南海北部陸緣瓊東南盆地深水區現今地熱特征

吳 迪，李香蘭，劉紹文, ，朱繼田，李旭東，熊小峰，尹宏偉

1. 南京大學 海岸與海島開發教育部重點實驗室，地理與海洋科學學院，南京 210023；
2. 中國南海研究協同創新中心，南京 210093；
3. 中海石油（中國）有限公司湛江分公司，南海西部石油研究院，湛江 524057；
4. 南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023

沉積盆地熱體制研究是指根據盆地的熱量生成和運移，分析盆地的熱狀態、熱結構以及熱演化過程。沉積盆地熱體制是大陸邊緣構造研究的重要組成部分。一方面，巖石圈的流變學和強度等力學性質均與其熱狀態密切相關（Watts et al., 2003;Hyndman et al., 2009; Cloetingh et al., 2011）， 而 流變學控制了大陸巖石圈裂解的樣式和動力學過程（Behn et al., 2002; Gueydan et al., 2008）。另一方面，沉積盆地的構造演化也與地球內部的熱力學過程密切相關，不同類型的盆地具有不同的構造-熱體制（Cloetingh et al., 2011）。因此，盆地熱體制的研究可以為盆地的成因機制與演化過程提供重要的地熱證據。此外，油氣的生成、遷移和保存更是與溫度有直接關系（Tissot et al., 1978; 王良書和施央申，1989 ；
Barker, 1996; F?rster et al., 1999; 邱楠生等，2004; Makhous et al., 2005; 汪集暘等，2015）。

全球油氣勘探已進入深水、深層等新階段，南海北部大陸邊緣新生代張裂盆地油氣潛力大，是全球典型的深水油氣勘探選區，目前已取得重要進展，得益于高溫高壓天然氣成藏新理論、勘探新技術、新方法的攻克，成功發現并評價一系列大中型優質氣田，在瓊東南盆地松南寶島凹陷深水區、珠江口盆地陽江凹陷新區等相繼取得重大勘探突破（謝玉洪等，2016；
謝玉洪和高陽東, 2020）。瓊東南盆地作為南海北部主要含油氣盆地之一，已發現 L17、L25和L13等大氣田，是中國海洋深水油氣勘探的主力區塊。瓊東南盆地熱體制的深入研究能為該區油氣資源潛力評價提供重要的科學依據和關鍵數據支撐。

已有許多學者開展了對包括瓊東南盆地在內的南海北部沉積盆地的熱體制的研究，包括地溫梯度、大地熱流和構造—熱演化等，并取得相當的進展（李雨梁和黃忠明，1990；
龔再升和李思田, 2004；
Yuan et al., 2009; 米立軍等, 2009; 單競男等, 2011;Wang et al., 2014; 唐曉音等, 2014; 施小斌等, 2015;2017）。前人相關工作主要集中在淺水區（水深＜300 m），由于深水區（水深＞300 m）數據采集難度大、成本高、數量少，因而對于深水區地溫場特征的認識不足，制約了對瓊東南盆地區域地熱特征的整體認識。瓊東南盆地深水區先后報道了30個熱流數據，其中，Shi等（2003）等早期報道了17個熱流數據，隨后徐行等（2006）報道了7個熱流數據，李亞敏等（2010）報道了2個熱流數據，近期施小斌等（2015）又新報道4個熱流數據。隨著瓊東南盆地深水油氣勘探的加速和進展，深水區獲得了一批新的鉆孔溫度數據。本研究新增了瓊東南盆地21口鉆井的測溫數據，其中包含10口淺水區鉆井和11口深水區鉆井，通過對其測溫數據開展校正和統計分析，并結合該地區新近測試的巖石熱物性參數，獲得了21個新的大地熱流數據，據此討論了該區的地溫梯度及熱流分布特征，分析了影響瓊東南盆地地溫場特征的主要因素，最后估算深部儲層溫度。這些成果可為瓊東南盆地油氣資源潛力評價提供新的科學支撐。

南海位于歐亞板塊、印度—澳大利亞板塊和太平洋—菲律賓海板塊等多板塊交匯地帶，是西太平洋最大的邊緣海之一，具有復雜的構造演化歷史（孫珍等，2006；
李家彪等，2011；
王穎等,2013）。南海南、北部共軛大陸邊緣發育一系列新生代拉張盆地，瓊東南盆地位于南海西北部大陸邊緣，東為西沙海槽，西為鶯歌海盆地，北為海南隆起，南為永樂隆起，是一個NE-SW方向延伸的新生代張裂型盆地（朱繼田等, 2011）。盆地歷經古近紀的張裂作用、新近紀的裂后坳陷作用以及晚中新世以來的快速構造沉降作用，具有典型的“斷—坳”雙層結構（謝文彥等, 2007；
張功成等, 2007；
雷超等, 2011；
宋洋等, 2011；
趙民等,2010），盆地平面上呈現南北分帶特征，由北向南可分為4個一級構造單元：北部坳陷區、中部隆起區、中央坳陷帶、南部隆起區（圖1）。根據斷裂組合和隆坳格局，每個一級構造單元可細劃分為若干次級隆起和凹陷構造單元。

圖1 瓊東南盆地構造單元劃分圖Fig. 1 Sketch showing the structure and subdivision of the Qiongdongnan Basin

盆地地層從上至下分別為第四系樂東組，上新統鶯歌海組，中新統黃流組、梅山組和三亞組，漸新統陵水組和崖城組，其中下漸新統崖城組為海陸過渡相和淺海相沉積，上漸新統陵水組為濱?！獪\海相沉積，中新世以來主要為濱?！獪\海、半深?！詈３练e（朱繼田等, 2011）。盆地主要發育漸新統崖城組和中新統梅山組—三亞組兩套主力烴源巖（謝玉洪和高陽東, 2020）。

地層溫度、地溫梯度和大地熱流是刻畫區域地溫場特征的主要參數。準確的地層溫度是計算地溫梯度和大地熱流的基礎。常見的鉆井測溫數據主要包括鉆孔系統連續測溫（也即溫度測井）和地層試油溫度，后者包括鉆桿試油溫度（DST）和孔底溫度（BHT）等，其中穩態的系統連續測溫和DST一般可認為近似代表地層真實的環境溫度。

本研究中所使用的鉆孔測溫數據主要為電纜測溫數據（MFT），因鉆孔所在地層受鉆井液循環等擾動，所測溫度值往往低于實際地層溫度，需要進行相應溫度校正，才能用于地溫梯度和熱流的計算。根據鉆井完井地質報告，在一段靜井時間內，多次重復測量的鉆井孔底溫度，可用Horner（1951）校正法進行溫度校正，獲得相對可靠的地層溫度。Horner校正法的基本公式如下：

其中，T測為鉆井孔底不同靜井時間的實測溫度，te為測溫時停鉆后時間，即完鉆后靜井時間，tc為鉆井液循環時間，也就是達到完鉆深度的最后一段鉆井作業的時間，P為常數，與地層深度和巖石物性有關，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口鉆井的有效電纜測溫數據，其中包含10口淺水區鉆井和11口深水區鉆井。校正后的測溫數據結合海底溫度及鉆孔深度，即可得到鉆井點的平均地溫梯度。

大地熱流（Q）是指地球內部向地表傳輸并在單位面積上散發的熱量，反映了地球內部各種動力學過程的能量平衡。大地熱流值在數值上等于地溫梯度與地層熱導率（K）的乘積：

其中，Q為大地熱流值（mW/m2）；
K為地層熱導率（W/m·K），與地層物性相關，為地溫梯度G（℃/km）。公式前的負號，代表大地熱流的傳遞方向和地溫梯度方向相反。課題組團隊已完成瓊東南盆地代表性地層巖石熱物性測試，給出了盆地的平均熱導率為2.11±0.55 W/（m·K），平均巖石生熱率為1.98±0.88 μW/m3（蔡黎等, 2019）。本次研究中，我們將前人已有的相關巖石熱物性數據和本次實測數據匯總，建立了瓊東南盆地地層熱物性參數系列柱（表1）。結合該地區巖石熱物性數據和地溫梯度數據，計算獲得了21口鉆井的熱流值。

表1 瓊東南盆地地層平均熱物性Table 1 Average formation thermal properties of the Qiongdongnan Basin

結合上述巖石熱導率數據和校正后的地層溫度，本研究新增計算W1等21口鉆井的地溫梯度及大地熱流值。在此基礎上，匯編該地區前人已發表的相關地熱數據（米立軍等，2009；
施小斌等，2015；
Shi et al., 2003；
徐行等，2006；
李亞敏等，2010），編制了目前瓊東南盆地數據覆蓋最為全面的新一輪地溫梯度分布圖和熱流分布圖。

深部儲層溫度對于油氣保存條件評價具有重要意義，是盆地地溫場研究的重要內容之一。由于溫度測井的成本以及鉆孔分布的不均一性等現實問題，結合實測的巖石熱物性參數和熱傳導方程解析解估算深部溫度，是研究深部儲層溫度一個重要的手段。一維穩態熱傳導方程求取深部溫度的計算公式如下（Chapman, 1986）：

其中，Tz為深度z（km）處的溫度，T0為地表溫度，這里取底水溫度（BWT），也即海底溫度；
Q0為鉆孔的實測海底熱流（mW/m2），K為地層熱導率（W/m·K），A為地層生熱率（μW/m3）。

袁玉松等（2007）提出擬合南海地區水深小于600 m時的平均海底溫度經驗公式：

施小斌等（2015）提出擬合南海地區水深600~2800 m時的平均海底溫度計算公式：

其中，Z為水深（m），由于本文獲取的鉆井數據中水深最大為1714 m，所以這兩個公式即能滿足所有的計算要求。本研究中所用到的海底溫度根據水深不同分別采用以上兩個公式進行計算。

基于上述方法和前面獲取的巖石熱物性及相應的鉆孔熱流為約束，我們分別計算出了盆地內T30（鶯歌海組底界面）、T40（黃流組底界面）、T50（梅山組底界面）、T60 （三亞組底界面）、T70 （陵水組底界面）的平面溫度分布（甘軍等, 2019）。

圖2為瓊東南盆地部分鉆孔的溫度校正示意圖，圖中擬合方程的截距即為校正溫度，校正后的溫度普遍比原始溫度要高出10℃左右（圖3），這一結果與前人的溫度校正范圍基本一致（F?rster et al., 1999；
施小斌等，2015）。校正后的溫度具有較高的可信度，可用于穩態地溫場相關研究。

圖2 瓊東南盆地鉆井校正溫度求解示意圖Fig. 2 Schematic illustration of the bottom temperature correction of the drilling holes in the Qiongdongnan Basin

圖3 鉆孔校正前后溫度對比Fig. 3 Temperature comparison before and after borehole correction

本研究新增計算W1等21口鉆井的地溫梯度及大地熱流值（表2）。其中，10口淺水區鉆井平均地溫梯度為38℃/km，平均熱流為64.7 mW/m2；
11口深水區鉆井平均地溫梯度為45.3℃/km，平均熱流為77 mW/m2。

表2 瓊東南盆地新增大地熱流數據Table 2 The newly acquired heat flow data of the Qiongdongnan Basin

截止目前，瓊東南盆地的地溫梯度和熱流數據共計117個，研究區地溫梯度分布范圍為26.2~59.6℃/km，多數集中于30~50℃/km，占比達90%，平均值為39.4±4.86℃/km。筆者利用反距離權重法（Inverse Distance Weight-IDW）進行插值處理，繪制了瓊東南盆地地溫梯度分布圖（圖4）?？梢钥吹?，淺水區地溫梯度顯著低于深水區地溫梯度值，也即具有“北低南高”的空間分布格局，同時盆地東部的長昌凹陷表現為高值異常區。盆地的地溫梯度分布具有顯著的橫向不均一性。

圖4 瓊東南盆地地溫梯度分布圖Fig. 4 Geothermal gradient distribution of the Qiongdongnan Basin

具體而言，淺水區（76個）地溫梯度數據分布范圍為26.2~41.6℃/km，多數集中在30~40℃/km區間內，平均值為36±2.87℃/km。深水區的41個地溫梯度值分布范圍為37.3~59.6℃/km，多數集中在40~50℃/km范圍內，平均值為45.6±3.54℃/km，比淺水區平均值高出近10℃/km。

長昌凹陷共有10個地溫梯度數據，其值分布范圍為43.9~59.6℃/km，平均值為50.1±3.46℃/km，高出淺水區平均地溫梯度值14℃/km，高出深水區平均地溫梯度值4.5℃/km。

瓊東南盆地的大地熱流值介于50~120 mW/m2之間，其中有95個熱流數據集中在60~90 mW/m2范圍內，數量占比達81%，平均為73.2±8.67 mW/m2，顯示盆地現今熱流整體偏高。此外，筆者按反距離權重法插值繪制了瓊東南盆地大地熱流分布圖（圖5）。結果顯示，研究區大地熱流平面上呈現出明顯的“北低南高、東高西低”的分布特征，也即北部淺水區大地熱流相比于南部的深水區大地熱流明顯偏低，東部的長昌凹陷為區域高值異常區。

圖5 瓊東南盆地現今大地熱流分布圖Fig. 5 Heat flow distribution of the Qiongdongnan Basin

淺水區共有76個熱流數據，最小值為50.6 mW/m2，最大值為78 mW/m2，多數熱流值集中在60~78 mW/m2范 圍 內， 平 均 值 為 67.5±5.48 mW/m2（表3）。深水區共有41個熱流數據，最小值為70.8 mW/m2，最大值為120 mW/m2，大多數熱流集中在70~90 mW/m2范圍內，平均值為 83.8±7.26mW/m2，比淺水區熱流平均值高約16 mW/m2。東部的長昌凹陷共有10個熱流數據，分布范圍為89~112 mW/m2，平均值為94.5±6.4 mW/m2，比淺水區平均值高約27 mW/m2，比深水區平均值高約12 mW/m2。

表3 瓊東南盆地分區地溫梯度與熱流特征值匯總Table 3 The geothermal gradient and heat flow of the Qiongdongnan Basin

我們也據此估算了盆地T30-T70層系的溫度狀態，這里以T30界面為例說明盆地深部地層溫度的分布特征（圖6）。T30層系高溫區域出現在盆地西部的崖南地區，預測溫度為46~174℃，平均溫度為122℃；
低溫出現在松南地區，其溫度為37~91℃，平均為69℃；
其他區域平均溫度為83℃，整體表現出“西高東低”的特征。需要說明的是，雖然盆地東部的地溫梯度和熱流都明顯高于西部，但T30界面的溫度卻表現為西高東低的特征。這是因為盆地西部地區的T30平均埋深為2798 m，而東部平均埋深僅為1410 m，東、西部T30地層的差異埋深是其主控因素，超過了區域基底差異熱流的影響（甘軍等，2019）。

圖6 瓊東南盆地T30界面溫度估算分布圖（甘軍等，2019）Fig. 6 estimated deep temperatures for T30 formation within the Qiongdongnan Basin

4.1 瓊東南盆地熱狀態特征

本研究獲得了瓊東南盆地一批新的熱流數據。相較于前人的結果，如Yuan等（2009）指出瓊東南盆地平均熱流值為72.9±14.2 mW/m2，米立軍等（2009）指出南海北部（包含珠江口盆地和瓊東南盆地）淺水區平均熱流值為66±9.8 mW/m2，深水區平均熱流值為77.5±14.8 mW/m2，唐曉音等（2014）指出瓊東南盆地平均熱流值為71.1±13 mW/m2，上述結果與本次研究所得瓊東南盆地最新平均熱流值（73.2±8.67 mW/m2）十分接近。

據本文最新統計，瓊東南盆地大地熱流值平均為73.2±8.67 mW/m2，高于中國大陸地區（61±15.5 mW/m2）（汪集暘等，2015）。與中國近海其他地區相比，也普遍高出5~10 mW/m2左右，是一個典型“熱盆”（表4）。比如，南黃海南部坳陷的熱流值介于65~74 mW/m2之間，平均值為69 mW/m2（楊樹春等，2003），東海陸架地區熱流變化范圍為55~88 mW/m2，平均值為71 mW/m2（Yang et al.,2004；
許薇玲和樂俊英, 1995），臺灣東北部熱流值變化范圍為3~170 mW/m2，平均熱流值為64 mW/m2（Shyu et al., 2006, 1998）。

表4 瓊東南盆地與其他典型盆地熱狀態對比Table 4 Comparison of geothermal regime between the Qiongdongnan Basin and Other Typical Basins

另外，瓊東南盆地的現今地溫梯度平均為39.4±4.86℃/km，與東部的松遼盆地（38℃/km）等“熱盆”相當（王鈞等，1990；
Jiang et al., 2019），高于東海盆地（33℃/km；
Yang et al., 2004）以及南黃海南部（29℃/km；
楊樹春等，2003），遠高于中國中西部地區克拉通盆地，如塔里木盆地（22℃/km；
劉紹文等，2017）、四川盆地（23℃/km；
袁玉松等，2006）等。因此，就地溫梯度而言，該盆地也表現出高溫特征。

4.2 影響瓊東南盆熱狀態的主要因素

瓊東南盆地的大地熱流從淺水區到深水區逐漸增高，體現了典型被動陸緣熱狀態特征。地球物理探測表明，南海北部巖石圈新生代伸展拉張使得巖石圈厚度和地殼厚度從大陸架到大陸坡及大洋盆地不斷減薄，大陸架和上陸坡地殼厚度為26~28 km，洋盆處的洋殼厚度僅為5~7 km（姚伯初等，1994）。相應地，莫霍面深度也從淺水到深水逐漸減小，深部地幔熱物質上涌，帶來大量的深部熱量，從而導致南部深水區基底熱流值高于北部淺水區。顯然地，盆地所處的構造背景決定其熱狀態的高低。對于新生代裂谷或張裂盆地，其熱流值偏高（＞70 mW/m2）；
而對于古老的克拉通盆地而言，其熱流較低（＜50 mW/m2；
汪集暘等，2015）。

此外，造成盆地淺水區熱流值偏低的另一重要原因可能是沉積物的熱披覆效應。沉積物熱披覆作用是指較冷的低熱導率沉積物持續以較快速率堆積在高熱導率地層或基底上，后期沉積的低熱導率沉積物來不及充分受熱升溫，導致其地溫梯度和熱流值降低，且沉積速率越大，沉積物熱披覆效應越強，基底熱流降低得越明顯（汪集暘等，2015；
施小斌等，2017；
Zhang, 1993; Hutchison, 1974; Wang et al., 2007）。圖7為瓊東南盆地T30界面深度圖，可以明顯看到盆地西部崖南凹陷區的上覆沉積物厚度遠高于東南部深水區。這也使得盆地西部的熱流要低于東部地區。

圖7 瓊東南盆地T30界面深度圖Fig. 7 Burial depth of the T30 interface in the Qiongdongnan Basin

最后，局部的巖漿活動也能顯著影響盆地熱流場分布。吳世敏等（2001）統計分析發現：南海北部陸緣巖漿活動集中在57~40 Ma、27~17 Ma及8 Ma 以后3個階段，新生代期間發生在瓊東南盆地的活躍的巖漿活動主要分布于盆地東南部，其中，中央坳陷區的寶島凹陷和長昌凹陷巖漿活動較為強烈（汪集暘等，2015；
Yuan et al., 2009; 施小斌等，2015；
徐行等，2011；
唐曉音等，2013），施小斌等（2015）發現瓊東南東部鉆孔BD23-1-1的鉆孔資料揭示有凝灰巖存在，且在地震剖面上識別出了眾多中、晚中新世以來的巖體侵入體，并提出該時期的巖漿活動，對中央坳陷區現今熱狀態格局能夠帶來10~25 mW/m2的增加。唐曉音等（2013）也指出中央坳陷區的長昌凹陷內部分布著多個錐狀火成巖侵入體。這些巖體主要是中—晚中新世以來巖漿活動的結果。此外，徐行等（2006）強調該區斷裂構造十分發育，且部分斷裂現今仍在活動，深部的水熱流體經斷裂構造形成的通道向上輸送，從而影響局部熱流分布。

本文結合瓊東南盆地電纜測溫數據的校正和地層熱物性數據實測，獲得了盆地區21口鉆井的大地熱流值，并繪制了盆地最新地溫梯度和大地熱流分布圖，據此討論了盆地的熱狀態屬性及其主控因素。研究得到以下結論。

（1）瓊東南盆地具有較高的熱狀態，表現為一個典型的“熱盆”。熱流主要集中在60~90 mW/m2范圍內，平均熱流值為73.2±8.67 mW/m2，地溫梯度多數集中于30~50℃/km，平均地溫梯度值為39.4±4.86℃ /km。

（2）瓊東南盆地地熱場在平面分布上呈現出“北低南高、東高西低”的分布特征，這與巖石圈差異拉張減薄及沉積物的熱披覆效應有關，盆地東部的長昌凹陷內局部熱流高值異常推測與后期巖漿侵入和斷裂構造等有關。

致謝：研究過程中在基礎資料方面收集得到了中海石油湛江分公司勘探研究院的大力協助，相關物性測試在核工業北京地質測試分析中心、中國石化華東油氣分公司實驗研究中心和西安交通大學地熱實驗室完成。