Estructura térmica de la sección geológica Manzhouli-Suifenhe en China.
(Universidad de Ciencia y Tecnología de Changchun, Jilin 130026)
Ehara Sachio (Kawahara Yukio)
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Kyushu, Fukuoka, Japón)
Xu Huiping
(Universidad de Ciencia y Tecnología de Changchun, Jilin 130026)
A lo largo de la sección geológica Manzhouli-Suifenhe de oeste a este, el calor los valores de flujo cambian de la siguiente manera: la montaña Getu en Wengzhong, al suroeste de Manzhouli, pertenece a Egipto. El terreno Ergong es de 30 mw/m2; el promedio de 18 valores de flujo de calor en la cuenca de Hailar es de 59 mw/m2; Los valores medidos en el área de Duobaoshan del terreno de la Gran Cordillera Khingan son 40 mW/m2. El promedio de nueve valores de flujo de calor en la cuenca de Songliao es de 70 mw/m2; el área de Fujin del Jiamusi Terrane es de 47 mw/m2 y el promedio de tres valores medidos en la cuenca de Jixi es de 54 mW/m2. Los resultados muestran que el valor del flujo de calor es mayor en la cuenca, mientras que el valor del flujo de calor es menor en las zonas montañosas y terrenos antiguos (terreno Elgon y terreno Jiamusi). A lo largo de la sección geológica, el valor del flujo de calor tiene una buena correspondencia con la superficie de Moho y la profundidad de enterramiento de la capa de alta conductividad en la corteza y el manto superior. Según la teoría de Cermak y Rybach, la conversión de la velocidad de la onda P en densidad de generación de calor se calculó basándose en los datos de refracción. Los resultados del cálculo se utilizan para estimar los componentes del flujo de calor de cada corteza y manto. Este resultado también ilustra las diferencias en el flujo de calor del manto en diferentes topografías a lo largo de la sección. El flujo de calor del manto cambia de oeste a este: el terreno Elgon es de 23 mW/m2, la cuenca de Hailar es de 33 mW/m2, la cordillera del Gran Khingan es de 33 mW/m2, la cuenca de Songliao es de 50 mW/m2 y el terreno de Jiamusi es de 25 mW/m2. m2. Esto muestra que el valor del flujo de calor del manto de los antiguos terrenos Ergon y Jiamusi es muy bajo, mientras que el valor del flujo de calor del manto de las cuencas Songliao y Hailar y la Gran Cordillera central de Khingan es muy alto. Se puede concluir que las diferencias en la estructura térmica de la corteza y el manto superior en diferentes terrenos en el dominio del perfil conducen a cambios en la distribución del flujo de calor. Los resultados del cálculo muestran que el flujo de calor del manto y las partes superior e inferior de la capa de 10 km de la corteza contribuyen de manera diferente al flujo de calor de la superficie.
Manto geotérmico, estructura geotérmica, estructura del terreno
1 Introducción
El perfil de flujo de calor obtenido en este estudio es casi paralelo al perfil de GGT de Manzhouli a Suifenhe en el noreste de China. Estos datos del flujo de calor se pueden utilizar para determinar la estructura térmica, la evolución térmica y los procesos dinámicos profundos del área, y también se pueden utilizar para explicar la estructura de la corteza y el manto superior.
El flujo de calor representa el flujo de calor liberado a través de la corteza y la superficie terrestre por unidad de área y unidad de tiempo. El tamaño del flujo de calor está estrechamente relacionado con los procesos térmicos profundos, los procesos dinámicos profundos y la estructura de la corteza terrestre y el manto superior. El estudio de la distribución del flujo de calor no sólo puede dilucidar la estructura térmica y los procesos térmicos de la corteza terrestre y el manto superior, sino también revelar el origen de las estructuras geológicas, especialmente las estructuras de cuenca. Este estudio también proporciona limitaciones para determinar la temperatura paleogeotérmica de la cuenca relacionada con el desarrollo de petróleo y gas, y proporciona datos importantes para el desarrollo y utilización de la energía geotérmica en la región.
Medición de temperatura del Pozo 2
2.1 Área de Jintag Tushan cerca de Manzhouli
La medición de temperatura en esta área se llevó a cabo en dos pozos de exploración de metales (No. 6501 y 6502 ), estos dos pozos han estado inactivos durante varios meses después de la perforación, por lo que se puede considerar que la temperatura en los pozos está cercana al equilibrio. La profundidad máxima de medición de temperatura del Pozo 6501 es de 120 m, la sección de gradiente de temperatura lineal está entre 70 y 120 m, y el gradiente geotérmico es de 1,00 ℃/100 m. La profundidad máxima de medición de temperatura del Pozo 6502 es de 70 m, y la sección de gradiente de temperatura lineal. está entre 60 y 70 m. El gradiente geotérmico es de 1,00 ℃/100 m (Figura 1). La distancia entre los dos pozos es de sólo unos 50 m y la diferencia de altura entre las bocas de los pozos es de 10 m, por lo que la profundidad de la sección del gradiente lineal de temperatura entre los dos pozos es casi la misma.
2.2 Área de la mina de cobre Duobaoshan, distrito de Nenjiang, provincia de Heilongjiang
Se realizaron mediciones de temperatura en seis pozos exploratorios. Debido al largo tiempo transcurrido desde su finalización (aproximadamente 10 años) [5], estos pozos han alcanzado completamente temperaturas de equilibrio y, por lo tanto, son pozos ideales para mediciones de flujo de calor. Los números hash son ZK757, ZK709, ZK819, ZK716, ZK856 y ZK842. Las profundidades máximas de medición de temperatura de los pozos antes mencionados son 90 metros, 235 metros, 70 metros, 80 metros, 370 metros y 400 metros respectivamente. La profundidad inicial de la sección de pendiente lineal es de 30 ~ 40 m. El gradiente geotérmico obtenido está entre 1,10°C/100m y 1,40°C/100m. Las curvas de temperatura-profundidad de los pozos ZK709, ZK856 y ZK842 se muestran en la Figura 1.
Figura 1 La relación temperatura-profundidad de los pozos 6501, 6502, ZK842, ZK856, ZK709, agua 2, 90-agua 13, 93-156.
2.3 Cuenca de Jixi, provincia de Heilongjiang
Cada año se perforan muchos pozos exploratorios en esta zona, entre los que se seleccionan los pozos 90-Shui 13, Shui 2 y 93-156 para mediciones geotérmicas. . El pozo Shui 13 de 90 años ha sido perforado durante varios años y el pozo Shui 2 ha estado inactivo durante tres meses. Por lo tanto, se puede considerar que las temperaturas de estos dos pozos están en equilibrio. El tiempo de estabilización del Pozo 93-156 después de la perforación fue de sólo 55 horas. Las profundidades máximas de medición de temperatura del Pozo 90-Shui 13, Pozo Shui 2 y Pozo 93-156 son 410 m, 390 m y 500 m respectivamente, y los perfiles de gradiente lineal de temperatura son 170 ~ 370 m ~ 370 m, 150 ~ 390 m y 65438 respectivamente. -Shui 13. La relación temperatura-profundidad del Pozo Shui 2 y el Pozo 93-156 se muestra en la Figura 1.
3 Medición de conductividad térmica
Tomar 4 muestras de núcleos del pozo 6501 en Manzhouli, pozos ZK842, ZK856, ZK525, 93-15, 88-Shui 4, Shui 2 y 93-156. Tome 8, 5, 5, 3, 4 y 5 núcleos respectivamente. El Laboratorio Geotérmico del Instituto de Geología de la Academia de Ciencias de China utilizó el método de fuente de calor de anillo para medir los datos de conductividad térmica de estas muestras de núcleos. Los resultados se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1 Resultados de la medición de la conductividad térmica del núcleo
Continuación
3.1 Determinación del valor del flujo de calor
El valor del flujo de calor se calcula mediante el siguiente fórmula
Estructura litosférica y efectos profundos
Donde q es el flujo de calor (mW/m2), k es la conductividad térmica [w/(m℃)], dT/dz es el gradiente de temperatura (C/100 m). Los gradientes de temperatura de las secciones geotérmicas que cambian linealmente de los pozos 6501, ZK842, ZK856, ZK709, 90-Shui 13, Shui 2 y 93-156 son 1,0 ℃/100 m y 65438, respectivamente. C/100 m, 2,9 ℃/100 m. Utilizando la conductividad térmica medida anteriormente, el flujo geotérmico se calcula mediante la fórmula (1). Los resultados del cálculo del valor del flujo de calor son los siguientes: Pozo 6501 30 MW/m2, Pozo ZK842 40 MW/m2, Pozo ZK856 41 MW/m2, Pozo ZK709 40 MW/m2, Pozo 90-Shui 13 57 mW/m2, Pozo Shui 2 77MW/m2 . Los datos básicos de conductividad térmica del pozo ZK709 adoptan los datos del pozo ZK525, que está a solo 200 metros de distancia.
A lo largo del perfil GGT, hay 8 y 10 valores de flujo de calor en la cuenca de Hailar [5] y la cuenca de Songliao [12, 13] respectivamente. La Tabla 2 enumera todos los valores de flujo de calor anteriores. La distribución del flujo de calor se muestra en la Figura 2.
3.2 Cálculo de la distribución vertical de la tasa de generación de calor en la corteza terrestre
Para establecer un modelo de estructura geotérmica a partir de datos de flujo de calor, el autor analizó el método propuesto por Cermak [2 ~ 4] y Rybach [9] La teoría de la relación estadística entre la velocidad de la onda sísmica y la tasa de generación de calor. Basándose en esta teoría, los autores calcularon la conversión de la velocidad de la onda P refractada en tasa de generación de calor. Los resultados pueden utilizarse para estimar los componentes del manto y la corteza terrestre del flujo de calor dentro de la Tierra.
En cinco regiones diferentes, la relación VP-A se utiliza para los cálculos de conversión. Son el área de la montaña Getu de Jinta, la cuenca de Hailar, el área de Duobaoshan, las cuencas de Anda y Jixi cerca de Manzhouli (Figuras 3, 4, 5, 6 y 7).
Tabla 2 Recopilación de datos de flujo de calor en y cerca de la sección transversal
Nota: Los datos entre paréntesis se refieren al número de muestras.
Fig. 2 Distribución de los puntos de medición del flujo de calor (△)
Fig. 3 Conversión de la velocidad de la onda sísmica y la tasa de generación de calor en el área de la montaña Urn Getu.
Figura 4 Conversión de velocidad de onda sísmica-tasa de generación de calor en la cuenca de Hailar
Figura 5 Conversión de velocidad de onda sísmica-tasa de generación de calor en el área de Duobaoshan
Figura 6 Sísmica Velocidad de onda en el área de Anda - Diagrama de conversión de tasa de generación de calor
Figura 7 Conversión de velocidad de onda sísmica-tasa de generación de calor de la cuenca Jixi
Estructura térmica de la corteza y el manto superior
4.1 Estado de equilibrio Estructura térmica unidimensional
Utilizando la ecuación de conducción de calor de equilibrio unidimensional, se pueden obtener los componentes de temperatura y flujo de calor, como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Flujo de calor del manto y otros parámetros
4.2 Estructura térmica de equilibrio bidimensional
Sabemos que la simulación bidimensional de elementos finitos se utiliza para estudiar la Estructura térmica de la corteza y el manto superior Una poderosa herramienta, el estudio de la distribución bidimensional de la temperatura en perfiles GGT no es una excepción. La única diferencia son los parámetros utilizados en el cálculo. Debido a la incertidumbre de los parámetros cinemáticos de toda la placa euroasiática, la placa del Pacífico y varios terrenos en el perfil, como la velocidad de convergencia de las placas, la velocidad de movimiento de las fallas, la tasa de erosión, el acortamiento, el engrosamiento y el estiramiento de las placas, etc., bidimensionales. Simulación de elementos finitos Sólo para condiciones de estado estable.
La simulación bidimensional de elementos finitos se utiliza principalmente para revelar la estructura térmica bidimensional de la corteza terrestre y el manto superior. A partir del modelo estructural obtenido por métodos geológicos y geofísicos se estableció un modelo de cálculo simplificado. La estratificación en el modelo simplificado se basa en capas sísmicas refractivas y reflectantes, capas sedimentarias, basamento cristalino y Moho. Se consideraron diferentes terrenos (terrenos Ergon, Gran Cordillera Khingan, Jiamusi y Xingkai) y cuencas (cuencas de Hailaer y Songliao).
La ecuación bidimensional de elementos finitos es
Estructura litosférica y efectos profundos
donde p es la densidad, c es la capacidad calorífica específica, κ es la conductividad térmica, y a es la tasa de generación de calor. Si se considera el estado estacionario y la temperatura no cambia con el tiempo, la ecuación se simplifica a
Estructura litosférica y efectos profundos
Esta fórmula también se puede expresar minimizando el siguiente funcional:
Estructura litosférica y efectos profundos
Donde I es la función energética, S es el área de estudio, τ es el límite regional, qn es el flujo de calor a través del límite, κ es la temperatura térmica conductividad, y A es la tasa de generación de calor. Según estas ecuaciones, si se conocen κ, a y las condiciones límite, se puede calcular la distribución de temperatura. Los resultados se muestran en la Figura 8.
Figura 8 Distribución vertical de temperatura en la sección Manzhouli-Suifenhe
La unidad de la isolínea en la figura: °C
5 Conclusión y discusión
Flujo de calor Los cambios de oeste a este a lo largo del perfil son los siguientes: el área de la montaña Getu en la urna suroeste de Manzhouli, que pertenece al terreno Elgon, es de 30 mw/m2 con un valor promedio de flujo de calor de 18 pulgadas; la cuenca de Hailar es de 59 mw/m2; los tres valores de flujo de calor en el área de Duobaoshan del terreno de Daxinganling son El valor promedio medido es de 40 MW/m2. El promedio de nueve valores de flujo de calor en la cuenca de Songliao es de 70 mw/m2; el Jinxiu en el terreno de Jiamusi es de 47 mw/m2 y el promedio de tres valores medidos en la cuenca de Jixi es de 54 mW/m2. La variación del flujo de calor a lo largo de la sección transversal se muestra en la Figura 9. Se ha reconocido que la medición del flujo de calor está limitada por la distribución de los pozos disponibles para mediciones de temperatura. Los valores del flujo de calor en las áreas de Daxinganling y Zhangguangcai Ridge cerca de esta sección son escasos, por lo que el valor del flujo de calor en esta sección está representado por una línea de puntos en la Figura 9. El valor del flujo de calor es alto en la cuenca, pero el valor del flujo de calor en la zona montañosa y el terreno antiguo (terrenos Elgon y Jiamusi) es bajo.
La densidad del flujo de calor está estrechamente relacionada con la profundidad de enterramiento de la superficie de Moho. La regla general es que valores elevados de flujo de calor corresponden a profundidades de Moho poco profundas [1]. La superficie Moho de esta sección se obtuvo mediante estudio sísmico de refracción [7]. Tiene unos 40 km de profundidad en el terreno Ergon en el oeste, 37 km de profundidad en la cuenca de Hailar, 33 km de profundidad en la cuenca de Songliao y 33 km de profundidad en el terreno de Jiamusi. en el este a unos 39 km de profundidad. El flujo de calor anterior está directamente relacionado con la profundidad de la superficie de Moho (Fig. 9). Estas relaciones también se encuentran fácilmente en otras partes de China [6].
La densidad del flujo de calor también está estrechamente relacionada con la profundidad de entierro de la capa de alta conductividad de la corteza terrestre (CHCL) y la capa de alta conductividad del manto superior (UMHCL). Esta relación se muestra en la fórmula empírica de Adam: h=h0q-a, donde h es la profundidad de enterramiento de la capa de alta conductividad, q es el valor del flujo de calor estructural, h0 y el índice a son parámetros que representan los atributos estructurales de un área determinada. . La Figura 9 también muestra los cambios en la profundidad de entierro de la capa de alta conductividad en la corteza y el manto obtenidos mediante sondeos magnetotelúricos. Las fluctuaciones en los valores del flujo de calor en las áreas de la Gran Cordillera Khingan y la Cordillera Zhangguangcai, que carecen de puntos de medición del flujo de calor, son causadas por cambios en la profundidad del Moho y las capas de alta conductividad en la corteza y el manto.
Obviamente, existen diferencias evidentes en la distribución del flujo de calor entre la cuenca de Songliao y la cuenca de Hailar. El valor del flujo de calor de la cuenca de Songliao es mayor que el de la cuenca de Hailar y supera el promedio mundial (63 mW/m2) [8]. Esto significa que los mecanismos de formación y las características estructurales de las dos cuencas son muy diferentes. La causa del alto flujo de calor en la cuenca de Songliao no sólo está relacionada con la superficie de Moho y el levantamiento del manto superior, sino también con los siguientes tres factores [13]. En primer lugar, el basamento de la cuenca de Songliao está ampliamente distribuido con granitos de Caledonia, Hercinia y Yanshan, con una alta tasa de generación de calor. En segundo lugar, la cuenca de Songliao es un componente del sistema de Rift de la Cuenca del Pacífico en el este de China y es una depresión de rift. cuenca, la extensión de su corteza conduce a una mayor actividad térmica.
En tercer lugar, la cuenca de Songliao es una cuenca cerrada de detención de inundaciones sin área de drenaje. El agua subterránea fluye lentamente, con un caudal promedio de sólo 6,1 mm/a. Es difícil disipar una gran cantidad de calor, especialmente debido a la gran superficie. Lutolita gruesa formada por la rápida intrusión de los lagos, que recoge el calor y lo aísla. El rendimiento es bueno, por lo que la energía térmica de las profundidades se conserva mejor.
Figura 9 Cambios en el flujo de calor geotérmico y el flujo de calor del manto a lo largo del perfil y la estructura geológica.
Fractura F1-Dergan; falla F2-Nenjiang; falla F3-Chiayi; falla F4-Mudanjiang; falla F5-Dunmi
Los resultados del cálculo también muestran que dentro del dominio de la sección, La magnitud del flujo de calor del manto es diferente entre las unidades tectónicas terrestres. De oeste a este, sus valores cambian de la siguiente manera: Ergon Terrane 23 mW/m2, Cuenca Hailar 33 mW/m2, Gran Cordillera Khingan 33 mW/m2, Cuenca Songliao 50 mW/m2, Jiamusi Terrane 25 mW/m2. Se puede ver que el valor del flujo de calor del manto de terrenos antiguos como Elgon y Jiamusi es muy bajo, el valor del flujo de calor del manto de la cuenca Songliao es muy alto y el valor del flujo de calor del manto de la cuenca Hailar y la Gran Cordillera Khingan es muy bajo. Por lo tanto, se puede considerar que la diferencia en la estructura térmica corteza-manto conduce a una distribución diferente del flujo de calor terrestre en diferentes unidades tectónicas dentro del dominio del perfil. De los resultados del cálculo se puede ver que el flujo de calor del manto de diferentes unidades tectónicas terrestres y las partes superior e inferior de la corteza a una profundidad de 10 km contribuyen de manera diferente al flujo de calor de la superficie.
Las dos grandes cuencas, la cuenca de Songliao y la cuenca de Hailar, pertenecen a dos tipos en perfil y son muy diferentes en cuanto a la forma del flujo de calor del manto y la estructura térmica de la corteza terrestre. El flujo de calor del manto en la cuenca de Songliao es de 50 mW/m2, lo que representa aproximadamente el 60 % del flujo de calor de la superficie, mientras que en la cuenca de Hailar es de 33 mW/m2, lo que representa aproximadamente el 52 % del flujo de calor de la superficie. La gran diferencia entre ambos indica que la estructura térmica del manto superior en las dos cuencas es muy diferente. La diferencia en la estructura térmica de las dos cuencas está relacionada con la posición estructural. Según un reciente estudio comparativo de la estructura del manto y la historia de inserción de placas revelado por estudiosos japoneses mediante tomografía de ondas sísmicas [10], cuando la placa "fría" insertada en el Pacífico desciende del manto superior al manto inferior, para compensar para su parte descendente, debe haber una pluma de manto "caliente" que se eleva desde el manto inferior hasta el manto superior. El ascenso de esta columna de manto "caliente" puede ser la causa fundamental del flujo de calor anormalmente alto en la cuenca de Songliao. A juzgar por la estructura térmica de la corteza mostrada en los resultados del cálculo, la contribución de la corteza superior de 10 km de profundidad de la cuenca Songliao (22,2 mW/m2) es mucho mayor que la de la parte inferior (8,8 mW/m2), mientras que la Las contribuciones de las partes superior e inferior de la cuenca de Hailar son 15,8 mW/m2 respectivamente. Esto muestra que el grado de enriquecimiento de elementos radiactivos en la corteza de la cuenca de Songliao es mayor que el de la cuenca de Hailar. Es decir, desde la perspectiva de la distribución de la litología en la corteza, el grado de diferenciación de las rocas ácidas, básicas y ultrabásicas. La cuenca de Songliao es más alta que la de Hailar. La situación anterior es consistente con el hecho de que el granito extremadamente grueso se distribuye en un rango de profundidad de 5 a 13 km por debajo de la cuenca Songliao [13].
Nos gustaría agradecer al académico Wang Jiyun y al investigador Shen Xianjie del Instituto de Geología de la Academia China de Ciencias por su orientación y ayuda, y también agradecer al profesor Shi Yaolin de la Escuela de Graduados de la Academia China de Ciencias. Sciences por su ayuda en los cálculos bidimensionales de elementos finitos. En el proceso de completar el manuscrito en inglés, el profesor asociado brindó su ayuda entusiasta y también me gustaría expresar mi gratitud.
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