平均值为69 mW/m2（杨树春等，2003），东海陆架地区热流变化范围为55~88 mW/m2，平均值为71 mW/m2（Yang et al.,2004；许薇玲和乐俊英, 1995），台湾东北部热流值变化范围为3~170 mW/m2，平均热流值为64 mW/m2（Shyu et al., 2006, 1998）。

表4 琼东南盆地与其他典型盆地热状态对比Table 4 Comparison of geothermal regime between the Qiongdongnan Basin and Other Typical Basins

另外，琼东南盆地的现今地温梯度平均为39.4±4.86℃/km，与东部的松辽盆地（38℃/km）等“热盆”相当（王钧等，1990；Jiang et al., 2019），高于东海盆地（33℃/km；Yang et al., 2004）以及南黄海南部（29℃/km；杨树春等，2003），远高于中国中西部地区克拉通盆地，如塔里木盆地（22℃/km；刘绍文等，2017）、四川盆地（23℃/km；袁玉松等，2006）等。因此，就地温梯度而言，该盆地也表现出高温特征。

4.2 影响琼东南盆热状态的主要因素

琼东南盆地的大地热流从浅水区到深水区逐渐增高，体现了典型被动陆缘热状态特征。地球物理探测表明，南海北部岩石圈新生代伸展拉张使得岩石圈厚度和地壳厚度从大陆架到大陆坡及大洋盆地不断减薄，大陆架和上陆坡地壳厚度为26~28 km，洋盆处的洋壳厚度仅为5~7 km（姚伯初等，1994）。相应地，莫霍面深度也从浅水到深水逐渐减小，深部地幔热物质上涌，带来大量的深部热量，从而导致南部深水区基底热流值高于北部浅水区。显然地，盆地所处的构造背景决定其热状态的高低。对于新生代裂谷或张裂盆地，其热流值偏高（＞70 mW/m2）；而对于古老的克拉通盆地而言，其热流较低（＜50 mW/m2；汪集暘等，2015）。

此外，造成盆地浅水区热流值偏低的另一重要原因可能是沉积物的热披覆效应。沉积物热披覆作用是指较冷的低热导率沉积物持续以较快速率堆积在高热导率地层或基底上，后期沉积的低热导率沉积物来不及充分受热升温，导致其地温梯度和热流值降低，且沉积速率越大，沉积物热披覆效应越强，基底热流降低得越明显（汪集暘等，2015；施小斌等，2017；Zhang, 1993; Hutchison, 1974; Wang et al., 2007）。图7为琼东南盆地T30界面深度图，可以明显看到盆地西部崖南凹陷区的上覆沉积物厚度远高于东南部深水区。这也使得盆地西部的热流要低于东部地区。

图7 琼东南盆地T30界面深度图Fig. 7 Burial depth of the T30 interface in the Qiongdongnan Basin

最后，局部的岩浆活动也能显著影响盆地热流场分布。吴世敏等（2001）统计分析发现：南海北部陆缘岩浆活动集中在57~40 Ma、27~17 Ma及8 Ma 以后3个阶段，新生代期间发生在琼东南盆地的活跃的岩浆活动主要分布于盆地东南部，其中，中央坳陷区的宝岛凹陷和长昌凹陷岩浆活动较为强烈（汪集暘等，2015；Yuan et al., 2009; 施小斌等，2015；徐行等，2011；唐晓音等，2013），施小斌等（2015）发现琼东南东部钻孔BD23-1-1的钻孔资料揭示有凝灰岩存在，且在地震剖面上识别出了众多中、晚中新世以来的岩体侵入体，并提出该时期的岩浆活动，对中央坳陷区现今热状态格局能够带来10~25 mW/m2的增加。唐晓音等（2013）也指出中央坳陷区的长昌凹陷内部分布着多个锥状火成岩侵入体。这些岩体主要是中—晚中新世以来岩浆活动的结果。此外，徐行等（2006）强调该区断裂构造十分发育，且部分断裂现今仍在活动，深部的水热流体经断裂构造形成的通道向上输送，从而影响局部热流分布。