于小磊，張曉輝，劉振偉，蔡新明，楊 慧，孫 磊，陳軍典，慕鈞浩

1.遼寧省礦產(chǎn)勘查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110031；2.遼寧省物測勘查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110031

0 引言

地球深部蘊(yùn)藏著巨大的能量，地核溫度可高達(dá)4 000～6 800 ℃.地球內(nèi)部的熱量主要來源于3 個部分，分別為地球形成時的余熱、地球與其他星體之間的潮汐摩擦加熱及放射性元素的衰變產(chǎn)生的熱量.地球通過火山、地震、地?zé)岬确绞皆丛床粩嗟蒯尫胖鴥?nèi)部能量.干熱巖是地球熱量釋放過程中產(chǎn)生的，是地?zé)豳Y源的一種.自1973 年美國科學(xué)家提出干熱巖概念以來，由于其具有溫度高、穩(wěn)定性好、能量大等特點(diǎn)，許多發(fā)達(dá)國家相繼開展了干熱巖的試驗(yàn)研究.2018 年，國家能源局將干熱巖定義為不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體［1］.

我國干熱巖研究起步較晚，但在世界干熱巖利用技術(shù)發(fā)展的帶動下，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，并取得了許多重要的進(jìn)展，為現(xiàn)階段開展干熱巖勘探開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ).我國從1993 年開始開展干熱巖的試驗(yàn)，但并未成功實(shí)施.直至2010 年，原國土資源部啟動了公益性科研項(xiàng)目“中國干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)研究”，主要開展干熱巖高溫鉆探技術(shù)方面的研究.2012年，我國啟動了“863 計(jì)劃”項(xiàng)目“干熱巖靶區(qū)工程測試及人工壓裂工藝技術(shù)研究”及“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，開啟了國內(nèi)專門針對干熱巖工程的研究，計(jì)算出中國大陸（3～10 km 深度）干熱巖資源總量為20.9×106EJ，合714.9×1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤，若按2%的可采資源量計(jì)算，相當(dāng)于中國2010 年能源消耗總量的4 400 倍［2］.2013 年，中國地質(zhì)調(diào)查局承擔(dān)項(xiàng)目“全國干熱巖資源潛力評價與示范靶區(qū)研究”，系統(tǒng)研究了干熱巖賦存特征和成因機(jī)制，評價了我國干熱巖資源潛力，為我國實(shí)現(xiàn)干熱巖開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，國內(nèi)干熱巖資源調(diào)查評價與開發(fā)研究進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段［3］.

此后，近20 個省份相繼開展了本省的干熱巖勘查工作.其中，2014 年至今，青海地勘人員在青海共和盆地成功施工5 眼干熱巖勘探孔，孔深在3 000～3 705 m，井底溫度達(dá)180 ℃以上，5 眼勘探孔均鉆獲干熱巖體.其中GR1 干熱巖勘探孔孔深3 705 m，鉆獲了溫度超過200 ℃的高溫巖體，實(shí)現(xiàn)我國干熱巖資源勘探的重大突破［4］.恒泰艾普（海南）清潔能源公司在李德威教授團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，在海南瓊北盆地成功鉆獲古近紀(jì)碎屑沉積巖干熱巖儲層，孔深4 387 m，溫度185 ℃［5］.

2020 年，是中國“碳中和”元年，地?zé)嶙鳛槲宕蠓翘蓟茉粗?，得到了進(jìn)一步的重視.2021 年，在中國科學(xué)院重大咨詢項(xiàng)目“中國碳中和框架路線圖研究”中，干熱巖的開發(fā)為專題內(nèi)容之一［6］.遼寧省作為典型的能源輸入省份，是以能源消耗為主的工業(yè)大省.在“碳達(dá)峰、碳中和”進(jìn)程中，遼寧省仍處于高投入、高排放的階段，因此有序開發(fā)干熱巖資源是順應(yīng)時代發(fā)展的要求，也是解決自身能源結(jié)構(gòu)的重要途徑［7］.本文對遼寧省大地?zé)崃髦怠⒕永锩媛裆?、酸性巖體分布及構(gòu)造應(yīng)力特征等干熱巖資源賦存指標(biāo)進(jìn)行分析，以期為干熱巖進(jìn)一步的勘查工作提供參考.

1 干熱巖資源賦存指標(biāo)分析

由于干熱巖為深埋于地下3 000 m 以深的巖石體，除鉆探外無法直接通過現(xiàn)有的技術(shù)手段獲取其溫度，因此只能通過大地?zé)崃髦?、居里面埋深、酸性巖體分布、殼內(nèi)低速高導(dǎo)體埋深及構(gòu)造應(yīng)力場等指標(biāo)間接反映地下的熱異常［8-9］.

1.1 大地?zé)崃髦堤卣?/h3>

大地?zé)崃髦禐閱挝粫r間內(nèi)地球內(nèi)部的熱能通過巖層傳導(dǎo)和地?zé)崃黧w對流作用向地表的散失量.大地?zé)崃髦凳潜碚鞯貧\部熱狀態(tài)的一個非常重要的綜合性參數(shù)，也是深部溫度計(jì)算的最重要參數(shù)，比其他地?zé)釁?shù)更能反映某個地區(qū)地溫場的特點(diǎn)［10］.遼寧省已有的89 個熱流數(shù)據(jù)中，有44 個集中分布于下遼河盆地，42個分布于遼東地區(qū)，遼西地區(qū)數(shù)據(jù)較少，僅3 個（圖1）.熱流值介于32.1～105 mW/m2，均值為63.23 mW/m2，平均地溫梯度為35.1 ℃/km，高于全國平均水平的大地?zé)崃髦担?1.5 mW/m2）和地溫梯度值（24.1 ℃/km）［11］，顯示出遼寧省具有較好的地?zé)豳Y源開發(fā)潛力.其中，遼陽-海城-蓋州一帶熱流值大于（90 mW/m2）的點(diǎn)有4個，呈條帶狀分布于郯廬斷裂以東的遼東山地丘陵區(qū)與遼河平原區(qū)的過渡帶，最高值為105 mW/m2；下遼河拗陷西部熱流值介于70～90 mW/m2之間的點(diǎn)有11個，平均熱流值為77 mW/m2.

圖1 遼寧省大地?zé)崃髦捣植紙D（據(jù)文獻(xiàn)［11-14］修改）Fig.1 Distribution map of terrestrial heat flow values in Liaoning Province（Modified from References［11-14］）

1.2 居里面特征

居里溫度是使位于地殼深部的侵入巖、火山巖及變質(zhì)巖等各類地質(zhì)體中鐵磁性礦物失去磁性的溫度，純鐵磁礦的消磁溫度約578 ℃.地殼深部各類地質(zhì)體失去磁性的埋深面則為居里面.居里面是一個磁性界面，可以利用航磁資料計(jì)算居里面的埋深，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體的鐵磁性礦物組成相似時，居里面也可以近似看作是一個溫度界面.居里面埋深較淺的地區(qū)，地球內(nèi)部熱量向地表傳輸?shù)木嚯x較短，有利于產(chǎn)生高溫的干熱巖孕育環(huán)境，同時有利于干熱巖的勘查開發(fā)［5］.

從遼寧省居里面等深圖（圖2）上可以看出，遼寧省居里面總體上呈現(xiàn)拗隆相間的格局，深度在16～40 km之間變化，平均深度約28 km.根據(jù)遼寧省居里面隆起和拗陷的特點(diǎn)，可劃分為遼東隆起區(qū)、遼南拗陷區(qū)、遼西隆起區(qū)和遼北拗陷區(qū)4 個區(qū)域.其中在遼北拗陷區(qū)的鐵嶺市橫道河子鎮(zhèn)附近分布著一個較深的極值點(diǎn)，深度約40 km，顯示該區(qū)地殼具有“冷殼”的特點(diǎn).5 個隆起中心分別位于阜新市、彰武縣、盤錦市、鳳城市及桓仁縣，繞遼北拗陷區(qū)呈環(huán)狀分布，隆起中心居里面埋深均在小于18 km.遼南拗陷區(qū)主要分布于岫巖-營口以南地區(qū)，居里面等深線長軸呈近南北走向，居里面深度從海上向陸地過渡具有明顯變深的趨勢，居里面深度普遍大于30 km.位于遼西隆起區(qū)的朝陽以東、盤錦以西地區(qū)呈現(xiàn)隆中拗的特點(diǎn)，居里面埋深超過28 km.

圖2 遼寧及其鄰區(qū)居里面等深圖（據(jù)文獻(xiàn)［15］）Fig.2 Curie surface contour map of Liaoning and adjacent areas（From Reference［15］）

1.3 酸性巖體分布特征

地表觀測到的熱流值主要由兩部分組成，一是地核和地幔中的熱量通過地殼散失于地表的熱量，二是地殼中的放射性元素U、Th 和K 通過衰變產(chǎn)生的熱量.酸性巖體由于相對富含放射性生熱元素U、Th 和K，因此可作為干熱巖資源賦存的重要指標(biāo)條件［16］.在各類酸性巖體中，具有最高的平均單位體積生熱率的巖體為燕山期花崗巖，其平均單位體積生熱率要顯著高于印支期、華力西期及加里東期花崗巖［17］.

花崗巖是遼寧省中生代酸性侵入巖中最主要的巖類，總出露面積達(dá)16 041.2 km2，主要分布于遼南莊河-蓋州-普蘭店及遼東鳳城-海城-桓仁一帶（圖3）.其中，早—中三疊世花崗巖不發(fā)育，集中分布于遼北西豐地區(qū)及遼東寬甸地區(qū)，主要受NE 向斷裂控制，呈現(xiàn)NE 向長條狀或似圓狀.晚三疊世侵入的花崗巖類均出露于古元古代及以前的隆起帶上，受E-W 向復(fù)式褶皺和NE 向、E-W 向、近S-N 向斷裂控制.早侏羅世巖體以巖株為主，部分為巖基，多成NE 向及近E-W向展布.中侏羅世巖體發(fā)育程度不及早侏羅世，巖體從小巖株到巖基均有產(chǎn)出.晚侏羅世巖體多呈橢圓狀、長條狀的巖株產(chǎn)出，多呈E-W 向或NE 向展布.早白堊世巖漿侵入活動十分強(qiáng)烈，巖體出露面積占燕山期侵入巖面積的53.4%.晚白堊世巖漿侵入活動較早白堊世明顯減弱［18］.

圖3 遼寧省中生代酸性巖分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［18］修改）Fig.3 Distribution map of Mesozoic acid rocks in Liaoning Province（Modified from Reference［18］）

遼東地區(qū)酸性侵入巖中U、Th、K 的平均含量分別為4.25×10-6、27.84×10-6、4.62×10-6，均高于全球平均值（U≈3.5×10-6，Th≈18.0×10-6，K≈3.13×10-6）［19］.其中，三疊紀(jì)及侏羅紀(jì)花崗巖中放射性元素含量均遠(yuǎn)低于整體平均值.白堊紀(jì)花崗巖中放射性元素遠(yuǎn)高于整體平均值，U、Th、K 的平均含量分別為7.55×10-6、49.97×10-6、4.29×10-6.巖石中放射性元素含量波動區(qū)間較大，例如老黑山-寬甸巖體中U 含量介于2.35×10-6～10.89×10-6之間，Th 含量介于6.82×10-6～67.28×10-6之間，K 含量介于1.95×10-6～5.77×10-6之間.鞍山湯崗子及千山溫泉、丹東五龍背及東湯溫泉、本溪湯池溝溫泉、熊岳溫泉均發(fā)育在早白堊世花崗巖之中［20］，這幾處溫泉也是遼寧省內(nèi)超過70 ℃的主要溫泉資源.各時代巖體放射性元素含量及生熱率見表1［20］.

表1 遼東地區(qū)中生代侵入巖放射性元素含量表Table 1 Content of radioactive elements in Mesozoic intrusive rocks in eastern Liaoning Province

1.4 殼內(nèi)低速高導(dǎo)體埋深

低速高導(dǎo)層是位于地殼或地幔中的具有異常低的S 波波速、較強(qiáng)的地震波衰減和較高的導(dǎo)電性的巖層.殼內(nèi)低速高導(dǎo)層的成因機(jī)制比較復(fù)雜.韌性剪切帶中的巖石在變形過程中，由于礦物的定向排列，可使巖石的波速、電性產(chǎn)生各向異性，從而導(dǎo)致低速高導(dǎo)體的產(chǎn)生；深部巖石中含水礦物的脫水作用可導(dǎo)致殼內(nèi)低速高導(dǎo)層的形成；在一定的溫度區(qū)間，地殼內(nèi)的巖石達(dá)到熔融溫度而發(fā)生相態(tài)的轉(zhuǎn)變，也可導(dǎo)致低速高導(dǎo)層的產(chǎn)生；深部巖石在高溫高壓的作用下含水礦物發(fā)生脫水，可導(dǎo)致殼內(nèi)巖石的物理性質(zhì)發(fā)生改變，也會形成低速高導(dǎo)層［21］.上地幔中低速高導(dǎo)層可能是水和熔體共同作用的結(jié)果［22］.無論低速高導(dǎo)層的成因機(jī)制如何，低速高導(dǎo)層的出現(xiàn)多伴隨著異常的高溫，所以低速高導(dǎo)層的出現(xiàn)及埋深對干熱巖的尋找有一定的指示作用.

內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧東溝斷面（GGT-13）是我國地學(xué)斷面部署中的11 條斷面之一，在遼寧省內(nèi)自西北向東南穿過北票、義縣、盤山、古城子、海城、岫巖等地直至黃海之濱的丹東市大孤山鎮(zhèn)［23］.從圖4 可以看出，位于下遼河拗陷的盤山、古城子一帶出現(xiàn)明顯的莫霍面及軟流圈的上隆，下遼河拗陷新近紀(jì)以來幔源玄武巖噴發(fā)，就是在軟流圈上隆的背景下出現(xiàn)地幔剪切和上地幔部分熔融的結(jié)果［24］.位于郯廬斷裂帶以東的海城兩側(cè)深度在10～20 km 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的殼內(nèi)高導(dǎo)層，寬度約40 km，其電阻率值為4～6 Ωm，與殼內(nèi)低速層的位置大致相當(dāng).海城地區(qū)的地震震源集中分布于該低速高導(dǎo)層上界面，結(jié)合上述殼內(nèi)低速高導(dǎo)層的成因，推測該層為高溫高壓下含水礦物的脫水所致.脫水作用導(dǎo)致殼內(nèi)巖石物理性質(zhì)發(fā)生改變，巖石相變成低強(qiáng)度的軟弱體，使區(qū)域應(yīng)力集中分布于上覆的脆性巖石中導(dǎo)致地震的孕育和發(fā)生.同時由于郯廬斷裂帶僅為古板塊邊界而非控?zé)針?gòu)造［25］，推測海城地區(qū)的高熱流值可能與低速高導(dǎo)層存在一定的聯(lián)系.

圖4 GGT-13 地球物理解譯剖面（據(jù)文獻(xiàn)［23］）Fig.4 Geophysical interpretation profile of GGT-13（From Reference［23］）

1.5 構(gòu)造應(yīng)力場特征

遼寧省處于總體走向呈NE 向的華北斷塊北部，中部有巨型斷裂構(gòu)造帶郯廬斷裂帶呈NE 向貫穿全省，是中強(qiáng)地震較活躍的地區(qū)，地震的發(fā)生正是構(gòu)造應(yīng)力突然釋放的后果.張先澤等［26］利用宏觀和微觀地震資料及遼河油田的計(jì)算成果，詳細(xì)分析了遼寧省構(gòu)造應(yīng)力場的特征，認(rèn)為遼寧省構(gòu)造應(yīng)力場主張應(yīng)力為NW 向形成NE 向斷裂，主壓應(yīng)力為NEE 向形成近NW 向斷裂.戴盈磊等［27］通過1971—2020 年遼寧及周邊地區(qū)震源機(jī)制解資料，利用區(qū)域尺度應(yīng)力場反演方法（SATSI）對遼寧省構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了分析，認(rèn)為遼寧省內(nèi)最大主應(yīng)力方向以NEE 向?yàn)橹?，最小主?yīng)力方向以NNW 向?yàn)橹鳎宰呋龜嗔褳橹?，整體上處于拉張的應(yīng)力環(huán)境.從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景來看，西太平洋板塊對遼寧省NWW 向的高速俯沖是遼寧省地震發(fā)生及一系列NE—NNE 向隆起和拗陷形成的主要動力來源，并使地殼淺部形成一系列的NE—NEE 向張性斷裂［28］.

張性的巖石圈斷裂及深殼斷裂可以更好地將地球深部熱量傳遞到中、上地殼并為熱量的循環(huán)提供通道.貫穿遼寧省的郯廬斷裂帶為巖石圈斷裂，在延伸入下遼河盆地后，線性斷裂帶變?yōu)槎鄺l，主要有二界溝活動斷裂帶、威遠(yuǎn)堡-盤山活動斷裂帶及遼中-大洼活動斷裂帶等，呈帚狀斷裂束.NE—NEE 向深殼斷裂主要有東風(fēng)-沈旦堡斷裂、長灘-東陵區(qū)斷裂、李石-英額門斷裂、虎莊-下肥地斷裂、歸州-丹東斷裂、金州斷裂、鴨綠江斷裂等，在沈陽、鞍山、本溪地區(qū)深殼斷裂分布較集中，且NE 向與NEE 向斷裂互相交匯.

2 初選靶區(qū)討論

前人在分析我國大陸地區(qū)大地?zé)崃髦?、居里面埋深、酸性巖體分布和控?zé)針?gòu)造的基礎(chǔ)上，通過對國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的干熱巖資源的成因模式進(jìn)行研究，將中國干熱巖資源劃分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型及強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型4 種類型［3］.

2.1 高放射性產(chǎn)熱型

遼寧省中生代酸性巖中白堊紀(jì)巖體具有最高的放射性元素含量和生熱率，其生熱率介于3.14～8.64 μW/m3之間，接近中國東南沿海地區(qū)的中生代酸性花崗巖的平均放射性生熱率（4.2 μW/m3）［3］.同時早白堊世的花崗巖體數(shù)量多，面積大于100 km2的巖基有11 個，具備較好的生熱條件.但是要尋找到高放射性產(chǎn)熱型干熱巖，不僅需要合適的干熱巖體，為了防止大氣降水入滲而使巖體冷卻，在基底之上還需要具有一定厚度的導(dǎo)熱性較差的蓋層以保存基底熱量.結(jié)合遼寧省干熱巖資源賦存條件，初選出鞍山-海城一帶、蓋縣-許屯一帶、草河城鎮(zhèn)-八河川鎮(zhèn)一帶及五龍背地區(qū)為高放射性產(chǎn)熱型干熱巖資源勘查靶區(qū).然而，考慮到高放射性產(chǎn)熱型干熱巖開發(fā)工作至今還沒有成功的案例，其溫度僅靠巖體放射性很難達(dá)到要求，放射性花崗巖放熱的效率并不高且溫度衰減較快等原因，高放射性產(chǎn)熱型干熱巖靶區(qū)僅保留具備高大地?zé)崃髦岛蜌?nèi)低速高導(dǎo)體的鞍山-海城一帶.

2.2 沉積盆地型

下遼河盆地是遼寧省內(nèi)最大的盆地，是一個在前古生代基底上發(fā)育起來的呈北東向展布的中、新生代拗陷盆地，屬于渤海裂谷系的組成部分，東臨遼東褶皺帶，西接燕山沉陷帶，由東向西呈現(xiàn)出“三凹三凸”的構(gòu)造格局.下遼河盆地具有高的地溫梯度和大地?zé)崃髦担永锩媛裆顪\，深部存在上地幔低速高導(dǎo)體，東西兩側(cè)為郯廬斷裂帶，基底之上巨厚的低熱導(dǎo)率新生代沉積蓋層提供了很好的保溫效果.通過對以上干熱巖資源賦存條件的分析，初選出下遼河盆地為遼寧省沉積盆地型干熱巖資源勘查靶區(qū).

2.3 近代火山型

近代火山型干熱巖資源的主要熱源為火山活動中未噴發(fā)出地表而殘存于深部以巖漿囊形式存在的巖漿，深淺不一，通?？稍谳^淺的位置獲得較高的溫度.我國近代火山主要分布在騰沖、雷瓊、長白山、五大連池等地區(qū)［29］.東北地區(qū)有5 個火山和火山巖帶，分別為下遼河-雙遼、佳木斯-伊通、撫順-密山、長白山和大興安嶺.其中下遼河-雙遼火山帶火山活動時間為63～25 Ma，撫順-密山火山帶活動時間為44.9 Ma，而長白山天池火山晚期火山活動時間為1489～704 a，五大連池火山群火山活動時間為0.563 Ma—現(xiàn)代［30］.一般認(rèn)為，100 ka 以來的巖漿活動對溫度場有很大的影響［8］，而遼寧省內(nèi)巖漿活動發(fā)生在第四紀(jì)之前，長時間的冷卻已使巖漿熱量散失殆盡，對區(qū)域地溫場基本無影響.

2.4 強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型

深大活動斷裂作為活動構(gòu)造中最活躍的因素往往切割地殼較深而使深部酸性巖漿易于侵入，同時在巖漿侵入過程中會打破斷裂原有的空間結(jié)構(gòu)而加劇侵入巖體的上隆.中國活動地塊可劃分為青藏、西域、南華、滇緬、華北和東北亞等6 個Ⅰ級活動地塊區(qū)，還可以進(jìn)一步劃分為22 個Ⅱ級活動地塊［31］.遼寧省處于東北亞活動地塊區(qū)，相較于我國西藏、滇西、川西及臺灣地區(qū)，本地塊區(qū)是一個構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的地區(qū)，構(gòu)造活動不強(qiáng)烈，不具備形成強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型干熱巖的構(gòu)造條件和熱背景.

3 結(jié)論

通過對遼寧省大地?zé)崃?、居里面等指?biāo)進(jìn)行分析，認(rèn)為遼寧省可能存在的主要干熱巖類型為沉積盆地型和高放射性產(chǎn)熱型.其中，沉積盆地型干熱巖靶區(qū)為下遼河盆地，應(yīng)作為下一步遼寧省干熱巖資源勘查開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)；高放射性產(chǎn)熱型干熱巖靶區(qū)為鞍山-海城一帶，可作為遼寧省干熱巖資源勘查開發(fā)的次重點(diǎn)地區(qū).