湖南汝城干熱巖賦存條件及資源類型分析*

楊支援, 葉見玲

(湖南省煤田地質(zhì)局油氣資源勘探隊，湖南 長沙 410014)

0 引言

干熱巖作為一種新型非常規(guī)地?zé)豳Y源，其溫度一般高于180 ℃，不含或者含少量流體，在目前技術(shù)經(jīng)濟條件下，其熱能可被開發(fā)利用[1-2].干熱巖的巖性一般為固體的結(jié)晶巖、變質(zhì)巖或其他巖類，以中酸性花崗巖類為主.普遍埋藏于距地表 2 ～6 km的深處.全國干熱巖分布廣泛，資源豐富.汪集旸等[3]利用體積法估算了我國的大陸地區(qū)3 ～10 km深干熱巖資源量為2.09×1025J，合計714.9×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤[3].按2%利用率，相當(dāng)于水熱型地?zé)豳Y源量的168 倍[4-5].王貴玲等人[6-7]估算3～10 km深資源為2.5×1025J，合計860 ×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤，按2%可開采資源計算，相當(dāng)于我國目前能源消耗總量的5 200 倍.

干熱巖地?zé)豳Y源主要用途為發(fā)電.近年來，干熱巖地?zé)豳Y源因其綠色無污染、可循環(huán)利用、溫度高、穩(wěn)定性好，而受到全世界廣泛關(guān)注與積極開發(fā).作為潛在能源，干熱巖具有重要的商業(yè)價值[8-11].截至目前，中國干熱巖勘探開發(fā)還處于初級階段，但取得了一定的成績.2014年—2016年，王貴玲等人[12-15]通過綜合分析國內(nèi)外干熱巖資源特征，首次將我國干熱巖資源類型劃分為：放射性花崗巖型、構(gòu)造活動型、近代火山型和沉積盆地型，并分析了其成因機制.首次建立了干熱巖選區(qū)指標(biāo)體系，圈定了有利靶區(qū).2016 年，雷玉德等[16]將青海干熱巖資源劃分為沉積盆地型、強烈構(gòu)造活動帶型、現(xiàn)代火山巖型3種主要類型，并提出不同類型的干熱巖具有不同的地?zé)岬刭|(zhì)特征.2017 年8月，青海共和盆地3 705 m深處首次鉆獲236 ℃優(yōu)質(zhì)干熱巖，取得勘探重大突破.2018 年，李德威等[8]在海南瓊北地區(qū)4 387 m處鉆遇185 ℃干熱巖.2020 年李亭昕等人[17-18]通過控?zé)針?gòu)造理論分析，提出東南沿海干熱巖資源成因模式，初步建立了東南沿海干熱巖成藏的三元聚熱模型.

湖南汝城是我省高放射性花崗巖分布區(qū)，該區(qū)燕山期花崗巖分布廣泛，放射性鈾、釷、鉀含量豐富，生熱率高.區(qū)內(nèi)經(jīng)歷多次構(gòu)造運動，構(gòu)造形跡縱橫交錯，構(gòu)造格局復(fù)雜多樣，構(gòu)造運動具有長期性、復(fù)雜性和明顯的階段性和繼承性[19-21].尤其區(qū)內(nèi)最具代表性的深大斷裂“桂東-汝城”斷裂為繼承性斷裂.具有長期的活動性，對第四系以來的沉積物分布、對近代水系、地貌形態(tài)等均有控制作用.同時與地震、溫泉的分布有明顯的內(nèi)在聯(lián)系.汝城縣熱水圩溫泉的天然露頭溫度為98 ℃，而附近的侵入體卻是燕山期花崗巖，地?zé)崮茱@然由地幔物質(zhì)沿深大斷裂上升轉(zhuǎn)化而來，因此，該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件良好.2014 年，王貴玲等在湖南汝城開展了東南沿海重點靶區(qū)的鉆探選址工作，對湖南汝城地?zé)岙惓^(qū)進(jìn)行了干熱巖賦存指標(biāo)評價，認(rèn)為該區(qū)溫泉補給主要為大氣降水，斷層的深部和淺部具有相對的隔水隔熱作用.熱水中可溶性SiO2和F-的含量分別為112.5 mg/L和10 mg/L，說明熱水的形成與巖漿的余熱有關(guān)，覆蓋層巖性主要為砂巖和板巖，隔熱性較差，構(gòu)造導(dǎo)熱形成地表熱顯示等.2015—2017 年，通過完成湖南省干熱巖資源調(diào)查評價，確定了湖南汝城為湖南省干熱巖勘查一級有利區(qū)[22].

本文在前人研究基礎(chǔ)上，重點分析了汝城干熱巖選址的地?zé)岬刭|(zhì)指標(biāo)，從巖石放射性、地溫場特征、巖石熱物性及地?zé)豳Y源分布特征等方面，綜合分析了區(qū)內(nèi)干熱巖賦存條件，并初步總結(jié)了汝城區(qū)干熱巖資源成因及干熱巖資源類型，為湖南省干熱巖地?zé)豳Y源勘探工作奠定了良好的基礎(chǔ).

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華夏地塊與揚子地塊交界處的華南多期復(fù)合造山帶內(nèi)，湖南省四級構(gòu)造單元炎陵-汝城沖斷褶皺隆起帶東南部.由于地應(yīng)力的長期作用和應(yīng)力場的多次改變，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)合現(xiàn)象較為普遍和復(fù)雜，不但具有長期性、復(fù)雜性，而且具有明顯的階段性和繼承性.根據(jù)其構(gòu)造軌跡和分布方向，大致可分為北西向構(gòu)造、北北東向構(gòu)造和北東向構(gòu)造.F1、F2、F3斷裂為該區(qū)主要斷裂構(gòu)造，其類型各不相同.區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，廣泛分布于南部和東南部，巖體主要以巖脈、巖株及巖基產(chǎn)出，主體為諸廣山復(fù)式巖體.根據(jù)巖體與地層間的接觸關(guān)系和可靠同位素年齡值得知，侵入巖主要由加里東期、印支期第三階段和燕山早期第二、三階段組成.少數(shù)巖脈和巖墻為燕山晚期產(chǎn)物，大部分為燕山早期.研究區(qū)地層發(fā)育，主要包括新元古代、震旦紀(jì)、寒武紀(jì)、泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和第四紀(jì)地層.

2 賦存條件分析

2.1 干熱巖體

區(qū)內(nèi)巖漿巖主要由東嶺、益將巖漿巖體組成，總面積540 km2.東嶺巖體主要分布于研究區(qū)東南部，益將巖體主要分布于益將鄉(xiāng)東北部和西南部.通過大地電磁測深及重力剖面測量物探工作手段，推測出東嶺巖體及益將巖體下部2 ～5 km廣泛存在隱伏巖體.

2.2 放射性生熱率

地殼巖石的放射性熱作為地表熱流的主要影響因素之一，在地表熱流中占有很大的比重.通過對研究區(qū)采集43個新鮮花崗巖石樣品進(jìn)行鈾、釷、鉀分析，樣品結(jié)果顯示，汝城研究區(qū)放射性及鈾釷鉀元素值均較高，區(qū)內(nèi)花崗巖鈾含量平均為17.84×10-6，釷含量平均為31.59×10-6，鉀含量平均為4.03%，平均放射性生熱率為6.97 μW/m3，高于全省花崗巖生熱率[22]4.09 μW/m3，高于中國生熱率背景值[23]2.8 μW/m3，說明研究區(qū)具有較好的生熱潛力.如表1所示.

表1 花崗巖樣放射性元素測試及生熱率統(tǒng)計表Tab.1 Radioactive element test and heat generation rate statistics of granite samples

表1(續(xù))

2.3 大地?zé)崃骷暗販貓鎏卣?/h3>

通過實測數(shù)據(jù)及資料收集表明，研究區(qū)大地?zé)崃髦递^高，達(dá)45.7～138.01 mW/m2，平均值達(dá)82.32 mW/m2.1992 年胡圣標(biāo)等[24]在汝城縣三江口鎮(zhèn)附近廣東省仁化縣冷水坑實測大地?zé)崃髦?0.4 mW/m2，經(jīng)校正為88.7 mW/m2.

由于研究區(qū)缺乏深孔鉆探資料，通過收集區(qū)內(nèi)多個淺層熱水鉆孔及測溫資料，認(rèn)為該區(qū)淺層熱水鉆孔基本處于斷裂裂隙帶上.通過溫度曲線對比分析和地溫梯度計算，斷裂帶平均地溫梯度為13.74 ℃/100 m，最高地溫梯度為23.04 ℃/100 m.

2.4 熱儲層與蓋層

常見的干熱巖儲層，一般為不含水或致密不滲透的熱巖體.主要由花崗巖、片麻巖等結(jié)晶巖或變質(zhì)巖組成.含少量流體的沉積巖和火山巖等也可以作為熱儲層[25].區(qū)內(nèi)東嶺花崗巖體形成于燕山期，為酸性或中酸性巖體，并且通過地球物理勘探成果顯示，在熱水鎮(zhèn)內(nèi)半風(fēng)化花崗巖及變質(zhì)巖蓋層下普遍分布著隱伏巖體和半隱伏巖體，面積較大，且在深部是連通的，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)主要的熱儲層.對于熱儲而言，蓋層是導(dǎo)熱系數(shù)低、滲透性弱的巖層.巖石致密、熱導(dǎo)率小、裂隙少的沉積巖、火山巖或巖石上合適厚度的風(fēng)化殼層均可作為干熱巖良好蓋層.研究區(qū)蓋層有兩種，一是東南部裸露強風(fēng)化花崗巖.作為其淺部花崗巖體本身為深部干熱巖熱源儲蓋層.又通過測試分析，表層花崗巖導(dǎo)熱率為1.74 W/(m·K)，熱導(dǎo)率較低.二是西北部低導(dǎo)熱圍巖可做良好蓋層.東嶺巖體西北部花崗巖多被泥盆系、震旦系、寒武系覆蓋，且接觸面傾向圍巖，僅局部反向侵入圍巖.圍巖巖性主要為砂巖、板巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖及第四系覆蓋黏土層等，厚度達(dá)1 000 m以上.巖石熱導(dǎo)率在(0.64～3.21) W/(m·K)之間，均值為1.68 W/(m·K)，導(dǎo)熱性差.以上兩種均為較好的蓋層，形成研究區(qū)較好的儲熱條件.

2.5 深部地溫場特征

2.5.1 深部熱儲溫度估算本次通過對區(qū)內(nèi)7個溫泉水樣進(jìn)行溫泉水樣的化學(xué)分析，并采用式(1)無蒸汽損失石英溫標(biāo)進(jìn)行估算，汝城熱水鎮(zhèn)泉1孔，地表出露溫度為98 ℃，深部熱儲溫度為149.48 ℃.按地溫梯度推算，熱水循環(huán)深度為4 200 m[26].為區(qū)內(nèi)熱儲溫度最高的孔，區(qū)內(nèi)土橋鎮(zhèn)車坑村、永豐鄉(xiāng)-濠頭山、井坡鄉(xiāng)龍虎村、井坡鄉(xiāng)大村及外沙村溫泉泉口溫度均小于30 ℃，深部熱儲溫度均較低.如表2所示.

表2 研究區(qū)實測可溶SiO2熱儲溫度表Tab.2 Measured soluble SiO2 thermal storage temperature table in the study area

(1)

式中：t為熱儲溫度，℃；C1為熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量，mg/L.

由于地表水混入，本區(qū)計算結(jié)果偏低，實際熱儲溫度可能大于本次測試結(jié)果，汝城熱水鎮(zhèn)泉1孔，深部熱儲溫度可能在149.48 ℃以上.通過采集研究區(qū)外圍9個水樣進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)外圍溫泉溫度普遍較低，最高溫為暖水鎮(zhèn)羅泉溫泉，泉口溫度為50 ℃，其次為宜章縣五嶺鄉(xiāng)用口村溫泉，泉口溫度為41.5 ℃，其他區(qū)則普遍較低，大多小于30 ℃.經(jīng)對比，研究區(qū)外圍實測可溶SiO2熱儲溫度在23.94～79.49 ℃，均低于100 ℃，明顯低于區(qū)內(nèi)最高熱儲層溫度，如表3所示.

表3 研究區(qū)外圍實測可溶SiO2熱儲溫度表Tab.3 The measured soluble SiO2 thermal storage temperature table on the periphery of the study area

綜合分析該區(qū)區(qū)域地質(zhì)、地球物理及鉆孔資料，研究區(qū)沿F3主干斷裂帶的深部可能存在高溫?zé)崃?，進(jìn)一步開展干熱巖資源的研究意義重大.

2.5.2 鉆孔測溫分析通過前人在該區(qū)施工的水文地質(zhì)鉆孔分析，ZK1、ZK4、ZK16、ZK15、ZK21、ZK19等鉆孔均見到高溫地下熱水，研究區(qū)地表熱異常中心位于汝城熱水鎮(zhèn)接觸帶西部的震旦系地層中，深部經(jīng)鉆孔掲露證明，地?zé)岣邷貛Э缭秸鸬┫?、寒武系地層和花崗巖體，大體上沿著110°～115°方向呈帶狀分布，主要受斷裂破碎帶的控制.

通過收集區(qū)內(nèi)地?zé)徙@孔，選擇地溫增溫穩(wěn)態(tài)性良好的鉆孔計算區(qū)內(nèi)地溫梯度，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)廟灣—冬青樹下一帶，ZK15、ZK19、ZK21鉆孔地溫梯度在全區(qū)最大，全孔平均地溫梯度分別為184.5 ℃/km、190.6 ℃/km、230.4 ℃/km，具有明顯的地?zé)岙惓?如圖1所示.

圖1 汝城熱水鎮(zhèn)鉆孔溫度等值線圖Fig.1 Contour map of borehole temperature in Reshui Town, Rucheng

基于汝城熱水鎮(zhèn)范圍多個鉆孔實測溫度數(shù)據(jù)，得到各測溫鉆孔的溫度變化曲線.對比發(fā)現(xiàn)，非花崗巖巖性鉆孔，如ZK1、ZK3、ZK4、ZK16等，孔內(nèi)巖性均為震旦系、寒武系砂巖及板巖，受熱水影響增溫較快，見熱水后溫度最高，穿過含水段溫度降低，主要是由于斷層導(dǎo)出深部熱水至淺部引起.往深部溫度逐漸降低則主要是因為淺部地?zé)崴髦零@孔底部引起.如圖2(a)、圖2(b)所示.而熱水鎮(zhèn)以南ZK15、ZK19、ZK21孔全孔巖性均為花崗巖，且增溫良好，孔內(nèi)溫度呈穩(wěn)態(tài)增溫趨勢，線性增溫良好，且該區(qū)從淺部至深部無大的斷裂構(gòu)造，地溫增加穩(wěn)定，且越往深部溫度越高，說明深部可能存在高溫異常，且存在深部高溫隱伏巖體.通過分析，ZK15、ZK19、ZK21孔測溫曲線對于下一步尋找高溫干熱巖勘探靶區(qū)具有一定的指導(dǎo)意義.如圖2(c)所示.

圖2 熱水鎮(zhèn)地?zé)崽镢@孔測溫曲線對比圖[27]Fig.2 Comparison of temperature measurement curves of boreholes in the geothermal field of Reshui Town[27]

3 干熱巖地?zé)豳Y源類型分析

3.1 巖漿余熱

熱水中高含量的二氧化硅，除了高溫高壓下溶解的圍巖外，主要來源于巖漿后期熱液的殘余組分[28].通過熱水化學(xué)分析，熱水鎮(zhèn)地?zé)崴趸柽_(dá)123.8 mg/L，如表2所示.據(jù)泉華和熱水光譜分析，可溶二氧化硅占主要成分，含有鋰、砷、硼等元素，說明有一部分熱水是來自巖漿后期的低溫液相或蒸汽的冷凝水.根據(jù)費夫圖爾納和維爾霍實驗，鈉長石和鈣長石的沸石化作用不以壓力的大小為轉(zhuǎn)移，在更高的水蒸氣壓力下才會發(fā)生鈣長石的葡萄石化作用.因此，沸石的形成與花崗巖有關(guān)，同時是在溫度較高的條件下形成的，說明熱水鎮(zhèn)地下熱水的形成與巖漿余熱關(guān)系較密切[27].

研究區(qū)水質(zhì)類型為高溫弱堿性低礦化硫酸-鈉型氟及硅質(zhì)水或重碳酸-鈉型氟及硅質(zhì)水，熱水中有大量氣泡冒出，氣體主要以氮氣為主，占逸出氣體含量的97%～98%，占溶解氣體含量的73.5%～83.5%.如表4所示.分析該熱泉逸出氣體與溶解氣體，認(rèn)為該氣體可能來源于巖漿揮發(fā)組分.

表4 研究區(qū)熱水中氣體含量表[27]Tab.4 Gas content in hot water in the study area

其次，據(jù)前人在該區(qū)所做同位素年齡測定，該區(qū)燕山早期花崗巖體形成年齡為140～188 百萬年，在其淺部存在的巖漿巖余熱可能性很小，但巖體成形以后，構(gòu)造運動仍然很活躍，在巖體內(nèi)及接觸帶附近有細(xì)?；◢弾r脈、二長花崗巖脈、花崗偉晶巖脈等沿北北東向及北東向斷層侵入[28].且沿北東向斷裂帶有串珠狀的熱液石英脈，據(jù)包裹體測定熱液石英脈形成平均溫度為325 ℃.且有片麻花崗巖、黑云母花崗巖、重熔、重結(jié)晶花崗巖沿F3斷裂呈條帶狀分布及普遍鈉長石化等特征.花崗巖形成時代較晚，說明花崗巖形成后熱液活動仍較為頻繁和強烈.在主干斷裂的上盤有眾多溫泉點出露，且沿該斷裂帶地層地溫梯度普遍較高.上述資料表明，在熱水-城口斷裂帶深部可能存在著溫度較高的晚期侵入巖體，而震旦系、寒武系地層及燕山早期花崗巖體則起著保溫隔熱作用.本次通過在研究區(qū)所作物探成果顯示，在該斷裂帶深部存在一定的高溫隱伏花崗巖體.

3.2 放射性衰變熱

通過采樣測試，研究區(qū)放射性元素含量較高，花崗巖鈾含量為(5.34～49.8)×10-6，平均值為17.84×10-6，釷含量(12.2～52.7)×10-6，平均值為31.59×10-6，鉀含量2.37%～5.35%，平均值為4.03%.巖石放射性生熱率為(3.13～14.86)μW/m3平均值為6.97 μW/m3，花崗巖生熱率較高，放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量越高，干熱巖資源的潛力就越大，如表1所示[29].前人在地?zé)崽锔浇鼛讉€鈾礦床勘探與開發(fā)過程中，亦都不同程度地在鉆孔或坑道中遇到了熱水和溫度異常.如集龍白豐洲有三個鉆孔見到了地下熱水，最高溫度35 ℃，白豐洲CK99孔見到厚150 m的礦體，礦體的中心部位測溫比上、下部位溫度高4 ℃，但沒有水，而礦體邊緣所打的鉆孔均無溫度異常，故放射性衰變是其原因之一.

3.3 斷裂構(gòu)造導(dǎo)熱

自中生代以來，研究區(qū)地殼十分活躍，巖漿作用和變質(zhì)作用強烈，燕山早期侵入巖體形成之后，構(gòu)造活動仍很強烈，深部大斷裂發(fā)育且控制著部分巖漿的侵入和分布，在地表形成具有一定熱量的地?zé)崽铮瑸楸緟^(qū)地?zé)豳Y源的生成提供了一定的熱源.

據(jù)1981年湖南省地質(zhì)局水文隊記載，1963年及1977 年汝城縣東北部曾發(fā)生過1.7級地震，人不能站立，又據(jù)湖南省地震局資料，1992年至今，郴州汝城及汝城鄰區(qū)廣東韶關(guān)等地多發(fā)生3.7～1.4級地震，且本區(qū)有四級階地存在，北北東向斷裂膠結(jié)極差等，都說明本區(qū)構(gòu)造活動還在繼續(xù)發(fā)生，有些斷裂具有現(xiàn)今活動的性質(zhì)，如表5所示.所以，盡管熱水沉淀物可以充填封閉裂隙，但由于構(gòu)造的新活動，張應(yīng)力的存在，新的張性斷裂又重新產(chǎn)生，使斷裂裂隙系統(tǒng)不至全部被堵塞，深部的熱能仍可以沿著斷裂系統(tǒng)向上運動，并出露于地表.湖南省地?zé)崴Y源豐富，尤其研究區(qū)汝城熱水溫泉溫度為98 ℃，達(dá)湖南之最.地?zé)崴姆植加峙c所處深部的構(gòu)造地質(zhì)條件密切相關(guān)，研究區(qū)汝城熱水溫泉出露于花崗巖外接觸帶震旦系變質(zhì)砂巖及板巖地層北東向斷裂帶中，該斷裂上有大量溫泉出露，如豐州、熱水、城口溫泉等，是一條高地?zé)岙惓?通過以上分析，該高溫地?zé)釒ё呦驗檠亟?jīng)度110°～115°分布，具備形成地?zé)崽锏臉?gòu)造—巖漿巖條件，具有較好的干熱巖地?zé)衢_發(fā)前景.

表5 研究區(qū)及鄰區(qū)地震統(tǒng)計表Tab.5 Seismic statistics of the study area and adjacent areas

注：數(shù)據(jù)來自湖南省地震局.

4 結(jié)論與建議

(1)汝城地處華夏地塊與揚子地塊交界處，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，巖漿巖體發(fā)育，地表出露地?zé)崴疁囟葹?8 ℃，為湖南省之最.研究區(qū)大地?zé)崃髦蹈?，地溫梯度異常，熱源多與花崗巖有關(guān)，表明該區(qū)具有形成干熱巖資源的良好地質(zhì)背景.

(2)通過對熱源、巖漿巖余熱、放射性元素蛻變及構(gòu)造活動幾個方面分析，初步認(rèn)為區(qū)內(nèi)干熱巖類型為巖漿余熱及放射性熱混合型.

(3)湖南汝城花崗巖體為高產(chǎn)熱放射型，勘查前景較好，建議優(yōu)選一處勘探靶區(qū)，進(jìn)行試驗孔鉆探施工，評價深部熱結(jié)構(gòu)，為湖南省干熱巖研究提供可靠的科學(xué)依據(jù)與理論基礎(chǔ).