湖北省三里畈地区干热岩地热资源前景分析

郭 盼，刘成新，徐玳笠，程怀蒙，孔令耀

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

由于全球经济的快速发展,人类面临的资源紧缺和环境污染问题日益严重。与传统化石能源相比,干热岩地热资源具有空间分布广、资源储量大、供能持续稳定、可高效循环利用且不受季节、气候等自然条件影响的特点[1],其可作为未来新型替代能源已得到国际地热界和新能源界的普遍认可[2]。

干热岩是一种不含或含有极少量水或蒸汽的、具有开发经济价值的致密热岩体,普遍埋藏于地表3～10 km深处,温度范围在150～650 ℃[3-4],较常见的岩石有花岗岩、花岗闪长岩以及花岗质片麻岩等[5]。2018年,中国国家能源局组织地热行业专家编制了国家能源行业标准《地热能术语(NB/T 10097—2018)》,规定干热岩指内部不存在或仅存在少量流体,温度高于180 ℃的异常高温岩体。据初步估算,中国大陆地区3～10 km深处干热岩地热资源总量>2×107EJ[6-7],开发前景广阔。

早在1972年,美国洛斯·阿尔莫斯(Los Alamos)国家实验室在芬顿山(Fenton Hill)钻成了第一眼干热岩勘探井,由此拉开了干热岩勘探开发研究的序幕,至今已经历了近半个世纪的历程。截至2019年初,全球先后实施了41个干热岩开发项目,主要分布在欧洲、北美洲、澳洲、亚洲、中美洲的14个国家[8],并取得了一系列进展[9-10],但总体尚处于试验研发阶段,还没有一个EGS项目投入商业运行[11]。中国干热岩研究起步相对较晚,但发展较为迅速,在青海共和—贵德盆地、松辽盆地、福建漳州盆地以及广东惠州等地先后开展了干热岩资源勘查与评价,均取得了重大突破[12-13]。

湖北地跨扬子板块和华北板块的交接地带,断裂构造发育,强烈的构造运动叠加多期次岩浆活动,为地热活动创造了有利地质条件。尤其是东部地区,燕山期中酸性岩体大面积出露且富集放射性元素,具有较好的生热和储热条件。但湖北干热岩研究较为滞后,研究基础薄弱。本文依托湖北省自然资源厅科研计划项目“湖北省干热岩资源潜力及靶区选址研究”(ETZ201807A04),通过对湖北三里畈地区干热岩地热资源的赋存条件和找矿前景进行分析探讨,为下一步调查评价工作提供参考。

1 地热地质条件

1.1 地质构造

研究区隶属黄冈市罗田县三里畈一带,位于团麻断裂以东、襄广断裂以北,地处桐柏—大别造山带东大别剪切带内,为大别变质杂岩的核心部位,面积约1 600 km2(图1)。在中生代陆—陆俯冲碰撞造山作用下,大别地壳发生活化,构造活动强烈,以发育北西向、北东向及近南北向断裂为特征,且新生代以来仍持续活动,主要表现在强烈的岩浆侵入、围岩混合岩化作用以及断裂构造的叠加[14]。其中以北西向和北东向为主的两组断裂基本控制了三里畈地区变质地层、岩浆岩体以及地热活动的格局(图2)。

图1 三里畈地区大地构造位置图Fig.1 Geotectonic location map of Sanlifan area1.早古生界；2.晚古生界；3.桐柏和大别杂岩；4.超高压榴辉岩带；5.高压榴辉岩带；6.蓝片岩-绿片岩带；7.显生宙盖层。

图2 三里畈地区岩体地质简图Fig.2 Geological map of rock mass in Sanlifan area1.黑云二长花岗岩；2.断层；3.热异常区；4.二云二长花岗岩；5.热泉。

1.2 基底分布

1.2.1酸性侵入岩分布及规模

研究区侵入岩出露面积约占90%以上,其中花岗质片麻岩约占45%左右,其余大部分为中生代花岗岩体,锆石年龄范围为112～137 Ma[15],如鲤鱼寨、龙井垴、蚊虫山、云峰寨以及白莲河岩体等,地表出露面积约为150 km2(图2)。根据区域航磁资料,研究区具明显正异常,表明岩基规模巨大,或由花岗质岩石构成的结晶基底分布较广。

1.2.2酸性侵入岩生热率及热物性

测试结果显示(表1、2),研究区花岗岩体的热导率介于3.14～3.48 W/m·℃,平均3.29 W/m·℃；来自附近地区的花岗质片麻岩的热导率则相对较低,为2.59～3.22 W/m·℃。二长花岗岩体生热率范围3.1～4.0 μW/m3,平均为3.6 μW/m3,且大部分岩体的U元素含量大于或接近全球平均值(5 μg/g)[16]、Th元素含量则高于全球平均值(20 μg/g),表明放射性生热条件较好；而周边地区的花岗质片麻岩则明显较低,生热率介于0.4～2.0 μW/m3之间,平均为1.2 μW/m3。

表1 三里畈地区花岗质岩石热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of granitic rocks in Sanlifan area

表2 三里畈地区花岗质岩石生热率Table 2 Heat generation rate of granitic rocks in Sanlifan area

1.3 盖层分布

研究区出露地层由太古界—元古界的花岗质片麻岩及大别山岩群变质表壳岩、变质基性岩等组成(图3),其中大别山岩群分为片麻岩岩组和变粒岩岩组[17],前者岩性主要为(角闪)黑云斜长片麻岩夹条带状斜长角闪岩,岩层叠置总厚度>696.50 m,后者呈较为连续的带状分布于花岗质片麻岩周边,另有少量呈大小不等、形态各异的包体分布于中生代侵入岩中,岩性由黑云斜长变粒岩、角闪斜长变粒岩、斜长角闪岩和大理岩组成,岩层叠置总厚度>84.48 m。另外,沿巴河及其次级河两岸或地势低洼处分布有第四系,一般厚度<5 m,主要为砾、砂及亚砂土等河流相冲积物。

图3 热异常区地质简图Fig.3 Geological map of Sanlifan geothermal anomaly area1.第四系；2.早白垩世花岗岩；3.大别山岩群片麻岩岩组；4.大别山岩群变粒岩岩组；5.元古代花岗质片麻岩；6.太古代花岗质片麻岩；7.断层；8.地热田；9.MT测线。

2 地温场特征

2.1 浅部地温特征

受断裂和岩浆岩体控制,研究区多以单泉或群泉的形式放热,在有利地形处形成地热田,如三里畈地热田、许家冲地热田以及罗田县城关地热田。以三里畈地热田为例,泉眼成群出露,多达30余处,普遍具有流量大、温度高的特点,水热异常赋存于变质岩、混合花岗岩裂隙中。该地热田范围内的新构造压扭性断裂不仅错断了南北向深大挤压带,而且切割云峰寨岩体,显示出异常强烈的新构造活动,为深部热流提供了上涌通道,以致熊家墩温泉达73 ℃,为省内最高。地热田内的地温梯度变化较大,常见值为4～9 ℃/100 m。受导热构造、岩石结构、裂隙发育程度、地下水等诸多因素影响,在一定区域范围内,靠近地热异常点附近地温梯度多在3.0～3.74 ℃/100 m,钻孔附近地温梯度高达12.5～16.4 ℃/100 m,其他地段多为6.5 ℃/100 m左右,整个地热田范围平均地温梯度为8.0 ℃/100 m,显示出较为明显的地温异常[18]。此外,由于地下热水影响会导致计算出的大地热流值偏差较大,因此取地下热水影响较弱的地段平均热流值作为该热异常区的参考值,为2.51HFU,即105.1 mW/m2。该热流值具有一定代表性,能够反映出热异常区较高的热流背景。

2.2 深部地温预测

通过SiO2温标对热储温度和地热流体循环深度进行估算,计算公式如下：

TSiO2=1 309/(5.19-lgSiO2)-273.15
Z=100×(T-T0)/G+Z0

式中：SiO2代表地热流体中可溶性二氧化硅的浓度；Z为热储埋深(m)；T为热储温度；T0为地表温度；G为地温梯度；Z0为恒温带平均深度。取T0=16.3 ℃,Z0=20 m,热异常区局部平均地温梯度G=8.0 ℃/100 m,计算出地热流体平衡温度达140～150 ℃,最大循环深度为1 600～1700 m(表3)。

表3 三里畈地热田热储温度及埋深Table 3 Geothermal storage temperature and depth of Sanlifan geothermal field

热储在导热断裂破碎带内以热对流为主,而深部则以热传导为主。由于缺乏深部地温实测资料,因此采用一维稳态热流状态下深部温度的间接推算式[7]：

T(z)=T0+(q0z)/K-(Az2)/2K

式中：T0为地表温度；q0为地表热流值；A为岩石生热率；z为计算点地层厚度(km)；K为岩石热导率。

在地壳深部变质岩和岩浆岩区,由于放射性生热元素U、Th、K在高温条件下因较强的地球化学分异会导致向浅部富集,从而呈现出随深度指数衰减的趋势[19],以此为依据来计算对应的深部温度：

T(z)=T0+[(q0-AD)z]/K+AD2[1-exp(-zD)]/K

式中：D为放射性生热元素富集层的厚度。在全球范围内,除个别特殊地区外,放射性生热元素富集层的厚度一般变化不大,常取为10 km。岩石热导率和生热率均取三里畈地区花岗质岩石平均值,分别为3.12 W/m·℃和2.53 μW/m3。结果显示,热异常区4 km深处地温可达到180 ℃,可满足干热岩赋存温度条件(表4)。

表4 热异常区深部温度估算参数Table 4 Estimation parameters of deep temperaturein geothermal anomaly area of Sanlifan

3 潜力区预测及深部热源分析

3.1 潜力区预测

选择适合的干热岩体是进行干热岩能量开发的前提和基础,它至少应具有相对高的放射性生热元素,且规模要相对较大[20]。同时需要考虑开采技术条件和经济性,对于盖层的要求也比较高,既要足够厚,起到保热作用，还要足够薄,以便钻井施工。对于当前普遍的开采技术,盖层厚度一般在2～3 km左右为宜[21]。根据三里畈地区实测MT解译图(图4),结合区域地质资料,推测视电阻率值高值区ρ+1-ρ+5均为花岗岩体或花岗质片麻岩的综合电性反映。其中ρ+1和ρ+5埋深浅且延伸至地表,分别与龙井垴、云峰寨岩体相对应,两者规模较小,且盖层条件较差；ρ+2、ρ+3和ρ+4幅值相当,但ρ+3和ρ+4基本与ρ+5相连,深部热量易通过热传导向地表散失而不易保存；ρ+2则隐伏规模最大,埋深约2～3 km,即具有厚度合适的变质表壳岩盖层,内部及附近无明显深断裂构造发育,从而保证热储具有低的流体渗透性和低的热流传导,使对流引起的热损失最小化,相比ρ+3、ρ+4具有更好的储盖条件。综合考虑地热地质条件、地温场特征、合适的干热岩体及其盖层条件,初步选取龚家山—三里畈—桃树坳一带为干热岩赋存最佳潜力区,可为下一步选区工作提供参考依据。

图4 三里畈地区实测MT解译图Fig.4 Interpreted profile of MT measurement along the Sanlifan area1.视电阻率高值区；2.解译断层。

3.2 深部热源分析

前人研究表明,170 Ma以来大别造山带主要经历了晚造山期隆升、热窿伸展和断块侵蚀剥露事件。140～85 Ma期间大别地区进入热窿伸展阶段,该时期引发基底广泛熔融过程,在强烈伸展背景下,热窿范围集中于大别地区,其热轴平行于造山带展布,由麻城经罗田—英山地区并延伸至岳西,该带范围内基底岩系表现出强烈的混合岩化作用,并伴随大规模深/浅层次共存花岗岩体侵入[22],其深部可能存在巨量的岩浆残余热能。

4 干热岩资源量估算

鉴于汪集旸等指出近期应着眼于4～7 km深度段干热岩地热资源的开发,本次研究采用体积法对潜力区4～7 km埋深的干热岩中储存的热量进行估算,计算公式[6]如下：

Q=ρ·CP·V·(T-T0)

式中：Q为干热岩资源储量；ρ为岩石密度；CP为岩石比热容；V为岩体体积；T为计算深度的岩石温度；T0为地表温度。

岩石密度和比热容取研究区花岗质岩石平均值,分别为2 700 kg/m3和900 J/kg·℃。结果显示,该区4～7 km干热岩资源量估算值为2.64 EJ/km2,折合标准煤约7.74亿t/km2,显示出较好的资源前景(表5)。

表5 潜力区资源量估算参数表Table 5 Geothermal reserve estimation parameters of potential area in Sanlifan

5 结论

(1) 湖北省三里畈地区构造活动强烈,具有高放射性酸性岩体,花岗质结晶基底分布较广且埋深较浅,有厚度合适的变质表壳岩作为盖层,显示出良好的干热岩储盖条件,其深部可能存在岩浆残余热。

(2) 根据实测MT解译图结合区域地质资料分析,初步选取龚家山—三里畈—桃树坳一带为干热岩赋存最佳潜力区。

(3) 利用水化学数据和钻孔测温资料,估算出干热岩潜力区4～7 km深处的温度可达180 ℃,该深度范围资源量预测值为2.64 EJ/km2,折合标准煤约7.74亿t/km2,显示出较好的找矿前景,可为下一步调查评价工作提供依据。

致谢：澳实分析检测(广州)有限公司对岩石地球化学元素含量测定提供了帮助,湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队实验室对岩石热物性参数测定提供了帮助,中国地质大学(武汉)地质调查研究院对地热流体水质分析提供了技术指导,在此一并深表感谢。