地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展,诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义.在重力分异过程中,随着地球质量不断向地心集中,地球自转动能也不断向地核集中,从而产生圈层分化和差异旋转.地核相对地壳、地幔高速旋转,具有巨大动能,旋转阻力不断将其转化为热能,在核幔边界聚积起来,为液核对流和热幔柱提供足够的能量.核幔边界是产生热幔柱的位置.阐明了地幔柱构造与板块构造的关系.地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制,对了解地球深部动力学机制有重大意义.     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展，诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义。在重力分异过程中，随着地球质量不断向地心集中，地球自转动能也不断向地核集中，从而产生圈层分化和差异旋转。地核相对地壳、地幔高速旋转，具有巨大动能，旋转阻力不断将其转化为热能，在核幔边界聚积起来，为液核对流和热幔柱提供足够的能量。核幔边界是产生热幔柱的位置。阐明了地幔柱构造与板块构造的关系。地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制，对了解地球深部动力学机制有重大意义。     

运用开合旋构造观探究地球内部是如何运行的

地球上一切物质都是做开合运动的。以热力(热能)驱动物质上浮运动定义为开;以重力(势能)驱动物质下沉的运动定义为合。开合运动具有垂直开合与水平开合的同步统一性和开合相互依存、相互对立、相互转化两个重要特性。因而在旋转运动的统领和调剂下,将所有地球物质、构造、能量等从无序状态转化到有序状态,最后建成了动态稳定平衡的开合旋构造体系。所以,动态稳定平衡体系的形成、破坏、修复不断旋回式演化就是研究地球内部运行的基础和有效方法。为此,我们在垂向上划分了8个开合构造旋回和地壳(球面)开合构造体系,组成了地球四维运行系统。动态稳定平衡体系的建立是遵循重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何优选方位(垂直地心)生长和横向物质均匀化4条自然规律的长期作用而实现的,其中重力均衡是主导的。大约40亿年时,地幔岩石圈形成,它像一个球形锅盖盖住热地球,初步建成了稳定的开合旋构造体系,使地球长期进入动态稳定平衡发展阶段。尔后,每次重大地质事件(失衡运动)就是把岩石圈地幔捅个窟窿或撕开一条裂缝,破坏该地区的开合平衡。旋转运动和开合运动迅速将其恢复达到新的平衡,从而构成一个开合旋回,目前地球已经历了8个大旋回。板块构造仅研究最新4个旋回的岩石圈地幔是如何被捅破及被修复的规律并总结相关的理论,因而它在时间上和空间上都有局限性,不属于全球构造。地球类比为一个生命体,其运行系统中的内部结构和功能比较齐全:包含有开合运动、旋转运动和失衡运动组成的运动系统;起“血液”作用的地质流体、贮存和制造“血液”的“心脏”——地核和联系各种“血液”的地幔柱组成的“血液”系统;以重力均衡为准则,由四个重力均衡面、四个开合转换带和球面两条质量均衡线构成的地球平衡系统。由于开与合的转换具有自发形成和自我调剂的功能,所以开与合相互依存、相互对立、相互转化,是地球内部运行体系基本的动力机制和主要的动因。开合转换的本质是热能和势能的转换,驱动失衡运动的主要内因是高温、高压流体超临界爆裂;主要外因是陨击作用。     

地幔柱理论研究概述

本文介绍了地幔柱理论研究的一系列进展，诸如地幔柱特征，动力学主模式及其一系列地质铲应；阐明了地幔柱构造与板块构造的关系，地幔柱理论涉及的是地幔深部物质垂直运动的机制，其研究对于进一步了解地球深部动力学机制有重大意义。     

苏北盆地干热岩地热资源前景分析

苏北盆地属于中、新生代“断陷型”盆地,发育前震旦系变质基底及古生代海相台地沉积,经历燕山期大规模岩浆-火山-构造活动,之后连续断陷沉降并沉积了厚度巨大的新生代地层;新生代苏北盆地处于持续活跃的洋陆构造带内,其特殊的构造位置使区内拥有相对高的大地热流值和较大的地温梯度,具有巨大的地热资源潜力。基于区域地热地质综合研究,本文针对苏北盆地地质构造特征、地温数据、地球物理信息等系统分析,初步证实了盆地内不仅存在浅部中低温地热资源,而且推断出盆地深部拥有温度较高的干热岩资源,其热源主要来源于深部的地幔,是本地区新生代区域伸展裂陷、地幔上涌、岩石圈减薄等作用的结果。根据干热岩选区的科学准则,盆地内优势前景区拥有丰富的动态热源、导热效果极佳的热通道、规模巨大的优势热储、良好保温作用的热盖层,并依据此初步建立成因模型,为进一步勘探与开发提供参考依据。     

干热岩控热构造系统厘定与类型划分

为了研究干热岩成因机理,综合分析了干热岩形成背景、控热构造系统及尺度.地球中的干热岩具有特殊的形成构造背景,控热构造对干热岩热能的传输与聚敛具有很重要的作用,导致岩石圈不同热结构和热异常.控热构造可划分为生热、导热、储热和释热构造.生热构造包括地幔软流圈底辟,具有大量高放射性元素的岩浆房,活动性的深大断裂等;中、下地壳脆韧性转换带,活动的韧性剪切带是导热构造;中、下地壳的低阻高导体,韧性剪切流变层既是导热层,也是储热构造;火山、地震、浅表层次的活动断裂等为释热构造;控热构造的类型受到构造尺度和构造背景的限定.由于地壳中控热构造分布状态及发育特征差异较大,从而导致干热岩等地热能资源在地壳中的埋深、规模、热量以及分布状态等也有较大差异.      

广东省惠州市博罗—大亚湾NW-SE向断陷系统地热资源分析

博罗—大亚湾断陷区位于广东省惠州市西南部,处在我国东南沿海构造活动带,自新生代以来,受太平洋板块和欧亚大陆板块俯冲作用的影响,洋陆系统相互作用导致构造活动活跃,岩浆侵入、火山喷发频繁,地震活动强烈,地表热流值较全国而言比较高,沿着北西走向的博罗—大亚湾线性断陷系统内发育厚层的陆相碎屑沉积,众多的高温热泉出露在裂陷边界,显示出良好的地热资源潜力。通过研究分析深部重磁电震等地球物理资料,发现区域内不仅拥有丰富的浅层次水热型地热热源,深部层位可能存在优质的干热岩储层,初步推断其热源来自新生代南海地幔底辟作用,其导致壳幔物质非均匀流动,在陆壳地区底部发生熔融,向浅部不断传导形成线性热隆伸展构造,控制着整个断陷内的地热系统。     

壳-幔动力学与活化构造(地洼)理论

壳-幔动力学是地球内部物理学和大地构造演化的重要研究方向之一。本文从地球物理角度出发,以物理概念和数学描述相结合的定量方式,对陈国达院士生前所创建的活化构造(地洼)理论研究中的某些地球深部动力学问题进行了较系统的综合评述和探讨。主要论题包括岩石圈的性质与物理学、地幔流变学、重力与均衡理论、地球的温度和热传递,诸如热传导、物质的物理运动所引起的热传输、地球内部的热对流及地幔柱的形成和作用等。作者特别强调了构造演化的定量分析问题,如热时间常数、热应力与其它力源、水平运动与垂直运动的关系,以及地壳断裂作用。岩石圈的构造作用与演化是与深部热运动有关的水平 (压缩和扩张)应力和由地壳厚度差异所导致的垂直应力差的共同结果。热应力的构造意义主要表现为短时间尺度的脆性断裂或柔性应变松弛过程。局部对流机制对活化构造(地洼)研究值得重视。     

长江中下游成矿带铁-铜成矿系统结构的地球物理探测: 综合分析

成矿系统是在深部过程驱动下形成的、具有自组织的能量及物质迁移-汇聚系统。系统在形成和演化过程中,在岩石圈不同尺度上留下“痕迹”,这种“痕迹”可以通过地球物理、地球化学和遥感等方法进行探测或观测。文章尝试在成矿系统理论框架下,对近10多年来在长江中下游成矿带进行的多尺度地球物理、地球化学探测结果进行分析,识别典型陆内成矿系统“源区”“通道”“场所”的地球物理、地球化学“痕迹”,尝试构建陆内成矿系统的空间结构模型。主要结论有:(1)长江中下游晚中生代的大规模铁、铜多金属成矿作用是一个完整的成矿系统。该系统包括3个子系统,分别为与高钾钙碱性岩浆岩有关的夕卡岩-斑岩成矿子系统、与橄榄安粗岩有关的陆相火山岩铁(硫)成矿子系统和与碱性岩有关的铜-金(铀)成矿子系统。(2)成矿系统的“源区”来自富集地幔的熔融、底侵,并在壳/幔边界与下地壳物质的混合,具有多级分布特点。幔源岩浆与地壳物质混合的比例决定了成矿金属的类型。(3)成矿带发育的“鳄鱼嘴”构造是铁铜成矿系统的主干“通道”。成矿系统“末端”矿质沉淀的“场所”主要受近地表褶皱、断裂、层间滑脱断层,以及由它们形成的断裂(裂隙)网络控制。(4)区域磁异常、放射性和地球化学异常是成矿系统残留“痕迹”的响应和“标识”。通过分析不同尺度的“标识”特征,可以深入认识成矿系统的空间结构,并可用于深部成矿预测。     

深部水文地质研究的机遇与挑战

经济社会快速发展需要更多的能源与资源保障,地球深部资源与能源极其丰富。“向地球深部进军”是经济社会发展需要与资源勘查开发技术、经济效益成本承受能力相匹配的必然发展趋势。随着“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,绿色低碳高质量发展成为时代发展的主旋律。为满足能源、资源保障和生态环境保护等重大需求,加大清洁能源勘探开发力度、提高碳封存能力、强化地质储能研究等显得尤为重要。深部水文地质作用与此息息相关,亟待重视和加强研究。本文采用文献分析法,通过学科发展历程与热点焦点问题的综合对比研究,对深部地下水分布与循环理论研究、深部地下水地质作用下地热与锂资源成藏、深部地热-干热岩与页岩气等清洁能源开发、深部咸水层CO₂地质封存、地质储能等方面涉及的深部水文地质研究现状和未来趋势进行了分析总结,认为深部水文地质在高温高压条件下地下水循环动力机制、物质能量转换过程、水岩相互作用、成热成藏机理和勘查监测技术精准度等方面尚需深入系统的研究,而储层非均质性刻画、热源机制、深部资源能源可持续开发技术、人工干预下深部资源环境演变特征、水力压裂诱发地震以及断层对流体触发的敏感性和触发过程演变等是未来应给予重点关注的关键性问题。     

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。     

The geothermal formation mechanism in the Gonghe Basin: Discussion and analysis from the geological background

The Gonghe Basin, a Cenozoic down-warped basin, is located in the northeastern part of the Qinghai-Xizang (Tibetan) Plateau, and spread over important nodes of the transfer of multiple blocks in the central orogenic belt in the NWW direction. It is also called “Qin Kun Fork” and “Gonghe Gap”. The basin has a high heat flow value and obvious thermal anomaly. The geothermal resources are mainly hot dry rock and underground hot water. In recent years, the mechanism of geothermal formation within the basin has been controversial. On the basis of understanding the knowledge of predecessors, this paper proposes the geothermal formation mechanism of the “heat source–heat transfer–heat reservoir and caprock–thermal system” of the Gonghe Basin from the perspective of a geological background through data integration-integrated research-expert, discussion-graph, compilation-field verification and other processes: (1) Heat source: geophysical exploration and radioisotope calculations show that the heat source of heat in the basin has both the contribution of mantle and the participation of the earth’s crust, but mainly the contribution of the deep mantle. (2) Heat transfer: The petrological properties of the basin and the exposed structure position of the surface hot springs show that one transfer mode is the material of the mantle source upwells and invades from the bottom, directly injecting heat; the other is that the deep fault conducts the deep heat of the basin to the middle and lower parts of the earth’s crust, then the secondary fracture transfers the heat to the shallow part. (3) Heat reservoir and caprock: First, the convective strip-shaped heat reservoir exposed by the hot springs on the peripheral fault zone of the basin; second, the underlying hot dry rock layered heat reservoir and the upper new generation heat reservoir and caprock in the basin revealed by drilling data. (4) Thermal system: Based on the characteristics of the “heat source-heat transfer-heat reservoir and caprock”, it is preliminarily believed that the Gonghe Basin belongs to the non-magmatic heat source hydrothermal geothermal system (type II2₁) and the dry heat geothermal system (type II2₂). Its favorable structural position and special geological evolutionary history have given birth to a unique environment for the formation of the geothermal system. There may be a cumulative effect of heat accumulation in the eastern part of the basin, which is expected to become a favorable exploration area for hot dry rocks.     

远震数据显示贝加尔裂谷带北穆伊斯克(Severomuysk)段地壳和上地幔的精细结构

通过贝加尔裂谷系统北穆伊斯克(Severomuysk)段的密集地震台站线性网络获得的远距离强震记录,并利用P波接收函数技术,揭示了地壳和上地幔顶部的复杂分层块状结构。横波速度的分布表明构成北穆伊斯克地壳的地块具有不同性质。这些地块的西部聚散和地壳下部的分层证实了该地区隆起的堆积-碰撞起源。位于西伯利亚克拉通变薄的倾斜边缘上的北穆伊斯克段解释了该地区地壳碰撞效应的强度。2015年地震的震中深度与Muyakan 凹陷地壳上部的明显速度差异存在令人信服的相关性。     

中国深层地热能开采的地质条件评价

深层地热能是指深度大于3 000 m的地热能。我国深层地热能资源丰富,但是开采条件怎么样呢?本文基于地热地质学原理,结合岩石力学等相关学科的理论,提出一种对深层地热能开采条件进行评价的指标体系,对各单一指标采用专家打分的方法赋值,继而采用模糊数学定量计算和评估深层地热能资源开发的难易程度。该方法考虑了深层地热能开发利用中的增强地热系统(EGS)的环境安全问题,即传统的“刚性造储”可能带来的诱发地震等不利于地热能行业健康发展的因素,倡导“柔性造储”和广义EGS理念,强调储层属性和地物理场的整合,针对我国地热能分布与构造活动关系密切、地壳总体上活动性强、地应力高、地震频发等构造型地热特点,是对以往评价方法的补充和拓展。该方法充分利用了专家知识,发挥了模糊数学综合评估作用,给出的量化结果易于对比和使用,可以更好地支持决策。本文基于新的评估方法,利用现有的深部地热研究及勘探成果,评估了中国大陆地区九个区域深层地热能开发的难易程度,评价区包括西藏南北地堑系、云南西部火山型地热区、青海东部共和盆地以及东北、华北等。从本文的结果可以看出,我国深层地热能开采的地质条件复杂,开采难度较大。     

热力构造的概念分类特征及其研究进展

热力作用是与应力、重力相类同的一类地质作用力。以往对其研究多有忽视,近年来研究进展较大。热力作用是盆地发育演化和改造的主要因素,随着大陆动力学研究的深化,大陆垂向热力作用及其热力构造陆续被发现。对目前尚无公认统一分类方案的热力构造,根据现今构造、地貌形态分为三类:正向穹窿型、负向塌陷型和边隆核陷型;按岩浆-热力作用影响深度等分为五种类型:(古)地热异常群集区、表浅层火山喷发-热液活动-浅成斑岩侵入型、热力背斜(热穹隆)型、中深层侵入型(含壳内热柱型)、地幔热柱型。深度分类的第二类表浅层火山喷发-热液活动-浅成斑岩侵入型又可再分为许多亚类:火山-热力管道、环状断裂、破火山口和火山塌陷、中浅成侵入型(含变质核杂岩和浅层热穹隆)、隐伏热力构造。热力背斜(热穹隆型)实际为中成或中浅成岩浆侵入型;中深层侵入型多在盆地基底或中下地壳内活动或造山带内产出,可称为地壳热异常柱,在地壳内分布规模不大,盆地下部一般难以直接见到,要依靠地球化学、地球物理等技术手段来确认;岩浆岩体侵入的深度不一,热力构造类型和发育程度不同;地幔(或地壳)热柱型影响深度最大,没有明显的地貌显示,要依靠深部构造岩石学、地球物理学等间接研究方法确认。地质-地球物理-地球化学综合研究应该是一种有效的研究方法。盆地深部多层结构研究发现热力构造区多具有明显的垂向极低电阻率值区和壳内低阻层,应为地壳热异常柱,有其特殊的热力作用环境。盆地深部热力作用与热力构造的复杂性和较强烈活动性,对盆地能源研究与评价及煤油气铀成矿成藏的勘探评价等方面均具有重要的影响意义。     

共和盆地地热能分布特征与聚集机制分析

位处青藏高原北部的青海省共和盆地,是一个自中生代以来形成的断陷盆地,周界由深大活动断裂控制,其内堆积有大厚度的第四纪和新近纪地层,揭露厚度达900～1440m,基底由印支期花岗岩组成,调（勘）查资料显示,盆地内具有热流值较高的特征,基底花岗岩地热梯度大于5℃,热异常明显。青藏高原宽频地震探测资料显示,共和盆地所在的东昆仑地块上地幔存在着一条宽达150km的低速带,其与巴颜喀拉地块深地幔中以大型低速异常体为特征的地幔热柱相关联,该低速带延伸到地壳,在共和盆地及其周边一带地表以下1～40km的不同部位形成热流异常区,导致在盆地浅部形成丰富的以干热岩、地下热水为主的地下热能资源,其不仅在城镇供暖方面具有现实推广意义,而且在发电等能源利用中潜力巨大。     

Recycling of oceanic crust and the origin of intraplate volcanism

Source models for intraplate volcanism (IPV) include vertical introduction of material from deep in the mantle (plume model), contamination of the shallow mantle (perisphere and continental mantle delamination models) and derivation by selective partial melting of oceanic crust recycled into the depleted mantle (SUMA/streaky mantle models). The plume hypothesis became the ruling model after a flawed interpretation of helium isotope data in the mid 1980s that led to plumes being imposed on models for crustal recycling into the depleted mantle. This incorporation of otherwise competing concepts, is the cause of unnecessary complexity in modern geodynamic models. The plume model cannot explain all manifestations of IPV and a comprehensive explanation can only be found by invoking the alternative options, combined with their tapping by plate tectonic processes.