郭 盼，劉成新，徐玳笠，程懷蒙，孔令耀

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

由于全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類面臨的資源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。與傳統(tǒng)化石能源相比,干熱巖地?zé)豳Y源具有空間分布廣、資源儲(chǔ)量大、供能持續(xù)穩(wěn)定、可高效循環(huán)利用且不受季節(jié)、氣候等自然條件影響的特點(diǎn)[1],其可作為未來新型替代能源已得到國(guó)際地?zé)峤绾托履茉唇绲钠毡檎J(rèn)可[2]。

干熱巖是一種不含或含有極少量水或蒸汽的、具有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的致密熱巖體,普遍埋藏于地表3～10 km深處,溫度范圍在150～650 ℃[3-4],較常見的巖石有花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖以及花崗質(zhì)片麻巖等[5]。2018年,中國(guó)國(guó)家能源局組織地?zé)嵝袠I(yè)專家編制了國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)崮苄g(shù)語(NB/T 10097—2018)》,規(guī)定干熱巖指內(nèi)部不存在或僅存在少量流體,溫度高于180 ℃的異常高溫巖體。據(jù)初步估算,中國(guó)大陸地區(qū)3～10 km深處干熱巖地?zé)豳Y源總量>2×107EJ[6-7],開發(fā)前景廣闊。

早在1972年,美國(guó)洛斯·阿爾莫斯(Los Alamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在芬頓山(Fenton Hill)鉆成了第一眼干熱巖勘探井,由此拉開了干熱巖勘探開發(fā)研究的序幕,至今已經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的歷程。截至2019年初,全球先后實(shí)施了41個(gè)干熱巖開發(fā)項(xiàng)目,主要分布在歐洲、北美洲、澳洲、亞洲、中美洲的14個(gè)國(guó)家[8],并取得了一系列進(jìn)展[9-10],但總體尚處于試驗(yàn)研發(fā)階段,還沒有一個(gè)EGS項(xiàng)目投入商業(yè)運(yùn)行[11]。中國(guó)干熱巖研究起步相對(duì)較晚,但發(fā)展較為迅速,在青海共和—貴德盆地、松遼盆地、福建漳州盆地以及廣東惠州等地先后開展了干熱巖資源勘查與評(píng)價(jià),均取得了重大突破[12-13]。

湖北地跨揚(yáng)子板塊和華北板塊的交接地帶,斷裂構(gòu)造發(fā)育,強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加多期次巖漿活動(dòng),為地?zé)峄顒?dòng)創(chuàng)造了有利地質(zhì)條件。尤其是東部地區(qū),燕山期中酸性巖體大面積出露且富集放射性元素,具有較好的生熱和儲(chǔ)熱條件。但湖北干熱巖研究較為滯后,研究基礎(chǔ)薄弱。本文依托湖北省自然資源廳科研計(jì)劃項(xiàng)目“湖北省干熱巖資源潛力及靶區(qū)選址研究”(ETZ201807A04),通過對(duì)湖北三里畈地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源的賦存條件和找礦前景進(jìn)行分析探討,為下一步調(diào)查評(píng)價(jià)工作提供參考。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)隸屬黃岡市羅田縣三里畈一帶,位于團(tuán)麻斷裂以東、襄廣斷裂以北,地處桐柏—大別造山帶東大別剪切帶內(nèi),為大別變質(zhì)雜巖的核心部位,面積約1 600 km2(圖1)。在中生代陸—陸俯沖碰撞造山作用下,大別地殼發(fā)生活化,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,以發(fā)育北西向、北東向及近南北向斷裂為特征,且新生代以來仍持續(xù)活動(dòng),主要表現(xiàn)在強(qiáng)烈的巖漿侵入、圍巖混合巖化作用以及斷裂構(gòu)造的疊加[14]。其中以北西向和北東向?yàn)橹鞯膬山M斷裂基本控制了三里畈地區(qū)變質(zhì)地層、巖漿巖體以及地?zé)峄顒?dòng)的格局(圖2)。

圖1 三里畈地區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Geotectonic location map of Sanlifan area1.早古生界；2.晚古生界；3.桐柏和大別雜巖；4.超高壓榴輝巖帶；5.高壓榴輝巖帶；6.藍(lán)片巖-綠片巖帶；7.顯生宙蓋層。

圖2 三里畈地區(qū)巖體地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological map of rock mass in Sanlifan area1.黑云二長(zhǎng)花崗巖；2.斷層；3.熱異常區(qū)；4.二云二長(zhǎng)花崗巖；5.熱泉。

1.2 基底分布

1.2.1酸性侵入巖分布及規(guī)模

研究區(qū)侵入巖出露面積約占90%以上,其中花崗質(zhì)片麻巖約占45%左右,其余大部分為中生代花崗巖體,鋯石年齡范圍為112～137 Ma[15],如鯉魚寨、龍井垴、蚊蟲山、云峰寨以及白蓮河巖體等,地表出露面積約為150 km2(圖2)。根據(jù)區(qū)域航磁資料,研究區(qū)具明顯正異常,表明巖基規(guī)模巨大,或由花崗質(zhì)巖石構(gòu)成的結(jié)晶基底分布較廣。

1.2.2酸性侵入巖生熱率及熱物性

測(cè)試結(jié)果顯示(表1、2),研究區(qū)花崗巖體的熱導(dǎo)率介于3.14～3.48 W/m·℃,平均3.29 W/m·℃；來自附近地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖的熱導(dǎo)率則相對(duì)較低,為2.59～3.22 W/m·℃。二長(zhǎng)花崗巖體生熱率范圍3.1～4.0 μW/m3,平均為3.6 μW/m3,且大部分巖體的U元素含量大于或接近全球平均值(5 μg/g)[16]、Th元素含量則高于全球平均值(20 μg/g),表明放射性生熱條件較好；而周邊地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖則明顯較低,生熱率介于0.4～2.0 μW/m3之間,平均為1.2 μW/m3。

表1 三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of granitic rocks in Sanlifan area

表2 三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石生熱率Table 2 Heat generation rate of granitic rocks in Sanlifan area

1.3 蓋層分布

研究區(qū)出露地層由太古界—元古界的花崗質(zhì)片麻巖及大別山巖群變質(zhì)表殼巖、變質(zhì)基性巖等組成(圖3),其中大別山巖群分為片麻巖巖組和變粒巖巖組[17],前者巖性主要為(角閃)黑云斜長(zhǎng)片麻巖夾條帶狀斜長(zhǎng)角閃巖,巖層疊置總厚度>696.50 m,后者呈較為連續(xù)的帶狀分布于花崗質(zhì)片麻巖周邊,另有少量呈大小不等、形態(tài)各異的包體分布于中生代侵入巖中,巖性由黑云斜長(zhǎng)變粒巖、角閃斜長(zhǎng)變粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖和大理巖組成,巖層疊置總厚度>84.48 m。另外,沿巴河及其次級(jí)河兩岸或地勢(shì)低洼處分布有第四系,一般厚度<5 m,主要為礫、砂及亞砂土等河流相沖積物。

圖3 熱異常區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Geological map of Sanlifan geothermal anomaly area1.第四系；2.早白堊世花崗巖；3.大別山巖群片麻巖巖組；4.大別山巖群變粒巖巖組；5.元古代花崗質(zhì)片麻巖；6.太古代花崗質(zhì)片麻巖；7.斷層；8.地?zé)崽铮?.MT測(cè)線。

2 地溫場(chǎng)特征

2.1 淺部地溫特征

受斷裂和巖漿巖體控制,研究區(qū)多以單泉或群泉的形式放熱,在有利地形處形成地?zé)崽?如三里畈地?zé)崽?、許家沖地?zé)崽镆约傲_田縣城關(guān)地?zé)崽?。以三里畈地?zé)崽餅槔?泉眼成群出露,多達(dá)30余處,普遍具有流量大、溫度高的特點(diǎn),水熱異常賦存于變質(zhì)巖、混合花崗巖裂隙中。該地?zé)崽锓秶鷥?nèi)的新構(gòu)造壓扭性斷裂不僅錯(cuò)斷了南北向深大擠壓帶,而且切割云峰寨巖體,顯示出異常強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(dòng),為深部熱流提供了上涌通道,以致熊家墩溫泉達(dá)73 ℃,為省內(nèi)最高。地?zé)崽飪?nèi)的地溫梯度變化較大,常見值為4～9 ℃/100 m。受導(dǎo)熱構(gòu)造、巖石結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度、地下水等諸多因素影響,在一定區(qū)域范圍內(nèi),靠近地?zé)岙惓｜c(diǎn)附近地溫梯度多在3.0～3.74 ℃/100 m,鉆孔附近地溫梯度高達(dá)12.5～16.4 ℃/100 m,其他地段多為6.5 ℃/100 m左右,整個(gè)地?zé)崽锓秶骄販靥荻葹?.0 ℃/100 m,顯示出較為明顯的地溫異常[18]。此外,由于地下熱水影響會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的大地?zé)崃髦灯钶^大,因此取地下熱水影響較弱的地段平均熱流值作為該熱異常區(qū)的參考值,為2.51HFU,即105.1 mW/m2。該熱流值具有一定代表性,能夠反映出熱異常區(qū)較高的熱流背景。

2.2 深部地溫預(yù)測(cè)

通過SiO2溫標(biāo)對(duì)熱儲(chǔ)溫度和地?zé)崃黧w循環(huán)深度進(jìn)行估算,計(jì)算公式如下：

TSiO2=1 309/(5.19-lgSiO2)-273.15
Z=100×(T-T0)/G+Z0

式中：SiO2代表地?zé)崃黧w中可溶性二氧化硅的濃度；Z為熱儲(chǔ)埋深(m)；T為熱儲(chǔ)溫度；T0為地表溫度；G為地溫梯度；Z0為恒溫帶平均深度。取T0=16.3 ℃,Z0=20 m,熱異常區(qū)局部平均地溫梯度G=8.0 ℃/100 m,計(jì)算出地?zé)崃黧w平衡溫度達(dá)140～150 ℃,最大循環(huán)深度為1 600～1700 m(表3)。

表3 三里畈地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度及埋深Table 3 Geothermal storage temperature and depth of Sanlifan geothermal field

熱儲(chǔ)在導(dǎo)熱斷裂破碎帶內(nèi)以熱對(duì)流為主,而深部則以熱傳導(dǎo)為主。由于缺乏深部地溫實(shí)測(cè)資料,因此采用一維穩(wěn)態(tài)熱流狀態(tài)下深部溫度的間接推算式[7]：

T(z)=T0+(q0z)/K-(Az2)/2K

式中：T0為地表溫度；q0為地表熱流值；A為巖石生熱率；z為計(jì)算點(diǎn)地層厚度(km)；K為巖石熱導(dǎo)率。

在地殼深部變質(zhì)巖和巖漿巖區(qū),由于放射性生熱元素U、Th、K在高溫條件下因較強(qiáng)的地球化學(xué)分異會(huì)導(dǎo)致向淺部富集,從而呈現(xiàn)出隨深度指數(shù)衰減的趨勢(shì)[19],以此為依據(jù)來計(jì)算對(duì)應(yīng)的深部溫度：

T(z)=T0+[(q0-AD)z]/K+AD2[1-exp(-zD)]/K

式中：D為放射性生熱元素富集層的厚度。在全球范圍內(nèi),除個(gè)別特殊地區(qū)外,放射性生熱元素富集層的厚度一般變化不大,常取為10 km。巖石熱導(dǎo)率和生熱率均取三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石平均值,分別為3.12 W/m·℃和2.53 μW/m3。結(jié)果顯示,熱異常區(qū)4 km深處地溫可達(dá)到180 ℃,可滿足干熱巖賦存溫度條件(表4)。

表4 熱異常區(qū)深部溫度估算參數(shù)Table 4 Estimation parameters of deep temperaturein geothermal anomaly area of Sanlifan

3 潛力區(qū)預(yù)測(cè)及深部熱源分析

3.1 潛力區(qū)預(yù)測(cè)

選擇適合的干熱巖體是進(jìn)行干熱巖能量開發(fā)的前提和基礎(chǔ),它至少應(yīng)具有相對(duì)高的放射性生熱元素,且規(guī)模要相對(duì)較大[20]。同時(shí)需要考慮開采技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)于蓋層的要求也比較高,既要足夠厚,起到保熱作用，還要足夠薄,以便鉆井施工。對(duì)于當(dāng)前普遍的開采技術(shù),蓋層厚度一般在2～3 km左右為宜[21]。根據(jù)三里畈地區(qū)實(shí)測(cè)MT解譯圖(圖4),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,推測(cè)視電阻率值高值區(qū)ρ+1-ρ+5均為花崗巖體或花崗質(zhì)片麻巖的綜合電性反映。其中ρ+1和ρ+5埋深淺且延伸至地表,分別與龍井垴、云峰寨巖體相對(duì)應(yīng),兩者規(guī)模較小,且蓋層條件較差；ρ+2、ρ+3和ρ+4幅值相當(dāng),但ρ+3和ρ+4基本與ρ+5相連,深部熱量易通過熱傳導(dǎo)向地表散失而不易保存；ρ+2則隱伏規(guī)模最大,埋深約2～3 km,即具有厚度合適的變質(zhì)表殼巖蓋層,內(nèi)部及附近無明顯深斷裂構(gòu)造發(fā)育,從而保證熱儲(chǔ)具有低的流體滲透性和低的熱流傳導(dǎo),使對(duì)流引起的熱損失最小化,相比ρ+3、ρ+4具有更好的儲(chǔ)蓋條件。綜合考慮地?zé)岬刭|(zhì)條件、地溫場(chǎng)特征、合適的干熱巖體及其蓋層條件,初步選取龔家山—三里畈—桃樹坳一帶為干熱巖賦存最佳潛力區(qū),可為下一步選區(qū)工作提供參考依據(jù)。

圖4 三里畈地區(qū)實(shí)測(cè)MT解譯圖Fig.4 Interpreted profile of MT measurement along the Sanlifan area1.視電阻率高值區(qū)；2.解譯斷層。

3.2 深部熱源分析

前人研究表明,170 Ma以來大別造山帶主要經(jīng)歷了晚造山期隆升、熱窿伸展和斷塊侵蝕剝露事件。140～85 Ma期間大別地區(qū)進(jìn)入熱窿伸展階段,該時(shí)期引發(fā)基底廣泛熔融過程,在強(qiáng)烈伸展背景下,熱窿范圍集中于大別地區(qū),其熱軸平行于造山帶展布,由麻城經(jīng)羅田—英山地區(qū)并延伸至岳西,該帶范圍內(nèi)基底巖系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的混合巖化作用,并伴隨大規(guī)模深/淺層次共存花崗巖體侵入[22],其深部可能存在巨量的巖漿殘余熱能。

4 干熱巖資源量估算

鑒于汪集旸等指出近期應(yīng)著眼于4～7 km深度段干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā),本次研究采用體積法對(duì)潛力區(qū)4～7 km埋深的干熱巖中儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行估算,計(jì)算公式[6]如下：

Q=ρ·CP·V·(T-T0)

式中：Q為干熱巖資源儲(chǔ)量；ρ為巖石密度；CP為巖石比熱容；V為巖體體積；T為計(jì)算深度的巖石溫度；T0為地表溫度。

巖石密度和比熱容取研究區(qū)花崗質(zhì)巖石平均值,分別為2 700 kg/m3和900 J/kg·℃。結(jié)果顯示,該區(qū)4～7 km干熱巖資源量估算值為2.64 EJ/km2,折合標(biāo)準(zhǔn)煤約7.74億t/km2,顯示出較好的資源前景(表5)。

表5 潛力區(qū)資源量估算參數(shù)表Table 5 Geothermal reserve estimation parameters of potential area in Sanlifan

5 結(jié)論

(1) 湖北省三里畈地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,具有高放射性酸性巖體,花崗質(zhì)結(jié)晶基底分布較廣且埋深較淺,有厚度合適的變質(zhì)表殼巖作為蓋層,顯示出良好的干熱巖儲(chǔ)蓋條件,其深部可能存在巖漿殘余熱。

(2) 根據(jù)實(shí)測(cè)MT解譯圖結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,初步選取龔家山—三里畈—桃樹坳一帶為干熱巖賦存最佳潛力區(qū)。

(3) 利用水化學(xué)數(shù)據(jù)和鉆孔測(cè)溫資料,估算出干熱巖潛力區(qū)4～7 km深處的溫度可達(dá)180 ℃,該深度范圍資源量預(yù)測(cè)值為2.64 EJ/km2,折合標(biāo)準(zhǔn)煤約7.74億t/km2,顯示出較好的找礦前景,可為下一步調(diào)查評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。

致謝：澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司對(duì)巖石地球化學(xué)元素含量測(cè)定提供了幫助,湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖石熱物性參數(shù)測(cè)定提供了幫助,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院對(duì)地?zé)崃黧w水質(zhì)分析提供了技術(shù)指導(dǎo),在此一并深表感謝。