古热岩石圈厚度的确定方法及装置

摘要

本发明公开了一种古热岩石圈厚度的确定方法及装置，其中，该方法包括：获取研究区中各构造层的岩石热导率和岩石生热率；利用地层回剥技术构建研究区在预设地质时期的古构造层模型，并根据古构造层模型确定各构造层厚度；根据镜质体反射率实测值模拟获得各构造层的古地表热流值；根据古地表热流值、岩石生热率和构造层厚度计算各构造层的顶界热流值；根据顶界热流值、构造层厚度、岩石热导率和岩石生热率，确定地球浅部一维热传导地温线；确定地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深度，作为古热岩石圈的厚度。本发明可得到古地表热流和古地层厚度，进而计算古热岩石圈的厚度，解决了现有技术中无法确定古热岩石圈厚度及演化的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及地热学与地球物理技术领域，尤其涉及一种古热岩石圈厚度的确定方 法及装置。

背景技术

地球由浅到深可划分为地壳、地幔和地核三部分。岩石圈是指地球浅部相对于软 流圈而言坚硬的岩石圈层，为地震高波速带。岩石圈主要包括地壳的全部和上地幔的 顶部，由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。在地质专业领域，根据不同的物理化 学性质或参数，人们又赋予岩石圈不同的称谓和意义，如地震学岩石圈、化学岩石圈、 热岩石圈等。

本发明涉及到的热岩石圈是指软流圈上部以热传导方式进行热传递的岩石圈层。 如图1所示，热岩石圈与下伏软流圈具有不同的热传递方式，在热岩石圈内部以热传 导为主，而下伏软流圈以热对流为主。热岩石圈厚度(即热岩石圈底界)是很重要的 一个地质参数，指的是地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深度。研究表 明，热岩石圈厚度是随着地质历史的演化而不断变化的。目前，有学者提出了现今热 岩石圈厚度的计算方法，并成功地应用于我国华北地区。

但是，目前关于古热岩石圈厚度及演化的相关研究还很少，对于古热岩石圈厚度 的恢复问题，目前尚未提出有效的解决方案。恢复古热岩石圈厚度及演化史不仅能正 确认识地球深部地温场变化规律，为区域地质勘探、地热田开发、火山及地震活动提 供指导与预测，而且可有效地揭示克拉通盆地岩石圈减薄与增厚过程，从而为研究地 球动力学演化机制开拓新思路。

发明内容

本发明提供了一种古热岩石圈厚度的确定方法及装置，以至解决现有技术中无法 确定古热岩石圈厚度及演化的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种古热岩石圈厚度的确定方法，包括：获取研 究区中各构造层的岩石热导率和岩石生热率；利用地层回剥技术构建所述研究区在预 设地质时期的古构造层模型，并根据所述古构造层模型确定各构造层厚度；根据镜质 体反射率实测值，模拟获得所述研究区的各构造层的古地表热流值；根据所述古地表 热流值、所述岩石生热率和所述构造层厚度计算各构造层的顶界热流值；根据各构造 层的所述顶界热流值、所述构造层厚度、所述岩石热导率和所述岩石生热率，确定地 球浅部一维热传导地温线；确定所述地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的 深度，作为古热岩石圈的厚度。

在一个实施例中，根据所述古构造层模型确定各构造层厚度，包括：根据所述古 构造层模型读取地层厚度；对于未经历过构造抬升剥蚀的地区，将读取的所述地层厚 度作为所述构造层厚度；对于经历过构造抬升剥蚀的地区，采用古地温梯度法计算剥 蚀量，将所述地层厚度与所述剥蚀量的和作为所述构造层厚度。

在一个实施例中，采用古地温梯度法计算剥蚀量，包括：采用以下公式计算所述 剥蚀量：ΔZ＝(T_u-T₀)/(dT/dZ)，其中，ΔZ表示剥蚀量，T_u表示不整合面处的古温 度，T₀表示古地表温度，dT/dZ表示古地温拟合直线的斜率，即古地温梯度。

在一个实施例中，根据镜质体反射率实测值，模拟获得所述研究区的各构造层的 古地表热流值，包括：构建所述研究区的钻孔沉积埋藏史；输入所述镜质体反射率实 测值；调试古地表热流，使得镜质体反射率模拟值与所述镜质体反射率实测值不断接 近，当两者最接近时，确定对应的古地表热流为该构造层的古地表热流值。

在一个实施例中，根据所述古地表热流值、所述岩石生热率和所述构造层厚度计 算各构造层的顶界热流值，包括：采用以下公式计算构造层的顶界热流值： 其中，i表示构造层层数，表示第i构造层的顶界热流值，q_s表示第i构造层的古地表热流值，Z_i-1表示第i-1构造层厚度，A_i-1表示第i-1构造层 的岩石生热率。

在一个实施例中，根据各构造层的所述顶界热流值、所述构造层厚度、所述岩石 热导率和所述岩石生热率，确定地球浅部一维热传导地温线，包括：采用以下公式计 算所述地球浅部一维热传导地温线：

其中，i表示构造层层数，表示第 i构造层顶界热流值，Z_i表示第i构造层厚度，T_i^上表示第i构造层上界面的温度，T_i^下表示第i构造层下界面的温度，A_i表示第i构造层的岩石生热率，K_i表示第i构造层 的岩石热导率。

在一个实施例中，确定所述地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深 度，作为古热岩石圈的厚度，包括：采用以下公式计算所述地幔绝热线： T_m＝1300+0.3Z，其中，Z表示深度，T_m表示深度Z处的温度；计算T_i^下＝T_m时对应 的深度，作为所述古热岩石圈的厚度。

在一个实施例中，利用热导率自动测试仪测试得到所述岩石热导率。

在一个实施例中，采用以下公式计算所述岩石生热率：

A_i＝0.01ρ(9.52C_u+2.56C_Th+3.48C_K)，其中，A_i表示第i构造层的岩石生热率，ρ 表示岩石密度，C_u表示岩石中铀的含量，C_Th表示岩石中钍的含量，C_K表示岩石中 钾的含量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种古热岩石圈厚度的确定装置，包括：第一 获取单元，用于获取研究区中各构造层的岩石热导率和岩石生热率；构建单元，用于 利用地层回剥技术构建所述研究区在预设地质时期的古构造层模型；第一确定单元， 用于根据所述古构造层模型确定各构造层厚度；第二获取单元，用于根据镜质体反射 率实测值，模拟获得所述研究区的各构造层的古地表热流值；计算单元，用于根据所 述古地表热流值、所述岩石生热率和所述构造层厚度计算各构造层的顶界热流值；第 二确定单元，用于根据各构造层的所述顶界热流值、所述构造层厚度、所述岩石热导 率和所述岩石生热率，确定地球浅部一维热传导地温线；第三确定单元，用于确定所 述地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深度，作为古热岩石圈的厚度。

通过本发明的古热岩石圈厚度的确定方法及装置，可以得到古地表热流和古地层 厚度，进而可以计算得到古热岩石圈的厚度，解决了现有技术中无法确定古热岩石圈 厚度及演化的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是热岩石圈底界确定示意图；

图2是本发明实施例的古热岩石圈厚度的确定方法的流程图；

图3是本发明实施例的利用古温标方法恢复剥蚀量的示意图；

图4是本发明实施例的古热岩石圈厚度的确定装置的结构框图；

图5A是本发明实施例的研究区沉积埋藏史示意图；

图5B是本发明实施例的研究区的预测与实测Ro值拟合示意图；

图5C是本发明实施例的研究区的地表热流演化史示意图；

图6是本发明实施例的不同时期地层构造分层示意图；

图7是本发明实施例的各时期的古地表热流示意图；

图8是本发明实施例的计算得到热岩石圈厚度演化示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种古热岩石圈厚度的确定方法，图2是本发明实施例的古 热岩石圈厚度的确定方法的流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤S201，获取研究区中各构造层的岩石热导率和岩石生热率；

步骤S202，利用地层回剥技术构建研究区在预设地质时期的古构造层模型，并 根据古构造层模型确定各构造层厚度；

步骤S203，根据镜质体反射率实测值，模拟获得研究区的各构造层的古地表热 流值；

步骤S204，根据古地表热流值、岩石生热率和构造层厚度计算各构造层的顶界 热流值；

步骤S205，根据各构造层的顶界热流值、构造层厚度、岩石热导率和岩石生热 率，确定地球浅部一维热传导地温线；

步骤S206，确定地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深度，作为古 热岩石圈的厚度。

通过上述方法，可以得到古地表热流和古地层厚度，进而可以计算得到古热岩石 圈的厚度，解决了现有技术中无法确定古热岩石圈厚度及演化的问题。

构造层厚度(也可称为地层厚度)在地质历史时期，会随着沉积压实作用的影响 而不断减小。可以采用地层回剥技术计算当时的构造层厚度。具体的，可以在地质软 件的界面中输入钻井相关资料(主要包括地层分层厚度、孔隙度、岩性等参数)，采 用反演法获得钻井的沉积埋藏史，通过读取不同时期的沉积厚度，即可得到各构造层 厚度。地层回剥技术在地质领域应用广泛，此处不再赘述。实际计算过程中，地壳往 往被划分成沉积层(不同时期的沉积层厚度随沉积与剥蚀变化)、上地壳、中地壳和 下地壳等构造层。

步骤S202中可以通过以下步骤确定各构造层厚度：根据古构造层模型读取地层 厚度；对于未经历过构造抬升剥蚀的地区，将读取的地层厚度作为构造层厚度；对于 经历过构造抬升剥蚀的地区，采用古地温梯度法计算剥蚀量，将地层厚度与剥蚀量的 和作为构造层厚度。

对于曾经历过构造抬升剥蚀的地区，需要计算当时的剥蚀量，剥蚀量与读取的地 层厚度的加和为地层原始沉积厚度，即得到了准确的构造层厚度。

在一个实施例中，古地温梯度法计算剥蚀量的公式为：

ΔZ＝(T_u-T₀)/(dT/dZ)(1)

其中，ΔZ表示剥蚀量，T_u表示不整合面处的古温度，T₀表示古地表温度，dT/dZ 表示古地温拟合直线的斜率(即古地温梯度)。古地温可以采用Sweeney和Burnham 于1990年提出的EASY％Ro模型计算实测镜质体反射率求得。相关计算原理如图3 所示，黑点表示温度点，由实测镜质体反射率计算得到。

步骤S203是根据古温标方法模拟计算古地表热流，具体的，构建研究区的钻孔 沉积埋藏史；输入镜质体反射率实测值；调试古地表热流，使得镜质体反射率(Ro) 模拟值与镜质体反射率实测值不断接近，当两者最接近时，确定对应的古地表热流为 该构造层的古地表热流值，即为当时的古地表热流真实值，可代表当时的热状态。

获得古地表热流后，可采用以下公式计算当时的各构造层顶界热流值：

其中，i表示构造层层数，表示第i构造层的顶界热流值，q_s表示第i构造层 的古地表热流值，Z_i-1表示第i-1构造层厚度，A_i-1表示第i-1构造层的岩石生热率。

在实际应用中，可以利用热导率自动测试仪测试得到岩石热导率。可以采用以下 公式计算岩石生热率：

A_i＝0.01ρ(9.52C_u+2.56C_Th+3.48C_K)(3)

其中，A_i表示第i构造层的岩石生热率，单位为μW/m³；ρ表示岩石密度，单 位为g/cm³；C_u表示岩石中铀的含量，单位为μg/g；C_Th表示岩石中钍的含量，单位 为μg/g；C_K表示岩石中钾的含量，单位为Wt％。在实验室条件下，可以先利用相 关实验设备测试岩石的密度、铀含量、钍含量和钾含量，然后利用公式(3)求得各 构造层的岩石生热率。

需要说明的是，由于岩石热导率和岩石生热率无可逆性，尽管后期沉积压实作用 对它们具有一定的影响，但影响有限，因此在计算古热岩石圈厚度时，可以采用现今 实测数据作为古数据。

步骤S205中可以采用以下公式计算地球浅部一维热传导地温线：

其中，i表示构造层层数，取正整数；表示第i构造层顶界热流值，单位为 mW/m²；Z_i表示第i构造层厚度，单位为km；T_i^上表示第i构造层上界面的温度，单 位为℃；T_i^下表示第i构造层下界面的温度，单位为℃；A_i表示第i构造层的岩石生 热率，单位为μW/m³；K_i表示第i构造层的岩石热导率。

可以采用以下公式计算地幔绝热线：

T_m＝1300+0.3Z(5)

其中，Z表示深度，T_m表示深度Z处的温度。

地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深度即为古热岩石圈的厚度，根 据式(4)和式(5)计算T_i^下＝T_m时对应的深度，该深度即为古热岩石圈的厚度。

根据上述方法，可计算得到过去某个时期的古地表热流和古地层厚度，然后结合 实测岩石热导率和岩石生热率数据，依据公式(4)和(5)可以计算当时的古热岩石 圈厚度。

如图1所示，热岩石圈厚度指的是地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交 的深度。由公式(4)可知，计算热岩石圈厚度涉及到的地质参数主要有地表热流、 地层厚度、生热率及热导率。对于现今热岩石圈厚度，这些参数均可通过实验测试或 钻孔数据获得。而当计算古热岩石圈厚度时，除生热率和热导率参数可采用现今实验 测试获得的数据外，古地表热流和古地层厚度参数已变为未知，因此，正确恢复或模 拟计算古地表热流和古地层厚度是计算古热岩石圈厚度的关键。本发明结合古温标 法、地层回剥技术及古地温梯度法正确恢复或模拟得到古地表热流和古地层厚度，可 以得到较为准确可靠的结果。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种古热岩石圈厚度的确定装置，可 以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的 原理与古热岩石圈厚度的确定方法相似，因此该装置的实施可以参见上述方法的实 施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功 能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但 是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图4是本发明实施例的古热岩石圈厚度的确定装置的结构框图，如图3所示，该 装置包括：第一获取单元41、构建单元42、第一确定单元43、第二获取单元44、计 算单元45、第二确定单元46和第三确定单元47。下面对该结构进行具体说明。

第一获取单元41，用于获取研究区中各构造层的岩石热导率和岩石生热率；

构建单元42，用于利用地层回剥技术构建研究区在预设地质时期的古构造层模 型；

第一确定单元43，用于根据古构造层模型确定各构造层厚度；

第二获取单元44，用于根据镜质体反射率实测值，模拟获得研究区的各构造层 的古地表热流值；

计算单元45，用于根据古地表热流值、岩石生热率和构造层厚度计算各构造层 的顶界热流值；

第二确定单元46，用于根据各构造层的顶界热流值、构造层厚度、岩石热导率 和岩石生热率，确定地球浅部一维热传导地温线；

第三确定单元47，用于确定地球浅部一维热传导地温线与地幔绝热线相交的深 度，作为古热岩石圈的厚度。

通过上述装置，可以得到古地表热流和古地层厚度，进而可以计算得到古热岩石 圈的厚度，解决了现有技术中无法确定古热岩石圈厚度及演化的问题。

在一个实施例中，第一确定单元43包括：读取模块和确定模块。其中，读取模 块，用于根据古构造层模型读取地层厚度；确定模块，用于对于未经历过构造抬升剥 蚀的地区，将读取的地层厚度作为构造层厚度；对于经历过构造抬升剥蚀的地区，采 用古地温梯度法计算剥蚀量，将地层厚度与剥蚀量的和作为构造层厚度。

具体的，采用古地温梯度法计算剥蚀量，可以采用以下公式计算剥蚀量： ΔZ＝(T_u-T₀)/(dT/dZ)，其中，ΔZ表示剥蚀量，T_u表示不整合面处的古温度，T₀表 示古地表温度，dT/dZ表示古地温拟合直线的斜率，即古地温梯度。

第二获取单元44包括：构建模块、输入模块和调试模块。其中，构建模块，用 于构建研究区的钻孔沉积埋藏史；输入模块，用于输入镜质体反射率实测值；调试模 块，用于调试古地表热流，使得镜质体反射率模拟值与镜质体反射率实测值不断接近， 当两者最接近时，确定对应的古地表热流为该构造层的古地表热流值。

计算单元45可以采用以下公式计算构造层的顶界热流值：其中，i表示构造层层数，表示第i构造层的顶界热流值，q_s表示第i构造层的古 地表热流值，Z_i-1表示第i-1构造层厚度，A_i-1表示第i-1构造层的岩石生热率。

第二确定单元46可以采用以下公式计算地球浅部一维热传导地温线：

其中，i表示构造层层数，表示第i构造层顶界热流值，Z_i表示第i构造层厚 度，T_i^上表示第i构造层上界面的温度，T_i^下表示第i构造层下界面的温度，A_i表示第 i构造层的岩石生热率，K_i表示第i构造层的岩石热导率。

第三确定单元47具体用于采用以下公式计算地幔绝热线：T_m＝1300+0.3Z，其 中，Z表示深度，T_m表示深度Z处的温度；计算T_i^下＝T_m时对应的深度，作为古热岩 石圈的厚度。

第一获取单元41可以利用热导率自动测试仪测试得到岩石热导率，以及采用以 下公式计算岩石生热率：A_i＝0.01ρ(9.52C_u+2.56C_Th+3.48C_K)，其中，A_i表示第i构 造层的岩石生热率，ρ表示岩石密度，C_u表示岩石中铀的含量，C_Th表示岩石中钍的 含量，C_K表示岩石中钾的含量。

当然，上述模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。该装置还可以仅 包括：获取单元和确定单元，获取单元执行与构建、获取参数相关的功能，确定单元 执行与计算、确定相关的功能，只要能实现本发明的目的的模块划分，均应属于本发 明的保护范围。

为了对上述古热岩石圈厚度的确定方法及装置进行更为清楚的解释，下面结合具 体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并 不构成对本发明不当的限定。

本实例选取我国东部某一盆地作为研究对象，古热岩石圈厚度的确定方法包括如 下步骤：

步骤1：实验测试或搜集整理研究区每个构造层的热导率和生热率数据。

通过对测试数据进行分析整理，得到这个地区各构造层的热导率和生热率如表1 所示。

表1研究区各构造层岩石生热率及热导率数据表

构造层 生热率(μm/m³) 热导率(mW/m²) 新生界 0.80 1.72 中生界 1.26 2.04 古生界 0.72 3.26 上地壳 1.24 2.30 中地壳 0.86 2.50 下地壳 0.31 2.50 上地幔 0.03 3.40

步骤2：根据实测镜质体反射率数据和地层分层数据，利用古地温梯度法计算关 键地质时期的剥蚀量；

图5A是本发明实施例的研究区沉积埋藏史示意图，如图5A所示，Pz表示古生 界，J-K表示侏罗系-白垩系，Es表示古近系沙河街组，E_d表示古近系东营组，N_g-Q 表示新近系馆陶组-第四纪。

图5B是本发明实施例的研究区的预测与实测Ro值拟合示意图，如图5B所示， E表示古近系，研究区实测镜质体反射率数据在纵向上有两期错断，这说明，研究区 曾经历过两期构造隆升事件，根据古地温梯度法计算得到，研究区在中三叠世 (220Ma)和早白垩世(110Ma)的剥蚀量分别为4000m和1500m。

步骤3：利用实测镜质体反射率模拟古地表热流。

根据钻井分层数据、剥蚀量和实测镜质体反射率(Ro)数据，利用正演法通过 不断拟合获得研究区中生代以来的古热流演化史，图5C是本发明实施例的研究区的 地表热流演化史示意图，如图5C所示，作为关键地质时期，中三叠世(220Ma)、早 白垩世(110Ma)、古近纪(40Ma)和现今的地表热流分别为52mW/m²、85mW/m²、 88mW/m²和63mW/m²。由此，图5A至图5C示出了古地表热流恢复过程。

步骤4：利用地层回剥技术构建地质历史时期各构造层分层数据。

结合前人对研究区深部地层结构的研究成果，根据剥蚀量、钻井分层数据可以得 到研究区在中三叠世(220Ma)、早白垩世(110Ma)、古近纪(40Ma)和现今的构造 层分层模型，如图6所示，图中箭头所示的方向，体现了各地质时期构造分层的进展 变化。

步骤5：结合构造层分层数据、生热率，利用式(2)计算关键时期各构造层顶 部的热流值。如图7所示，如箭头所示的方向示出了中三叠世、早白垩世、古近纪和 现今各构造层的顶部热流值分布特征，其中，q_m表示地幔顶部热流值。

步骤6：结合以上得到的数据，根据式(4)和式(5)计算得到古热岩石圈厚度。 如图8所示，T₂表示中三叠世时期地球浅部一维热传导地温线；K₁表示早白垩世时 期地球浅部一维热传导地温线；E表示古近纪时期地球浅部一维热传导地温线；现今 即现今的地球浅部一维热传导地温线。计算结果表明，研究区的热岩石圈从早中生代 至今经历了先减薄后增厚的过程。

综上所述，基于古热岩石圈厚度及演化研究存在的问题，本发明提出了一种古热 岩石圈厚度的确定方法及装置，其中涉及到的地质参数主要有地表热流、地层厚度、 生热率及热导率。生热率和热导率参数可采用现今实验测试获得的数据，古地表热流 和古地层厚度参数是计算古热岩石圈厚度的关键，本发明结合古温标法、地层回剥技 术及古地温梯度法正确恢复或模拟得到古地表热流和古地层厚度，可以得到较为准确 可靠的结果。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段 或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或 讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能， 这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料 或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示 意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或 者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发 明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。