齊曉飛，張國斌，上官拴通，蘇 野，田蘭蘭，李 翔，喬永超，劉 旭

(河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054000)

干熱巖是指地下高溫但由于低孔隙度和滲透性而缺少流體的高溫(>150℃)巖石(體)。相關研究表明，干熱巖熱儲載體主要是各種變質巖或結晶巖體，變質巖系主要包括黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖和斜長角閃巖等；結晶巖體主要包括花崗質片麻巖、花崗巖和花崗閃長巖等中酸性巖體[1-5]。

干熱巖的勘探、開發(fā)研究可以追溯到上個世紀70年代，1972年，美國在墨西哥州北部打了約4 000m深的斜井，拉開了干熱巖研究的序幕[6]；隨后法國、日本、德國等一些發(fā)達國家相繼開展了關于干熱巖發(fā)電方面的研究。在過去的30年各國通過合作和不斷的努力，干熱巖發(fā)電技術已逐步成熟[7]。我國干熱巖目前尚未開發(fā)利用，相關技術滯后于發(fā)達國家。2011年，中國地質調查局開展了中國陸區(qū)干熱巖資源潛力評估[8]；2012年，旺集暘等通過新版熱流圖和更為全面的巖石熱物理性數(shù)據(jù)完成了中國大陸地區(qū)干熱巖資源再評價工作；個別學者[9-13]完成了江蘇、江西、河北樂亭、柏鄉(xiāng)、共和盆地等區(qū)域尺度評價。

干熱巖地熱資源開發(fā)受到地質條件復雜、地下探測難度大、投資費用高，鉆探風險大等不利條件阻礙。為加快中國干熱巖與增強型地熱系統(tǒng)研究及工程應用，首先要進行地層測溫資料收集、野外地熱地質調查、大地熱流分析等工作，以“摸清家底，科學規(guī)劃”。本研究依托2017—2018年度河北省科學技術廳重點研發(fā)計劃項目，對河北省進行了干熱巖地熱資源賦存分布和開發(fā)潛力研究。

1 區(qū)域地熱地質背景

1.1 地層

研究區(qū)太古界主要為深成變質巖，巖性為淺粒巖、變粒巖、長石石英巖和角閃片巖等，隱伏分布在柏鄉(xiāng)，樂亭馬頭營(圖1)以及張承山灣子、后郝窯以及七家鎮(zhèn)一帶，據(jù)已有資料分析，深成變質巖系中巖石的孔隙率、滲透率極低，無流體存在[2,4-5]，據(jù)此推斷研究區(qū)深部太古界同樣具有低孔隙、低滲透的特征，符合干熱巖開發(fā)利用的基本條件。據(jù)相關勘查資料分析，研究區(qū)新生界因導熱性差、熱導率低，具有隔熱保溫的作用，使來自地球深部或隱伏巖漿巖體放射產(chǎn)生的熱量不會迅速消失，在熱容量較大區(qū)域保存下來形成了高溫地熱田[14]，如馬頭營地熱田，牛駝鎮(zhèn)地熱田等。

1.2 大地構造

據(jù)《河北省區(qū)域地質志》[15]顯示，河北省地質構造相對較復雜，自太古代以來，經(jīng)歷了多次構造運動，并伴有強烈的巖漿活動，在太行山和燕山地區(qū)，上地幔熔融物質上涌，形成了酸性侵入體和玄武巖漿噴出。新生代以來，由于受強烈的拉張作用，平原區(qū)形成了一系列的斷陷和斷隆，拗陷區(qū)和隆起區(qū)內部由于受斷裂的控制,又有眾多的次級構造,即凸起和凹陷,從而表現(xiàn)為多凸多凹多沉降中心和凸凹相間的構造格局[16]。這種凹中凸構造區(qū)和巖漿巖活動區(qū)，形成了我省熱流高值、水熱活動異常區(qū)(圖1)。

1.3 斷裂

河北省大斷裂9條，深斷裂10條，且均為正斷層。深斷裂切穿硅鋁層，深入硅鎂層或上地幔，空間延伸上百公里。大斷裂為深斷裂次一級斷裂。一般未深入硅鎂層，在平面上可延伸上百公里，深部的幔源高熱物質沿巨大斷裂上涌，形成了較高地溫梯度。通常兩條斷裂的交匯帶共用上盤有利于高溫地熱田的形成。此外構造斷裂本身也可以產(chǎn)生一些構造熱[10]。因此區(qū)內的斷裂構造特征致使河北省大斷裂分布區(qū)成為省內乃至全國地溫梯度和熱流值較高的地區(qū)[16]。

2 干熱巖相關指標分析

參照《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB/T-11615-2010)，干熱巖資源深度按4 000m評價。由于大多數(shù)鉆探工作所揭露的深度較淺，除鉆孔測溫參數(shù)外還需通過一些指標來間接反映地下巖體的熱異常。這些指標包括：酸性巖體分布、大地熱流值和淺部地溫場分布。

2.1 酸性巖體分布

河北平原區(qū)，新生代火山多沿滄州隆起、埕寧隆起和黃驊坳陷的邊界斷裂活動分布(圖1)。大量鉆井資料證實，河北平原區(qū)新生代火山巖活動較頻繁，劇烈的巖漿活動是深部熱活動的直接證據(jù)。巖漿活動尤以燕山期較為強烈，巖石類型復雜，超基性、中性、中酸性、酸性巖類均有不同程度的產(chǎn)出。隱伏巖體主要分布在昌黎、樂亭等地(圖1)。該類巖體具有較高的放射性產(chǎn)熱特征，在殼源產(chǎn)熱和幔源產(chǎn)熱均理想的情況下大地熱流值可超過100uW/m2。在覆蓋層理想的地區(qū)，可以作為干熱巖資源潛力區(qū)。

據(jù)《河北省石家莊以北地熱資源調查報告》[17]和《河北省太行山東麓經(jīng)濟區(qū)地下熱水資源開發(fā)評價》[18]顯示，張承地區(qū)及太行山東麓地區(qū)，深大斷裂構造帶中有大量的中酸性巖漿巖，巖漿活動比較強烈，熾熱的巖漿為水溫升高提供了熱源，如圍場熱水湯溫泉(82℃)、懷來后郝窯溫泉(88℃)、隆化矛荊壩溫泉(98℃)其水中皆含CO2，H2S，H2，CH4和C2H6等氣體，說明熱水與深部上地幔物質組分有關，上地幔熔融物質在淺地殼形成巖漿囊向上傳導熱流。在覆蓋層理想的地區(qū)，亦可作為干熱巖資源潛力區(qū)。

2.2 大地熱流值

大地熱流是研究地殼上地幔熱結構和地熱地質背景的最基本要素。大地熱流值是一個綜合性參數(shù)，是地球內熱在地表唯一可以直接測到的物理量。在一維穩(wěn)定條件下，熱流量是巖石熱導率和垂直地溫梯度的乘積。一般通過鉆孔測溫取得垂直地溫梯度，再通過相應層段的巖樣熱導率測試數(shù)據(jù)，兩者的乘積即為大地熱流值。一般而言，地層中熱流值較高區(qū)域，往往形成高溫地質背景環(huán)境。

據(jù)華北平原北部地溫場及地熱資源研究報告分析，省內大地熱流場嚴格受區(qū)域性殼-幔隆起帶、坳陷帶及過渡帶展布的控制[20]。盆地深部殼-幔隆起區(qū)大地熱流值為65～80mW/m2，高于全國大陸平均值。隨著巖石圈增厚，外圍及鄰區(qū)的大地熱流由65mW/m2下降到30mW/m2，熱流值分布規(guī)律性不顯著，大地熱流最高值主要分布在唐山地區(qū)、保定地區(qū)與滄州地區(qū)之間，介于70～100mW/m2，平均值約80mW/m2。盆地其他地區(qū)熱流值為40～50mW/m2[20]。

2.3 地溫場特征

2.3.1 山區(qū)地溫場特征

(1)溫泉分布特征。我省山區(qū)地熱區(qū)分布多受深大斷裂和巖漿巖體控制，一般規(guī)模較小，以單泉或群泉的形式放熱，在地形有利的山間盆地形成小型地熱田。太行山區(qū)，溫度較低，一般小于40℃；燕山地區(qū)溫度較高，一般大于50℃，如圍場山灣子溫泉82℃， 懷來后郝窯溫泉88.6℃， 隆化縣七家鎮(zhèn)溫泉最高達92℃。

圖1 河北省巖漿巖分布圖(據(jù)參考文獻[15][16][19]，有刪改)Figure 1 Hebei Province magmatic rock distribution map (after references [15], [16] and [19], revised)

圖2 河北省大地熱流圖(據(jù)參考文獻[20])Figure 2 Hebei Province telluric heat flow map (after reference [20])

圖3 河北省山區(qū)地下熱水Na-K-Mg平衡三角圖Figure 3 Na-K-Mg balanced triangular plot of Hebei Province mountainous area underground hot water

(2)地球化學溫標及熱儲溫度估算。本次共收集到省內山區(qū)50份溫泉及地熱井水化學資料，據(jù)統(tǒng)計分析，地球化學資料總體上涵蓋整個山區(qū)，具有很好的代表性。樣品測試皆為具有國家計量認證合格資質的實驗室，化驗數(shù)據(jù)質量可靠，達到本次評價的要求。

將山區(qū)熱水點所對應的坐標值投射到Na-K-Mg三角圖中(圖3)，結果顯示，區(qū)內大部分的水樣點均落在了該圖的部分成熟或混合區(qū)，特別是冀北山區(qū)中隆化矛荊壩、懷來后郝窯及溫泉山灣子等溫泉出露較高的山間盆地區(qū)較接近完全平衡線，體現(xiàn)了水巖接近平衡，體系受地表冷水的影響較小，選擇合適的陽離子地溫計可以較準確的估算熱儲層熱儲溫度，而其他地區(qū)溫度相對較低地區(qū)的熱水樣點，大部分屬于未成熟熱水，體現(xiàn)了熱水中大部分水-巖作用尚未達到平衡，或者是不成熟的地表水混入比例大，地下熱水循環(huán)較快，利用陽離子地溫計估算該部分地熱水存在一定的偏差，可作為多種方法的參考方法。圖3還體現(xiàn)了省內山區(qū)熱儲溫度的大致范圍，K-Na溫標指示溫度不超過140℃，K-Mg溫標指示地下溫度小于150℃，屬于中低溫地熱田。

本次采樣陽離子溫標、二氧化硅地溫計對各個溫泉進行了統(tǒng)計分析，結果見表1。根據(jù)各地溫計的適用條件、熱水體系礦物水一巖平衡狀態(tài)、及省內山區(qū)地熱田的特殊性，經(jīng)計算驗證，陽離子地溫和二氧化硅地溫計算可用于區(qū)內地下熱儲溫度的估算。需要說明的是，當利用各地溫計算誤差超過100%時，平均值和平均誤差將不參與計算。當平均誤差超過50%，為水-巖作用尚未達到平衡水化學樣品，不作為最終計算結果。

從表2中可以看出，隆化七家鎮(zhèn)、懷來后郝窯及溫泉山灣子平均誤差小于50%，且溫度均超過110℃，為此以上地區(qū)深部可能賦存高溫巖體(干熱巖)，有待進一步勘查驗證。

表1 河北省山區(qū)地下熱水熱儲溫度

續(xù)表

注：T井口為采樣井口溫度；其中誤差(%)=100×(T估算-T井口)/T井口。

2.3.2 平原區(qū)地溫場特征

(1)淺部地溫場分布特征。淺部地溫梯度主要依據(jù)本次收集的區(qū)內水文地質鉆孔勘查資料及野外調查工農(nóng)業(yè)用水抽水水溫、地熱井及石油井[21]測溫數(shù)據(jù)，采用下列公式計算新生界地溫梯度：

△T=(T-T0)/(H-H0)×100

(2)

式中：△T—淺部地溫梯度(℃/100m)

T—井口(或水下)觀測的最高溫度(℃)

T0—恒溫層溫度(℃)

H—成井段中部深度或測溫處深度(m)

H0—當?shù)睾銣貙由疃?m)

根據(jù)地溫梯度數(shù)據(jù)，結合本區(qū)地質構造條件和其它控溫因素，編制了河北平原區(qū)地溫梯度圖(圖4)，該圖基本反映了河北省平原區(qū)淺層地溫場分布特征及地熱異常分布，也反映地質構造控溫的規(guī)律。山前地帶因受冷水強徑流的影響，蓋層地溫梯度值一般<2.0℃/100m；在平原區(qū)內地溫異常區(qū)主要分布在斷隆或斷陷中的凸起構造部位，蓋層地溫梯度>3.5℃/100m，柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)、獻縣凸起區(qū)、牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)和馬頭營凸起區(qū)，地溫梯度超過5℃/100m，而斷陷構造分區(qū)中地溫梯度相對較低，蓋層一般為3℃/100m?？傮w而言，河北平原地帶，地溫異常呈高低相間帶狀分布，地溫展布的主體方向為北東向，與區(qū)域構造展布基本一致。

(2)深部地溫場分布特征。根據(jù)以上述公式，結合各井新生界地溫梯度及深度，計算出其-4 000m地溫，其公式如下：

T(-4000)=qAr(4000-Z(k))/K-

AAr(4000-Z(k))2/2K+T(k)

(3)

qAr=q大地-Ak·△Zk

(4)

式中qAr為太古界熱流值，Z(k)為新生界底界深度，K為太古界熱導率，AAr為太古界生熱率，T(k)為新生界底界地溫，q平為本區(qū)平均大地熱流值。

根據(jù)各井-4 000m地溫，編制了河北省平原區(qū)-4 000m深度地溫等值線圖(圖5)。在4 000m深度上，全區(qū)溫度介于110～170℃。柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)的溫度超過150℃；樂亭馬頭營凸起區(qū)溫度也超過150℃；牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)，溫度高達170℃以上。這些地區(qū)大多位于基巖凸起構造區(qū)或隱伏中酸性花崗巖分布區(qū)。因此，以上地區(qū)是河北平原區(qū)潛力巨大的干熱巖礦帶(區(qū))。

圖4 河北省平原區(qū)淺部地溫梯度圖Figure 4 Shallow part geothermal gradient map of Hebei Province plain area

圖5 -4 000m深度界面溫度分布圖Figure 5 Elevation -4000 depth interface temperature distribution

3 干熱巖資源潛力區(qū)分布

基于淺部地溫估算深部地溫分布規(guī)律，結合區(qū)域地質背景、大地熱流值、中酸性巖體分布特征，初步認為研究區(qū)具備賦存干熱巖資源潛力，其形成是以沉積盆地型、沉積盆地型疊加高溫放射型、近代火山型和板塊構造俯沖型四大成因類型為主，主要分布在河北平原一帶基巖構造凸起區(qū)或山間盆地板塊構造活動深大斷裂附近，干熱巖巖性為太古界變質巖系或花崗巖體，底界(深度：4 000m)地溫>150℃，其中，在柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)、牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)、馬頭營凸起區(qū)、懷來后郝窯區(qū)、圍場山灣子區(qū)和隆化茅荊壩區(qū)可能分布有干熱巖資源(圖1)，具有埋藏相對較淺、溫度相對較高之特點，詳見表2。

表2 河北省干熱巖地熱資源評價區(qū)(預測)

4 干熱巖成礦模式初析

河北省尚未開展過干熱巖資源研究工作，但根據(jù)目前國內外學者對干熱巖成因機制的研究，可以初步確定河北地區(qū)主要可分為沉積盆地型、沉積盆地型疊加高溫放射型、近代火山型和板塊俯沖型干熱巖成礦干熱巖資源，各區(qū)塊解釋如下：

4.1 柏鄉(xiāng)區(qū)干熱巖成礦模式

從構造上分析，該區(qū)主要受燕山運動及新構造運動的影響，形成了柏鄉(xiāng)背斜的同時，居里面在也區(qū)內呈凸起狀，上地幔高熱流傳熱和較薄的巖石圈厚度及花崗巖、片麻巖放射性元素衰變產(chǎn)熱，使得區(qū)內背斜軸部大地熱流值呈高值異常特征。從區(qū)內地下水HCO3/Cl比值、地下水年齡及水化學相關性分析表明，柏鄉(xiāng)背斜軸部區(qū)地下水表現(xiàn)為深部循環(huán)特征，均來自深部古大氣降水補給，側向補給極少，可視為靜水，表明淺層地溫異常主要來自基巖輻射傳熱，屬于熱傳導型地熱資源。從熱轉移方式分析，來自地殼深部的熱流不斷流向背斜軸部。在溫度梯度的推動下，地球內部熱通過巖石圈熱流向趨于熱平衡的背斜隆起區(qū)傳熱，使得區(qū)內地熱資源傳熱整體以無物質參與循環(huán)的熱傳導為主即地殼和上地幔巖石熱傳導加熱地殼及基巖，基巖太古界熱儲層被加熱，溫度升高。由于新生界沉積蓋層熱導率低，熱阻高，熱傳導受阻，且由前文深部地溫分析，埋藏于新生界之下的太古界變質巖溫度可以超過150℃(圖4)，因此本區(qū)軸部區(qū)域具備形成干熱巖地熱資源潛力。

綜上，該區(qū)所形成的干熱巖礦藏屬沉積盆地成因類型，其成礦模式見圖6。

圖6 柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)干熱巖成礦模式圖Figure 6 Baixiang anticline structural area hot and dry rock mineralization mode

4.2 牛駝鎮(zhèn)、馬頭營干熱巖成礦模式

牛駝鎮(zhèn)、馬頭營地溫場的熱源主要為幔源熱和地殼巖石中放射性元素衰變生成的熱。研究表明，地溫狀況受基底形態(tài)及鄰區(qū)構造特征影響，一般來說，來自地球內部的熱流在向上傳導的過程中，局部由負構造區(qū)向正構造區(qū)集中，地殼深部的熱流量，于基巖凸起即埋藏比較淺的地方相對局部集中，在基巖凸起區(qū)的淺部形成高地溫梯度[16]。因此該區(qū)具有形成高地溫梯度的潛力。另外，根據(jù)相關研究成果，酸性花崗巖體具有較高的放射性產(chǎn)熱特征，酸性花崗巖體的存在，對區(qū)域地溫場的形成有很大促進作用，相關資料表明該區(qū)有燕山期花崗巖侵入體的分布，這構成了該區(qū)地溫場的附加熱源。而且由于該區(qū)基巖之上分布良好的熱儲蓋層，來自地殼深部的熱流以傳導方式在凸起區(qū)積聚而得以保存，由此使研究區(qū)地溫場呈現(xiàn)高異常分布之特征。

綜上，該區(qū)所形成的干熱巖礦藏屬沉積盆地并疊加了高溫花崗巖體成因類型，其成礦模式見圖7。

圖7 沉積盆地型疊加高溫放射型干熱巖成礦模式圖(據(jù)參考文獻[22]，有刪改)Figure 7 Sedimentary basin superimposed high temperature radiation type hot and dry rock mineralization mode (after reference [22], revised)

4.3 后郝窯區(qū)和茅荊壩干熱巖成礦模式

該區(qū)構造帶中有大量的中酸性巖漿巖，炙熱的巖漿為地溫的升高提供了熱源。據(jù)本次野外調查取樣結果分析，地下熱水中含有較高的氟離子和可溶性的偏硅酸，氟離子的出現(xiàn)是巖漿或熱液對熱水影響所致，可溶性的偏硅酸可能與巖漿中二氧化硅遷移有關，因此可以初步推斷熱源與巖漿源所造成的熱液活動有著密切的關系。同時在地表出露巖石中也具有明顯的巖石蝕變現(xiàn)象。如在懷來后郝窯區(qū)溫泉附近有明顯的絹云母化、高嶺土化和碳酸鹽化，這些蝕變的礦物一般認為與火山活動的殘余熱有關。因此該區(qū)的地熱能來源以巖漿活動為主。

該區(qū)-4 000m深度處為深成變質巖，地溫超過150℃，且新生界蓋層厚度一般在300～500m，符合干熱巖地熱資源開發(fā)利用條件。

綜上，該區(qū)所形成的干熱巖礦藏屬近代火山型成因類型，其成礦模式見圖8。

4.4 圍場山灣子干熱巖成礦模式

圖8 火山型干熱巖成因模式(據(jù)參考文獻[22]，有刪改)Figure 8 Volcanic hot and dry rock genetic mode (after reference [22], revised)

圖9 圍場山灣子區(qū)次流紋巖典型野外照片F(xiàn)igure 9 Typical field photos of sub-rhyolite in Shanwanzi area, Weichang

該區(qū)位于華北克拉通北緣，據(jù)前人的研究成果[23]，該區(qū)中-晚三疊世的流紋巖(圖9)形成于華北陸塊與蒙古弧陸塊碰撞拼合之后， 可能為巖石圈拆沉和減薄之后的板內伸展構造背景下軟流圈上涌導致地幔溶融，幔源玄武質溶體上升底侵古老下地殼,造成下地殼部分溶融,進而加熱上地殼巖石，上地殼溫度升高，在斷裂交匯處，地下水循環(huán)加熱涌出地表形成高溫溫泉。因此該區(qū)基底地溫也較高，據(jù)熱傳導公式估算埋深4 000m，地溫超過170℃，且區(qū)內4 000m處巖性為深成變質巖，新生界蓋層厚度較厚，符合干熱巖的“熱、儲、蓋”條件，因此該區(qū)也可能為干熱巖資源成礦區(qū)。綜上，該區(qū)所形成的干熱巖礦藏屬板塊俯沖型干熱巖成因模式，其成礦模式見圖10。

圖10 板塊俯沖型干熱巖成因模式Figure 10 Plate subduction type hot and dry rock genetic mode

綜上分析，在柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)、牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)、馬頭營凸起區(qū)、懷來后郝窯區(qū)、赤城東萬口區(qū)、豐寧三道河區(qū)、和隆化矛荊壩和圍場山灣子區(qū)具備干熱巖形成的熱、儲、蓋成礦條件，是尋找干熱巖地熱資源的理想?yún)^(qū)域。

5 結論與建議

(1)初步選出柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū)、牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)、馬頭營凸起區(qū)、懷來后郝窯區(qū)、隆化矛荊壩和圍場山灣子區(qū)6塊干熱巖地熱資源潛力區(qū)。

(2)干熱巖地熱資源勘查遠景區(qū)4 000m水平巖性為低孔隙度和滲透性而缺少流體的高溫深成變質巖系；熱儲蓋層為低傳導率、高熱阻率的新生界松散沉積地層；熱源以地幔熱流、地殼放射性產(chǎn)熱或巖漿源產(chǎn)熱形式通過深大斷裂或熱傳導方式加熱于基巖構造凸起區(qū)或山間盆地構造活動區(qū)變質巖系；各區(qū)塊具備干熱巖形成的生、儲、蓋地質條件。

(3)干熱巖潛力區(qū)成礦模式可分為沉積盆地型干熱巖成因模式(柏鄉(xiāng)背斜構造區(qū))；沉積盆地型疊加高溫放射型干熱巖成因模式(牛駝鎮(zhèn)和馬頭營凸起區(qū))；近代火山型干熱巖成因模式(懷來后郝窯和隆化矛荊壩)以及板塊俯沖型干熱巖成因模式(圍場山灣子)。

(4)河北省干熱巖地熱資源勘查開發(fā)前景較好，具有較好的干熱巖勘查開發(fā)前景，且潛力巨大，尚需開展更詳細的勘查，為區(qū)內干熱巖資源勘查、開發(fā)利用提供地質依據(jù)。