干热型地热资源作为一种新型的地热资源形式，其赋存状态表现为不含水或含少量水的高温岩体，是一种稳定的、发展前景广阔的新型清洁能源（郭森等，2015；王坤，2019；白奋飞等2023）。中国地热资源蕴藏丰富，其中印度–欧亚板块俯冲碰撞过程造就了青藏高原广阔的构造变形区域，强烈的构造活动使得该地区具有较高的热背景，是重要的高温热异常分布带，孕育了诸如羊八井、羊易等高温地热田（赵振明等，2005；严维德等，2013）。青海省共和盆地位于青藏高原东北缘，区域地质活动丰富，为干热岩的形成创造了良好的条件（薛建球等，2013；王贵玲等，2017；张森琦等，2018；许天福等，2018；毛翔等，2019）。自2017年在共和盆地恰卜恰3705 m深处钻获236 ℃高温干热岩体以来，区域内干热岩资源的调查评价成为了研究热点。因此，研究共和盆地构造格架与干热岩成热模式，对地热资源勘探具有重要意义。

目前，关于干热岩的区域性热源还存在不同的认识。张超等（2018）根据共和–贵德盆地周边出露的花岗岩样品放射性生热率测试结果，认为研究区花岗岩的放射性生热率较低，不是引起局部高热异常的主要原因，而位于上地壳内深部异常热源体（岩浆囊）才是共和盆地高温热异常的主要原因。唐显春等（2020）认为新生代中–下地壳发育高温低速高导层是主要热源，中晚三叠世花岗岩是良好的导热和储热体，新生代低热导率沉积岩是良好的盖层。侯增谦等（2021）研究认为印度大陆岩石圈地幔俯冲触发了亚洲大陆软流圈涌动，沿后陆区若干地幔通道垂直上涌，热蚀并吞噬地幔岩石圈，直抵地壳底部。这些“地幔通道流”源于400 km深处，不仅为维持青藏高原隆升提供了深部热能，而且为高原地壳生长输送了新生幔源物质，同时引发中下地壳塑性流变和侧向流动，并驱动青藏高原向NE方向侧向生长。张超等（2018）通过对DR3、GR2和GR1等3口干热岩钻孔进行温度测量，认为钻孔内井液温度与地层温度基本达到热平衡状态，但也有学者认为新生代以来，印度板块与欧亚板块发生持续性的陆–陆碰撞，整个青藏高原整体被不断抬升，地壳受SN向挤压而发生水平缩短与垂向增厚，增厚的地壳使得青藏地区岩石圈发生强烈的挠曲变形，打破了岩石圈–软流圈边界的原始热平衡状态，局部软流圈发生对流，热的地幔物质向上运移并加热和侵蚀岩石圈底部，导致岩石圈底部发生熔融减薄，从而使得部分地区地幔热贡献量增加（沈显杰等，1992）。

前人关于共和盆地干热岩的区域性热源起因主要有4种观点：①花岗岩放射性生热率局部高异常（Chen et al.，2009；唐显春等，2020）。②典型的传导型热储，热源来自深部，通过断裂传导至浅部（张森琦等，2018；Gao et al.，2020）。③深部异常热源（岩浆囊）（沈显杰等，1990；Springer，1999；张超等，2018）。④热的地幔物质向上运移加热和侵蚀岩石圈底部，导致岩石圈底部发生熔融减薄，使得部分地区地幔热贡献量增加（沈显杰等，1992；Feng et al.，2018）。基于区域重力、航磁数据建立盆地的构造格架和断裂系统，通过兴海–共和–湟源部署的超低频大地电磁测深剖面、区域重力剖面研究共和盆地深部的电性结构和密度结构特征，综合分析共和盆地干热岩的区域热源成因。

1.   区域地质概况

研究区共和盆地位于青藏高原东北缘，为中生代－新生代发展起来的菱形断陷盆地。盆地北侧以青海南山断裂与祁连造山带相接，南侧以阿尼玛卿缝合带与松潘–甘孜块体相邻，东西两侧分别以多禾茂断裂和瓦洪山断裂与西秦岭和东昆仑造山带相接（孙知新等，2011；薛建球等，2013；王斌等，2015）。大地构造位置上，共和盆地处于中央造山带秦岭–祁连–昆仑褶皱系、中东昆仑与西秦岭造山带的交接转换部位（石宝颐等，1982；刘春雷等，2022）（图1）。盆地周缘西秦岭、南祁连及东昆仑造山带经历了新元古代、古生代、早中生代和晚中生代4期显著的岩浆作用。共和盆地位于宗务隆–泽库岩浆岩带的青海湖南山–泽库亚带内（张雪亭等，2007）。该岩浆岩带以发育中—晚三叠世俯冲–碰撞–造山后中酸性岩浆岩为特征，花岗岩多呈带状或断续的长条状、椭圆状分布，侵位时代主要为中—晚三叠世，主要岩性为辉长岩–闪长岩–花岗闪长岩–二长花岗岩–正长花岗岩（张森琦等，2018）。印支期岩浆岩广泛发育，共和县恰卜恰地区10余眼钻遇花岗岩。基底的地热井钻探资料显示，不同类型源岩的花岗质岩浆在印支期间隔较短地多次集中侵入、反复套叠或叠置，形成的复式花岗岩岩基构成了共和盆地基底的主要组成部分。

图  1  共和盆地大地构造位置（据贠晓瑞等，2020）

Figure  1.  The geotectonic location of Gonghe basin

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2.   重力、磁力异常特征及构造格架

2.1   共和盆地及周缘重、磁力异常特征

共和盆地及其周缘布格重力异常（图2）资料的比例尺为1∶25万。研究区内布格重力异常值的变化总趋势是由西向东、从南向北，异常值逐渐增大，在不同地区重力场特征有所不同。最高值位于测区内东北部西宁市–海晏县一带，最低值位于西南角一带，重力差达161 mGal。重力场主要分为鄂拉山重力低异常区、茶卡–共和–贵德县重力异常区、青海湖–西宁市高重力异常区。茶卡–共和县–贵德县沿线北侧布格重力场为一巨型梯级带；在茶卡镇西南–温泉乡重力场走向开始发生转变，由NWW向转为NNE向，布格重力异常上表现为梯级带与地质上的瓦洪山断裂相吻合。布格重力异常走向主要以NW向为主，该方向反映了工作区受西秦岭造山带构造的影响较大（冯治汉等，2018；杜威，2018；张森琦等，2020）。

图  2  共和盆地布格重力异常

Figure  2.  Bouguer gravity anomaly in Gonghe basin

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共和盆地及其周缘航磁化极异常（图3）资料的比例尺为1∶10万。研究区内化极磁异常显示共和盆地北部的青海南山–拉脊山呈正、负相伴的宽缓异常或串珠状异常，场值较高；南西部鄂拉山一带正、负异常伴生，强度高；青海南山及其以北地区以团块状、条带状、环状异常为主，异常幅值较高；共和盆地呈大面积宽缓低值的弱磁异常区，场值由西向东缓慢增高，大面积的平缓弱磁异常可能反映了盆地具有弱磁性的下元古界基底且埋藏过深等信息，或者可能与深部热力因素导致磁性矿物的消磁作用有关（冯治汉等，2018；杜威，2018；张森琦等，2020），暗示深部发育有高温地质体或存在部分熔融层。

图  3  共和盆地化极磁力异常

Figure  3.  Reduction-to-pole magnetic anomaly in Gonghe basin

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2.2   共和盆地断裂构造格架

利用重、磁力异常识别断裂的方法技术有多种，笔者采用重力异常归一化总水平导数垂向导数技术（NVDR-THDR）（Wang et al.，2009；何涛等，2019；Zhu et al.，2021）、剩余布格重力异常计算技术和重磁异常融合方法（鲁宝亮等，2020）对共和盆地及其周缘断裂平面位置进行识别。断裂平面位置的主要识别标志为布格重力异常NVDR-THDR（图4）极大值连线或极大值错断位置，在布格重力异常NVDR-THDR的极大值连续性较差的地方，需结合重磁融合异常特征（图5）、剩余布格重力异常和剩余化极磁力异常零直线位置（图6）进行判断。剩余布格重力异常和剩余化极磁力异常是利用最小曲率位场分离方法（纪晓琳等，2015）对布格重力异常和化极磁力异常进行位场分离计算得到的。断裂的平面位置位于真实断裂的倾向一侧。

图  4  共和盆地布格重力异常NVDR-THDR

Figure  4.  NVDR-THDR of Bouguer gravity anomaly in Gonghe basin

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图  5  共和盆地重磁融合异常

Figure  5.  Gravity and magnetic fusion anomaly in Gonghe Basin

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图  6  共和盆地剩余布格重力异常和剩余化极磁力异常

a. 剩余布格重力异常；b. 剩余化极磁力异常

Figure  6.  Residual gravity anomaly of Gonghe basin

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综合前人断裂研究成果，本次在共和盆地及其周缘识别出了断裂20条（图4），其中有11条断裂为前人已经识别的断裂（F1-1～F1-11），9条断裂为本次识别的隐伏断裂（F1-12～F1-20）。断裂属性统计表见表1和表2。根据图4和图5可以看出共和盆地及其周缘断裂走向以NW和NWW向为主，其次为NNE、NE向。在识别出的断裂构造中，NWW向断裂（F1-1～F-4）与NNE向断裂（F1-13～F1-15）规模大、延伸较长，控制着盆地的构造和演化，对构造分区、岩浆活动、变质程度等有明显的控制作用，可能对深部岩体的形成和热流上涌有一定的控制作用。

表  1  共和盆地控盆断裂属性统计表

Table  1.  Statistical table of basin-controlling fault attributes in Gonghe basin

编号	名称	走向	位置	性质	长度 （km）	段数 （个）
F1-1	青海南山断裂	NWW	北部	挤压	152	3
F1-2	青海南山南缘断裂	NWW	中部	挤压	188	3
F1-3	哇玉香卡–贵南断裂	NW	中部	走滑	283	4
F1-4	贵南南山南缘断裂	NW	西南部	走滑	206	4
F1-5	瓦洪山断裂	NW	西南部	挤压	128	2
F1-6	瓦洪山南缘断裂	NW	西南部	挤压	120	3
F1-7	拉脊山东缘断裂	NW	东北部	挤压	158	3
F1-8	拉脊山断裂	NW	东北部	挤压	206	3
F1-9	瓦里贡山断裂	NNW	东北部	挤压	123	1
F1-10	多禾茂断裂	NNW	东南部	挤压	63	1
F1-11	贵南南断裂	EW	东南部	挤压	195	1
注：王洪等（2021）给出了研究区的应力情况，笔者依据此应力分布推断了断裂的性质。

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表  2  共和盆地隐伏断裂属性统计表

Table  2.  Statistical table of buried fault attributes in Gonghe basin

编号	走向	位置	性质	长度（km）	段数（个）
F1-12	NNW	西南部	挤压	101	1
F1-13	NNE	北西部	走滑	138	1
F1-14	NNE	北西部	走滑	187	1
F1-15	NE	中部	走滑	271	1
F1-16	NNE	中部	走滑	71	1
F1-17	NNE	中部	走滑	73	1
F1-18	NWW	东南部	挤压	82	3
F1-19	NNE	东部	走滑	120	1
F1-20	NW	东北部	挤压	41	1
注：王洪等（2021）给出了研究区的应力情况，笔者依据此应力分布推断了断裂的性质。

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（1）青海南山断裂（F1-1）构成南祁连构造带与青海南山构造带的分界断裂。区域上，西起土尔根大坂，东经宗务隆山、青海湖南缘、武山至宝鸡与华北克拉通西南缘断裂交汇，走向NWW向，为一条自西向东逐渐变深的超岩石圈断裂。在剩余布格重力场中该断裂沿青海湖重力高异常展布，在剩余化极磁力异常上断裂两侧表现出“南高北低”的特征。重磁异常融合结果上则表现为地下异常体不同物性的分界断裂，与青海南山南缘断裂（F1-2）一同控制着共和盆地西北部的构造演化。

（2）青海南山南缘断裂（F1-2）近EW向展布于青海南山南缘的文巴地–千卜禄寺–恰藏一线，走向NWW。在航磁ΔT化极异常图上，断裂北侧以波动变化磁场背景上叠加团块状、条带状、孤立点状异常为特征；南侧大部分为平缓变化的负磁场。在剩余布格重力异常图上，断裂反映为北高南低的负重力梯度带，表明该断裂两侧基底北高南低，控制两侧地层与岩体分布。重磁异常融合结果上断裂两侧表现出明显的不同物性特征，北侧为高密度、高磁性地层，南侧为低密度、低磁性地层，这说明该断裂是共和盆地北侧的边界断裂。

（3）哇玉香卡–贵南断裂（F1-3）位于共和盆地南西缘山前地带，为一隐伏断裂。断裂西起茶卡南，向南东大致沿丘陵与洪积台地边缘，经哇玉香卡农场北侧、新哲农场南侧展布。该断裂具切割较深、活动历史较长、方式复杂多变、现代活动强烈等特点。断裂总体走向NWW向，性质为一逆冲兼右行走滑断裂。该断裂东南段在剩余化极磁力异常上表现不明显，说明此处深部热活动较弱。在剩余布格重力异常图上，断裂位于不同异常特征的分界处，北侧为共和盆地低重力异常带，南侧为高重力异常带。重磁异常融合结果上断裂北侧为共和盆地低密度、低磁性凹陷地层，南侧为高密度、低磁性隆起地层。该断裂与贵南南山南缘断裂（F1-4）一同控制着共和盆地东南部边界的构造演化。

（4）贵南南山南缘断裂（F1-4）为一条NW向走滑活动断层。重力异常特征表现为北高南低，由于该断裂倾向为NE，因此断裂两侧北高南低的重力异常特征说明断裂上盘向NE方向逆冲，即该断裂不仅是一条走滑活动断层，同时兼具逆冲特性。与贵南隐伏断裂（F1-3）类似，断裂东南段在剩余化极磁力异常上也表现不明显。在重磁异常融合结果上断裂两侧也表现出不同的物性特征，北侧为高密度、低磁性隆起地层，南侧为低密度、低磁性地层。同时该断裂是共和盆地南侧边界断裂，控制着共和盆地西南部边界的构造演化。

（5）NNE向隐伏断裂（F1-13～F1-15）的识别依据主要是基于重力异常、磁力异常以及重磁融合异常的错断特征。在布格重力异常上NVDR-THDR和剩余布格重力异常上F1-13～F1-15对异常的错断尤为明显。实际上共和盆地受NE方向的挤压应力作用，形成一系列的NW向断裂，那必然在NW方向上会存在剪贴应力，形成一系列具有走滑特征的NE向走滑断裂。在重磁异常融合结果上物性向NE方向的错断特征也能说明这一点。

3.   基于重力和电法剖面的共和盆地干热岩热源分析

干热岩是地热能的载体之一，一般为温度大于150 ℃、埋深数千米、内部不含流体或仅有少量流体的高温岩体。干热岩地热藏的关键因素主要包括高异常热源、低热导率（＜2 W/（m·K））的保热盖层及高导热性的储层。共和盆地处于秦祁昆结合部，构造十分发育且复杂，具有局部高大地热流及高地温梯度，是中国大陆平均值的两倍；在盆缘边界断裂带有多处温泉出露，已在恰卜恰及扎仓寺等地多口钻井钻遇盆地基底印支期花岗岩类干热岩。笔者基于超低频大地电磁测深剖面非线性共轭梯度反演方法（NLCG）（张昆等，2011；赵维俊等，2014；黄磊，2022）及重力剖面归一化总梯度反演方法（郭灿灿等，2012；苏超等，2014）对共和盆地干热岩热源成因进行了分析。

3.1   共和盆地深部电性结构与干热岩热源关系

沿共和–玉树高速西侧部署NE–SW向大地电磁测深剖面，贯穿共和盆地南北，北至青海湟源县，南侧邻温泉镇（图1）。使用Ather大地电磁仪器，采用长周期观测模式，盆地中心点距为5 km，两端放稀至10～15 km，剖面长度为205 km，保障有效采集时长为80 h，最低频率为1/10000 Hz，重点控制60 km以浅的电性结构，揭示共和盆地深部地质结构壳幔演化状态。

基于共和盆地（兴海–共和–湟源）超低频大地电磁测深剖面数据，采用非线性共轭梯度法（NLCG）反演获得该区域的深部电性结构（图7），共和盆地及其周缘深部电性结构表现为南侧高阻、中间低阻、北侧高阻的“M”型电性结构特征，低阻异常未封闭，具有向深部延伸的趋势。共和盆地中心呈上隆的“背斜”状，北边及南边两侧下凹。20 km以浅深度存在较厚的高阻层，两侧连续稳定，中间位置存在明显错动，共和盆地位于该高阻层错动位置上方，整体呈显中阻特征。在盆地深部高阻向下延伸至40 km。

图  7  大地电磁测深剖面非线性共轭梯度反演解译结果

Figure  7.  Interpretation results of nonlinear conjugate gradient inversion of magnetotelluric sounding profile

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综上所述，共和盆地深部呈现低–高–低分布的“M”型电阻率异常结构特征，推测在盆地深部存在明显的地幔物质上涌或已固化的上涌地幔，隆升幅度约30 km ，由此引起了该区域地壳变薄，深部热量通过深大断裂传导到浅部，储存在花岗岩体中。因此，地幔热流传导供热可能是共和盆地干热岩的重要热源之一。

3.2   共和盆地深部密度结构与干热岩热源关系

对研究区的5条重力剖面进行归一化总梯度反演，识别出较为清晰的深部密度结构特征（图8）。

图  8  重力异常1号剖面归一化总梯度反演解译结果

Figure  8.  Interpretation results of gravity profile 1 from normalized total gradient inversion

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1号剖面位于共和盆地中部地区，与大地电磁剖面重合。归一化总梯度反演结果显示，共和盆地整体两侧为低密度异常体，中心为略高密度异常体。盆地两侧受挤压应力作用，向中间凹陷。在盆地下方30 km以下存在较为明显的M型密度异常特征，深部界面呈中间上隆的“背斜”状，发育大量相互错段的断裂，表明共和盆地与青海湖盆地及其周缘地区表现为多期挤压变形的结构特征，具有压陷盆地的属性。

2号剖面位于共和盆地中心，NW–SE向贯穿整个共和盆地。重力异常归一化总梯度反演结果显示，共和盆地NW–SE向中部地区深部具有明显隆起特征，呈现“两端深、中间浅”密度特征（图9），与1号剖面反演结果一致，共同揭示了在共和盆地中部地区存在较为明显的深部隆起。以断裂F1-15为界，共和盆地西部和东部在密度结构具有较大差异，西部存在明显的深部界面隆起特征，但整体结构模糊，密度较大；东部则呈现凹型特征，密度自浅到深逐步增大，深部结构较为清晰。据此推测共和盆地深部存在明显的地幔物质上涌，深部热量通过F1-15深大断裂传导到浅部，为共和盆地干热岩提供热源物质和热量通道。

图  9  重力异常2号剖面归一化总梯度反演解译结果

Figure  9.  Interpretation results of gravity profile 2 from normalized total gradient inversion

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为了进行东西盆地深部组成结构的对比，在研究区自西向东依次提取3～5号剖面。重力异常归一化总梯度反演结果显示，共和盆地东盆地和西盆地均存在自青海南山及贵南南山向盆地的逆冲推覆构造，但深部地质结构存在明显差异，西盆地质体挤压变形程度强于东盆地（图10）；东部盆地地质体受构造作用影响表现为更为破碎（图11、图12），呈不同形态的“构造块体”，断裂构造更为发育，大量的断裂构造通道将深部的热源物质和热量带到了盆地浅部，为共和盆地提供干热岩成藏条件。相对于盆地西部，共和盆地东部更具备干热岩成藏条件。

图  10  重力异常3号剖面归一化总梯度反演解译结果

Figure  10.  Interpretation results of gravity profile 3 from normalized total gradient inversion

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图  11  重力异常4号剖面归一化总梯度反演解译结果

Figure  11.  Interpretation results of gravity profile 4 from normalized total gradient inversion

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图  12  重力异常5号剖面归一化总梯度反演解译结果

Figure  12.  Interpretation results of gravity profile 5 from normalized total gradient inversion

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综上所述，基于超低频大地电磁测深剖面及重力归一化总梯度反演结果表明，盆地深部存在明显的地幔物质上涌现象，隆升幅度约30 km，可能是地幔物质向上运移并加热和侵蚀岩石圈底部，导致岩石圈底部发生熔融减薄，同时共和盆地东部大量发育深大断裂，将深部的热源物质和热量带到了盆地浅部，为共和盆地提供干热岩成藏条件。因此，认为共和盆地干热岩热源以地幔热流传导供热和壳内部分熔融层供热为主，放射性元素衰变生热为辅，并且盆地东部相较于盆地西部更具备干热岩成藏条件。

4.   结论

（1）共和盆地及其周缘识别出了断裂20条，其中有11条断裂为前人已经识别的断裂（F1-1～F1-11），9条断裂为本次识别的隐伏断裂（F1-12～F1-20）。共和盆地及其周缘断裂走向以NW和NWW向为主，其次为NNE、NE向。在识别出的断裂构造中，NWW向断裂（F1-1～F1-4）与NNE向断裂（F1-13～F1-15）规模大、延伸较长，控制着盆地的构造和演化，对构造分区、岩浆活动、变质程度等有明显的控制作用，可能对深部岩体的形成和热流上涌有一定的控制作用。

（2）共和盆地在0～20 km存在一个水平带状展布的高阻异常体，该异常在共和盆地下方存在明显的错断；深部20～60 km具有明显的隆起特征，密度和电性均呈现“两端低、中间高”的“M”型结构特征，推测盆地深部存在地幔物质上涌或已固化的上涌地幔，隆升幅度约30 km，可能是地幔物质向上运移并加热和侵蚀岩石圈底部，导致岩石圈底部发生熔融减薄。

（3）以F1-15断裂为界，盆地东部和西部均受到青藏高原隆升及向北挤压的影响，存在来自青海南山及贵南南山向盆地的逆冲推覆构造，但深部密度结构特征存在明显差异。西部盆地地质体挤压变形程度明显强于东盆地，西部盆地深部地质体密度结构呈“八”字型特征，表现为压陷盆地的特征；东盆地质体受构造作用影响表现为更为破碎，呈不同形态的“构造块体”，断裂更为发育。

（4）基于超低频大地电磁测深剖面及重力归一化总梯度反演结果，认为共和盆地地幔物质向上运移并加热和侵蚀岩石圈底部，导致岩石圈底部发生熔融减薄。盆地东部大量发育深大断裂，将深部的热源物质和热量带到了盆地浅部，为共和盆地提供干热岩成藏条件。因此，认为共和盆地干热岩热源以地幔热流传导供热和壳内部分熔融层供热为主，放射性元素衰变生热为辅，盆地东部相较于西部更具备干热岩成藏条件。