熊 波，許 浩，唐淑玲,*，王社教，方朝合，辛福東，吳京杰，位湘權(quán)，宋雪靜，王金偉

(1.中石油深圳新能源研究院有限公司，廣東 深圳 518052；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

干熱巖(Hot Dry Rock，HDR)指地下高溫但由于低孔隙率和滲透性而缺少流體的巖石(體)，干熱巖地?zé)豳Y源通常指賦存于高溫(>200℃)干熱巖中的可采地?zé)崮躘1]。干熱巖型地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大，被視為人類(lèi)未來(lái)的重要替代新能源之一。多年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)干熱巖型地?zé)豳Y源不斷探索與研究，取得了系列的成果，初步形成了商業(yè)開(kāi)發(fā)的成功范例，包括美國(guó)Fenton Hill、Geysers和Milford項(xiàng)目、法國(guó)Soultz項(xiàng)目、德國(guó)Landau項(xiàng)目以及澳大利亞Habanero干熱巖項(xiàng)目等[2-4]。我國(guó)干熱巖勘查和開(kāi)發(fā)起步較晚，基礎(chǔ)理論薄弱，資源分布極不均勻，目前在青海共和、山東利津、廣東惠州、四川康定、河北馬頭營(yíng)和海南瓊北等地相繼開(kāi)展了干熱巖初步勘探，除藏南?滇西地區(qū)高溫地?zé)豳Y源較為豐富外，其他地區(qū)高品質(zhì)干熱巖資源有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。

干熱巖資源形成需要具備4個(gè)必要條件：源、通、儲(chǔ)、蓋。學(xué)界目前認(rèn)為干熱巖熱源主要有4種形式：地殼運(yùn)動(dòng)熱源、巖漿活動(dòng)熱源、地殼熱流熱源及地幔熱流熱源，認(rèn)為干熱巖熱通道主要為低阻低速高導(dǎo)體和斷裂構(gòu)造[5]?？傮w看來(lái)，已發(fā)現(xiàn)的干熱巖地?zé)豳Y源多產(chǎn)出于地?zé)岙惓^(qū)，與板塊碰撞、地殼減薄引起的巖漿和火山活動(dòng)有著密切關(guān)系。毛翔等[4]總結(jié)了國(guó)際干熱巖開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的板塊構(gòu)造位置，認(rèn)為干熱巖地?zé)豳Y源主要分布在歐亞板塊內(nèi)地?zé)嵊颉⒂“陌鍓K內(nèi)地?zé)嵊?、東太平洋離散?匯聚板緣型地?zé)嵊颉⑽魈窖髤R聚板緣型地?zé)嵊蚝图永毡群；鹕交顒?dòng)島弧區(qū)。其中前陸盆地和裂谷盆地是全球干熱巖開(kāi)發(fā)項(xiàng)目最為集中的2種盆地類(lèi)型，弧前?弧后地區(qū)及火山帶干熱巖項(xiàng)目集中于環(huán)太平洋地區(qū)。饒松等[2,6]認(rèn)為大地構(gòu)造背景、大地?zé)崃鞣植肌⑸畈康貙訙囟?、新生代火山分布、地表熱顯示(溫泉分布)、深部地球物理資料揭示的巖漿囊埋深、莫霍面深度等是干熱巖開(kāi)發(fā)靶區(qū)初選的主要因素。同時(shí)，證實(shí)了Fenton Hill試驗(yàn)區(qū)和Geysers干熱巖項(xiàng)目淺部高溫水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)與深部干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)存在同源共生關(guān)系，熱源均為深部巖漿囊或新生代侵入的局部熔融體[7-9]。近幾年，通過(guò)青海共和盆地、海南雷瓊裂谷帶等干熱巖項(xiàng)目的研究，認(rèn)為在盆地邊界斷裂或盆地內(nèi)隱伏深大斷裂帶有望找到更多的斷裂帶型高溫水熱系統(tǒng)和深部高溫的干熱巖型熱儲(chǔ)[2]。

內(nèi)蒙古地區(qū)地處西伯利亞板塊與華北板塊接合部位，地殼的組成與薄厚差異大，區(qū)內(nèi)深大斷裂發(fā)育，自二疊紀(jì)以來(lái)巖漿活動(dòng)頻繁，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。前期勘探表明，內(nèi)蒙古地區(qū)淺層水熱型地?zé)豳Y源豐富，但長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)其深部干熱巖地?zé)豳Y源的研究尚屬空白[10]。因此，筆者綜合區(qū)域地質(zhì)與構(gòu)造背景、大地電磁探測(cè)結(jié)果、地?zé)岙惓ｏ@示與實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方法，探討內(nèi)蒙古中部地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源的熱源機(jī)制、干熱巖儲(chǔ)層類(lèi)型及熱量保存條件，查明干熱巖資源形成機(jī)制與地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程，建立干熱巖成因模式，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)的干熱巖地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景與地?zé)犸@示

1.1 地質(zhì)背景

內(nèi)蒙古地區(qū)處于華北板塊和西伯利亞板塊的匯聚帶(圖1a)，在晚古生代?早中生代，一系列微陸塊、島弧及南北大陸間經(jīng)歷了多期次的俯沖、碰撞及拼合過(guò)程[11]。隨著兩大板塊的最終碰撞縫合，發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造、巖漿活動(dòng)，中生代拼合后，地殼轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘堧A段，幔源巖漿侵入作用有增無(wú)減。內(nèi)蒙古地區(qū)經(jīng)歷了太古宙?新生代漫長(zhǎng)的演化歷史和多期次的構(gòu)造?巖漿活動(dòng)，形成了典型的前寒武紀(jì)古陸塊，獨(dú)特的中晚元古代白云鄂博?渣爾泰裂谷或裂陷槽、溫都爾廟?白乃廟拼貼造山帶，發(fā)育規(guī)模宏大的古生代造山帶。中生代內(nèi)陸造山運(yùn)動(dòng)顯著，有大規(guī)模的巖漿噴發(fā)和侵入，形成NNE向大興安嶺火山巖區(qū)，疊加于近東西向古生代造山帶之上。新生代以來(lái)差異升降顯著，尚有大規(guī)模的玄武質(zhì)巖漿噴溢。

圖1 內(nèi)蒙古中部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地?zé)犸@示Fig.1 Geological structures and geothermal manifestations of central Inner Mongolia

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古中部地區(qū)，長(zhǎng)約808 km，寬約630 km，面積約為2.9×105km2，發(fā)育二連?賀根山斷裂、錫林浩特?cái)嗔?、林西斷裂、西拉木倫河斷裂及赤?白云鄂博斷裂等深大斷裂系統(tǒng)(圖1b)，主要涵蓋二連盆地群中北部、赤峰盆地及周邊地區(qū)。兩個(gè)地區(qū)均為在興蒙造山帶海西褶皺基底和侏羅紀(jì)殘留盆地基礎(chǔ)上經(jīng)早白堊世強(qiáng)烈伸展、斷裂而形成的陸相斷陷湖盆[12-15]，盆地邊界嚴(yán)格受斷裂帶的控制，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育[16]。

1.2 地?zé)犸@示

目前在內(nèi)蒙古中部二連、赤峰地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)熱水型地?zé)崽?，主要包括阿爾山地?zé)崽铩⒖耸部蓑v地?zé)崽?、寧城地?zé)崽?、敖漢地?zé)崽锏?，其中二連盆地地?zé)崽飳儆诔练e盆地型，赤峰盆地及周邊地區(qū)屬于隆起山地型。內(nèi)蒙古中部新生代時(shí)期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，噴發(fā)總面積可達(dá)20 000 km2，巖漿噴發(fā)主要以基性熔巖為主，新生代巖漿活動(dòng)主要表現(xiàn)為3個(gè)火山巖區(qū)：集寧火山巖區(qū)、阿巴嘎火山巖區(qū)和赤峰火山巖區(qū)[17]。

研究區(qū)地表地?zé)犸@示明顯，火山巖出露范圍廣泛，均為基性玄武巖，且與地層混染程度低，表明巖漿噴出快速、強(qiáng)烈。除大范圍分布的火山巖外，還存在大量的溫泉、熱礦泉、熱水井等，總體呈現(xiàn)沿NE向斷裂帶集中分布的特點(diǎn)。二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷油氣井試井資料表明，鉆井JA1和JA2埋深440 m，地層溫度達(dá)62℃，赤峰盆地西北部克什克騰旗熱水湯鎮(zhèn)地?zé)崴甂A1埋深138 m，水溫高達(dá)83℃，東南部寧城縣熱水鎮(zhèn)地?zé)崴甆A1埋深501 m，水溫高達(dá)97℃，地?zé)徙@孔揭露的最高水溫為99℃。此外，根據(jù)資料顯示，內(nèi)蒙古中部地區(qū)深部也具有高溫地?zé)岙惓?，如二連盆地洪浩爾舒特凹陷鉆井HA2，埋深1 180.54 m的煤層最大鏡質(zhì)體反射率高達(dá)1.57%[18]，推算儲(chǔ)層最大古地溫可達(dá)212℃，地溫梯度高于6℃/hm(圖1b)。

溫泉、熱泉的形成通常與深部的熱儲(chǔ)關(guān)系密切，一般認(rèn)為，地下水沿某個(gè)通道向下滲透接觸到深部高溫?zé)醿?chǔ)，被加熱后再沿某一通道流出地表而形成溫泉，因此，溫泉的出露指示了深部存在高溫巖石體(干熱巖)。深層地?zé)崮芡ǔＥc高溫水熱系統(tǒng)共熱源且存在共生關(guān)系，尤其是沉積盆地型干熱巖與盆地內(nèi)高溫溫泉必定是地?zé)崮懿煌瑢哟蔚谋憩F(xiàn)[5]。根據(jù)就熱(水熱)找熱(干熱)思路，研究區(qū)多處顯示地溫場(chǎng)異常，地表熱泉、熱水井及高溫水熱型地?zé)崽锩芗植?，預(yù)示著深部干熱型地?zé)豳Y源的存在。

2 內(nèi)蒙古中部干熱巖主控因素分析

2.1 熱 源

干熱巖資源通?？蓜澐譃楦叻派湫援a(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型這4種典型成因類(lèi)型[19]，而干熱巖的熱源主要包括地殼運(yùn)動(dòng)熱源、巖漿活動(dòng)熱源、地幔熱流熱源及地殼熱流熱源[1,20]。內(nèi)蒙古中部及東部地區(qū)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿巖分布廣泛，從太古代至新生代有多期侵入巖及噴出巖出露，不同期次巖漿活動(dòng)在熔巖成分、活動(dòng)規(guī)模上都存在較為明顯差異。

早中生代以前，研究區(qū)以中酸性熔巖為主，只有少量基性輝綠巖侵入[21-22]，而晚中生代至新生代，巖漿活動(dòng)則主要為基性巖漿，且大部分以玄武巖噴發(fā)的形式產(chǎn)出。在錫林浩特?阿巴嘎地區(qū)，早期表現(xiàn)為射氣巖漿噴發(fā)，為巖漿遇到地下水導(dǎo)致局部水蒸氣爆炸形成獨(dú)特的瑪珥湖型火山，在晚期轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿爆發(fā)和溢流產(chǎn)出，其噴發(fā)形式的轉(zhuǎn)變，反映了巖漿上涌速度的變化，以及在上涌過(guò)程中熔巖與地下水的相互作用[23]。赤峰地區(qū)新生代玄武巖主要由中新世以及上新世兩期噴發(fā)形成的玄武巖組成[24]，在大陸玄武巖的噴發(fā)過(guò)程中，熔巖需要穿過(guò)厚度很大的地殼，且由于熔巖溫度很高，很容易與地殼物質(zhì)發(fā)生同化混染，但先前研究發(fā)現(xiàn)，赤峰地區(qū)玄武巖幾乎未發(fā)生同化混染作用[17,25]，說(shuō)明該區(qū)域巖漿上涌噴發(fā)的速度很快，使得來(lái)自上地幔的玄武質(zhì)巖漿還沒(méi)來(lái)得及發(fā)生同化混染作用便已噴出。

中生代火山呈EW向分布，新生代之后轉(zhuǎn)變?yōu)镹W?SE向展布，并呈現(xiàn)一定規(guī)律性，由平莊至克什克騰旗再至阿巴嘎旗，巖漿堿度逐漸增加，噴發(fā)年限由老至新，噴發(fā)物也逐漸增多，且火山活動(dòng)頻率也逐漸增大[26-27]，這也說(shuō)明火山活動(dòng)強(qiáng)度由SE至NW有一個(gè)逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì)。研究區(qū)新生代巖漿活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從始新世到更新世(36.40～0.11 Ma)均有火山活動(dòng)[28-29]，活動(dòng)年代距今比較近，表層玄武巖之下的基性中深層侵入巖(輝綠巖和輝長(zhǎng)巖)中仍然有未散失熱量保存，可持續(xù)對(duì)上覆地層供熱。

赤峰地區(qū)的克什克騰熱水湯鎮(zhèn)和寧城熱水鎮(zhèn)的溫泉溫度均超過(guò)80℃，但該區(qū)域大地?zé)崃髦堤幱谡７秶?，且莫霍面埋?48～50 km)均處于全國(guó)平均水平，表明表層高溫地?zé)岙惓５臒嵩捶菬崃鳠嵩?。該區(qū)幾處溫泉均位于構(gòu)造斷裂帶交匯處(圖1)，新生代以前侵入年代較老的酸性花崗巖熱量早已散失殆盡，因此，研究區(qū)熱量可能來(lái)源于基底巖石之下最新侵入的基性玄武質(zhì)巖漿，玄武巖只是作為基性巖漿噴發(fā)的地表顯示。研究區(qū)內(nèi)新生代玄武巖展布范圍較大，且部分地區(qū)經(jīng)歷劇烈噴發(fā)，表明該區(qū)新生代基性巖漿活動(dòng)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，且該期巖漿活動(dòng)年代較新，其深部巖層具有作為優(yōu)質(zhì)干熱巖地?zé)釤嵩吹臐摿?。同時(shí)，地?zé)徙@孔揭示，在克什克騰旗多個(gè)斷裂帶附近和花崗巖體節(jié)理裂隙表面，可見(jiàn)與斷裂構(gòu)造有關(guān)的灰綠色水熱蝕變產(chǎn)物，進(jìn)一步表明研究區(qū)經(jīng)歷過(guò)較強(qiáng)烈的水熱活動(dòng)，深部存在高溫?zé)嵩础?/p>

此外，內(nèi)蒙古中部大地電磁探測(cè)結(jié)果表明，錫林浩特阿巴嘎旗和赤峰市附近上地殼和中下地殼均存在明顯的高導(dǎo)低速層(圖2)，電阻率ρ<10 Ω·m，深度在10～35 km，厚度在10～15 km，高導(dǎo)層之間被高阻體分割[30]。高導(dǎo)層的發(fā)育主要與巖漿活動(dòng)有關(guān)，巖漿的侵入造成了地殼巖石圈局部熔融，深部局部熔融體和高溫巖漿囊構(gòu)成了內(nèi)蒙古中部地區(qū)深層干熱巖及淺層水熱型地?zé)豳Y源的熱源。

圖2 內(nèi)蒙古中部蘇尼特左旗?遼寧丹東剖面二維電性結(jié)構(gòu)模型及地質(zhì)解釋(據(jù)文獻(xiàn)[30])Fig.2 Two-dimensional electrical structure model with geological interpretations for the section from Sonid Left Banner in central Inner Mongolia to Dandong in Liaoning (from reference [30])

2.2 熱通道

地球大陸巖石圈內(nèi)的流體通道主要有3種形式：(1)穿入地幔的深大斷裂；(2) 大陸巖石圈中的部分熔融，如底侵作用和重熔作用等；(3) 中、下地殼二次重熔形成的低速高導(dǎo)層[31]。根據(jù)地幔通道流理論[32]，研究區(qū)西太平洋板塊對(duì)華北克拉通板塊的俯沖擾動(dòng)了華北板塊地幔軟流圈，致使軟流圈熱物質(zhì)沿著地幔通道向上涌流，以直立式或陡傾式垂直運(yùn)動(dòng)為主，軟流圈上涌流體進(jìn)入地幔巖石圈時(shí)，當(dāng)遇到上覆剛性巖石層阻擋或巖石圈側(cè)向薄弱帶，則發(fā)生分叉分流，甚至側(cè)向流動(dòng)[33-34]。

大地電磁推斷的地質(zhì)剖面和新生代火山分布顯示，區(qū)內(nèi)深部熱流及巖漿活動(dòng)受區(qū)域深大斷裂帶影響顯著。古近紀(jì)前的深大斷裂深切盆地內(nèi)中生代前地層，并沿?cái)嗔褬?gòu)造形成破碎帶，將深部熱量隨地?zé)崃黧w帶到上部熱儲(chǔ)。研究區(qū)西拉木倫河斷裂(F3)和赤峰?開(kāi)原斷裂(F4)均為溝通上地殼和上地幔巖石圈的深大斷裂，地殼高導(dǎo)低速層的分布均與2個(gè)深大斷裂發(fā)育具有一致性(圖2)。其中上地殼高導(dǎo)低速體C2和C3分別沿著西拉木倫河斷裂(F3)和赤峰?開(kāi)原斷裂(F4)分布，中下地殼高導(dǎo)低速層HCL受二連?賀根山深大斷裂帶(F2)和西拉木倫河斷裂(F3)的共同制約。同時(shí)，位于研究區(qū)域以外西側(cè)的上地殼高導(dǎo)體C1和查干敖包?阿榮旗深斷裂帶(F1)的發(fā)育關(guān)系密切，F(xiàn)1既可作為中下地殼熱物質(zhì)進(jìn)入上地殼的通道，又可作為上地殼熱物質(zhì)侵入淺部地層的通道。此外，次級(jí)斷裂對(duì)研究區(qū)地?zé)峄顒?dòng)也有明顯影響，如赤峰寧城熱水鎮(zhèn)出露點(diǎn)處在嫩江–八里罕近SN向斷裂帶上，且處在與化德–赤峰EW向深大斷裂帶南部的黑里河EW向斷裂帶交匯處；北部克什克騰旗熱水出露于索倫敖包?阿魯科爾沁旗NEE向斷裂北側(cè)影響帶的次級(jí)斷裂帶；東部敖漢熱水位于化德?赤峰近EW向深大斷裂南側(cè)影響帶的次級(jí)斷裂帶(圖1)。

綜上，推斷地幔軟流圈熱物質(zhì)主要以近似直立的通道流形式向巖石圈流動(dòng)，并將巖石圈底部部分熔融形成巖漿，沿巖石圈深大斷裂向上侵入或噴出地表，在地表形成局部熱點(diǎn)，如新生代噴發(fā)的阿巴嘎火山群和平莊火山群；熱流還可沿次級(jí)斷裂、塑性流變韌性剪切帶等薄弱層進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移，同時(shí)還可以在熱導(dǎo)率高的酸性花崗巖類(lèi)中進(jìn)行側(cè)向流動(dòng)。二連?賀根山深大斷裂帶(F2)、西拉木倫河斷裂(F3)和赤峰?開(kāi)原斷裂(F4)分別是二連和赤峰地區(qū)深部巖漿上涌的主要通道，為主要控?zé)釘嗔选?/p>

2.3 熱 儲(chǔ)

根據(jù)內(nèi)蒙古中部地區(qū)鉆孔揭示、新生代巖漿活動(dòng)規(guī)律及地表大規(guī)模出露的新生代玄武巖，可判斷該地區(qū)新生代巖漿活動(dòng)主要為基性玄武質(zhì)巖漿，且活動(dòng)規(guī)模較大，在地下深部相應(yīng)的侵入體主要為輝綠巖及輝長(zhǎng)巖，這些巖石的礦物構(gòu)成特征表明了其來(lái)自幔源巖漿的快速上升，與地殼混染程度低。

研究區(qū)新生代火山活動(dòng)年代距今比較近，且基性巖漿相較于中酸性巖漿，擁有更高的溫度，最高可至1 200℃。即使其熱量散失較多，由于其活動(dòng)年代較新，至今仍然具有高溫地?zé)釢撡|(zhì)。新生代基性巖漿活動(dòng)在地表形成的玄武巖熱量已經(jīng)散失殆盡，但其深部對(duì)應(yīng)的輝綠巖及輝長(zhǎng)巖侵入體仍然存在可觀的熱量殘余，足以形成可供工業(yè)開(kāi)發(fā)的干熱巖儲(chǔ)層。深部殘余巖漿囊在散熱過(guò)程中，不斷加熱其周?chē)鷰r層，對(duì)其上覆的基性侵入巖進(jìn)行持續(xù)的熱量補(bǔ)充，使得基性干熱巖儲(chǔ)層中儲(chǔ)存了大量熱能。同時(shí)，深部高溫巖漿上涌過(guò)程中也加熱了周?chē)鸁釋?dǎo)率高的花崗巖甚至變質(zhì)巖，熱影響范圍可能達(dá)幾千米，被加熱的圍巖地層也可能成為干熱巖潛在儲(chǔ)層，這些儲(chǔ)層具有分布范圍廣、面積大的特點(diǎn)，但儲(chǔ)層溫度應(yīng)低于輝綠巖及輝長(zhǎng)巖儲(chǔ)層。

2.4 熱量保存

干熱巖中熱量保存與上覆蓋層條件有很大關(guān)系，蓋層的巖性組成、熱導(dǎo)率、厚度、含水率等直接影響蓋層的保溫效果。目前，世界上成功的干熱巖項(xiàng)目地區(qū)蓋層厚度均達(dá)1 km以上，如法國(guó)Soultz地區(qū)干熱巖蓋層厚1.12 km，澳大利亞?wèn)|部Habanero盆地干熱巖蓋層厚1.78 km，青海共和盆地干熱巖蓋層厚1.35 km。通常蓋層厚度>1 km、熱導(dǎo)率<2 W/(m·K)的沉積巖有較好的保溫效果[3,35]。

二連盆地與赤峰地區(qū)干熱巖蓋層條件表現(xiàn)出明顯差異。二連盆地在中生界巖漿巖基底上，主要發(fā)育了白堊系、新近系和第四系沉積地層，厚度達(dá)1 900 m。其中白堊系巴彥花組以泥巖、砂巖和煤層為主，厚度約為1 600 m，第四系地層厚度為200～500 m，以粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及黏土為主。赤峰地區(qū)盆地基底主要為太古界片麻巖和花崗巖，其上沉積了中生界白堊系和新生界第四系地層，白堊系地層巖性以灰?灰黃色礫巖、砂礫巖及薄層泥巖為主，厚度大于800 m，第四系地層厚度較薄，主體為20～80 m，主要由粉質(zhì)黏土、粉土、砂礫石構(gòu)成。白堊系、新近系碎屑巖沉積地層及第四系松散沉積物導(dǎo)熱能力較差，使其具有良好的保溫能力，可作為深部干熱巖熱儲(chǔ)層的區(qū)域性蓋層。整體來(lái)看，二連地區(qū)白堊系、新近系和第四系沉積地層厚度均大于赤峰地區(qū)，尤其是第四系地層作為淺部熱水儲(chǔ)層的直接蓋層，其厚度是影響淺部水熱儲(chǔ)層熱量聚散的關(guān)鍵因素，赤峰地區(qū)第四系地層普遍較薄，基巖地區(qū)第四系覆蓋層厚度<10 m，隔水隔熱效果較差，屬于開(kāi)放型熱儲(chǔ)，這也是該區(qū)水熱資源豐富且地表溫泉、熱泉遍布的主要原因，而二連地區(qū)第四系蓋層厚度較大，雖然深部表現(xiàn)出異常高地溫狀態(tài)，但地表未見(jiàn)明顯溫泉出露。

3 內(nèi)蒙古中部干熱巖成因機(jī)制

3.1 地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程

內(nèi)蒙古中部位于中亞造山帶南緣東段(位于中國(guó)境內(nèi)段又稱(chēng)興蒙造山帶)，位于西伯利亞板塊、華北板塊和太平洋板塊之間，自早古生代以來(lái)，該區(qū)經(jīng)歷了多期次的大洋俯沖、多塊體碰撞拼合、后造山拉張等過(guò)程[36]。

研究區(qū)所在的古亞洲洋大陸拼合造山帶是由華北板塊和西伯利亞板塊碰撞擠壓形成。大陸拼合為巖石圈擠壓力較小而作用期較長(zhǎng)的造陸運(yùn)動(dòng)[37-39]，在內(nèi)蒙古中部地區(qū)形成了2個(gè)元古宙地體：南阿穆?tīng)?興安地體和錫林浩特地體。二疊紀(jì)時(shí)錫林浩特地體和形成于太古宙的華北克拉通地體碰撞拼合，造成古亞洲洋南支的封閉，古亞洲洋封閉后，華北克拉通地體繼續(xù)向錫林浩特地體下方陸?島俯沖，形成了寬度在60～120 km的華北克拉通北緣俯沖帶，同時(shí)形成了索倫山–西拉木倫河縫合帶(圖3)。發(fā)生在陸?島碰撞后大陸拼合期的大陸局部俯沖造成了嚴(yán)重的地殼變形，受擠壓后的洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈充斥著裂縫和水分，成為下方幔源巖漿底侵的有利通道，此為該區(qū)古生代和中生代巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈的主要誘因。在中生代拼合后，錫林浩特地殼轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘堧A段，巖石圈厚度減薄，幔源巖漿底侵作用持續(xù)增強(qiáng)。

圖3 華北板塊和西伯利亞板塊碰撞 (據(jù)文獻(xiàn)[37])Fig.3 Collision between the North China and Siberian plates (after reference [37])

晚中生代以來(lái)，中國(guó)東北部地區(qū)整體受古太平洋的西向俯沖作用，造成中國(guó)東部巖石圈持續(xù)伸展、減薄，并伴隨強(qiáng)烈的新生代斷裂、斷陷活動(dòng)，導(dǎo)致巖漿巖廣泛發(fā)育和強(qiáng)烈的火山活動(dòng)[39-40]。古太平洋板塊西向俯沖過(guò)程中，冷的古太平洋巖石圈滯留在熱的華北板塊地幔過(guò)渡帶，從附近地幔吸熱從而達(dá)到熱平衡，該過(guò)程導(dǎo)致古太平洋板塊釋放出水，同時(shí)使大洋巖石圈固熔點(diǎn)低的物質(zhì)發(fā)生部分熔融，包括富含不相容元素和揮發(fā)分的交代巖脈、交代礦物，以及古太平洋洋殼和一起俯沖的深海碳酸鹽沉積物，其以水溶體的形式存在[17]。水溶體密度低，可穿透上地幔上升至古老巖石圈底部，由于水分的加入降低了古老巖石圈地幔的固相線(xiàn)，使部分巖石圈地幔發(fā)生熔融，同時(shí)可交代地幔源區(qū)，使源區(qū)富集揮發(fā)分和不相容元素。由于古太平洋板塊俯沖的地幔楔會(huì)產(chǎn)生楔吸作用，使軟流圈地幔下部隨著俯沖板塊自東向西流動(dòng)，而軟流圈地幔上部會(huì)自西向東流動(dòng)，補(bǔ)充到俯沖帶地幔楔下方，由于東部的巖石圈厚度比西部薄，因此，軟流圈地幔向東流動(dòng)會(huì)經(jīng)歷減壓作用，導(dǎo)致軟流圈地幔發(fā)生熔融[41]。巖漿在上升過(guò)程中主要經(jīng)歷了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶，且由于上升速度快，很少有地殼物質(zhì)的同化混染。以上為內(nèi)蒙古中部地區(qū)新生代產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿以及干熱巖形成的主要?jiǎng)恿W(xué)過(guò)程。

3.2 成因機(jī)制

干熱巖地?zé)豳Y源的形成需要“熱源、熱通道、熱儲(chǔ)層和蓋層”4個(gè)必備條件，同時(shí)，熱源、熱通道、熱儲(chǔ)層和蓋層的時(shí)空配置關(guān)系對(duì)于干熱巖的形成和保存也至關(guān)重要。

如前文所述，內(nèi)蒙古中部地區(qū)存在地幔軟流圈熱物質(zhì)底侵上涌，將巖石圈底部部分地層熔融，產(chǎn)生基性巖漿，成為現(xiàn)今深層干熱巖和淺層水熱資源的共同熱源。而軟流圈熱物質(zhì)上涌產(chǎn)生巖漿的過(guò)程，并不僅僅是該區(qū)巖石圈局部減薄作用的結(jié)果，同時(shí)也是減薄作用的另一個(gè)原因，兩者互為因果。巖石圈破壞構(gòu)造活動(dòng)形成的構(gòu)造薄弱帶，為軟流圈熱物質(zhì)上涌與地幔發(fā)生相互作用提供了前提，軟流圈熱物質(zhì)上涌過(guò)程也進(jìn)一步促進(jìn)了該區(qū)巖石圈的破壞和減薄。

產(chǎn)生的基性巖漿沿著板塊縫合帶、區(qū)域深大斷裂帶及其交匯部位等殼內(nèi)薄弱層進(jìn)行垂向運(yùn)移，侵入到上覆地層形成侵入巖脈，或噴出地表形成火山群。在二連地區(qū)，新生代巖漿主要沿著賀根山斷裂帶、錫林浩特?cái)嗔褞А⑽骼緜惡訑嗔褞У壬畲髷嗔鸭八鱾惿?西拉木倫河縫合帶進(jìn)入到上地殼和噴出地表，形成如阿巴嘎、達(dá)里諾火山群(圖4a)。赤峰地區(qū)處于復(fù)雜構(gòu)造帶交匯地帶，新老構(gòu)造極為發(fā)育，深大斷裂與次級(jí)斷層較多，繼承性活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，為深部熱流上涌提供了良好運(yùn)移通道。新生代巖漿主要沿著赤峰?開(kāi)原深大斷裂及嫩江–八里罕、化德–赤峰、索倫敖包–阿魯科爾沁旗等斷裂系統(tǒng)向上運(yùn)移。巖漿上涌過(guò)程中遇次級(jí)斷裂、塑性流變韌性剪切帶等薄弱層還可發(fā)生側(cè)向分叉流動(dòng)，如遇到熱導(dǎo)率高的花崗巖類(lèi)，熱流還將進(jìn)行側(cè)向傳遞，從而對(duì)花崗巖圍巖進(jìn)行供熱(圖4b)。

圖4 內(nèi)蒙古中部二連盆地和赤峰地區(qū)干熱巖成因模式Fig.4 Genetic modes of heat dry rocks in the Erlian Basin and the Chifeng area in central Inner Mongolia

新生代輝綠巖和輝長(zhǎng)巖，滲透率極低，幾乎無(wú)流體流動(dòng)，且由于其侵入年代較近，埋深較大且蓋層保存較好，仍具有極高溫度。深部高溫熔融體或巖漿囊對(duì)其持續(xù)加熱，可作為高溫干熱巖良好儲(chǔ)層。而高溫巖漿上涌過(guò)程中加熱了周?chē)爬系膸r漿巖甚至變質(zhì)巖，熱影響范圍可能達(dá)幾千米，被加熱的圍巖地層也可能成為干熱巖潛在熱儲(chǔ)層，其范圍廣、面積大，但溫度低于輝綠巖和輝長(zhǎng)巖儲(chǔ)層。同時(shí)，古生代和早中生代形成的花崗巖和砂巖地層，通常滲透性較好，地表與地層流體對(duì)流活躍，可形成以斷裂或裂隙為運(yùn)輸通道的淺部水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)。尤其在赤峰地區(qū)，多處區(qū)域處于深大斷裂帶交匯部位，更易形成高溫地?zé)崽?，局部高溫?zé)狳c(diǎn)極為普遍。

3.3 成因模式

綜合區(qū)域地質(zhì)背景、大地電磁反演的深部殼幔結(jié)構(gòu)特征、地表地?zé)岙惓ｏ@示、鉆井揭示的地層與熱儲(chǔ)特征，內(nèi)蒙古中部地區(qū)可總結(jié)出3種聚熱模式：Ⅰ.新生代輝綠巖、輝長(zhǎng)巖儲(chǔ)層高溫干熱巖系統(tǒng)，受侵入體規(guī)模和產(chǎn)狀限制，多具有株?duì)睢⒕€(xiàn)狀分布特點(diǎn)，但其距今年代近、溫度高，為研究區(qū)優(yōu)勢(shì)干熱巖儲(chǔ)層，其中二連盆地干熱巖系統(tǒng)屬于深埋藏、厚蓋層型，赤峰地區(qū)干熱巖系統(tǒng)屬于中深埋藏、薄蓋層型，地表地?zé)岙惓ｏ@著；Ⅱ.新生代以前花崗巖儲(chǔ)層中高溫干熱巖系統(tǒng)，該類(lèi)型具有分布范圍廣、面積大，溫度低于模式Ⅰ的新生代干熱巖系統(tǒng)的特點(diǎn)，為研究區(qū)潛力干熱巖儲(chǔ)層；Ⅲ.淺部碎屑巖、花崗巖或變質(zhì)巖儲(chǔ)層水熱系統(tǒng)，該類(lèi)型主要發(fā)育在赤峰克什克騰旗、寧城、敖漢旗地區(qū)，具有埋藏淺、溫度高的特點(diǎn)，為淺層水熱型優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層，該水熱系統(tǒng)為地表出露高溫泉水的主要來(lái)源，水熱資源量嚴(yán)格受氣候、季節(jié)、大氣降水和地表水補(bǔ)給的控制。

內(nèi)蒙古中部地區(qū)淺部高溫水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)與深部干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)存在同源共生關(guān)系，熱源均為深部局部熔融體和殘余高溫巖漿囊，但受地殼淺部巖石圈構(gòu)造變形、基底起伏、巖性組成、水循環(huán)系統(tǒng)及蓋層條件差異的影響，導(dǎo)致熱流在地殼表層不均一性分配、聚集，形成了不同的聚熱模式。在開(kāi)展干熱巖資源評(píng)價(jià)和選區(qū)時(shí)，需要優(yōu)先對(duì)干熱巖資源成因機(jī)制和模式進(jìn)行探索，這將有助于干熱巖優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層和黃金靶區(qū)的確定。同時(shí)，淺層高溫異常區(qū)的圈定對(duì)于深部干熱巖的發(fā)現(xiàn)具有重要的指示意義。考慮到干熱巖開(kāi)采難度和經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，應(yīng)兼顧淺層水熱型、深層水熱型和深層干熱巖型地?zé)豳Y源的整體開(kāi)發(fā)與利用。

4 結(jié)論

a.內(nèi)蒙古中部地區(qū)深部局部熔融體和殘余高溫巖漿囊為深層干熱巖型及淺層水熱型地?zé)豳Y源的共同熱源，地幔軟流圈熱物質(zhì)主要以近似直立的通道流形式向巖石圈流動(dòng)，并將巖石圈底部部分熔融形成巖漿，沿著板塊縫合帶、區(qū)域深大斷裂帶及其交匯部位等殼內(nèi)薄弱層進(jìn)行垂向運(yùn)移，侵入到上覆地層形成侵入巖脈或噴出地表形成火山群，還可沿次級(jí)斷裂、塑性流變韌性剪切帶等薄弱層發(fā)生分叉進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移，同時(shí)深部熱流還可以向熱導(dǎo)率高的酸性花崗巖類(lèi)中進(jìn)行側(cè)向傳遞。

b.根據(jù)研究區(qū)鉆孔揭示、地表噴出巖巖性特點(diǎn)及巖漿活動(dòng)歷史，新生代基性侵入巖，即輝綠巖和輝長(zhǎng)巖體為研究區(qū)主要干熱巖儲(chǔ)層，同時(shí)被高溫巖漿和侵入巖體加熱的花崗巖類(lèi)，也可作為研究區(qū)潛在干熱巖儲(chǔ)層。中生代白堊系、新近系和第四系沉積地層為該區(qū)干熱巖區(qū)域性蓋層，熱量保存條件良好。

c.西伯利亞板塊與華北克拉通板塊之間的大陸碰撞及拼合期的大陸局部俯沖，造成地殼嚴(yán)重變形，形成易于破壞的碰撞帶，晚中生代?新生代以來(lái)的古太平洋板塊對(duì)華北板塊的西向俯沖作用，導(dǎo)致巖石圈持續(xù)伸展、減薄，地幔軟流圈熱物質(zhì)上涌，并伴隨強(qiáng)烈的新生代斷裂與斷陷活動(dòng)，是導(dǎo)致晚中生代?新生代巖漿、火山活動(dòng)強(qiáng)烈的主要地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

d.內(nèi)蒙古中部地區(qū)存在3種聚熱模式：Ⅰ.新生代輝綠巖、輝長(zhǎng)巖儲(chǔ)層高溫干熱巖系統(tǒng)，為研究區(qū)優(yōu)勢(shì)干熱巖儲(chǔ)層，其中二連盆地屬于深埋藏、厚蓋層型，赤峰地區(qū)屬于中深埋藏、薄蓋層型；Ⅱ.新生代以前花崗巖儲(chǔ)層中高溫干熱巖系統(tǒng)，分布范圍廣、面積大，為研究區(qū)潛力干熱巖儲(chǔ)層；Ⅲ.淺部碎屑巖、花崗巖或變質(zhì)巖儲(chǔ)層水熱系統(tǒng)，該類(lèi)型主要發(fā)育在赤峰地區(qū)，具有埋藏淺、溫度高的特點(diǎn)，為淺層水熱型優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層。