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松辽盆地作为中国最大的原油生产基地，原油产量占中国大陆油田总产量的近四分之一，为中国石油工业的发展作出了突出的贡献（贾承造等，2012；王玉华等，2015；蔡来星等，2016；崔宝文等，2018）。近几年来，松辽盆地开展了陆相页岩油气地质理论和工程技术攻关，陆续发现了松页油1HF、松页油2HF、古页油平1和英页1H等高产页岩油气，展现了陆相页岩油气广阔的资源前景，具有重大勘探潜力（邹才能等，2020；孙龙德等，2021）。地层温度是盆地中重要的物理场之一，控制着烃类生成和现今的油气相态，对油气的运移、聚集和保存也有着至关重要的作用。一些学者曾对松辽盆地现今地热特征进行过研究（吴乾蕃，1990，1991；黎广荣，2007；周庆华等，2007；王满，2010；朱焕来，2011；刘晨璞等，2016；牛璞等，2021）。吴乾蕃（1990）根据钻孔实测温度与43块岩芯样品的热导率，曾研究过松辽盆地现今地温场的分布特征，并认为松辽盆地不仅具有高地温场特征，而且地温场分布有明显的分区性。王满（2010）依据实测的温度数据，对松辽盆地北部的地温场进行了研究，认为无论是大地热流，还是地温梯度或地层温度，中部地区都显示为高值，并向边部逐渐变低，具有环状分布的特点。牛璞等（2021）分析了松辽盆地北部形成高地热场的两个主要因素，分别是深部热源供给和浅部热能储集。但目前针对松辽盆地现今地温场分布特征的研究，仍存在很多问题。松辽盆地现今温度研究太古老，缺乏对近10年较新的测温数据的研究；前期研究更多的是针对松辽盆地北部或者南部的某一构造单元展开，缺乏针对全盆地尺度的研究；松辽盆地统一深度和不同构造单元顶底界面的地层温度分布如何，都缺乏系统的分析。
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本文结合近10年来新增的一大批测温数据，并系统测试了一整套岩石热物性参数，采样力求在层位、岩性和空间区域上均具有代表性，重新剖析了松辽盆地现今地温梯度和大地热流分布特征，而且研究了松辽盆地统一深度的地温梯度平面分布特征，从而更真实地反映松辽盆地现今热状态。同时，结合已有成果和最新工作，探讨了松辽盆地现今地温场分布的主控因素。本研究对松辽盆地油气和地热能勘探与开发均具有重要的指导意义。
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1 地质概况
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松辽盆地是世界上最大的陆相白垩纪盆地之一，叠置于古生代基底之上，呈北北东向展布，面积约26×104 km2。依据盆地基底的岩性及上覆沉积特征，松辽盆地可划分为6个一级构造单元（分别为西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起带）、32个次级构造单元和130个局部构造。沉积地层主要包括白垩系、古近系和新近系地层（图1）。白垩系主要发育4套热储层，从下至上依次为下白垩统泉头组、上白垩统青山口组、姚家组和嫩江组。
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根据盆地的沉积历史、断块运动、火山活动和热演化特征，盆地的构造演化可分为热隆升的拉张裂谷期、沉降期和构造反转期（葛荣峰等，2010；吏成辉等，2020）：火石岭组（K1h）-登娄库组（K1d）为拉张构造阶段，该时期松辽盆地进入以裂陷作用为主导的构造运动时期，形成断陷盆地群（孙雨等，2010）；泉头组（K1q）-嫩江组（K2n）为热沉降阶段，厚度约为1000~3000 m，以河流、湖相砂岩、泥岩和页岩为主。青一段和嫩一段、二段发育优质泥岩和页岩，厚度约为60~400 m，是主要的烃源岩；四方台组（K2s）-明水组（K2m）沉积期为构造反转阶段，盆地开始萎缩反转，反映了盆地裂谷后沉降过程中隆起和剥蚀。
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2 钻孔温度测试
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沉积盆地现今地温场是要利用各种钻孔测温数据来进行研究，其中稳态测温数据和试油温度数据具有较高的可靠性，可以用来研究真实的地温情况。本文共收集到松辽盆地571口井的1500余个试油温度数据（井位如图1a所示），其温度-深度关系如图2所示。钻井地层温度与深度均具有良好的近似线性关系，这表明地层温度主要通过热传导来传递。钻孔温度数据表明，相同深度下，中央坳陷区地层温度高于东南隆起区、东北隆起区等二级构造单元，展现出盆地中央地区温度高，边缘低的特点。此外，本文发现现今地温梯度存在两段式，埋深小于2000 m左右时，现今地温梯度较高，而深部地温梯度相对较低。可能由于浅部地层未固结完全的岩石热导率相对较低，阻碍了热量的传导与散失，而深部地层岩石较高的热导率使得温度在深部传导较好，表现为相对较高地温梯度值。
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3 热物性参数测试与分析
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岩石的热物性参数的确定对研究沉积盆地地温场至关重要。岩石热物性主要包括热导率与生热率，是研究一个地区大地热流、深部热状况和岩石圈热结构等必不可少的参数。本次研究选取了30口钻井的150块岩芯样品，进行热导率和生热率的测试，并对相同样品进行了全岩XRD衍射和孔隙度的测定。取样井主要位于扶新隆起带、华字井阶地、红岗阶地以及长岭凹陷等地区，涉及层位包括泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组，岩性包括砾岩、含砾砂岩、粉砂岩、泥岩等。采样岩性及层位均较为齐全，并在区域空间上有较好的控制。
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3.1 热导率测试与分析
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测试岩石热导率的仪器为德国生产的Thermal Conductivity Scanning光学扫描岩石热导仪，其测量范围为0.2~25 W/（m·K），精度为±3%。在本次研究中，将辉长岩做为参考样品，其热导率为2.79 W/（m·K）。测试结果表明，松辽盆地150块样品的岩石热导率集中于1.3~2.6 W/（m·K），平均值为1.96 W/（m·K），其中砾岩与含砾砂岩的热导率较高，分别为2.29 W/（m·K）和2.52 W/（m·K）；中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩的热导率平均值相差不大，主要分布于1.88~2.19 W/（m·K）之间，角砾岩热导率最小（1.35 W/（m·K）；图3）。岩石的矿物组成、组构、孔隙度及温度、压力条件是影响热导率大小的因素。本次研究在热导率测试的基础上，对相同的岩石进行了全岩XRD衍射与孔隙度的分析测试。结果表明，热导率与石英含量呈正相关，这主要是由于石英矿物中硅-氧键的强度最大，声子经过硅氧骨干传播最为有效，因此热导率较大（图4a）；并且热导率与孔隙度呈负相关关系，这是由于岩石骨架的热导率大于孔隙中所充填的流体热导率，因此孔隙度越小，相应的热导率越大（图4c）。
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图1 松辽盆地构造单元划分和研究井分布（a）和地层综合柱状图（b）
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Fig.1 Division of tectonic units and distribution of research wells (a) and comprehensive stratigraphic column (b) of the Songliao basin
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图2 松辽盆地不同构造单元钻孔温度-深度关系图
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Fig.2 The relationship between borehole temperature and depth in different tectonic units of Songliao basin
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3.2 生热率测试与分析
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岩石生热率是通过地球化学方法测量岩石中铀、钍、钾含量，结合岩石密度，采用Rybach（1976）提出的计算公式进行计算，测试结果表明，松辽盆地岩石生热率介于0.42~1.35 μW/m3之间，生热率与样品的深度无明显的相关性，同一深度生热率相差较大（图5）。在沉积地层中岩石的生热率主要取决于岩性，泥岩中放射性元素铀、钍、钾的含量较高，造成泥岩生热率最高，平均为1.2 μW/m3；而砾岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩的热导率相对较低（图3b）。根据实测数据，首次构建了松辽盆地岩石热导率与生热率柱（表1），为研究松辽盆地现今地温场分布提供了基础数据。
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图3 松辽盆地不同岩性热导率（a）与生热率（b）分布直方图
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Fig.3 The distribution histogram of thermal conductivity (a) and heat generation rate (b) of different lithologies in Songliao basin
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图4 松辽盆地岩石热导率与石英含量关系（a），岩石热导率与黏土矿物含量关系（b）和岩石热导率与孔隙度关系（c）
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Fig.4 The relationship between thermal conductivity and quartz content (a) , the relationship between thermal conductivity and clay mineral content (b) and the relationship between thermal conductivity and porosity (c) in Songliao basin
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图5 松辽盆地岩石热导率与深度关系（a）和岩石生热率与深度关系（b）
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Fig.5 The relationship between thermal conductivity and depth (a) and the relationship between heat generation rate and depth (b) of Songliao basin
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式中，CU、CTh、CK分别为元素U、Th、K的含量（单位分别为10-6、10-6、%）；ρ是岩石密度（kg/m3）。
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4 松辽盆地现今地温梯度与大地热流分布特征
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由于地温梯度与深度有关，因此本文计算了松辽盆地代表性钻孔的统一深度的平均地温梯度。其计算方法是结合实测温度以及岩石热导率等数据，利用一维热传导方程公式（2）计算统一深度范围处的温度，再通过地温梯度计算公式（3）获得统一深度处的地温梯度。
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式中，i为构造层数，Ti上、Ti下分别为第i构造层上、下界面的温度（℃）；Ai为第i层的岩石生热率（μW/m3）；Ki为第i层岩石热导率（W/（m·K））；qi上为第i构造层上界面的热流值（mW/m2）；Zi为第i层的厚度（km）。
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式中，G为地温梯度（℃/km）；Ts为试油温度（℃）；T0为近地表恒温带温度，取12℃；Z为测温深度（m）；Z0为恒温带深度，取20 m。
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松辽盆地地温梯度在19~55℃/km之间，平均为41.4℃/km。松辽盆地平面地温梯度变化较大，中央坳陷区地温梯度值较高，其值多在38~55℃/km之间，平均超过45℃/km。北部倾没区和东北隆起区地温梯度最低，平均值为26℃/km，西部斜坡区的南部和东南隆起区东北部地温梯度较高，主要分布在40~54℃/km之间，西南隆起区地温梯度在26~36℃/km之间（图6）。总体来说，盆地中部地温梯度较高，这主要是由于中央坳陷区的演化初期，受太平洋板块向西俯冲作用的影响，区域拉张应力导致深部地幔隆起，热物质上涌，中央坳陷区岩石圈减薄，并造成许多基底断裂和地壳断裂，为地下热物质的传导提供通道（朱焕来，2011；Liu Shaofeng et al.，2017; Song Ying et al.，2018; 田有等，2019）。此外，松辽盆地经历了多期次岩浆活动，虽然火成岩侵入时期主要在燕山期，少数在喜马拉雅期侵入，侵入时代相对较远（吴福元等，1999；张旗等，2009；Cheng Yinhang et al.，2018），对现今温度分布的影响较小，但是由于白垩纪沉积盖层的厚度较大，有可能保存一些残存热量，以至于造成局部地温异常。
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图6 松辽盆地0~3000 m统一深度处地温梯度等值线图
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Fig.6 The distribution of geothermal gradient at uniform depth of 0~3000 m in Songliao basin
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大地热流可以通过地温梯度与调和平均热导率计算获得，详见公式（4）。本文共计算了松辽盆地共571口单井的大地热流。松辽盆地现今大地热流在38.9~111.2 mW/m2之间，平均值为78.9 mW/m2。盆地热流的区域变化与地温梯度展布特征相似，展现出盆地中央地区热流高，边缘低的特点。中央坳陷区大地热流值较高，在76.4~111.2 mW/m2之间，平均值为84.0 mW/m2。北部倾没区和东北隆起区大地热流最低，平均值为51 mW/m2，西南隆起区大地热流在51.6~72.8 mW/m2之间。大地热流的分布同样受到深部热源供给和浅部热能储集作用的影响。
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式中，qs为大地热流（mW/m2）；Kt为调和平均热导率（W/（m·K））；dT/dZ为地温梯度（℃/m）。
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5 松辽盆地现今地层温度分布特征
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根据上述松辽盆地571口单井试油温度数据、热物性参数（岩石热导率值采用调和平均热导率2.0 W/（m·K），生热率值采用平均值1.12 mW/m3）、地温梯度和大地热流数据，我们估算了松辽盆地1000~3000 m埋深处的现今温度以及4套主要热储层（嫩江组、姚家组、青山口组和泉四段）的底界面的温度，以期为地热能资源评估、钻井前温度预测和油气潜力评价提供地热参数和约束。为了判断温度计算的准确性，将测量的温度与估计的温度进行比较。试油温度与计算预估温度几乎一致，误差在0.1~0.9℃之间，说明该方法预测温度的准确性（图7）。图8展示的是松辽盆地1000 m、2000 m和3000 m埋深处的现今温度分布特征。结果显示，松辽盆地1000 m埋深处的地层温度为29.0~64.5℃，平均为46.9℃。中央坳陷区地层温度较高，平均值为51.6℃，局部温度高值可达到64.5℃。北部倾没区、东北隆起区、西南隆起区温度较低，大部分地区温度在40℃以下。呈现中部地区都显示为高值，并向边部逐渐变低，具有环状分布的特点。2000 m、3000 m埋深度的温度分布与1000 m埋深处基本类似，只是大小及变化幅度不同，2000 m埋深处的温度介于66~119℃之间，平均值为93℃；3000 m埋深的温度介于94~173℃之间，平均值为134℃（图8）。
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图7 试油温度与计算温度间的关系
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Fig.7 Comparison between the measured temperature and the estimated temperature
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松辽盆地地热资源丰富，前人研究认为上至下分布4套热储层，热储层与泥质盖层空间配置组合形成了4 套热储体系，分别是嫩四段，姚家组和青山口组和泉四段（朱焕来，2011；郭昂青，2016）。由于前期研究更多的是针对松辽盆地北部或者南部的某一构造单元展开，缺乏针对全盆地尺度的储层温度研究。因此，本次研究针对松辽盆地不同构造单元分布的共571口单井，结合地层分层数据，分别计算了4套热储层（嫩江组、姚家组、青山口组和泉四段）的底界面温度，为盆地地热能资源评估提供重要地热参数和约束。
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嫩江组底界面温度约为15~88℃，平均为48.6℃，最高温度区位于中央坳陷区的齐家古龙凹陷和长岭阶地，平均温度可达79.3℃；姚家组、青山口组和泉四段底界面的温度展布格局与嫩江组底界面温度分布模式基本类似，只是温度大小及变化幅度不同，姚家组底界面的温度介于18~95℃之间，平均值为53℃；青山口组底界面的温度介于25~128℃之间，平均值为64℃；泉四段底界面的温度介于26~131℃之间，平均值为67℃（图9）。整体而言，各储层的温度分布受控于区域构造格局。松辽盆地隆起区后期遭受强烈剥蚀，热储层的残余厚度小，埋藏较浅，因此地层温度较低。中央坳陷区剥蚀影响较弱且接受沉积，埋藏深度大，因此地层温度普遍较高（图9）。
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图8 松辽盆地1000 m（a）、2000 m（b）和3000 m（c）埋深处温度等值线图
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Fig.8 Temperature distribution of buried temperature at 1000 m (a) , 2000 m (b) and 3000 m (c) in Songliao basin
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6 地层温度分布主控因素分析
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松辽盆地现今大地热流介于38.9~111.2 mW/m2，平均值为78.9 mW/m2，与其他典型的中新生代裂谷盆地具有相似的“热盆”特征，如渤海湾盆地（平均值为69 mW/m2）、北海盆地（平均值为80 mW/m2）和西西伯利亚盆地（平均值为79 mW/m2）（陈发景，1993；Hu Shengbiao et al.，2000; He Lijuan et al.，2001）。然而，相比于前寒武纪克拉通盆地，松辽盆地热流值明显偏高，如塔里木盆地（约43 mW/m2），准噶尔盆地（约43 mW/m2）（Qiu Nansheng et al.，2008；Liu Yuchen et al.，2019）。在平面上，松辽盆地中央坳陷区现今热状态显示为高值，并向边部逐渐变低，具有环状分布的特点。现今温度分布主要受到成盆演化动力学背景、岩石热物性特征、岩浆作用等多种因素的影响。下面分别讨论这几种因素对松辽盆地现今地温场分布的控制作用。
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图9 松辽盆地嫩江组（a），姚家组（b），青山口组（c）和泉四段（d）底界面温度等值线图
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Fig.9 Temperature distribution at the bottom of Nenjiang Formation (a) , Yaojia Formation (b) , Qingshankou Formation (c) and the fourth of Quantou Formation (d) in Songliao basin
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盆地所在的大地构造背景和深部动力学过程是温度分布的最主要控制因素。在侏罗纪时期，中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中，地壳和岩石圈伸展减薄（徐义刚，2004；徐岩等，2010；韩江涛等，2018），同时由于受到古太平洋板块向西高速俯冲作用（Song Ying et al.，2018），引起大规模的软流圈热物质流被动上涌，进而诱发了一系列大规模中酸性岩浆-构造活动（云金表等，2003；葛肖虹等，2007；Zhang Bing et al.，2020），随着岩石圈拆沉作用热异常向上传递至地壳（Kang Dou et al.，2016; Wang Jian et al.，2018）。松辽盆地深部地震观测表明，中央坳陷区莫霍面深度仅 28~31 km，北部倾没区、西部斜坡区和东南隆起区莫霍面深度约为33~34 km，而松辽盆地邻近地区的莫霍面平均深度约为35~40 km。莫霍面深度最小处对应的是中央坳陷区的古龙凹陷和长岭凹陷，因此古龙凹陷和长岭凹陷热流最大。世界上许多其他地区同样证实了较高的热流分布与裂谷构造之间存在联系。最高的热流通常位于中央下沉地堑区，而向四周热流逐渐降低（Song Ying et al.，2018）。此外，由于构造运动导致盆地内发育丰富的基底断裂和地壳断裂，如盆地中央的孙吴-双辽断裂带为松辽盆地内部大型基底断裂带，为地幔热物质上升至盆地内部提供了主要流体通道（刘晨璞等，2016；韩江涛等，2018）。总而言之，松辽盆地经历了强烈的区域伸展作用和岩石圈减薄，并发育丰富的基底断裂和地壳断裂，造成深部地幔热物质沿着基底断裂运移至浅部，因此地表热流偏高，地幔热流构成了地表热流的主要组成部分，具有“冷壳热幔”的热结构特征。
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地热系统中的盖层对于深部热物质的保存同样具有着重要的作用，主要体现在岩石热导率不同进而对地层温度的传导存在差异。结合本次研究所测得的热导率数据，发现砂岩的热导率较高，泥岩则具有较低的热导率。由于白垩纪时期两次大规模湖侵作用，导致盆地内青一段和嫩一段地层主要表现为深湖-半深湖体系为特征的泥岩沉积层（孙雨等，2010；孟元林等，2020），具有致密、低渗、低热传导的特点，可作为盆地地热系统盖层，为深部热物质提供良好的保存条件。此外，研究区内浅部与深部地层岩性差别较大，浅部地层是以未固结完全的细砂、黏土和砾岩等组成；而白垩系地层中的嫩江组至泉头组主要以固结程度较高的泥岩和砂岩为主，热导率相对较高。松辽盆地中央坳陷区的地温与深度的关系图中表现为现今地温梯度随深度的增加而降低。说明了研究区深部地层岩石较好的热传导性使得地温在深部传导流畅，而浅部低热导率的覆盖层阻碍了热量的传导与散失。
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岩浆活动对温度同样存在较大的影响，但如果岩浆活动发生时间太早，会导致热异常逐渐冷却，难以持续至今，因此只有更新世以来（第四纪）的岩浆活动才能对地热系统形成显著贡献。松辽盆地中央坳陷区受到更新世火成岩侵入的影响极小，火成岩侵入时期主要在燕山期，少数在喜马拉雅期侵入，侵入时代相对较远（吴福元等，1999；张旗等，2009），因而对现今温度分布的影响较小。但是由于盖层的厚度较大并且浅部地层的热导率较低，有可能保留部分残存热量，以至于造成局部地温异常。
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7 结论
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（1）松辽盆地地温梯度在19~55℃/km之间，平均为41.4℃/km，现今大地热流介于38.9~111.2 mW/m2之间，平均值为78.9 mW/m2。相比其他盆地而言，松辽盆地具有高温“热盆”的特点。平面上，盆地中部地温梯度和大地热流均较高，这主要受到深部热源供给和浅部热能储集作用的影响。
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（2）嫩江组底界面温度约为15~88℃，平均为48.6℃；姚家组底界面的温度为18~95℃，平均值为53℃；青山口组底界面的温度为25~128℃，平均值为64℃；泉四段底界面的温度为26~131℃，平均值为67℃，地温的横向分布特征受到盆地基底格局控制。
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（3）松辽盆地现今温度分布主要受到成盆演化动力学背景、岩石热物性特征、岩浆作用等多种因素的影响。松辽盆地经历了强烈的区域伸展作用和岩石圈减薄，并发育丰富的基底断裂和地壳断裂，造成深部地幔热物质沿着基底断裂运移至浅部，因此地表热流偏高。青一段和嫩一段发育的泥岩沉积层和新生界未固结完全的岩石，均可作为盆地地热系统盖层。岩浆作用对现今温度的影响不大，但有可能保留部分残存地热，造成局部地温异常。
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摘要
松辽盆地不仅是世界上已发现油气资源最为丰富的陆相沉积盆地之一，同时也存在十分丰富的中低温地热资源，是当前油气勘探和地热勘探的主力区块。本文结合近10年来新增的一大批测温数据，借助571口钻井地层测温资料和150余个岩石热物性参数，重新剖析了松辽盆地现今地温场分布特征及其主控因素。研究表明，松辽盆地地温梯度在19~55 ℃/km之间，平均为41.4 ℃/km，现今大地热流分布在38.9~111.2 mW/m2之间，平均为78.9 mW/m2。相比其他盆地而言，松辽盆地具有高温“热盆”的特点。平面上，盆地中央坳陷区地温梯度和大地热流均较高。嫩江组底界面温度约为15~88℃，平均为48.6℃；姚家组底界面的温度为18~95℃，平均值为53℃；青山口组底界面的温度为25~128℃，平均值为64℃；泉四段底界面的温度为26~131℃，平均值为67℃。松辽盆地现今温度分布主要受到成盆演化动力学背景、岩石热物性特征、岩浆作用等多种因素的影响。松辽盆地经历了强烈的区域伸展作用和岩石圈减薄，并发育丰富的基底断裂和地壳断裂，造成深部地幔热物质沿着基底断裂运移至浅部，因此地表热流偏高。
Abstract
The Songliao basin is not only one of the continental sedimentary basins with the richest oil and gas resources discovered in the world, but also rich in medium and low temperature geothermal resources. It is the main block of current oil and gas exploration and geothermal exploration. Based on a large number of newly added temperature measurement data in the past 10 years, and basedon 571 borehole temperature measurement data and more than 150 thermal physical parameters, we studied the current geothermal gradient and geothermal distribution characteristics of the Songliao basin. The results showed that the geothermal gradient of the Songliao basin is between 19~55 ℃/km, with an average of 41.4 ℃/km, and the current earth heat flow is between 38.9~111.2 mW/m2, with an average of 78.9 mW/m2. These new data confirm that the Songliao basin has a relatively high heat flow and shares similar geothermal regime with other Meso-Cenozoic rift basins in the world. Both the geothermal gradient and heat flow in the central part of the basin are high. The temperature of the bottom interface of the Nenjiang Formation is about 15~88℃, with an average of 48.6℃; the temperature of the bottom interface of the Yaojia Formation is 18~95℃, with an average of 53℃; the temperature of the bottom interface of the Qingshankou Formation is 25~128℃, with an average of 64℃; the temperature of the bottom interface of the fourth section of the Quantou Formation is 26~131℃, with an average value of 67℃. In addition, the main controlling factors of temperature distribution in the Songliao basin were analyzed. The current temperature distribution is mainly affected by many factors such as the dynamic background of basin formation, rock thermophysical properties, and magmatism. The Songliao basin has experienced strong regional extension and lithosphere thinning, and developed abundant basement faults and crustal faults. The deep mantle hot material migrated to the shallow part along the basement fault, resulting in high surface heat flow.
Keywords
heat flow ； formation temperature ； geothermal gradient ； main control factors ； Songliao basin
