江西省第一口干熱巖參數(shù)井地質(zhì)特征研究

胡秋祥，宋爐生，陳姍姍

(江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌 330001)

干熱巖是指地下由于低孔隙度和滲透性而缺少流體的高溫巖體(汪集旸等，2012)。因其分布普遍和熱儲溫度高的特點，具有較好的開發(fā)潛力與前景。國內(nèi)專家學(xué)者相繼開展了干熱巖的相關(guān)研究工作，將中國干熱巖資源賦存類型分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構(gòu)造活動帶型(趙平等，1995；甘浩男等，2015；Zhang et al.，2018；江海洋等，2019；孫明行等，2020)。

江西省是典型的一次性能源匱乏地區(qū)，缺煤、少水(能)、無油、乏氣，而作為高熱流花崗巖地區(qū)(冉恒謙等，2010)，具有較好的高放射性產(chǎn)熱型干熱巖勘查開發(fā)前景。為進一步破解能源瓶頸約束，強化能源的支撐保障作用，筆者開展了江西省干熱巖資源調(diào)查評價，發(fā)現(xiàn)江西省遂川—萬安—古縣—東鄉(xiāng)斷裂、東鄉(xiāng)—德興斷裂以東存在放射性熱保存較好的高產(chǎn)熱隱伏巖體，優(yōu)選干熱巖有利區(qū)11個(伯慧等，2015；宋爐生等，2020)。在其中干熱巖資源前景較好的龍南南有利區(qū)施工了江西省第一口干熱巖參數(shù)井——熱參1井，開展了地表采樣、鉆孔取芯、測井以及巖礦分析測試等工作。根據(jù)藺文靜等(2016)對我國東南沿海干熱巖靶區(qū)選址研究確定的干熱巖賦存的9個地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)指標(biāo)，認為單位體積生熱率、巖體規(guī)模是賦存干熱巖資源的前提和基礎(chǔ)，適合干熱巖開發(fā)的區(qū)域應(yīng)為熱異常區(qū)域。因此全面對龍南南有利區(qū)的巖體、蓋層熱物理性質(zhì)以及溫度等重要參數(shù)進行分析研究，為進一步開展江西省干熱巖資源評價提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

熱參1井位于龍南縣汶龍鎮(zhèn)原汶龍鎮(zhèn)煤礦范圍內(nèi)，地處龍南縣火山碎屑巖盆地的東北邊緣，出露的地層由老至新為寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系及第四系(圖1)。其中寒武系巖性主要為灰色變余細砂巖、粉砂巖、絹云母(炭質(zhì))板巖夾灰?guī)r透鏡體，底部見高炭質(zhì)板巖或石煤層。泥盆系巖性主要為深灰色千枚巖、中細粒石英砂巖和頁巖。石炭系巖性主要為灰白色灰?guī)r、含鈣白云巖、石英砂巖、炭質(zhì)頁巖等。二疊系巖性主要為灰黑色灰?guī)r、泥巖、粉砂巖、石英砂巖、煤層等。三疊系巖性主要為灰黃色鈣質(zhì)頁巖、粉砂巖。侏羅系巖性主要為灰黑色玄武巖、英安玢巖、流紋斑巖、凝灰?guī)r等。白堊系巖性主要為紫紅色砂礫巖、絹云母鈣質(zhì)中細粒長石砂巖。第四系主要為淺黃、灰白色砂質(zhì)黏土、亞黏土、砂礫石等。

圖1 龍南縣南部地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of the south of Longnan county1.第四系;2.白堊系;3.侏羅系;4.三疊系;5.二疊系；6.石炭系;7.泥盆系;8.寒武系;9.燕山期輝長巖;10.燕山期花崗巖;11.溫泉點;12.熱參1井鉆孔位置

區(qū)域上巖漿活動頻繁，分布廣泛，巖體主要為寨背巖體，屬于鋁質(zhì)A型花崗巖，呈巖基狀產(chǎn)出，出露面積約400 km2。巖體位于南嶺東西向構(gòu)造帶東段，受三南—尋烏東西向斷裂與鷹潭—安遠斷裂的復(fù)合部位控制，巖體呈反“L”型展布(陳培榮等，1998)。巖體侵入寒武系變質(zhì)巖及志留紀、三疊紀巖體，并被早白堊世花崗巖及火山巖侵入。根據(jù)巖體中的鋯石SHRMP U-Pb年齡測試為(171.6±5) Ma(Li et al., 2003)，其形成時代屬中侏羅世。巖性主要為粗中粒黑云母花崗巖、中細粒黑云母花崗巖、細粒斑狀黑云母花崗巖、細粒二長花崗巖、花崗閃長巖。

本區(qū)處于南嶺東西向隆褶帶東段與于山北北東構(gòu)造帶復(fù)合部位，構(gòu)造極為復(fù)雜，發(fā)育東西向、北北東向、北東向和北北西向構(gòu)造帶，以北東向構(gòu)造為主，其中F1為北東走向的壓扭性斷裂，傾向南東，傾角40°～70°，寬2～10 m。主斷面一般光滑平整，具擦痕及糜棱巖化，多硅化破碎。斷裂蝕變主要為硅化、綠泥石化和葉臘石化。該斷裂的次生斷層出露有溫度較高的湯湖溫泉。

2 樣品采集及測試

樣品采集分為地表采樣、鉆孔取樣。地表采樣是在公路、采石場等人工開挖處采取新鮮巖石樣品。鉆孔取樣時避開破碎巖芯，選擇較完整的巖芯，取樣長度20 cm左右，并盡量保證50 m深度范圍內(nèi)至少采樣一件。本次共采集樣品48件，其中地球化學(xué)測試樣品28件(地表樣品8件，巖芯樣品20件)，熱導(dǎo)率測試樣品15件(地表樣品2件，巖芯樣品13件)，巖礦鑒定樣品5件。

(1)巖礦鑒定。將巖石磨制成薄片，在偏光顯微鏡下進行綜合分析，鑒定其礦物成分、含量等，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17412.1—1998《火成巖巖石分類和命名方案》(中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1998)進行定名。本工作由中國冶金地質(zhì)總局一局測試中心完成。

(2)地球化學(xué)分析。地球化學(xué)樣品測試是將樣品進行無污染碎樣至200目，其中主量元素采用X熒光光譜儀全巖分析法分析，主要氧化物檢測下限為0.01%；微量元素采用等離子質(zhì)譜含鈾釷礦物分析，鈾釷等元素檢測下限為0.05×10-6。本工作由澳實分析檢測(廣州)有限公司完成。

(3)熱導(dǎo)率及密度測試。熱物性樣品測試是將樣品加工成寬≥3 cm，長≥4 cm的光滑面，利用TCS熱導(dǎo)儀測量出熱導(dǎo)率(表1)。

表1 熱導(dǎo)率測試儀器及精度Table 1 Instrument and accuracy of thermal conductivity test

密度采用排水法測得，先利用電子天平(精度0.000 1 g)測出樣品質(zhì)量，再用量筒測出相應(yīng)樣品排出水的體積，兩者相除即為密度，每一塊樣品測量3次求其平均值作為該樣的測試密度。本工作由西安交通大學(xué)地?zé)崤c環(huán)境研究實驗室完成。

3 巖性特征

熱參1井位于龍南南有利區(qū)東北，原汶龍鎮(zhèn)煤礦西側(cè)，出露地層為侏羅系下統(tǒng)佘田群、三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系樂平組及第四系。本次鉆探開孔地層為三疊系下統(tǒng)大冶組，穿過二疊系上統(tǒng)樂平組后進入寨背巖體，于深度1 000.35 m處終孔(圖2)。三疊系下統(tǒng)大冶組為青灰色鈣質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，巖石裂隙較發(fā)育，見有白色方解石脈、零星黃鐵礦充填。二疊系上統(tǒng)樂平組以粉砂巖、細砂巖為主，局部見炭質(zhì)泥巖。層理發(fā)育，裂隙較發(fā)育，充填黃鐵礦及少量綠泥石。

圖2 熱參1井地質(zhì)剖面簡圖Fig.2 Geological profile of the No.1 well 1.侏羅系下統(tǒng)佘田群;2.三疊系下統(tǒng)大冶組;3.二疊系上統(tǒng)大隆組;4.二疊系樂平組上段;5.二疊系樂平組中段；6.燕山期花崗巖;7.斷層

寨背巖體以中細?！写至；◢弾r為主(圖3)，蝕變較強，見綠泥石化、水云母化，裂隙發(fā)育，局部硅化。常見碎裂蝕變花崗巖(圖4)，具碎裂化結(jié)構(gòu)，花崗結(jié)構(gòu)，無定向構(gòu)造。巖石在動力作用下，具碎裂、破碎特征，晶粒常有網(wǎng)格狀裂紋，構(gòu)造裂隙發(fā)育。斜長石含量為5%～10%，半自形板狀，長0.55～2.50 mm，具較強的絹云母化，在應(yīng)力作用下，晶粒網(wǎng)格狀裂紋發(fā)育，裂隙中被絹云母或隱晶狀石英充填。鉀長石含量為55%～60%，半自形板狀，長為0.3～2.0 mm，主要為條紋長石和正長石，次為微斜長石，在應(yīng)力作用下，晶粒網(wǎng)格狀裂紋發(fā)育，順裂隙被絹云母或隱晶狀石英交代。石英含量為25%～30%，半自形—他形粒狀，大小為0.25～2.80 mm，不規(guī)則狀消光，部分具裂紋。黑云母含量為2%～3%，片狀，片徑大小為0.2～1.3 mm，晶粒有彎折變形現(xiàn)象，局部呈集合體狀，零星可見。次生石英含量為7%～8%，微晶—隱晶狀，粒徑為0.02～0.08 mm，充填于巖石裂隙。碳酸鹽礦物含量較少，不規(guī)則狀，粒徑為0.05～0.20 mm，零星見于巖石裂隙中。

圖3 粗?；◢弾r野外照片F(xiàn)ig.3 Field picture of coarse grained granite

圖4 碎裂蝕變花崗巖顯微鏡照片(×50，+)Fig.4 Micrograph of cataclastic altered granite

4 巖石熱物理性質(zhì)特征

4.1 生熱率

生熱率估算采用公式(Rybach，1988):

H=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

式中，H為生熱率(μW/m3)，ρ為密度(g/cm3)，CU，CTh，CK分別為鈾(10-6)、釷(10-6)、鉀(10-2)的豐度值。

本次在龍南南有利區(qū)的地表公路邊、采石場等人工揭露處采取新鮮花崗巖樣品8件，估算寨背巖體地表放射性生熱率為3.96～9.74 μW/m3，平均為5.20 μW/m3(表2)。本區(qū)放射性生熱率平均值(5.20 μW/m3)高于青海共和盆地花崗巖放射性生熱率平均值(2.70 μW/m3，Zhang et al.，2018)、福建漳州花崗巖放射性生熱率平均值(4.22 μW/m3，楊立中等，2016)。

為研究花崗巖巖體垂向上的生熱率規(guī)律，在熱參1井孔內(nèi)采取花崗巖巖芯樣20件測試其鈾釷鉀含量，估算生熱率(表2)。

表2 龍南南有利區(qū)巖體生熱率一覽表Table 2 Heat generation rate of rock mass in Longnannan favorable area

熱參1井巖體樣品U含量為4.65×10-6～30.10×10-6，平均16.42×10-6。在0～700 m處U含量隨深度增加而增加，之后趨于減小(圖5)。

圖5 熱參1井U含量隨深度變化關(guān)系圖Fig.5 Relationship between U content and depth of the No.1 well

熱參1井巖體樣品Th含量為6.31×10-6～65.50×10-6，平均35.04×10-6,在0～1 000 m處Th含量隨深度增加而增加，之后趨于穩(wěn)定(圖6)。

圖6 熱參1井Th含量隨深度變化關(guān)系圖Fig.6 Relationship between Th content and depth of the No.1 well

熱參1井巖體樣品生熱率為2.61 ～11.37 μW·m-3，平均為7.08 μW·m-3，孔內(nèi)平均生熱率高于地表樣平均值。在0～800 m處生熱率隨深度增加而增加，之后趨于穩(wěn)定且略減小(圖7)。

圖7 熱參1井生熱率隨深度變化關(guān)系圖Fig.7 Relationship between heat generation rate and depth of the No.1 well

4.2 導(dǎo)熱系數(shù)

地表實測花崗巖熱導(dǎo)率為3.090 W/(m·K)，龍南火山碎屑巖盆地的主要蓋層——侏羅系下統(tǒng)佘田群玄武巖，熱導(dǎo)率為2.610 W/(m·K)。而在熱參1井共采取了13個樣品進行熱導(dǎo)率測試(表3)，樣品中泥巖熱導(dǎo)率最低，為1.655 W/(m·K)，粉砂巖次之。因此花崗巖上覆蓋層起到了較好的隔熱作用，其放射性生熱可較好地保存。

表3 熱參1井巖石熱導(dǎo)率Table 3 Thermal conductivity of the rock of the No.1 well

5 測井曲線特征

5.1 自然伽馬

通過自然伽馬測井測量熱參1井巖層的天然放射性核元素的伽馬射線強度。熱參1井自然伽馬值為0.30～5.72 PA/kg，其中花崗巖段為0.88～5.72 PA/kg?；◢弾r段自然伽馬值大于沉積巖層，且在花崗巖段自然伽馬值總體隨深度的增加而增加，之后趨于穩(wěn)定，這與井內(nèi)巖體鈾釷含量及生熱率變化規(guī)律相對應(yīng)(圖8)。

圖8 熱參1井自然伽馬測井曲線圖Fig.8 Natural gamma logging curve of the No.1 well

熱參1井存在2處天然放射性異常，其中一處在鉆井深度為185.9～188.9 m處，最大值達45.47 PA/kg，最大值深度為187.55 m；另一處在鉆井深度為691.85～695.35 m處，最大值為30.11 PA/kg，最大值深度為692.7 m處。這2處天然放射性異常與斷裂破碎帶對應(yīng)，其異常成因為斷裂帶處富集的U、Th等放射性元素引起的。根據(jù)巖芯及測井結(jié)果顯示，本區(qū)深部斷裂比淺部較少、規(guī)模較小。

5.2 溫度

熱參1井按照近穩(wěn)態(tài)測溫要求共進行了5次測溫(圖9)，井內(nèi)每隔20 m一個測溫點，由于未起鉆時水位約為221.10 m，起鉆后水位約為211.35 m，水位之上的溫度因受大氣影響，無實際意義，因此從220 m開始起計算地溫梯度。用第5次的測量結(jié)果(表4)進行地溫梯度的計算，1 000 m為46.8 ℃，220 m為24.3 ℃。計算地溫梯度為(46.8-24.3) ℃/7.8 hm=2.88 ℃/hm。

表4 熱參1井第5次測溫成果表Table 4 Results of the 5th temperature measurement of the No.1 well

圖9 熱參1井溫度曲線圖Fig.9 Temperature curve of the No.1 well

6 干熱巖資源前景分析

龍南南有利區(qū)火山碎屑巖盆地下隱伏有較大規(guī)模的高生熱率花崗巖體，上覆有低熱導(dǎo)率蓋層(火山碎屑巖以及沉積地層中的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等)，區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓?，在有利區(qū)西部有地表出露46.5 ℃的豆頭溫泉(1)江西省地質(zhì)礦產(chǎn)局908探礦工程大隊，1994.中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報告1∶200 000龍南幅[R].，中部有孔口水溫39～72 ℃的湯湖溫泉(尹祝等，2011)。熱參1井附近的原汶龍鎮(zhèn)煤礦井下溫度較高，煤礦主井西翼-83 m 水平曾發(fā)生突水，水溫經(jīng)測定長期保持 37 ℃，熱參1井溫度測井地溫梯度為2.88 ℃/hm，高于江西省平均地溫梯度2.01～2.50 ℃/hm(孫占學(xué)，2010)，為地?zé)岙惓^(qū)。龍南南有利區(qū)深部斷裂少于淺部且規(guī)模較小，有利于干熱巖熱量的保存。按熱參1井地溫梯度估算5 000 m深度溫度為161.96 ℃，干熱巖資源前景良好。

7 結(jié)論

(1)熱參1井所在的龍南南有利區(qū)火山碎屑巖盆地下存在隱伏巖體(寨背巖體的深部延伸部分)，巖體生熱率高；地表和鉆孔花崗巖樣品平均生熱率分別為5.20 μW/m3和7.08 μW/m3。

(2)龍南南有利區(qū)蓋層泥巖和玄武巖熱導(dǎo)率分別為1.655 W/(m·K)和2.610 W/(m·K)，低于巖體熱導(dǎo)率3.090 W/(m·K)，說明花崗巖產(chǎn)生的熱量可較好的保存。

(3)在0～700 m處熱參1井內(nèi)巖體鈾含量隨深度增加而增加，之后趨于減?。辉?～800 m處釷含量、自然伽馬值及生熱率總體隨深度增加而增加，之后趨于穩(wěn)定。

(4)龍南南有利區(qū)巖體生熱率高，蓋層熱導(dǎo)率低，地溫異常，深部斷裂較少、規(guī)模較小，干熱巖資源前景較好。