潘苗苗，齊曉飛，上官拴通，艾勁松，范存章

(1.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省煤田地質(zhì)局，河北 石家莊 050085)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)能源的需求日益強(qiáng)烈，20世紀(jì)70年代石油危機(jī)的出現(xiàn)，人們對(duì)新型能源的需要更加迫切。20世紀(jì)后半葉，美國能源部建立了最早的EGS示范場(chǎng)地，隨后法國、日本等發(fā)達(dá)國家相繼成功建設(shè)利用干熱巖發(fā)電的發(fā)電站，中國也已經(jīng)開展了一定程度的干熱巖勘查方面的研究，并取得了初步成效[1-7]。在華北平原可以圈出多個(gè)干熱巖資源潛力分布區(qū)，其中包括位于河北省邢臺(tái)市柏鄉(xiāng)縣王家莊—白陽區(qū)一帶的柏鄉(xiāng)背斜區(qū)[8]。目前正處于對(duì)柏鄉(xiāng)縣王家莊一帶干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)階段，上官拴通等人利用柏鄉(xiāng)背斜區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)勘查孔測(cè)溫信息推測(cè)該區(qū)4 km埋深處地溫超過150℃[9]，但是尚未對(duì)柏鄉(xiāng)背斜區(qū)的干熱巖地?zé)豳Y源的賦存分布情況進(jìn)行分析。

本文首先通過分析柏鄉(xiāng)縣王家莊一帶的大地構(gòu)造背景、大地?zé)崃髦?、莫霍面特征及重力?chǎng)特征，明確研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)及地球物理場(chǎng)特征，其后通過從研究區(qū)的儲(chǔ)層特征、蓋層條件及熱源機(jī)制幾個(gè)方面分析了區(qū)內(nèi)干熱巖成因機(jī)制，進(jìn)而闡明柏鄉(xiāng)縣王家莊一帶干熱巖地?zé)豳Y源的賦存分布特征。本文旨在系統(tǒng)研究柏鄉(xiāng)縣王家莊一帶的干熱巖賦存分布特征的基礎(chǔ)上，加快推進(jìn)柏鄉(xiāng)縣干熱巖地?zé)豳Y源的科學(xué)勘探開發(fā)和合理利用。

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征

柏鄉(xiāng)縣位于華北斷凹臨清臺(tái)陷北緣，寧晉斷凸內(nèi)，緊鄰晉縣斷凹，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，斷層展布方向以NW向、NNE和NE向?yàn)橹?，且均為正斷層[10](圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖

1.1 莫霍面變化特征

莫霍面即地殼和地幔的分界面，地幔是地?zé)釄?chǎng)熱流的主要來源之一，因此莫霍面埋深越淺越有利于深部熱源向淺部傳導(dǎo)擴(kuò)散，即莫霍面埋深越淺，地溫越高[11]。河北平原區(qū)莫霍面埋深等值線圖(圖2)顯示，其西部莫霍面埋深較深，向東部莫霍面埋深逐漸變淺。在研究區(qū)莫霍面埋深約35 km，相比西北部張家口蔚縣地區(qū)減少了5 km。莫霍面埋深較淺，一方面反映了本區(qū)具有較好的熱源條件，另一方面對(duì)于深部熱流向淺部傳導(dǎo)極為有利。

圖2 河北平原區(qū)莫霍面埋深線圖

1.2 重力場(chǎng)特征

重力場(chǎng)勘探方法在地?zé)峥碧街薪?jīng)常被使用，主要是根據(jù)重力布格異常來解譯斷裂的展布、基巖凹陷和隆起，根據(jù)這些地質(zhì)構(gòu)造分布來預(yù)測(cè)本區(qū)地?zé)峥赡苄纬傻挠欣麉^(qū)域[12]。

從研究區(qū)布格重力異常圖(圖3)及布格重力異常上延20 km圖(圖4)上可以看出，本區(qū)西北部高重力異常呈北東分布，東南部重力異常表現(xiàn)為北東分布的低值帶為邊界。依據(jù)重力布格異常，基巖隆起往往產(chǎn)生高重力異常，基巖凹陷則產(chǎn)生低異常，斷裂構(gòu)造的位置及走向往往顯示為重力布格異常的梯度帶。從圖3、圖4中可以推斷本區(qū)具有較明顯的NE向斷裂，經(jīng)綜合研究認(rèn)為該斷裂為柏鄉(xiāng)—晉縣斷層，以斷裂為界西北部基巖凹陷，東南部基巖隆起。結(jié)合區(qū)域地層資料分析，認(rèn)為研究區(qū)是一軸向北東、向北傾伏的背斜構(gòu)造。

圖3 研究區(qū)布格重力異常圖[13]

據(jù)圖3、圖4分析，上延20 km異常的總體形態(tài)與原始重力異常的形態(tài)相似，說明近地表地質(zhì)體與深部地質(zhì)體的分布具有同源性。由此柏鄉(xiāng)背斜隆起區(qū)可能位于平原區(qū)內(nèi)部次級(jí)幔凸之上，具備高地溫潛力。

圖4 研究區(qū)地面重力異常上延20 km圖[13]

1.3 居里等溫面特征

據(jù)相關(guān)研究表明，地?zé)嵝纬傻牡胤剑永锏葴孛媛裆钶^淺[14]，因此利用居里等溫面研究地?zé)豳Y源賦存分布是很有效的。由本區(qū)化極ΔT航磁異常圖分析的本區(qū)居里等溫面深度范圍在20～26 km之間(據(jù)河北省1∶50萬區(qū)域物化探成果報(bào)告綜合研究報(bào)告)，除去航磁飛行高度，其深度范圍在 20～24 km之間。

區(qū)內(nèi)已知深鉆孔實(shí)測(cè)新生界的地溫梯度為(2.51℃～6.9℃)/100 m，蓋層厚度按2 km計(jì)算；由趙31基巖測(cè)溫段地溫梯度為2.8℃/100 m，因此基巖地溫梯度取2.5℃/100 m計(jì)算，若居里等溫面的溫度約為600℃，則利用地溫梯度計(jì)算居里等溫面深度，其值為20～25 km，兩者大致相符合(圖5)。居里溫度面的起伏以北東走向?yàn)橹鳎诒承陛S部，居里等溫面深度較淺，約為20 km，而背斜兩翼的居里面則加深到24 km以下。

圖5 研究區(qū)居里面埋深圖

1.4 大地?zé)崃髦?/h3>

大地?zé)崃魇前l(fā)生在地幔內(nèi)部的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程的表征，它對(duì)地殼的活動(dòng)性、地殼與上地幔的熱結(jié)構(gòu)問題的研究及對(duì)區(qū)域熱狀態(tài)的評(píng)定、地?zé)豳Y源潛力的評(píng)定等研究有重要意義。已有資料顯示，位于柏鄉(xiāng)背斜軸部的鉆孔大地?zé)崃髦捣謩e為83.9 mW/m2和79.9mW/m2，平均值為81.9 mW/m2，位于柏鄉(xiāng)背斜兩翼的趙36和趙61的大地?zé)崃髦捣謩e為59.4 mW/m2和55.4 mW/m2[15]。從熱流值的分布上來看，背斜軸部區(qū)地?zé)釛l件優(yōu)于背斜兩翼，研究區(qū)位于柏鄉(xiāng)背斜軸部，表明研究區(qū)具有良好的地?zé)岜尘啊?/p>

據(jù)以上分析可知，柏鄉(xiāng)背斜軸部區(qū)為居里面隆起區(qū)。居里面的結(jié)構(gòu)特征能夠在一定程度上間接反映出巖石圈的熱活動(dòng)狀態(tài)。在居里面隆起區(qū)，預(yù)示著地殼深部熱傳導(dǎo)、局部的放射性熱效應(yīng)和上地幔熱輻射等巖石圈熱活動(dòng)強(qiáng)烈；居里面凹陷區(qū)，巖石圈熱活動(dòng)則相對(duì)較弱[16-17]。據(jù)前人研究[18-19]，居里面特征在很大程度上能反映新生代以來的構(gòu)造活動(dòng)及構(gòu)造活動(dòng)引起的熱事件。地球深部高溫干熱巖地?zé)豳Y源的隱伏位置與居里等溫面之間存在著某種聯(lián)系：居里等溫面隆起位置更有利于干熱巖的形成。因此，柏鄉(xiāng)背斜軸部隆起區(qū)具備干熱巖開發(fā)利用潛力。

2 干熱巖地?zé)豳Y源賦存分布特征

2.1 熱儲(chǔ)特征

優(yōu)質(zhì)干熱巖熱儲(chǔ)，一般具有埋深較淺、溫度較高、儲(chǔ)層易改造、可較長時(shí)間持續(xù)開發(fā)等特點(diǎn)。該區(qū)干熱巖熱儲(chǔ)層為太古界五臺(tái)群變質(zhì)巖，巖性主要為片麻巖、黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、淺粒巖等深成變質(zhì)巖，主要分布在本區(qū)背斜軸部北關(guān)、南郝村一帶。區(qū)內(nèi)太古界頂界埋深在1000～4000 m，該套地層具有不含水或水蒸氣、致密、無滲透性的特點(diǎn)，具備干熱巖熱儲(chǔ)形成的前提條件。此外，太古界深成變質(zhì)巖不但是良好的熱儲(chǔ)層，還具備一定的放熱量，由表1可知，低變質(zhì)角閃巖相放熱量比花崗巖還要高些。

表1 各類巖石放熱量[20]

2.2 蓋層分布情況

本區(qū)普遍沉積有新生界地層，新生界厚度一般為0.2～1.2 km，為主要的熱儲(chǔ)蓋層。據(jù)區(qū)內(nèi)柏17孔、趙36孔揭露，蓋層巖性主要以亞黏土、粉砂層、黏土及粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂礫巖為主。泥巖、砂質(zhì)泥巖和黏土厚度大且致密完整，隔水保溫性能較好，為較好的熱儲(chǔ)蓋層。

雖然北美作物在2018年以高于平均速度快速發(fā)展，但由于9月份以來的惡劣天氣推遲了收獲。相對(duì)于大豆而言，北美玉米種植面積將增加，這將對(duì)整體作物投入、支出產(chǎn)生積極影響。

2.3 熱源條件分析

本區(qū)太古界基巖賦存的熱能主要來自于地球內(nèi)部熱能傳導(dǎo)，另外也有部分地殼巖石放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能和太古界變質(zhì)巖所含放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能。

2.3.1 上地幔傳導(dǎo)熱

本區(qū)最基本的熱源為地核溫度的傳導(dǎo)。據(jù)前人研究成果表明：上地幔溫度為1100℃～1300℃，而25 km深度一般約為600℃，近地表恒溫帶溫度15.5℃，地球內(nèi)部溫度差的存在，導(dǎo)致溫度向趨于平衡的方向移動(dòng)，而地溫梯度則是溫度變化的推動(dòng)力，必將使得深部較高溫度向地殼淺部進(jìn)行熱量的傳遞。該區(qū)莫霍面埋深相對(duì)較淺，說明上地幔頂抬升較高，所傳遞的熱量較快，所提供的熱流較大。

大地?zé)崃魇欠从车貧釥顟B(tài)非常重要的參數(shù)，是地球內(nèi)部熱能在地表最為直接的顯示[21]。本區(qū)大地?zé)崃髟诳臻g的展布規(guī)律：從背斜軸部向兩翼呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，這與莫霍面的埋深空間分布規(guī)律正好相同；又由上文深部熱結(jié)構(gòu)分析，本區(qū)屬于“冷殼熱?！毙停蒯崃骷s占大地?zé)崃鞯?0%，體現(xiàn)出了地幔熱對(duì)該區(qū)大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)。

2.3.2 太古界片麻巖放射性元素衰變產(chǎn)熱

上地幔傳熱為該區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源的主要熱源，地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能也是熱源的組成部分，太古界片麻巖中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能是熱源的補(bǔ)充能源。

2.4 地溫梯度

根據(jù)收集的區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)(表2)計(jì)算本區(qū)新生界地層地溫梯度，并繪制了新生界地溫梯度等值線圖(圖6)。從新生界蓋層地溫梯度等值線圖上可以看出，區(qū)內(nèi)新生界地層地?zé)岙惓^(qū)地溫梯度為(3℃～6.9℃)/100 m，地溫梯度展布的主體方向大致反映了本區(qū)的構(gòu)造輪廓，以柏鄉(xiāng)背斜軸部為中心呈扁圓形分布，背斜軸部的柏17鉆孔地溫梯度為高達(dá)6.9℃/100 m，向背斜兩翼，地溫梯度均呈逐漸降低變化趨勢(shì)。

表2 研究區(qū)鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

圖6 研究區(qū)新生界地層地溫梯度等值線圖

3 干熱巖地?zé)豳Y源成因模式分析

從構(gòu)造上分析，本區(qū)主要受燕山運(yùn)動(dòng)及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成了柏鄉(xiāng)背斜的同時(shí)，居里面在區(qū)內(nèi)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(nèi)背斜軸部大地?zé)崃髦党矢咧诞惓Ｌ卣?。從熱流轉(zhuǎn)移方式分析，來自地殼深部熱流在巖石中的傳導(dǎo)方式主要有如下三種：即由高溫處流向低溫處、垂直地層方向和順地層方向，遵循這一熱流傳導(dǎo)規(guī)律，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(dòng)下，地球內(nèi)部熱通過巖石圈熱流向趨于熱平衡的背斜隆起區(qū)傳熱，基巖太古界熱儲(chǔ)層被加熱，溫度升高。由于新生界沉積蓋層熱導(dǎo)率低，熱阻高，熱傳導(dǎo)受阻，埋藏于新生界地層之下的太古界變質(zhì)巖溫度可以超過150℃，初步推測(cè)研究區(qū)干熱巖資源屬于沉積盆地型干熱巖。

4 開發(fā)利用前景

近年來，京津冀地區(qū)遭遇了嚴(yán)重的霧霾，大氣污染現(xiàn)象日益加劇，大力發(fā)展清潔能源、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，是公認(rèn)的治理霧霾問題的根本途徑且迫在眉睫。干熱巖作為可再生清潔能源，在其開發(fā)利用過程中具有綠色、高效、安全等優(yōu)勢(shì)[22]。研究認(rèn)為河北柏鄉(xiāng)縣王家莊一帶干熱巖潛力大，現(xiàn)對(duì)該區(qū)干熱巖資源的開發(fā)利用提出以下建議：

1)開展干熱巖調(diào)查評(píng)價(jià)工作。在收集、整理該區(qū)水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)資料的基礎(chǔ)上，部署地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、電法及地震等工作手段，分析深部高溫巖體空間展布及熱結(jié)構(gòu)特征，優(yōu)選干熱巖找礦靶區(qū)。

2)開展干熱巖資源勘查及熱開采模擬工作。在研究區(qū)選定溫度高、熱儲(chǔ)埋藏相對(duì)較淺的部位進(jìn)行鉆探施工，查明干熱巖儲(chǔ)層物理、熱物性及力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行干熱巖熱開采數(shù)值模擬，為干熱巖開發(fā)及干熱巖資源利用整體規(guī)劃提供理論依據(jù)。

3)開發(fā)利用?；跓衢_采數(shù)值模擬和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)原理，進(jìn)行干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電，為研究區(qū)干熱巖總體開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論與建議

1)通過對(duì)研究區(qū)莫霍面深度、重力場(chǎng)特征、居里等溫面特征的分析可知，相對(duì)于背斜兩翼，背斜軸部莫霍面埋深較淺，巖石圈厚度較薄，居里面埋深較淺，約20 km，屬于高地?zé)岙惓^(qū)，顯示該區(qū)背斜軸部為干熱巖開發(fā)利用的有利部位。

2)該區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源熱源主要為地球深部熱能傳導(dǎo)，熱儲(chǔ)層為太古界五臺(tái)群變質(zhì)巖，蓋層主要為新生界地層，區(qū)內(nèi)新生界地層地溫梯度為(3℃～6.9℃)/100 m，地溫梯度從柏鄉(xiāng)背斜軸部向背斜兩翼呈逐漸降低變化趨勢(shì)。

3)該區(qū)干熱巖成因模式屬沉積盆地型干熱巖，建議盡快開展電法及地震等地球物理勘探方法對(duì)干熱巖賦存地質(zhì)條件予以驗(yàn)證，為區(qū)內(nèi)干熱巖開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。