王亮,胡從亮,張嘉瑋,陳國勇,張美雪,楊武,張應文
(1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院, 貴州 貴陽 550081; 2.貴州省地質(zhì)物探開發(fā)應用工程技術(shù)研究中心, 貴州 貴陽 550081; 3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,貴州 貴陽 550004; 4.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 貴州 貴陽 550081; 5.貴州省地礦局 地球物理地球化學勘查院,貴州 貴陽 550018; 6.貴州省地礦局 102地質(zhì)大隊,貴州 遵義 563003)
地熱資源在我國多個領(lǐng)域及不同產(chǎn)業(yè)中已得到普及應用,特別是溫泉旅游季對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。貴州與接壤的川、渝、湘、桂、滇等6省(市、區(qū))地熱資源豐富,在熱源機制研究上,多數(shù)行政地區(qū)進行了很好探索和成果證實,主要為深部斷裂控制的“地溫梯度”機械能原理自動增溫循環(huán)生熱、巖漿巖余熱散發(fā)生熱等兩種基本熱源類型。貴州省地質(zhì)條件復雜,對地熱成因多傾向于第一種認識,第二種認識因沒有研究對象,深部探究未有任何突破,以往的黔中、黔南及赤水、凱里一帶多口油氣深探井鉆探資料顯示,并未見到過鉆遇有關(guān)花崗巖體信息及其地熱分布與花崗巖相關(guān)程度的報道。
川、滇、黔、渝、湘、桂6省(市、區(qū))位于我國東部武陵山、西部烏蒙山兩大巨型重力梯級帶上,均受到來自東西部全國性地質(zhì)構(gòu)造應力的綜合影響,在接壤地區(qū)區(qū)域地質(zhì)作用效應基本相近。貴州北面的重慶市享譽“世界溫泉之都”之美譽,市內(nèi)劃分的5大經(jīng)濟開發(fā)區(qū)占有146處溫泉;東面的湖南省在湘西北、湘中、湘東、湘東南有高于23 ℃的溫泉資源179處,形成芙蓉國地熱經(jīng)濟項目鏈條效應;南面的廣西壯族自治區(qū)在桂東南、桂東北至今發(fā)現(xiàn)溫泉45處,成為八桂大地旅游資源發(fā)展新業(yè)態(tài);西面的云南省昆明盆地—滇東南及滇西三江源構(gòu)造帶上地熱點星羅棋布,成為西南邊陲一道亮麗的熱浪景致;西北面的四川省是我國地熱資源蘊藏豐富的地區(qū),在不同熱儲類型區(qū)已發(fā)現(xiàn)地熱300多處,開發(fā)利用前景巨大。
貴州也是我國地熱資源較發(fā)育地區(qū)之一,具有得天獨厚的地質(zhì)富集條件。據(jù)不完全統(tǒng)計已完成施工可開發(fā)利用的地熱井達250余口[1],主要集中于黔北地區(qū)分布,有大于25 ℃的地熱資源近300處,小于25 ℃的熱水泉僅20處[2-3]。黨的“十九大”后貴州省委省政府部署打造貴州“中國溫泉省”,2016年啟動了旅游資源大普查,全省登記了264處溫泉旅游資源(優(yōu)良級資源77處),包括貴安新區(qū)都設(shè)置了探礦權(quán)。
為探獲較多穩(wěn)定地熱資源,實現(xiàn)全省地熱經(jīng)濟夢想,期待發(fā)現(xiàn)高品質(zhì)可供商業(yè)開發(fā)的地熱井,服務貴州省脫貧,本文試圖從區(qū)域物探(重力、航磁)方面,結(jié)合地質(zhì)資料,劃分全省隱伏斷裂、圈定巖體(中酸性巖、基性—超基性巖),分析熱儲、蓋層基本地質(zhì)條件特征和地熱水(熱流體)化學特征等,探討區(qū)內(nèi)地熱分布特征、地熱產(chǎn)出類型及地熱機制來源,為進一步地熱勘查提供依據(jù)。
貴州位于全球性古特提斯—喜馬拉雅與濱太平洋兩大地質(zhì)構(gòu)造域之間,長期被太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊擠壓,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷了武陵、雪峰—加里東、華力西—印支—燕山及喜馬拉雅等5個發(fā)展階段,發(fā)生了洋陸轉(zhuǎn)換、俯沖增生、碰撞造山、裂谷事件、陸內(nèi)造山、板內(nèi)作用等一系列活動,局部擠壓和擴張作用明顯,形成了揚子陸塊、江南造山帶、右江造山帶3大地質(zhì)構(gòu)造單元[4],奠定了貴州現(xiàn)今的地質(zhì)構(gòu)造格局和地物地貌背景,主體隸屬揚子陸塊西南部。貴州大部沉積巖發(fā)育,在東南部廣布淺變質(zhì)巖系(四堡群、板溪群、下江群),西南部覆蓋三疊系陸源碎屑復理石,西北部處于二疊紀峨眉山大火成巖省東區(qū),東北部為Rodinia超大陸聚合—裂解事件陳列區(qū)(梵凈山群),境內(nèi)烏江、赤水河、錦江、清水江、南盤江、北盤江等水系發(fā)達。區(qū)域斷裂主要有羅甸—貴陽—遵義斷裂帶、埡都—紫云斷裂帶、安順—貴陽—鎮(zhèn)遠斷裂帶、銅仁—鎮(zhèn)遠—三都斷裂帶、水城—納雍—息烽—石阡斷裂帶、開遠—平塘斷裂帶等[2-8]。
地熱形成至少需要具備4大基本地質(zhì)條件。一有熱水儲層——儲集空間,有了它地熱才能長期保存。二有隔熱蓋層——封閉外殼,阻止熱量散發(fā)。三有導熱斷裂——傳熱通道,為深部地熱水通過深大斷裂(次級斷裂)輸送至地面管道。四有基礎(chǔ)熱源——地溫來源,應存在多種生熱渠道和產(chǎn)熱途徑。
貴州的熱水儲層和隔熱蓋層組成結(jié)構(gòu)和分布各有特點。自晚震旦世起到三疊紀晚期,劃分了4個碳酸鹽巖沉積期,據(jù)具體情況分出不同地層巖石組成的熱儲及蓋層單元,即上震旦統(tǒng)燈影組時期(第一儲蓋單元)、下寒武統(tǒng)清虛洞組至下奧陶統(tǒng)紅花園組時期(第二儲蓋單元)、上泥盆統(tǒng)望城坡組至下二疊統(tǒng)茅口組時期(細分為:第三儲蓋單元、第四儲蓋單元、第五儲蓋單元)、赤水及習水下二疊統(tǒng)至上三疊統(tǒng)時期(因?qū)偎拇ㄅ璧氐囊徊糠?,沒有分出儲蓋單元)[3]。
熱水儲層,為深部地熱傳輸至淺部提供儲集空間。第一儲集單元,碳酸鹽巖出露于大方—金沙—仁懷—習水、清鎮(zhèn)—息烽—開陽—甕安—福泉、黔東北、黔東南等地區(qū),沉積厚度由北西至南東逐漸變薄,臺地相和臺地邊緣灘礁相藻白云巖及上覆下寒武統(tǒng)碎屑巖組成本單元巖系,總厚1 080.4 m,下伏地層為上震旦統(tǒng)洋水組、南沱組、澄江組/馬路坪組及中、新元古界碎屑巖及淺變質(zhì)巖系,組成厚逾2萬m的隔水巖系,是貴州分布最廣、厚度最大、質(zhì)量較好及研究程度最高、地熱點最為密集分布的熱儲單元。第二儲集單元,碳酸鹽巖在北部和東部分布最廣,多見于背斜軸部及兩翼,出露有半局限海臺地相帶沉積(黔中—黔北主要為白云巖)、臺緣灘(丘)相帶沉積(銅仁—鎮(zhèn)遠—都勻一線),斜坡相帶沉積(玉屏—丹寨—三都一線)、廣海盆地相帶沉積(東南隅),與上覆下奧陶統(tǒng)湄潭組至志留系碎屑巖組成本單元巖系,巖石地層由寒武系清虛洞組、石冷水組、高臺組、婁山關(guān)群與志留系桐梓組、紅花園組組成,總厚 2 296.4 m,地熱點分布稀少,研究程度不高。第三、第四、第五儲集單元,分布在貴州北部、中部及東部的臺地、臺地邊緣沉積區(qū),碳酸鹽巖分布于貴州南半部,地熱分布零星,研究程度也較低[3]。
隔熱蓋層,形成一道對地溫散熱保護的天然屏障。第一蓋層單元,巖性組成為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖夾透鏡狀磷塊巖,明心寺組頁巖、砂質(zhì)頁巖和金頂山組灰色薄層砂巖、粉砂質(zhì)頁巖,總厚265~1 083 m,蓋層較薄,埋藏較淺。第二蓋層單元,直接蓋層由下奧陶統(tǒng)湄潭組(石阡—貴定以西)、大灣組(石阡—貴定以東)組成,以頁巖、砂巖為主,夾中厚層細晶生物灰?guī)r、微至細晶瘤狀灰?guī)r,總厚180~260 m;間接蓋層為中、上奧陶統(tǒng)龜裂紋灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖、粉砂巖,厚約0~155.69 m,以及下—中志留統(tǒng)統(tǒng)砂巖、頁巖夾少量生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,總厚>1 000 m,蓋層薄、埋藏淺。第三、第四蓋層單元,主要分布在貴州西部,水城一帶較發(fā)育,巖腳一地熱溫度有32 ℃,以灰?guī)r和泥灰?guī)r為主,夾砂巖類,總體蓋層偏薄,埋藏偏淺。第五蓋層單元,分布在貴州西部和北部,西部地區(qū)巖性組成主要為玄武巖、碎屑巖夾灰?guī)r或泥灰?guī)r等,玄武巖厚度在威寧一帶達10~1 240 m,碎屑巖總厚度1 524 m,蓋層厚、埋藏深;北部地區(qū)赤水及習水單元,上覆厚逾千米的侏羅系和上三疊統(tǒng)碎屑巖構(gòu)成良好的蓋層[3]。
導熱斷裂。貴州地質(zhì)構(gòu)造復雜,斷裂發(fā)育,水系密布。NE向區(qū)域斷裂最為發(fā)育,代表性斷裂有安順—貴陽—鎮(zhèn)遠斷裂帶、水城—納雍—息烽—石阡斷裂帶等,次有SN向、NW向等區(qū)域斷裂數(shù)條,斷裂的有序空間展布,提供了地下深部熱流物質(zhì)上涌通道[5]。區(qū)內(nèi)儲熱構(gòu)造有背斜儲熱構(gòu)造、深斷裂儲熱構(gòu)造、活動性斷裂構(gòu)造等提供較多的導熱空間[2-3,7]。
基礎(chǔ)熱源。貴州為地溫梯度低值區(qū),一般為 0.58~3.96 ℃/100 m,是熱對流影響的結(jié)果,深部存在很大潛力的“地溫梯度”自然升溫空間,經(jīng)深部大斷裂地熱傳輸至淺部。對于巖漿巖余熱散發(fā)的熱量,應是省內(nèi)地溫升高又一方式,目前沒有實例驗證和巖石放射性生熱率研究;對于放射性礦床衰變釋放的熱量,可促使局部地區(qū)地下水水溫增熱[2-3,7],全省通過近60年的找礦勘查,共發(fā)現(xiàn)鈾礦床、鈾礦點和鈾礦化點2 000余個,鈾異常點數(shù)上萬個[8],因研究程度低、資料少、規(guī)模小,初步認為尚達不到構(gòu)成產(chǎn)熱基礎(chǔ)能力,本次不單獨作為研究對象進一步探討。
據(jù)王貴玲等研究[9],我國地熱資源可分為淺層地熱能資源、水熱型地熱資源和干熱巖資源3種類型。在貴州水熱型地熱資源研究程度較高,以中低溫地熱資源(<90 ℃)為主,多分布在山地的斷裂帶上,其地熱一般規(guī)模較小,另對淺層地熱能資源也有較多研究。
我國水熱型地熱能資源分布具有明顯的規(guī)律性和地帶性,但受構(gòu)造、巖漿活動、地層巖性、水文地質(zhì)條件等因素的控制總體分布不均勻。
熱儲類型分區(qū)。據(jù)中國地熱資源分布圖[9],貴州劃分了4大熱儲類型分區(qū)(圖1),第一區(qū)域呈NE向斜貫中西部(道真—貴陽—興義)約60%的面積,為裂隙型帶狀層狀復合型熱儲層分布區(qū),屬于裂隙型熱儲;第二區(qū)域呈NE向斜貫東部(銅仁—荔波)約20%的面積,為裂隙型帶狀熱儲層分布區(qū),屬于裂隙型熱儲;第三區(qū)域呈EW向橫貫西北部(畢節(jié)—金沙、赤水—習水)約15%的面積,為巖溶型層狀熱儲層分布區(qū),屬于巖溶型熱儲;第四區(qū)域沿東北部省界至渝湘境內(nèi)約5%的面積,為尚待查明區(qū),屬于復合型熱儲。
1—裂隙型帶狀層狀復合型熱儲層分區(qū);2—裂隙型帶狀熱儲層分區(qū);3—巖溶型層狀熱儲層分區(qū);4—尚待查明區(qū);5—主要斷裂;6—25~40℃溫泉;7—40~60℃溫泉;8—60~90℃溫泉;9—25~40℃地熱井;10—40~60℃地熱井;11—60~90℃地熱井;12—90~150℃地熱井1—layered fractures compound geothermal reservoir;2—banded fractures geothermal reservoir;3—layered karst thermal reservoir;4—others to be determined;5—major faults;6—hot spring at 25~40℃;7—hot spring at 40~60℃;8—hot spring at 60~90℃;9—geothermal well at 25~40℃;10—geothermal well at 40~60℃;11—geothermal well at 60~90℃;12—geothermal well at 90~150℃ 圖1 貴州地熱資源分布[9]Fig.1 Distribution of geothermal resources in Guizhou[9]
地熱資源分布。貴州主要分布在我國劃分的主要隆起山地型地熱帶中的中低溫地熱帶。
主要斷裂、地熱流分布。在黔東地熱分布區(qū)有多組NE向區(qū)域性斷裂,黔西地熱分布區(qū)有一組NW向區(qū)域性斷裂出現(xiàn),它們一并控制了地熱點分布。大地地熱流(點)值介于61~71 mW/m2[9]。
溫泉、地熱井分布。貴州有近300處,主要分25~40 ℃、40~60 ℃、60~90 ℃等3個溫度空間變化。
在貴州區(qū)域,深部大斷裂控制下的“地溫梯度”機械能的自動增溫循環(huán)生熱方式,以及淺部活動斷裂參與地熱流體的導熱方式,是公認最主要的熱傳導方式。
活動性斷裂是第四紀以來仍在活動的斷裂,是活動構(gòu)造主要表現(xiàn)形式和地震活動、地災發(fā)生、地熱分布重要部位,是地熱尋找的重要標志。地熱是現(xiàn)代斷裂活動熱傳導的表現(xiàn),是研究活動斷裂的重要指示[2]。貴州近幾年小級別地震頻繁發(fā)生,為研究近期地熱活動、巖漿活動、地熱變化等提供了場地和條件?;顒有詳嗔褳榈責峄顒犹峁┝擞欣臻g,深部斷裂則是地熱上傳的重要通道和控制因素。
貴州地熱總與地表活動性斷裂有內(nèi)在聯(lián)系,不同地質(zhì)構(gòu)造地區(qū),其分布產(chǎn)出特征卻存在差異(圖2)。
1—天然地熱點;2—地熱井;3—推測的深部Ⅰ級斷裂;4—推測的深部Ⅱ級斷裂;5—活動性斷裂;6—地熱具有的成群成帶特征區(qū)1—natural geotherm spot;2—geothermal well;3—inferred deep first gradeⅠfault;4—inferred deep first grade Ⅱ fault;5—active fault;6—the geothermal area characterized as group of zonation圖2 貴州活動性斷裂與地熱分布關(guān)聯(lián)[2,10]Fig.2 Correlation diagram of active faults and geothermal distribution in Guizhou[2,10]
在地形地貌上,地熱落腳多處在地形較低處。天然地熱點多出現(xiàn)在深切谷地或峽谷底部的河流漫灘、階地上及河谷中,地熱井出現(xiàn)在河溪旁或平壩中[3]。
在地質(zhì)層位上,地熱出現(xiàn)于不同地層組碳酸鹽巖中。自上震旦統(tǒng)到上三疊統(tǒng)均有天然地熱露頭出現(xiàn),沿碳酸鹽巖與上覆的非碳酸鹽巖接觸帶分布,富集有上震旦統(tǒng)燈影組碳酸鹽巖熱礦水、下寒武統(tǒng)清虛洞組至下奧陶統(tǒng)紅花園組碳酸鹽巖熱礦水、上泥盆統(tǒng)望城坡組至下二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖熱礦水、赤水及習水下二疊統(tǒng)至上三疊統(tǒng)熱鹵水[3]。
背斜構(gòu)造是地熱會集產(chǎn)出位置之一,地熱常天然出露于背斜軸部及其兩翼近軸部地帶、背斜傾伏處、背斜弧形轉(zhuǎn)彎處。
在區(qū)域分布上,地熱分布表現(xiàn)三大特征。一是不均勻分布,高度集中于黔中至黔北的水城、安順、貴陽、福泉、玉屏一線以北,南部僅有18處出露,呈北多南少的分布特點,富集區(qū)為石阡—思南、遵義—金沙、貴陽烏當—水田、息烽—開陽,西南部與云南交界區(qū)也較為富集。二是多地區(qū)分布,全省九個地州市均有出現(xiàn),中部、東北部、北部、西北部的熱儲構(gòu)造條件好,蓋層薄、出露點多,屬天然型和經(jīng)濟型地熱區(qū),西部、西南部、南部的熱儲構(gòu)造條件也較好,蓋層較厚、出露點較少,具有較大開發(fā)前景,東部、東南部熱儲構(gòu)造條件較差,在構(gòu)造有利部位有天然點和可供開發(fā)點。三是熱儲、蓋層單元廣泛分布,全省發(fā)育有相配套的熱儲和蓋層5個保溫單元,以第一、第二儲蓋單元最為重要,分布最廣、潛力最大,后三個在全省有不同程度分布,多數(shù)在構(gòu)造有利部位暴露地表,僅少數(shù)在構(gòu)造有利部位可開發(fā)利用。
在深部分布上,地熱埋藏有一定深度。受地殼淺層構(gòu)造控制,與多層次滑脫作用相關(guān),常分布在主斷層旁側(cè)的次級斷層中,形成深度2 000~3 500 m,很少超過5 000 m[3,7]。
在活動性斷裂上,地熱活動與之關(guān)系最為密切。已掌握的地熱點(帶)和地熱異常帶(區(qū))都與地質(zhì)構(gòu)造相聯(lián)系, 大多出露和分布在構(gòu)造斷裂帶,特別是挽近期活動斷裂帶上[3,7],主要沿NE向、次為近SN向分布,形成了NE向畢節(jié)—金沙—遵義、盤縣—貴陽—石阡—松桃、麻江—凱里—劍河與近SN向貴定—平塘(通州)、思南—石阡及NW向水城—六枝等地熱帶。地熱點在NE向上(3條)有47處,水溫20~57 ℃,呈泉群出露于斷褶斜切部位,是最重要的一類,多以高溫出現(xiàn),循環(huán)深度在1 500 m以上,其中以劍河地熱最著名;在SN向上(2條)有21處,水溫20~54 ℃,常出露于河谷Ⅰ級階地或河床中,是次要的一類,以低溫為主,循環(huán)深度在1 400 m以上,以思南—石阡地熱田著名;在EW向上有9處,水溫20~36 ℃,一般出露于斷裂帶上或近側(cè),是較主要的一類,水溫普遍較低,循環(huán)深度在640 m以上;在NW向上有5處,水溫20~34 ℃,僅出露于斷裂帶上或近側(cè),是最少的一類,水溫普遍較低,循環(huán)深度在560 m以上[2-3]。這些地熱點是深部斷裂及淺部派生地質(zhì)構(gòu)造和熱學活動在淺表的活動反映[10]。
貴州地熱與構(gòu)造的關(guān)系是十分密切的,地熱分布與深部大斷裂也具有相關(guān)性。對深部斷裂的劃分是依據(jù)貴州區(qū)域重磁(莫霍面、居里面)兩種資料,通過省內(nèi)及周邊的大地電磁測深剖面(如黑水—泉州地學斷面經(jīng)過貴州松桃),省內(nèi)布置的6條深反射地震剖面與石油鉆探資料等,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,推測了全省深部Ⅰ級斷裂3條(1F1~1F3)、Ⅱ級斷裂15條(2F1~2F15)、Ⅲ級斷裂12條。深部Ⅰ級、Ⅱ級斷裂可輸送充足的幔源物質(zhì)和高能熱流至地殼淺部,形成供熱深部渠道和主要物質(zhì)基礎(chǔ),Ⅲ級斷裂為殼源產(chǎn)熱,提供了穩(wěn)定的熱源空間。貴州地熱分布可能也受制于深部三級大斷裂(Ⅰ~Ⅲ級)。
貴州地處揚子地臺與江南造山復合帶的交接部位,構(gòu)造復雜,巖漿活動頻繁,為地熱活動創(chuàng)造了有利條件。省內(nèi)地熱除多沿活動性斷裂分布外,還沿深部區(qū)域性大斷裂分布。其中深部的NE向、NEE向斷裂是控制地熱分布的主要構(gòu)造,地下熱水多局限分布于NE向、NNE向斷裂上盤的前鋒帶內(nèi)。如沿桐梓—遵義—貴陽—羅甸NEE向斷裂帶兩側(cè)分布有水溫28~52 ℃不等的地熱數(shù)十處,溫泉多自碳酸鹽巖巖石中涌出。省內(nèi)地熱分布的控制性斷裂帶主要有NEE向桐梓—羅甸斷裂帶2F2(兩側(cè)分布)、NE向興仁—鎮(zhèn)遠斷裂帶1F1(兩側(cè)北多南少分布)、NEE向松桃—江口—三穗—榕江—羅城深部大斷裂(1F2)、NEE向勒—師宗—普安—水城—赫章深部大斷裂(1F3)。在NE向斷裂與近EW向斷裂的交匯部位,常常是地熱資源分布的理想場所。地熱分布受深大斷裂控制明顯,在斷裂帶中的不同層位均有出露,已知地熱沿深部Ⅰ級斷裂與深部Ⅱ級斷裂交匯區(qū)或不同級別斷裂兩側(cè)分布。
上述貴州已知地熱在深部NE向1F1斷裂的北部大量聚集和南部少數(shù)出現(xiàn),在地質(zhì)上與區(qū)域性的地層巖性質(zhì)量及構(gòu)造分布格局有直接關(guān)系。這種現(xiàn)象從地質(zhì)構(gòu)造上加以分析,應是有其地質(zhì)原因的,它不是偶然的地質(zhì)變化和位置分布上的巧合。
從貴州區(qū)域地熱資源形成構(gòu)造條件來看,在區(qū)域性大斷裂束、褶皺束帶及短軸狀背斜傾伏端,NE向多期復活斷裂與燕山期形成的不同方向的構(gòu)造帶復活部位常見地熱分布[3],這與區(qū)內(nèi)受到的EW向大地構(gòu)造地質(zhì)應力的擠壓變形作用(特提斯構(gòu)造域與濱太平洋構(gòu)造域聯(lián)合作用)、地殼上淺部蓋層分布的地層巖性及物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成變化等因素有關(guān)。
大致以NE向1F1斷裂為界,貴州北部60%的區(qū)域位于揚子地臺區(qū),南部40%的區(qū)域位于華南褶皺系,南部地區(qū)則再分為江南造山帶、右江造山帶及過渡區(qū)。在北部以碳酸鹽巖發(fā)育為特色,沉積蓋層厚,地溫保溫條件較好,對地熱產(chǎn)出有利,南部則是東南部的淺變質(zhì)巖系、西南部的三疊系陸源碎屑復理石及過渡區(qū)分布,沉積蓋層薄,地溫保溫條件較差,變質(zhì)基底過早暴露,對地熱產(chǎn)出不利。
貴州中西部處于裂隙型帶狀層狀復合型熱儲層分布區(qū)(1F1北側(cè)),東南部處于裂隙型帶狀熱儲層分布區(qū)(1F1南側(cè)),均屬裂隙型熱儲,有益巖漿熱流體的滲透和流通,前區(qū)儲層構(gòu)造復雜,熱儲較為緊致,質(zhì)量較好,利于地熱形成,后區(qū)儲層構(gòu)造簡單,熱儲較為開放,質(zhì)量較差,不利于地熱形成。
貴州地熱分布主要表現(xiàn)為巖漿巖余熱散發(fā)生熱方式,在貴州還未得到深部鉆探工程的有效驗證,確定地熱分布與花崗巖相關(guān)程度具體情況如何。推測這種通過巖漿余熱的導熱過程,也應該成為貴州另一種熱源活動的熱傳導方式。除從江宰便隱伏花崗巖得到證實外,貴州其余地區(qū)至今再沒有發(fā)現(xiàn)隱伏花崗巖,但發(fā)現(xiàn)巖體相應信息時有報道,如中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心,于2014~2016年承擔完成的銅仁—鎮(zhèn)遠—雷山一帶的1∶5萬航磁測量,就發(fā)現(xiàn)與中酸性侵入巖有關(guān)的磁異常133個,優(yōu)選出11處磁異常進行了三級地面查證,分析具有重要找礦意義的異常7處,3處地表見黃鐵礦化和黃銅礦化[11-12]。
貴州地表花崗巖露頭極為稀少。為圈定省內(nèi)中酸性巖體,先以湖南白馬山、越城嶺及廣西摩天嶺、元寶山與貴州梵凈山出露的花崗巖體均反映為重力低、磁力低及高電阻率的地球物理場響應特征為依據(jù),又以廣西南丹大廠隱伏花崗巖體上布格重力異常、航磁ΔT轉(zhuǎn)換ΔZ⊥異常響應特征為線索,再以我國東部重力梯級帶通過的東南沿海地區(qū)(浙閩粵桂等)、中西部重力梯級帶之間的川甘陜秦巴地區(qū),有中酸性巖漿巖分別呈NE向空前分布、EW向集中出現(xiàn)為參考,結(jié)合貴州實際以剩余重力值-2×10-5m/s2、磁場強度值-10 nT等量線為基礎(chǔ),外加布格重力異常負圈閉,聯(lián)合圈定了貴州境內(nèi)逾百處隱伏巖體分布[13]。而花崗巖基的圈定,主要是以中間剩余重力異常為平臺,結(jié)合區(qū)域航磁異常分布而劃分,其反映為有一定埋深和分布面積的深部基底物質(zhì)組成,形成高、低密度地質(zhì)塊體異常,高密度地塊屬于上地殼深處未被重熔的變質(zhì)巖殘留塊體(變質(zhì)基底),而低密度地塊屬于該深度上已被重熔形成的花崗巖塊體(花崗巖基)[14-15]。
由區(qū)域性剩余重力負異常和航磁負異常推測的貴州花崗巖體極為發(fā)育[13],多呈帶狀沿地質(zhì)構(gòu)造線走向分布,形態(tài)規(guī)模不一,NE向居多,分布于黔中、黔東北大部、黔南、黔西南、黔北等地區(qū)(圖3)。
1—推測的花崗巖體;2—推測的花崗巖基;3—天然地熱點;4—地熱井;5—地熱具有的成群成帶特征區(qū);6—推測的深部Ⅰ級斷裂;7—推測的深部Ⅱ級斷裂1—inferred granite body;2—inferred granite batholith;3—natural geotherm spot;4—geothermal well;5—the geothermal area characterized as group of zonation;6—inferred deep first gradeⅠfault;7—inferred deep first gradeⅡfault圖3 貴州推測的花崗巖體及花崗巖基與地熱分布關(guān)聯(lián)[2,13-15]Fig.3 Correlation diagram among inferred granite, granite batholith and geothermal distribution in Guizhou[2,13-15]
在我國不少地熱與花崗巖熱源作用有成因聯(lián)系,貴州花崗巖出露極少,僅在梵凈山、黔桂省界摩天嶺兩地。在圖3中多數(shù)地熱分布在花崗巖體區(qū)及附近,有的出現(xiàn)在兩巖體之間,僅極少數(shù)遠離花崗巖體,沿花崗巖基區(qū)及其邊緣區(qū)兩側(cè)有大量分布,梵凈山(印江)出露花崗巖體一帶有地熱產(chǎn)出。事實上,貴州目前并沒有發(fā)現(xiàn)地熱與花崗巖余熱作用有關(guān)的典型案例,除鉆遇從江宰便隱伏花崗巖外再也沒有新的突破。
與貴州毗鄰的幾個省(市、區(qū))對地熱成因研究程度較高,其中部分地熱分布與花崗巖產(chǎn)熱貢獻有關(guān)。
在湖南地下熱水主要賦存于巖溶裂隙層狀、脈狀含水層和花崗巖構(gòu)造破碎帶中。熱水賦存圍巖主要有古生界灰?guī)r和花崗巖,其中巖溶裂隙層狀、脈狀含水層主要分布于石灰?guī)r地區(qū),以湘西北地熱異常區(qū)最為典型,補給水源豐富,水量大而水溫較低;而湘西南地熱異常區(qū)內(nèi)花崗巖構(gòu)造破碎帶中熱水水量相對灰?guī)r區(qū)小[16]。與貴州東部最為鄰近的一條斷裂為NE向F1花垣—永順—桑植斷裂,圍繞武陵山—雪峰山弧形構(gòu)造外弧轉(zhuǎn)折端分布著眾多的地熱,水溫以中溫者居多,地熱呈串珠狀分布;另一條斷裂為NE向F2靖縣—溆浦—常德斷裂,其間發(fā)育一系列開闊的短軸背、向斜和花崗巖,地熱以低溫為主,中溫者少見[17]。
在四川由于受到印支、燕山構(gòu)造運動作用影響,區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育,伴有大規(guī)模的中酸性巖漿巖侵入。地熱多沿著斷裂、破碎帶或侵入體的接觸帶有規(guī)律分布,具有裂隙型層狀熱儲特征(巖性碳酸鹽巖)。熱源以挽近斷裂變動和地震活動產(chǎn)生的機械熱能為主,次為地溫梯度增熱、花崗巖體的巖漿余熱及放射性元素蛻變產(chǎn)生化學能[18]。地下水接受大氣降水滲入補給,向深部沿斷層破碎帶、構(gòu)造節(jié)理裂隙下滲、運移及接受地溫加熱,遇到印支期花崗巖時,接受巖漿余熱和放射性熱源加熱,并沿著有利的深大斷裂上升到淺部時,與松散巖類孔隙冷水混合,使溫度有所降低,在適宜地方出露地表形成地熱[19]。
在云南經(jīng)調(diào)查表明,巖漿巖十分發(fā)育,地熱多出露于中生界、古生界及震旦系地層中。從巖性看,在沉積巖中多與灰?guī)r、砂巖有關(guān);在巖漿巖中多與花崗巖、玄武巖有關(guān)。部分地區(qū)出露大面積花崗巖帶,存在的40K同位素具有高放射性和生熱率,作為熱源直接加熱花崗巖裂隙中的地下水[20]。
在廣西直接產(chǎn)在花崗巖或花崗斑巖區(qū)的地熱占總數(shù)的45.8%,若加上深部存在隱伏巖體的數(shù)量,則占總數(shù)的80%以上,可見巖體的存在是形成地熱的一個重要因素。目前廣西發(fā)現(xiàn)的巖體均屬于燕山期或燕山期之前形成的巖體,這些巖體經(jīng)過漫長地史的熱能釋放,巖漿活動所產(chǎn)生的余熱已不存在,但巖體本身含有的放射性元素可釋放大量的熱量,這些熱量足以使地熱的增溫率增大,另外作為巖體上升的通道仍是熱流上升的良好通道。在這些地區(qū)熱流量大,易形成地熱異常,有利于地熱水的形成[21]。
除重慶沒有資料說明外,川、滇、桂、湘四省(區(qū))部分地熱分布與花崗巖余熱或放射性元素釋熱有關(guān),在貴州印江桃樹林花崗巖出露區(qū)附近,不僅有地熱出現(xiàn)而且在巖體內(nèi)接觸帶產(chǎn)有鈾礦床,嚴格受梵凈山復式背斜內(nèi)近SN向淘金硅質(zhì)斷裂帶控制,即受斷層、巖體雙重控制。因此推測可能也存在巖漿巖的供熱方式[22]。
據(jù)王亮等研究[23],貴州鎮(zhèn)遠馬坪(鉀鎂煌斑巖)、貞豐魯容—陰河(鈣堿性煌斑巖)、羅甸溝亭—望謨大觀(輝綠巖)、晴隆—織金西北(玄武巖)等巖漿巖出露區(qū),與重磁場同位置相對應地區(qū)表現(xiàn)為重力高、磁力高分布特征,且重磁異常強度表現(xiàn)為高低不一的幅值變化。為保證將最小的隱伏巖體圈定,盡量消除區(qū)內(nèi)巖漿巖受區(qū)域性剝蝕、風化的影響,故利用重力值2×10-5m/s2、磁力值10 nT為基準,聯(lián)合圈定了省內(nèi)百余處基性—超基性巖體分布,對尋找有關(guān)聯(lián)的礦產(chǎn)指明了勘查方向。
由區(qū)域剩余重力正異常和航磁正異常推測的貴州基性—超基性巖體,其分布格局與地表此類巖體分布特征基本一致,西部、北部較多分布,東部、南部稀疏分布[23],在巖體分布區(qū)及附近、兩巖體之間也可見到地熱點出現(xiàn)。在地熱的熱學貢獻上花崗巖余熱作用相比更大,對基性巖類熱學作用不再贅述。
對于地熱來源出處,應是一個科學的溯源問題,應追蹤源頭產(chǎn)地,區(qū)分產(chǎn)出類型,對巖石生熱率高低測試,正確作出質(zhì)量評估,得出定量研究結(jié)果。
貴州地表區(qū)域性大斷裂較多,推測的深部大斷裂也不少,具有完備的熱儲、蓋層條件,構(gòu)成了有利的造熱集熱傳熱成套系統(tǒng)。通過不同地質(zhì)應力、巖土力學層間壓力和深部“地溫梯度”自動升溫作用將地熱水深循環(huán)帶至地表,成為區(qū)內(nèi)地下水供熱的主要增溫方式。
下面用貴州遵義北郊一個具體的地熱井的測溫曲線來分析斷裂和地熱形成的關(guān)系(圖4)。SZK1地熱井,位于貴州遵義匯川區(qū)茅草鋪,區(qū)內(nèi)以地表NE向楓香斷裂導熱為主,兼有與深部熱源相溝通和層狀低溫地熱特征。出現(xiàn)第一儲蓋單元,蓋層為下寒武統(tǒng)金頂山組、明心寺組、牛蹄塘組,熱儲為上震旦統(tǒng)燈影組。熱儲層熱流體補給來源,主要為遠距離的側(cè)向徑流,流向為西北到東南[24]。
SZK1地熱井位于遵義向斜的西北翼,屬一單斜構(gòu)造,東南方有一NE-SW、傾向為NW向、傾角65°的斷層,并位于深部SN向桐梓—遵義—貴陽—羅甸斷裂2F2、NE向威寧—金沙—遵義—德江斷裂2F10(最近的)相交區(qū)的北東側(cè)。地層從上至下有第四系、奧陶系(十字鋪組、牯牛潭組、湄潭組、紅花園組、桐梓組)、寒武系(婁山關(guān)組、石冷水組、高臺組、清虛洞組、金頂山組、明心寺組、牛蹄塘組)、震旦系(燈影組、陡山沱組、南沱組、澄江組)、新元古界板溪群[24]。
該地熱井地溫觀測曲線,從深度1 158.7~ 2 698.5 m記錄,測井深度長約1 539.8 m。井口溫度30 ℃,井溫曲線由上至下存在明顯降溫帶、恒溫帶、升溫帶(圖4,僅表示含水斷層破碎帶頂?shù)装逡粠^(qū)域)。
降溫帶位于深部1 158.7~1 768.19 m之間,深度差609.49 m,井溫測溫在該帶頂界為40.5 ℃、底界為51.9 ℃,溫度差11.4 ℃,井溫梯度每百米1.870 ℃,覆蓋地層寒武系婁山關(guān)組、石冷水組、高臺組、清虛洞組、金頂山組。恒溫帶位于深部1 768.19~2 190.00 m,深度差421.81 m,井溫測溫在該帶頂界為51.9 ℃、底界為61.5 ℃,溫度差9.6 ℃,井溫梯度每百米2.276 ℃,覆蓋地層寒武系金頂山組、明心寺組。升溫帶位于深部2 190.00~2 643.22 m,深度差453.22 m,井溫測溫在該帶上部頂界為61.5 ℃(深度2190.00 m)、中界為67.3 ℃(深度2 420.00 m)、下部底界為71.6 ℃(深度2 643.22 m),溫度差10.1 ℃,井溫梯度每百米2.223 ℃,覆蓋地層寒武系明心寺組、牛蹄塘組;本帶中上部,深度差230.00 m,溫度差5.8 ℃,井溫梯度每百米2.522 ℃,中下部(中界至圖4的E點),深度差223.22 m,溫度差4.3 ℃,井溫梯度每百米1.926 ℃。
圖4 貴州遵義北郊SZK1地熱井某測段測溫曲線及綜合異常[24]Fig.4 Temperature measurement curve and comprehensive anomaly map of a section of SZK1 geothermal well in northern suburb of Zunyi, Guizhou[24]
自2 259.15 m進入震旦系燈影組(Z2dy)儲熱層,全井實測的7條測井曲線,過E點至深度 2 672.22 m均呈現(xiàn)出明顯構(gòu)造破碎帶的物理耦合響應特征,為高自然伽馬、高聲波時差、高自然電位、深側(cè)向低電阻率、淺側(cè)向低電阻率等變化,巖層上下部較破碎、中間相對完整,為勘探的主要目的層即含水層,推測為含水斷層帶的反映,斷層帶厚度達28.00 m,可能與淺部的NE向活動性楓香斷裂相對接。
井溫梯度變化,全孔每百米2.123 ℃、破碎帶每百米10 ℃,破碎帶是全孔的4.71倍,從這一數(shù)值分析和井溫曲線變化特征看,說明進入升溫帶后的上部井溫處于上升期,過該帶中界至下部如圖4的E點逐步達飽和,過E點后趨于井溫平衡期,向下越靠近深部斷層破碎帶井溫提升越快,上部為快速上升段,下部至E點為較快上升段,E點至深部為均勻變化段。井溫于 2 673.50 m溫度顯示值高達72.3 ℃,理論計算[25]當?shù)乇J氐販貞?3.51~57.18 ℃,井溫理論計算值低于實際測量值-15.12 ℃,尚有的不足溫差應是由其他生熱方式補給,可能會通過巖漿巖余熱活動等熱源補足。
深部兩大斷裂(2F2、2F10)與地表活動性楓香斷裂的聯(lián)通作用,對地下熱流體水溫有逐漸提升作用,當?shù)谝粺醿ιw層出現(xiàn)時,可使斷層破碎帶成為一穩(wěn)定的保溫帶。
目前沒有資料和實例說明貴州部分地熱存在花崗巖余熱的直接貢獻,但不少地質(zhì)現(xiàn)象預示區(qū)內(nèi)應存在此種供熱作用和熱量產(chǎn)生。
對于巖漿活動余熱,人們多認為很難構(gòu)成貴州地熱田的熱源,因為貴州沒有發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代巖漿活動,一般來說,一次巖漿事件的持續(xù)時間約10 000年左右,之后冷卻了就不能成為“熱源”,而地質(zhì)歷史上很久以前形成的巖漿巖體,一般不構(gòu)成熱源,可事情總不能一概而論,這取決于當?shù)氐某练e蓋層結(jié)構(gòu)完好程度,以及對巖漿巖的保護。在貴州由于沉積巖蓋層巨厚,限制了巖漿巖的活動能力,造成花崗巖體天然露頭分布極少,不致于過早暴露地表遭遇風化、剝蝕及體量減少而很快失溫,因花崗巖問題大家對地下熱源研究無法開展,無法知道地熱形成與巖體放熱是否有成因聯(lián)系。但區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地震活動頻繁,在NW向羅甸—昭通斷裂帶、SN向劍河—沿河斷裂帶近年來地震時有發(fā)生,對新生的巖漿活動引發(fā)、巖體熱學改造及巖內(nèi)成分重組等有影響,在銅仁發(fā)現(xiàn)了隱爆角礫巖,赫章某鉆孔有石英二長閃長巖,說明深部可能有地幔巖漿物質(zhì)上涌和熱學熱量釋放的活動。省內(nèi)多地區(qū)空前產(chǎn)出的中低溫熱液型礦床(金、鉛鋅、銻、螢石)和產(chǎn)于震旦系—寒武系中的海相熱水沉積重晶石礦床,其形成與巖漿熱(水)源分布密不可分,預示區(qū)內(nèi)應存在大量巖漿侵入活動,主要是活性極強的花崗巖體出現(xiàn)。熱學供熱方式有物競天擇之分,前述地熱井“地溫梯度”不足以產(chǎn)生井測溫度,在遵義一帶(圖3圈定了多處花崗巖體,通過Ⅰ號花崗巖基異常區(qū))井溫理論計算值低于實際測量值-15.12 ℃,故應當考慮巖漿巖余熱活動這部分的貢獻才算合理。
對于巖漿巖放射性生熱,應該用巖石的放射性生熱率數(shù)值來表達,并和國內(nèi)外的已知成果進行對比,說明放射性生熱的貢獻。一般情況下,巖石的放射性衰變生熱量和熱儲中儲存的熱量相比是微不足道的,但不能低估巖漿巖的放射性作用及放射性產(chǎn)熱率的不同,不同地區(qū)有的巖體產(chǎn)熱率高,有的巖體產(chǎn)熱率則較低,而有的巖體產(chǎn)熱率本底值卻較高,在幔源供熱的基礎(chǔ)上附加殼源產(chǎn)熱,可提供穩(wěn)定的熱源,區(qū)域內(nèi)發(fā)育的NE向與NNE向斷裂,為地下熱水深循環(huán)提供了傳熱與導水通道。在貴州雖沒有取得相關(guān)巖漿巖(或放射性礦床)輻射的測試數(shù)據(jù),但不能說明其生熱量對地下水供熱沒有貢獻,這種方式可能不是主要熱源形式,但巖漿巖放射性生熱(或放射性礦床衰變生熱)應是客觀存在的。在息烽—開陽、石阡—印江、劍河、遵義等著名療養(yǎng)區(qū),地熱水沿巖溶裂隙或構(gòu)造裂隙、斷裂分布,有的水溫普遍較高,表現(xiàn)出較大溫差的水溫變化及升溫現(xiàn)象,出現(xiàn)了較高輻射值的氡和鐳、鈾、釷的放射性影響及對地下水的長效增溫作用,如遵義楓香天然礦泉水測定,含氡1.54Me、226鐳2.93×10-12g/L、鈾1.05×10-5g/L、釷1.4×10-7g/L[3]。
對于依據(jù)重力成果分解異常,出現(xiàn)巨大重力低異常反映的花崗巖基(圖3),預示區(qū)內(nèi)可能存在深部熱源體,通過重磁資料推測的眾多中酸性巖體,反映出花崗巖基頂界之上的熱源體發(fā)育程度高,其熱學作用不容忽視。從重力異常(巖體)和地熱分布關(guān)系來分析,地熱都分布在重力低的外圍較低洼處(巖體一帶),如此大的范圍有地熱分布,其深部必定存在熱源體,當?shù)乇頊\部有構(gòu)造條件,加上有水為載體,就有地熱出現(xiàn)的可能性[26],與地下熱源體多處存在有密切關(guān)聯(lián)。研究地熱能量釋放的高地熱場與重力低分布有關(guān),且受構(gòu)造控制明顯,花崗巖基反映的重力低內(nèi)地溫顯示卻非常高[27]。推測的深部花崗巖體和花崗巖基,是地下水增溫的最重要介質(zhì)和主要熱源體,也可能是地體內(nèi)產(chǎn)生熱力資源的主導因素,為地下水產(chǎn)熱增溫釋放出的巖漿巖余熱,理應成為地下水供熱增溫又一方式,其巖漿巖放射性生熱量可能沒有地熱梯度增溫量大,其巖漿巖具體的生熱率貴州這方面研究非常薄弱。
貴州地熱分布地區(qū)。地域上主要集中分布于黔中—黔北地區(qū),數(shù)量多,具成群成帶分布特點,在NE向、近SN向、NW向等活動性斷裂交匯部位及其旁側(cè)分布,多數(shù)與廣布的儲熱體—巖漿巖及斷陷盆地有關(guān),多分布于新構(gòu)造運動強烈的基巖隆起區(qū),處在開啟型或半開啟型構(gòu)造中[3]。
貴州地熱產(chǎn)出部位。賦存于古生代碳酸鹽巖(呈巖溶裂隙層狀、脈狀熱水層)和花崗巖構(gòu)造破碎帶(斷裂裂隙為主要導水、儲水構(gòu)造,含水較豐富)中,地表多屬二疊紀石灰?guī)r出露泉,屬淋濾作用經(jīng)深層循環(huán)加熱形成。黔中及黔北地熱區(qū)的水溫較黔南、黔東、黔西為高,黔中的以高溫為主,中低溫次之,黔北以低溫為主,中溫次之,有斷裂截切花崗巖分布區(qū)的水溫較截切碳酸鹽巖地區(qū)為高[3]。
貴州地熱水溫來源。主要與斷裂活動引起的機械能“地溫梯度”增熱、巖漿巖余熱活動等有關(guān),還與斷裂近期活動和地震關(guān)系密切,如NE—NNE向斷裂帶內(nèi)的息烽、石阡、劍河等高溫地熱分布區(qū)內(nèi)[3]。
1) 貴州地熱分布與活動性斷裂關(guān)系密切。大多數(shù)地熱沿NE向斷裂分布,其次沿SN向斷裂分布,在斷裂帶走向及附近集群出現(xiàn)或局部少量出現(xiàn),頻繁活動的地震、地質(zhì)災害沿其產(chǎn)出,不同方向斷裂一并控制了地熱的分布。以興仁—鎮(zhèn)遠一線為界,地熱呈現(xiàn)北多南少的分布格局。
2) 貴州地熱分布與深部大斷裂關(guān)系密切。深部Ⅰ、Ⅱ級斷裂具有深度的幔源供熱傳導作用,提供富足的熱源和深部聚熱基礎(chǔ),深部Ⅲ級斷裂具有高效的傳熱、儲熱聯(lián)通作用,提供穩(wěn)定的熱源和淺部生熱通道。約90%以上地熱產(chǎn)在由呈“H”型構(gòu)造樣式深部1F1~1F3的斷裂組合區(qū)內(nèi),分別表現(xiàn)在沿NE向斷裂1F1北側(cè)大量分布(南側(cè)不多)、介于兩條SN向斷裂(1F2、1F3)之間出現(xiàn)(東西兩側(cè)省界不多),推測在1F1南部和1F2、1F3控制的東西外側(cè)具有較大找熱空間。
3) 貴州地熱分布與隱伏花崗巖體、深部花崗巖基關(guān)系密切。區(qū)內(nèi)分布有很多中低溫熱液型礦產(chǎn)和資源儲量豐富的海相熱水沉積重晶石礦床存在,揭示出地下存在與所述礦產(chǎn)有成因聯(lián)系的熱源體,它們?yōu)榈責崽锏男纬善鸬搅酥匾嶙饔煤蜔嵩次镔|(zhì)儲備。規(guī)模大的花崗巖體保留余熱較多為高產(chǎn)熱巖石,對地溫場分布影響較大,是潛在的重要供熱資源和供給方式,巨大的花崗巖基應是殼源產(chǎn)熱的物源基地。