摘要
长岭凹陷位于松辽盆地中央坳陷区，蕴藏大量地热资源可利用。本文以长岭凹陷作为研究区，收集了89口井 119个试油温度数据，对45件岩石样品进行热导率和生热率测试，重新刻画长岭凹陷现今地温场特征，并对其主控因素进行了分析。利用一维热传导方程预测了1000~3000 m埋深处温度以及不同地层的温度。长岭凹陷地温梯度为3.4~4.2 ℃/100 m，平均地温梯度为3.8 ℃/100 m，大地热流为64~84 mW/m2 ，平均为74 mW/m2 。平面上，长岭凹陷有较高的地温梯度和大地热流值，地质构造、基地起伏、火成岩分布以及地下水活动等，这些因素都是导致研究区地表热流偏高的原因。研究成果对长岭凹陷地区地热能勘探以及开发利用有一定指导意义。
Abstract
Changling Depression is located in the central depression area of the Songliao Basin, containing a large amount of geothermal resources that can be utilized. This article takes Changling Depression as the research area, collecting 119 oil testing temperature data from 89 wells, conducting thermal conductivity and heat generation tests on 45 rock samples, recharacterizing the current geothermal field characteristics of Changling Depression, and analyzing its main control factors. The geothermal gradient in Changling Depression is between 3.4-4.2 ℃/100 m, with an average geothermal gradient of 3.8 ℃/100 m. The geothermal flow distribution is between 64-84 mW/m2 , with an average of 74 mW/m2 . Using one-dimensional heat conduction equation to predict temperature at depths of 1000-3000 m and temperatures in different formations. On the plane, Changling Depression has a high geothermal gradient and geothermal flow value, geological structure, base undulation, igneous rock distribution, and groundwater activity, all of which are the reasons for the high surface heat flow in the study area. The research results obtained have certain guiding significance for the exploration and development of geothermal energy in the Changling Depression area.
0 引言
地热能是一项环保、清洁的新能源，随着社会的发展，人们对新能源的需求不断变大，地热能的开发利用越来越受到重视和研究（施尚明等， 1998）。长岭凹陷位于松辽盆地中央凹陷区，由于大地构造背景和热结构特殊，研究区含有大量油气资源和地热资源（杨万里，1986）。
前人对松辽盆地地温场分布特征进行了大量研究（吴乾藩，1990；黎广荣，2007；朱焕来，2011；刘晨璞等，2016），王洪涛等（2009）通过石油钻井地温测试和物探资料发现长岭凹陷有较高地温梯度、大地热流值，并且北部高于南部；宫明旭（2021）采用 Parker-Oldenburg 算法反演莫霍面和居里面，结果显示松原地区莫霍面和居里面深度较浅，有较好的热源背景；赵越（2023）利用ArcGIS和GMS建立地热地质结构模型，对长岭凹陷地热地质条件进行了分析，得出泉三段是长岭凹陷区最优热储层。但是目前对于长岭凹陷现今地温场研究仍然存在一些问题：首先，长岭凹陷现今地温数据古老，缺乏近年的测温数据研究；其次，缺乏长岭凹陷统一深度系统的分析；此外，地热资源形成机制、地质构造条件的研究也是地热学研究的重要内容（Wang et al.， 2013），长岭凹陷地温场成因分析尚需要完善。
本文对长岭凹陷 45 个岩心样品进行岩石热物性测试，并结合 89 口井的 119 个钻孔试油温度数据，重新计算了长岭凹陷地温梯度，以及对不同深度和不同地层处的地温进行估算，为研究区进一步的地热资源评价提供地热参数，并对影响长岭凹陷现今温度场分布特征的因素进行了探讨，本研究对长岭凹陷地热能勘探和开发利用都有较高的实用价值和指导意义。
1 区域地热地质特征
1.1 区域地质概况
松辽盆地位于中国东北地区，横跨黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古自治区。研究区位于松辽盆地南部的中央坳陷区，上邻红岗阶地，东邻华字井阶地和扶新隆起带，西南分别为西部斜坡区和西南隆起带。长岭凹陷可以进一步划分为乾安次凹、黑帝庙次凹、大情字井低凸起3个次级构造单元（图1）。长岭凹陷发育断陷层和坳陷层双层复合结构（陈国利，2003），研究区沉积盖层主要是中生代—新生代沉积岩，沉积盖层从下而上依次沉积中生界上侏罗统、白垩系新生界古近系和新近系。长岭凹陷普遍发育白垩系，地层自下而上分别为登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组 （张景军等，2020）。
图1长岭凹陷构造位置图
1.2 钻孔温度测试
研究地温场需要获得该地区一定深度和准确度的钻孔测温数据，由于测温类型复杂多样，因此获得的测温数据质量有高有低，一般认为稳态测温数据和试油温度数据可靠性较高，可用来研究研究区地温情况（邱楠生等，2019）。本研究共收集89口井的 119 个试油温度数据，绘制温度与深度关系图 （图2）。总体上，井温数据与深度变化呈现良好的正相关关系，这表明地层温度传导方式主要通过热传导。
图2长岭凹陷温度与深度关系图
1.3 岩石热物性参数测试与分析
1.3.1 热导率测试与分析
本研究热导率测试选取45件样品，岩石样品岩性主要包括细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩等。测试仪器为德国生产的光学扫描岩石热导仪 TCS，其测量范围为 0.2~25 W/（m·K），精度为±3%，在室温条件下，对每块岩石样品进行多次测试，结果取平均值（表1）。
长岭凹陷青山口组岩石热导率范围为 1.78~2.44 W/（m·K），平均值为2.0 W/（m·K），其中砾岩热导率最高为2.44 W/（m·K），泥页岩、砂岩、细砂岩热导率相差不大，主要分布在 1.84~1.93 W/（m·K），泥质粉砂岩热导率最低为1.78 W/（m·K）。
岩石热导率受岩石孔隙度、矿物成分、岩石颗粒大小、颗粒形状的影响。可以看出砂岩热导率高于泥岩。一般情况下，成岩的主要矿物热导率与岩石热导率成正比，岩石中含有较多石英，其热导率就会较大（图3a）；岩石中黏土矿物越多，热导率越低（图3b）；岩石的孔隙度与热导率成反比（图3c），因为孔隙中往往会填充水或者空气，使热导率下降，相对低于固体岩石。
图3岩石热导率与石英含量关系图（a）、岩石热导率与黏土矿物的关系图（b）及岩石热导率与孔隙度的关系图（c）
1.3.2 生热率测试与分析
岩石放射性生热率是描述地球内热的重要热物理参数，是指单位时间内地球内部放射性元素衰变所释放的能量。测试方法为 GB/T15406.30-2010，用质谱分析仪测试岩石生热率，主要是测量岩样中铀（U）、钍（Th）、钾（K）的含量，结合岩石密度，代入式1计算生热率（表1）。
(1)
式（1）中，A 为岩石放射性生热率（μW/m3）；ρ 为岩石密度（g/cm3）；CU、CTH、CK分别为岩石中铀、钍、钾的含量（μg/g、μg/g、%）。
结果可以看出，研究区生热率为 1.0~1.22 μW/ m3，在沉积地层中，岩石的生热率取决于岩性，泥岩中铀（U）、钍（Th）、钾（K）的含量较高，所以泥岩生热率最高，平均为 1.13 μW/m3，细砂岩、粉砂岩的生热率相对较低。
表1长岭凹陷岩石热导率与生热率
2 研究区地温场特征
2.1 现今地温梯度与大地热流分布特征
本地温梯度为恒温带以下，深度每增加 100 m 所升高的温度。地温梯度作为反映地温场的主要参数，既可以反映出表地层剖面上的变化，也可以反映区域性的变化。研究区属于北温带大陆性季风气候，通过调研得知长岭凹陷恒温带深度 20 m，恒温带温度10℃（赵越，2023），为使结果更加准确，地层温度值采用试油温度和测井井底温度，利用式 2计算各测点的地温梯度值。
(2)
式（2）中，G 为地温梯度（℃/km）；T 为试油温度 （℃）；T0为恒温带温度（℃）；Z 为井底深度（km）；Z0 为恒温带深度（km）。
通过上式计算得到长岭凹陷地温梯度值，绘制长岭凹陷地温梯度图（图4）。由图中可以看出，研究区的地温梯度变化范围为34~42℃/km，平均地温梯度为38℃/km。长岭凹陷平面上地温梯度变化不大，以36℃/km为主，高地温梯度区呈块状分布在北部和南部。长岭凹陷发育极盛期在晚白垩世，沉积中心位于黑帝庙一带（温升福，2007），地温梯度从中部向南部逐渐递增，黑帝庙至长岭县一线地温梯度较高，由于扶新隆起带和红岗阶地地温梯度较高，北部与扶新隆起带和红岗阶地相邻地区地温梯度高于 40℃/km，乾安次凹和大情字井地区基底凹陷，地温梯度较低。
通过式 3，利用测得的岩石热导率和地温梯度计算研究区大地热流。长岭凹陷现今大地热流为 64~84 mW/m2，平均为 74 mW/m2，具有中部低，北部较高，南部较低的分布特征，与地温梯度分布特征相似。
(3)
式（3）中，q为大地热流（mW/m2）；K为岩石热导率（W/（m·K））；G为地温梯度（℃/km）。
图4长岭凹陷地温梯度等值线图
2.2 研究区深部地层温度预测
根据长岭凹陷各个测井的试油温度数据以及岩石热物性等数据，用一维热传导公式对研究区 1000~3000 m埋深处的现今温度，以及嫩江组、姚家组、青山口组和泉四段这 4 个主要热储层的底界面温度分别进行估算，公式如下：
(4)
式（4）中，i为构造层数；T上i 为第i构造层上界面温度（℃）、T下i 为第i构造层下界面温度（℃）；q上i 为第 i 构造层上界面大地热流值（mW/m2）；Ki为第 i 层热导率（W/（m·K））；Ai为第i层岩石生热率（μW/m3）；Zi 为第 i 构造层厚度（km）。在本研究中，热导率取平均值2.0 W/（m·K），生热率取平均值为1.1 μW/m3。
绘制1000 m、2000 m和3000 m埋深处现今温度分布图（图5）。1000 m 埋深处地温变化范围在 44~52℃，平均为 48℃，高温区分布在北部与扶新隆起带和红岗阶地相邻地区以及长岭县一带，平均值为 50℃，乾安次凹和大情字井低凸起地层温度较低，平均 44.5℃（图5a）。2000 m、3000 m埋深处地层温度分布特征与1000 m相似，只是温度以及变化幅度不同，2000 m埋深处温度变化范围80~96℃，平均为 88℃（图5b）；3000 m 埋深处温度变化范围 114~138℃，平均为126℃（图5c）。
图5长岭凹陷1000 m（a）、2000 m（b）、3000 m（c）埋深处温度等值线图
松辽盆地是陆相沉积体系，发育 4 套热储体系 （胡望水，1997），从上到下为嫩江组、姚家组、青山口组以及泉四段。本研究对4套热储层的底界面温度进行了计算，为长岭凹陷地热能源评估和开发利用提供参数。
嫩江组地层温度为 35~90℃，平均温度为 62.5℃，高温区位于西部斜坡带，平均温度为80℃，东部斜坡带温度相对较低且变化幅度较快，平均为 50℃（图6a）；姚家组、青山口组和泉四段底界面温度分布特征与嫩江组类似，姚家组地层温度介于 38~96℃，平均温度为 67℃（图6b）；青山口组地层温度介于46~128℃，平均温度为87℃（图6c）；泉四段地层温度介于 53~133℃，平均温度为 93℃（图6d）。
3 地温场主控因素分析
长岭凹陷现今地温场的形成、空间分布以及特性受到多种因素的控制和影响（郭昂青，2016），主要包括以下几个方面：
3.1 断裂系统的影响
松辽盆地属于大陆板块内裂谷盆地，位于环太平洋构造域东北裂谷系北段（王进财，2010）。晚侏罗世，太平洋板块俯冲亚欧板块，引起地幔隆起，引发岩石圈侧向伸展作用形成张裂和裂陷（周立岱， 2005）。在初期张裂阶段，韧性下地壳受剪应力作用减薄，脆性上地壳受剪应力作用破裂，形成一系列张裂和分隔性断裂带（图7a）；在裂陷阶段，地幔隆起幅度增大，最终形成一条接近直立的的深部断裂，在这一阶段，地壳上部形成的倾向核部的逆断层不断向下发展，最终连通地壳下部的深大断裂，这些深大断裂网深达地幔，贯通并切穿整个岩石圈 （图7b）（高志华，2006），成为岩浆侵位的通道，联系上地幔热源与盆地热源，为深部地幔热源向上传输提供了良好条件。
松辽盆地盖层断裂一般分为断陷期断裂、坳陷期断裂、褶皱期断裂（王立武，2004）。对于长岭凹陷，断陷期断裂对地温场影响最大，断陷期断裂发育在营城组时期，断距大深入地幔，为深部热流上涌提供了通道，成为营城组和泉头组地层热异常的原因之一（吴志远，2023）。
3.2 莫霍面深浅的影响
研究表明，大地热流和地温梯度的大小受莫霍面深浅的控制，莫霍面厚度与大地热流之间有反相关性，莫霍面埋深越浅，地温梯度和大地热流值相对来说越高（苏玉娟，2021）。松辽盆地的地壳厚度为 29~35 km，通过对松辽盆地航磁重力场重新解译，发现长岭凹陷地壳明显变薄（王洪涛等，2009），长岭凹陷莫霍面深度为 27.4~29.5 km，由于地壳减薄，来自地幔的热量更加容易向上传导，以上原因都导致了长岭凹陷地温偏高。
图6长岭凹陷嫩江组（a）、姚家组（b）、青山口组（c）、泉四段（d）底界面温度等值线图
图7松辽盆地早期形成以及演化示意图
a—初始张裂阶段；b—裂陷阶段
3.3 基底起伏的影响
长岭凹陷经历了隆起、断陷发育、坳陷发育和萎缩这4个构造演化阶段。当发生强烈的构造运动时，会产生褶皱和断裂等构造形态，使地壳变形，形成隆起区、坳陷区，地球深部热流在浅部进行重新分配。隆起区岩层结晶程度高，与坳陷区相比，隆起区热导率和热流值较高（刘洪战，2016）。
在红岗阶地的南部、长岭凹陷的中部、华字井阶地的北部选取 11 口井，做剖面图（图8）。井孤 34、乾227、孤32位于华字井阶地，基底起伏，地温梯度分别为 4.3℃/100 m、3.8℃/100 m、4.5℃/100 m，地温梯度较高；海 39、查 36 位于长岭凹陷，基底凹陷，地温梯度分别为3.6℃/100 m、3.5℃/100 m，地温梯度较低。
图8井海35~登26剖面图
3.4 地热水化学特征的影响
地下水是影响岩石圈上部地温场最活跃的因素之一（赵鑫鑫等，2022）。地下水是热能的良好载体，大量填充在地壳岩层的孔隙、裂隙中，在流动过程中吸收和释放能量，与周边介质交换物质和能量，从而改变流经区温度。
松辽盆地属于封闭类型，因此长岭凹陷地热水主要来源为盆地形成时期保留下的封闭水，以及不同途径入渗到热储层中的大气降水。根据之前的学者对研究区同位素氧和氘的研究，长岭凹陷降水 δ18O 平均值为-9.18‰，δD 平均值为-69.52‰；地表水 δ18O 平均值为-7.97‰，δD 平均值为-62.47‰；浅层地热水 δ18O 平均值为-10.95‰，δD 平均值为-81.38‰；中深层地热水 δ18O 平均值为-11.84‰，δD 平均值为-97.28‰，对比发现，深层地热水对研究区地温场影响较大。松辽盆地没有泄水区，地下水流动速度缓慢，在漫长流动和深循环过程中水岩温度达到平衡状态，即水温等于岩温，所以大量热量被储存起来。再加上姚家组、嫩江组、四方台组、明水组和大安组发育了大面积致密、低渗、有良好聚热隔热性能的厚层泥岩，厚度约为 1500 m（王俊峰， 2023），把深部热能良好的保存起来。
图9松辽盆地基底地质图
1 —前寒武纪深变质岩；2—古生代浅变质岩；3—华北地台基底及其北缘褶皱带；4—印支—燕山期花岗岩；5—基底断裂
3.5 放射性元素的影响
松辽盆地基底主要是由形成于克拉通稳定期及生长期的古生代花岗岩、片麻岩和片岩组成（吴福元等，2000），加里东期、华力西期、燕山期花岗岩在松辽盆地基底大规模分布（图9），分布面积占基底面积的1/3以上。储、盖、通、源是地热存在必需4 要素，其中热源是地热形成的主导因素，地球的内热主要来自岩石中的放射性元素铀（U）、钍（Th）、钾 （K）的衰变，而花岗岩中这 3种元素含量最多，生热率最高，所以盆地地温场较高。
研究区受到火成岩侵入主要发生在海西、燕山期，涉及的地层主要为火石岭组、沙河子组、营城组。长岭凹陷火成岩主要分布在边缘地带以及段凸和断阶上，研究区的地温呈现四周向中间递减的趋势，这说明地温分布也受到火成岩的影响。
4 结论
通过对长岭凹陷地温梯度以及不同深度温度的研究，得到以下结论：
（1）长岭凹陷现今地温场受多种因素的影响，长岭凹陷地经历了板块内部的拉伸作用和岩石圈减薄，并且基底发育较多断裂和大规模破碎带，有利于深部地幔热物质沿着基底断裂向上传导，导致地表热流偏高。长岭凹陷致密的沉积盖层，对深层地热水热量起到良好保存作用。盆地内大规模分布的花岗岩放射性元素产生的热量，对长岭凹陷现今较高地温梯度也有一定贡献。
（2）长岭凹陷地温梯度变化范围为 3.4~4.2℃/ 100 m，平均地温梯度为3.8℃/100 m，大地热流分布在64~84 mW/m2，平均为74 mW/m2。
（3）长岭凹陷 1000 m 埋深处温度 44~52℃，平均为 48℃；2000 m 埋深处温度 80~96℃，平均为 88℃；3000 m 埋深处温度 114~138℃，平均为 126℃。高温区分布在北部构造单元交汇部以及南部黑帝庙一带。
（4）长岭凹陷嫩江组底界面温度介于35~90℃，平均温度为 62.5℃；姚家组底界面温度介于 38~96℃，平均温度为 67℃；青山口组地层温度介于 46~128℃，平均温度为 87℃；泉四段地层温度介于 53~133℃，平均温度为93℃。高温区位于西部斜坡带，东部斜坡带温度相对较低。
