第卷第期(();)
313地学前缘中国地质大学北京北京大学Vol.31No.3
年月
20245(();)
EarthScienceFrontiersChinaUniversitofGeosciencesBeiinPekinUniversitMa2024
yjggyy
:/
DOI10.13745.esf.sf.2023.6.15
福建沿海地区地热异常热源成因的地球物理分析
,,
张健何雨蓓范艳霞
中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049
,,
ZHANGJianHEYubeiFANYanxia
,,,
ColleeoEarthandPlanetarSciencesUniversitoChineseAcademoSciencesBeiin100049China
gfyyfyfjg
,,
ZHANGJianHEYubeiFANYanxia.GeohsicalanalsisofheatsourcecomositionintheFuiancoastaleothermala-
pyypjg
,,():
nomalarea.EarthScienceFrontiers2024313392-401
AbstractTheFuianeothermalanomalareareresentsasinificanteothermalanomalreionlocatedin
jgypggyg
thesoutheasterncoastalzoneofChina.Theformationmechanismandcomositionofheatsourcesinthis
areahavelonbeenafocalointoftheoreticalandaliedeothermalresearch.Butilizinthermal
gpppgyg
,,,
seismicmaneticandravitdatathisstudexaminestheheatsourcecomositionandenesisofthe
ggyypg
eothermalanomalintheFuianreion.Theanalsisrevealstheresenceofashearwavelow-velocit
gyjgypy
”,
corridorintheuercrustoftheFuiancoastalareawhichisassociatedwithareionallistricthrustfault
ppjg
comrisintheZhenheDabufaultzoneandtheBinhaifaultzone.Theeasternendofthelistricthrust
pgg
faultconnectstothehih-temeraturezoneinthePacificwhilethewesternendlinkstotheeothermal
gpg
anomalareaalontheFuiancoast.ThetemeratureradientfromtheCuriedethtotheMohosuestsa
ygjpgpgg
lackofconditionsforabnormalheatsourceformationfrommodernintrusiverockmasses.Notablthe
radioactiveheatenerationfromranitelasacrucialroleinthethermalanomalobservedinthisreion,
ggpyyg
withthedethoftheradioactiveelementheatsourcebeinlessthan5km.Groundwateractsasaconduit
pg
forabsorbinradioactiveheatfromthesurroundinrockalonthermalconductivitstructuresleadinto
gggyg
theaccumulationofheatandtheformationofhih-temeraturecenters.Itisroosedthattheeothermal
gpppg
anomalareaintheFuiancoastalreionisinfluencedbbothdee-seatedandshallowheatsources.The
yjgyp
deeheatsourceoriinatesfromthehih-temeraturemamainthePacificOceantransmittedtothe
pggpg
surfacealonthelistricthrustfault.Incontrasttheshallowheatsourcearisesfromtheradioactiveelements
,,
resentinranitewithroundwaterfacilitatinitstransorttotheeothermalfieldcenter.Insummar
pgggpgy
theheatintheFuiancoastaleothermalanomalareaisaresultofthecombinedeffectsofdee-seated
jgyp
hih-temeraturemamaandshallowradioactiveheatsources.Theuwardtransferofheatfromthedee
gpgpp
,,
sourcealonthethrustfaultcouledwiththecollectionofshallowheatbroundwatercontributestothe
gpyg
thermaldnamicsofthereion.
yg
:;;;
KewordsFuiancoastalareaheatsourcecomositionofeothermalanomaleohsicalanalsislistric
yjpgygpyy
thrustfaultradioactiveheatenerationrate
:,、
摘要福建沿海地区是我国东南丘陵沿海地带重要的地热异常区其成因机制热源构成一直是我国地热学
。、、、。:
界关注的重要课题本文利用热震磁重资料分析了该区地热异常的成因及热量来源结果表明福建沿海
“”—,
地区剪切波低速走廊与政和大埔断裂带和滨海断裂带在深部形成的铲形逆冲断层相关其东端向下至环太
,、。,,
平洋地热带高温热源区西端向上至漳州福州地表地热异常区居里面至莫霍面之间地温增温平缓不具备
。,
形成现代侵入岩体异常热源的条件花岗岩放射性生热是地表热异常的重要组成部分放射性元素热源深度小
,“”,。:
于5km地下水沿导热构造汲取围岩放射性生热量向热田中心汇集形成高温区我们认为福建沿海地热
:;:
收稿日期20221026修回日期20230624
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基金项目国家重点研发计划变革性关键科学问题重点专项2021YFA0716002国家自然科学基金项目中国科学院战略性
先导科技专项()
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:(—),,,,。:
作者简介张健男教授博士生导师主要从事地热地质学方向研究工作
1963E-mailzhanian@
gj
://地学前缘,,()
htts2024313
,,/地学前缘(),()
张健何雨蓓范艳霞393
EarthScienceFrontiers2024313
、,,
异常区的热能由深浅两种来源组成深部热能来源于环太平洋高温岩浆浅部热能来源于花岗岩放射性元素生
。,。
热深部热源的热量顺铲形逆冲断层向上传输到地表浅部热源的热量由地下水汇集到地热田中心
:;;;;
关键词福建沿海地区地热异常成因地球物理分析铲形逆冲断层放射性生热率
中图分类号:;文献标志码:文章编号:()
P314P631.4A10052321202403039210
,、
分布在高热流区中低温泉主要发育在热流平稳
,。
0引言区温泉与热流分布具有较强的相关性与福建
沿海高热流区隔海峡相对的是台湾高热流区它属
中国大陆东部有三个蕴藏丰富地热资源的地热于环太平洋地热带的一部分其高热流异常主要分
—(),—
,布在车笼埔大尖山断裂带以东在黎山恒
异常区由南向北分别是东南丘陵沿海地热异常F3
1()—()
、、。春断裂带和美仑纵谷断裂带之间沿台
区华北华东地热异常区东北地热异常区福F4F5
()。
,湾岛长轴方向呈串珠状分布图
建沿海地区位于东南丘陵沿海地热异常区内是1
2-45—()()
中国华南陆缘高热流区和重要的地热活动区,政和大埔断裂带F1和滨海断裂带F2之
研究福建沿海地区地热异常成因对地热资源勘查评间大规模的构造变形以及大范围的侏罗白垩纪酸
、。性花岗岩体出露是福建沿海地热异常区最重要的地
价开发利用具有重要的指导意义
。—()
—质特征政和大埔断裂带F1和滨海断裂带
福建沿海地区的地热异常主要分布在政和大
()7-8,
()()(),F2属闽台之间大型铲形逆冲活动断裂系受
埔断裂带F1和滨海断裂带F2之间图1可分
海陆相互作用影响在深部形成一系列向海缓倾
为漳州高热流区和福州高热流区漳州高热流区呈
,/。斜的铲形滑脱面铲形断裂活动导致福建沿海地区
NNW向长轴的椭圆形热流值在80~200mWm
,,
:强烈变形在深部形成有利的热传输通道在近地表
福州高热流区由两个热流高值中心组成西南部热流
形成NE向与NW向交叉的活动断层网络地层
高值中心呈NNW向长轴的椭圆形热流值在80~
2()
/;浅部NW向走向在310°~340°张性或张扭性断
140mWm东北部热流高值中心呈NE向长轴的椭
2()
,/。裂与NE向走向在35°~55°压性或压扭性断裂的
圆形热流值在80~220mWm漳州地热区和福
州地热区的地温梯度分别在/和交汇部位是破碎带或软弱层其构成了地下热水的
30~65℃km30~
,。
4良好通道和储集区地热异常显著除了控制该区
/,/。
50℃km个别异常点地温梯度可高达158℃km
,—()
构造变形政和大埔断裂带F1和滨海断裂带
、、,
福建沿海地区发育许多低中高温泉高温泉主要
()。
F2也控制该区多期次岩浆侵入和火山喷发福
建沿海地区发育大面积的中生代酸性花岗岩体以
—,,—
侏罗白垩纪的侵入岩和火山活动为主其中早
中侏罗世火山侵入岩带主要位于两侧晚侏罗
F1
—。
世晚白垩世火山侵入岩带主要位于F2两侧
该区花岗岩具有较高的生热率放射性元素生热
10
产生的热流在地表热流中的比例可达40%以上。
,、
漳州市周边花岗岩体大面积裸露漳州岩体马坪岩
、,
体程溪岩体和灵通山岩体都是放射性高值区生热
/,
率平均值在2.85~4.53Wm对地表热流的贡献
11
率在34.67%~47.68%。花岗岩放射性元素产生
的热流是该区地表热流异常的重要组成部分。
由于发育大面积中生代酸性花岗岩体人们推
测该区具有良好的干热岩赋存背景干热岩资源勘
12
。,、
查成为主攻方向但是区域性铲形逆冲断层
放射性花岗岩是该地热异常区重要的热源主导因
图闽台大地热流与构造特征图
,,、
Fi.1Terrestrialheatflowandtectoniccharacteristics素因此本文围绕区域性铲形逆冲断裂浅部近地
intheFuianandTaiwanProvinces
、,
j表导热构造放射性花岗岩体等地热异常制约因素
://地学前缘,,()
htts2024313
,,/地学前缘(),()
394张健何雨蓓范艳霞
EarthScienceFrontiers2024313
、、、,。
利用地热地震重磁等数据计算反演开展福建沿的表面波信号互相关在高信噪比下非常稳定为消
海地热异常热源成因分析为福建沿海地区地热资除具有相似路径但测量值与平均值相差很大的色散
。,
源勘查评价及开发利用提供参考依据数据基于经验格林函数提取表面波色散数据曲线进
,,
行聚类分析共获得4000多条色散曲线对地壳和
17
1铲形逆冲断层与地热异常上地幔的剪切波速结构进行反演。
福建和台湾100多个地震台站环境噪声数据反
—()()17,
政和大埔断裂带和滨海断裂带是演得到的剪切波速度结构表明与之
F1F2vF1F2
福建沿海地热异常成因的区域性制约因素福建沿间的福州和漳州盆地在深度小于10km的地壳浅
()(),
海地区在约175±5Ma中侏罗世进入太平洋板层呈现与较厚沉积和高热流相关的低速区并且
,、
块由南往北斜向俯冲为主的构造体系在约沿东南倾斜方向出现与构造活动导致的成
120MaF1F2
()“”()。
后晚侏罗世早期随太平洋板块俯冲旋转进入向西分变化相关的低速走廊low-velocitcorridor
,()(,,
正向俯冲为主的构造体系在约85±5Ma白垩20km深度处v速度出现反转福州和漳州盆地
),、
纪中期随华南大陆东部演化为被动陆缘而处于板呈现相对高速特征F1下方的中地壳出现低速带
13-1517
。,。
内伸展构造环境新生代之前作为区域性主下方的上地壳出现高速带依据速度模
F2v
—(),、
干断裂的政和大埔断裂带F1和滨海断裂带型提供的数据集我们绘制了横穿研究区的ⅠⅠ
()。,()。
都是具有右旋走滑性质的大型韧性剪切带剖面如图所示剖面位置如图
F2ⅡⅡ21
,、,
始新世以来裂谷作用导致台湾海峡岩石圈伸展大由图可以看到福建沿海地区的地壳浅层为高
16,(),
陆裂解显著地改变了海峡两侧的地层结构和断速绿色区域台湾海峡和台湾岛的地壳浅层为低速
,()。、“”
层性质控制台湾海峡西北侧构造演化的和主导红色区域沿东南倾斜方向的低速走廊
F2F1F2
福建沿海地区构造演化的都随台湾海峡的张裂()17由福建沿海地表浅层向东
F1low-velocitcorridor
挤压收缩而从右旋走滑断层转变为铲形逆冲断南方向延伸至台湾岛下方的中地壳控制福建沿海与
。,,。、
层近年来海峡两岸数字地震台的数量逐年增加台湾海峡整体构造稳定性F1F2下方的速度结构
17
。,
极大提高了层析成像的分辨率Zhang等利用福特征表明铲形逆冲断层由台湾岛之下过台湾海峡向
、。
建省地震局地震台网的个永久台站台湾地震宽上延伸至福建沿海地区出露于地表在该区深部构
88
—,,、
带阵列个台站的年连续地震记录造热演化过程中铲形断层发挥着重要的热
2520142015F1F2
以5Hz的采样率对两个垂直分量噪声数据每个时域传输通道作用源自太平洋地热带的高温地热能量通
。,,
获得互相关函数互相关前采用传统信号处理方法过铲形断层源源不断地向福建沿海地区浅部传送在
。、。、
对每小时长的段波频谱白化取倍数周期绝对平漳州福州盆地形成高热异常区剖
2ⅠⅠⅡⅡ
。,(,),、
均归一化抑制噪声通过年的叠加来自环境噪声面图上铲形断层西端对应漳州福州高热流
22ab
—剖面;—剖面。、剖面位置如图所示。
aⅠⅠbⅡⅡⅠⅠⅡⅡ1
()、()()
图热流地温梯度与剪切波速度剖面
2QGTvS
(),()()
Fi.2ProfileofheatflowQeothermalradientGTandshearwavevelocitv
gggyS
://地学前缘,,()
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,,/地学前缘(),()
张健何雨蓓范艳霞395
EarthScienceFrontiers2024313
、,,
异常高地温梯度异常区域铲形断层东端对应台湾图中铲形断层作为福建沿海地热异常区的
、、。,,
岛中东部高热流异常高地温梯度异常区域深部热量传输通道其东端向下延伸至台湾岛之下
。;
福建沿海地区濒临西太平洋活动大陆边缘中与环太平洋地热带高温热源区相连西端向上延伸至
,,,、。
侏罗世太平洋板块由南往北斜向俯冲福建沿海地福建沿海地表向漳州福州地热异常区输送热量
;,、
区由浅海抬升为陆地晚侏罗世早期太平洋板块俯台湾岛中东部是西太平洋古近纪岛弧火山地热带的
、,,
冲旋转向西正向俯冲福建沿海地区出现大规模火高温地热区也是环太平洋高温地热带的重要组成部
;,。,、、
山侵入和局部火山喷发活动白垩纪中期以后古太分其中大屯基隆龟山岛火山群与东北侧的琉球
,,、
平洋俯冲活动逐渐减弱福建沿海地区岩浆活动逐岛弧相连绿岛兰屿火山群与南部的吕宋火山岛弧
,;,。(
渐停止进入被动陆缘板内伸展环境新生代以来相连环太平洋高温地热带深部熔融的岩浆热源图
,)、
台湾以东洋壳开始形成新的俯冲活动菲律宾板块右侧红色区域不仅为台湾中东部地热活动提供
以倾角沿琉球海沟向西北下插到琉球岛弧之,(
45°热量也顺铲形逆冲断层斜向上传递高温热量图3
,18,),、
下在台东纵谷形成几乎直立的板块边界福建红色箭头所指方向成为福建沿海漳州福州地热异
。(“”)。
沿海地区受到来自东南方向的强烈推挤作用台湾常区的深部热源图红色闪电所指区域
东部海岸山脉是菲律宾海板块西北向俯冲同时向西
推挤作用的产物福建沿海地区在中生代岩浆活动2地热成因分析
,,
与构造变形后一直处于被动陆缘板内伸展环境中
新生代之后来自华南被动陆缘的板内伸展作用与来2.1深部热状态
自菲律宾海板块的挤压作用在台湾岛与台湾海峡之通过磁异常反演居里面深度再借助大地热流
,、,。
下交汇形成西北向斜向上仰冲的铲形逆冲断裂系约束居里面温度可获得不同构造区地壳热状态
819820
。,
统地震统计表明从台湾岛经台湾海峡到我们通过航磁异常功率谱计算得到了研究区居
,,,,
福建沿海地区地震活动由强变弱地震数量由多变里面深度并利用热流约束得到了该区居里面温度
,。
少并且所有震源都分布在倾角向东缓倾斜结果如图所示
4°~10°4
,、、,
面上这个倾斜面的形态倾斜方向倾斜角度等图中福建沿海地区的居里点深度在
4aD15.4~
“”(,。,
与图中地震剪切波的低速走廊平均深度为总体上居里面深度
2vlow-veloci-16.4km15.9km
17
,,。
),向海一侧变浅但变化幅度在以内比较平缓
tcorridor一致勾勒出闽台铲形逆冲断裂构造1km
21
系统的大致轮廓。图是研究区莫霍面深度图莫霍面深度在
4bHM
,,
依据图的剪切波速度结构和图的地热24.9~31.9km平均深度为28.7km最深处位于东
2v1
,。
,北侧最浅处位于西南侧居里点深度是研究地
异常分布特征我们给出了福建沿海地热异常区深DC
,。,
部热量传输模式如图所示壳热结构的重要温度控制点图给出了福建
34c
图铲形逆冲断层与深部热量传输
Fi.3Thelistric-thrustfaultanddeeheattransfermode
gp
://地学前缘,,()
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,,/地学前缘(),()
396张健何雨蓓范艳霞
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。、(),
沿海地区热流约束的居里温度分布特征居里点深剖面地层温度剖面位置如图所示其
ABCD4b
,,、,、。
度受地壳温度控制是地壳温度接近铁磁性矿物消中AB剖面靠近漳州龙岩CD剖面靠近福州南平
。,,
磁温度点实验室中各类铁磁矿物的消磁温度大图是以漳州地热异常区为目标的温度剖面
5a
:,,。
致为磁黄铁矿300~350℃磁铁矿575~585℃镍图是以福州地热异常区为目标的温度剖面可以
5b
21
。,,、,,
铁矿数值上居里温度与岩石看出漳州福州之下都是高温中心而且高温中心
760~800℃TC
热导率的乘积等于磁性层厚度与大地热流,
KDC仅仅向下延伸到居里面为止居里面之下温度变化趋
24,··。,,(、)
的乘积即依据此式利用于平缓向海一侧图的端图的端温度
QTK=DQ5aB5bD
CC
。“”,
大地热流值可以约束居里温度由于福建沿海地区等值线缓慢抬升与铲形逆冲断层向上的热传输活
,,。,、、
地下水活动强烈地下热水沿断裂上升对流形成一动相关显然ABCD剖面居里面上下温度结构特
,,,,,
系列温泉致使局部地区地温扰动因此实测热流偏征完全是不同热源作用的结果或者说福建沿海地
。,、,
差较大总体上图中热流偏差最小区域与区地表地热异常是深浅不同层次热源作用的结果
4cT=
,(、
475℃曲线最为接近所以本文以475℃作为福建深部主要受来自东南方向图的端图的
5aB5bD
120
沿海地区居里点平均温度。),
端的深层加热作用影响其热源是顺铲形逆冲断层
、,。
由居里面深度居里点温度处向上在钻上升的来自太平洋地热带的深部高温岩浆热量浅
DCTC
、,(
井地温地表浅层传导地温约束下通过积分插值线、
部则为居里面之上的花岗岩放射性生热断层控制的
);,
性拟合可得到居里面以上的各地层地温向下在。,
水热循环等热源加热的结果图可以看出来自地
,()
的条件下通过积分插值指数拟合可得到,,
H≥D幔的热不明显莫霍面平均温度并不高研究区内莫
MC
与之间的各地层地温图是计算得到的,,
DH5霍面温度在600~730℃平均温度为650℃地幔对
CM
—居里面深度等值线图;—莫霍面深度等值线图;—居里温度分析图。
abc
图福建沿海地区居里面深度莫霍面深度与居里温度分析图
Fi.4DethmaoftheCurieandMohosurfacesandanalsisoftheCurietemerature
gppyp
://地学前缘,,()
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张健何雨蓓范艳霞397
EarthScienceFrontiers2024313
下地壳加热产生的升温十分平缓因此地幔热不是形2.2浅部热状态
成该区地表地热异常的主因。最新的福建台湾地震环境噪声反演结果给出了
,范围
115.75°~122.25°E21.25°~28.75°N0~120km
17
深度的剪切波速度结构。短周期的表面波对
,,
浅层结构更敏感因此利用周期相关射线追踪的表
面波层析成像方法可以获得浅层()较详细
10km
的横波速度特征图给出了福建沿海地热异常区
