中国大陆的热状态：从区域热背景到局部异常

《Gondwana Research》：Thermal state of continental China: from regional thermal background to local anomalies

中国地壳-地幔热流比率与热状态区划研究基于全国2337组地热流数据，划分出 crust-dominated 高温区、mantle-dominated 中低温区、平衡型低温区及平衡型中高温区四大地热区，揭示 Tibetan Plateau 厚 crust、Tengchong 火山群、东南沿海花岗岩体及华北盆地基底构造对热流分布的主控作用，为深部地热开发提供理论支撑。

　　

林文静|王亚茹|尹晓晓|刘峰|卢瑞

中国地质科学院水文地质与环境地质研究所，石家庄050061

摘要

地球的热状态通过地壳-地幔热流密度和深部温度来表征，反映了内部热能的产生和消散，对于理解地热系统的热源和地球动力学过程具有重要意义。基于中国现有的热流数据，本研究分析了地壳-地幔热流比及其空间分布，并将中国陆地划分为四个地热区域：以地壳为主的高温区、以地幔为主的中低温区、地壳-地幔平衡的低温区和地壳-地幔平衡的中高温区。本研究重点关注了四个具有代表性的地热带——青藏高原东北部、腾冲火山带、东南沿海地区和华北盆地，系统地研究了这些地区的地热场特征、热流分布和地壳热结构，揭示了关键的控制因素：青藏高原厚地壳中的低速带驱动了以地壳为主的高热流；腾冲的地热系统受局部岩浆室的控制；东南沿海地区的高产热花岗岩是主要的热源；华北盆地的“隆起-凹陷”地热异常受基底地形和深部断层的影响。该研究将深部到浅部的控制因素（地壳-地幔结构、构造热事件、岩石类型和断层结构）综合到一个多层次框架中，为中国区域热状态提供了科学依据，为地热资源勘探和热源分析提供了支持。

引言

地球的热状态是内部热分布、温度场和演化特征的全面体现，包括核心、地幔和地壳层中的温度、热源（如放射性衰变、原始残余热、潮汐摩擦）以及热传递机制（传导、对流、辐射）（Zharkov, 1985, Stéphane et al., 2016）。这种状态直接影响着板块构造、火山活动和地磁场维持等关键地质过程（Furlong and Chapman, 2013, Sun et al., 2021）。地表热流是地球热状态的关键指标，其空间分布揭示了内部动态特征——例如，高热流区（如中洋脊）对应于地幔上升和地壳增生（Hutnak et al., 2008），而低热流区（如古老克拉通）反映了稳定的冷却岩石圈（He, 2015）。热流数据进一步有助于反演内部热源分布，限制了放射性元素的丰度及其在地球演化中的作用。对地球热状态的研究为地热勘探提供了基本的理论支持。通过地表热流测量、地热梯度分析和深部热结构建模，可以阐明地热资源的分布模式，指导地热场的选址和开发，优化地热系统的开采策略（如干热岩），评估储层的可持续性，降低勘探风险，并促进地热能的高效利用（Williams, 2005, Jiang et al., 2019）。

中国的热流测量始于20世纪60年代。1988年，王和黄（Wang and Huang, 1988）编制了中国的第一份大陆热流数据集，包含167个数据点。此后，热流测量和研究活动加速进行，陆续发布了新的数据（Wang and Huang, 1990, Hu et al., 2000, Hu et al., 2001, Jiang et al., 2016）。到2024年，中国的第五版大陆热流数据集发布，共包含2337个热流测量数据（Wang et al., 2024）。尽管热流测量站点分布在中国大陆的主要构造单元中，但其空间覆盖仍然不均衡。大约75%的数据点集中在东经105°以东，中原地区、渤海沿岸和东南沿海地区的覆盖较为密集。相比之下，中国东北部、内蒙古、西藏、贵州和广西的热流数据明显较少。现有数据分析表明，中国大陆热流的空间分布主要受中新生代岩石圈构造热活动的影响。中国西南部和台湾的极高风险流（≥75 mW/m2）、东部和中部地区的较高值（65–75 mW/m2）、中南部地区的中等值（50–65 mW/m2）以及西北部的最低值（<50 mW/m2）（Wang et al., 2024）。中国大陆的平均热流为67 ± 16 mW/m2，与全球大陆平均值67 mW/m2非常接近（Lucazeau, 2019）。

近年来，受碳达峰和碳中和战略的推动，中国的地热勘探战略重点从传统的水热系统转向中高温和深部地热资源，包括干热岩（HDR）。自2018年以来，中国已在多个地区部署了一系列深部地热勘探项目，取得了一些突破：在青藏高原的贡河盆地，4000米深处发现了温度高达207°C的高温岩体；在冀东平原，4500米深处岩石温度达到157°C；在山西省大同盆地，1600米深处发现了168°C的高温流体。然而，许多其他地区的勘探结果并不理想：福建省漳州的DR1井在4000米深处仅记录到109°C的温度；山东省利金的SDGRY1井深度为2500.58米，井底温度为104.2°C；河北省沧县隆起的HBGRY1井钻至4025.82米深处，井底温度仅为107.5°C（Lin et al., 2021a）。这些混合结果表明了区域热状态研究的重要性。

本研究基于中国现有的陆地热流数据，结合构造划分和各单元的地壳分层结构，系统分析了不同地壳层的放射性热生成特征。在此基础上，我们计算了地壳-地幔热流分布，划分了中国大陆的热背景区，并选择了不同热背景区内的典型地热场进行详细的地壳热结构分析。目的是总结每个热区中的主要热控制因素。希望本研究的结果有助于科学识别地热勘探目标，并为中国深部地热资源的可持续发展提供理论基础。

章节摘录

中国大陆的热流数据

本研究的基础热流数据来源于中国第五版大陆热流数据库（Wang et al., 2024），包含2,337个热流数据点。其中，A类、B类、C类和D类数据的比例分别为35.4%、40.9%、18.7%和5.0%。本研究对这些热流值进行了统计分析，排除了某些异常值和低质量数据点，以便进行全国性地壳-地幔热流分析。

中国大陆的地壳-地幔热流比

基于陆地热流分布、地壳分层结构以及中国大陆不同构造块的地壳热生成率统计结果（补充表I），计算出了地壳-地幔热流比。结果如图1所示，其分布具有显著的空间异质性。最显著的是中国西南部的青藏高原，该地区的热流值异常高（通常≥2.7）。

中国大陆的热状态分区

近年来，中国在中高温地热系统的勘探方面取得了重大突破。在青海省贡河盆地、华北盆地的马头营隆起和海南省浮山凹陷深处相继发现了干热岩（Lin et al., 2026）。此外，在山西省大同地区钻探到了中国东部最高温度的地热资源（Zhou et al., 2022）。

结论

基于中国最新的热流数据库和各地区的近期地热勘探案例，本研究通过整合不同构造块中地壳层的放射性热生成率，系统计算了中国大陆的地壳-地幔热流比。创新性地根据这一比例和中国的地热资源分布特征，划分出了四个地热背景区：

以地壳为主的地热区（q_c/q_m ≥ 2.7）

未引用的参考文献

Lin and Yin (2022).

CRediT作者贡献声明

林文静：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。王亚茹：可视化、软件、调查、正式分析、数据管理。尹晓晓：可视化、软件、正式分析、数据管理。刘峰：调查、正式分析、数据管理。卢瑞：监督、调查、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFB1507401）、青海省清洁能源矿产专项项目（编号：2022013004qj004）和中国地质调查局的地质调查项目（编号：DD20221676、DD20230019）的支持。感谢两位匿名审稿人和编辑的宝贵意见。