福建大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)巖體巖石放射性生熱率特征及與干熱巖有關(guān)的指標(biāo)評價

黃昌旗 林鋒杰 葉冰斐

(1.福建省煤田地質(zhì)局，福州，350000；2.福建省121地質(zhì)大隊，龍巖，364021)

1 福建大地?zé)崃鞲艣r

福建境內(nèi)大地?zé)崃髦灯毡檩^高，是全國大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)之一[1]?？傮w上大地?zé)崃髦笛睾８撸瑑?nèi)陸低，最低為武夷山—建寧往西北一線，大地?zé)崃髦?0 mW/m2以下；最高為福州—漳州沿海一線，大地?zé)崃髦党^70 mW/m2，此外，三明和龍巖部分地區(qū)也有較高的大地?zé)崃髦?，均高?5 mW/m2(圖1)。理論研究和生產(chǎn)實踐均表明，適合干熱巖開發(fā)的區(qū)域均為熱異常區(qū)域，最明顯的標(biāo)志是大地?zé)崃髦?、地溫梯度是否偏高，通常認(rèn)為熱流值在63～105 mW/m2區(qū)域才有干熱巖開發(fā)價值[2]。因此，福建沿海一帶是開發(fā)干熱巖的有利地區(qū)。

圖1 福建大地?zé)崃鞯戎稻€及高值區(qū)燕山期主要巖體分布圖(其中大地?zé)崃鞯戎稻€據(jù)中國科學(xué)院地球物理研究所，福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1992)Fig.1 Distribution of main Yanshanian granitic rocks in high-value areas and isoline of geodetic heat flow, Fujian province

2 福建侵入巖概況

福建侵入巖分布廣泛，出露面積4.23萬km2，約占陸地面積34.87%，規(guī)模居華南諸省前列。侵入活動時期有呂梁期、晉寧期、加里東期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期。其中燕山期侵入巖規(guī)模最大，占全省侵入巖面積77%，其次為加里東期侵入巖，約占13%，其他均規(guī)模較小約占10%，依次為印支期、晉寧期、喜馬拉雅期與呂梁期，其中喜馬拉雅期與呂梁期侵入巖，省內(nèi)僅見數(shù)個巖瘤[3]。全省燕山期侵入巖面積共3.26萬km2，進(jìn)一步劃分為燕山早、中、晚3個亞期，其中又以燕山中期侵入巖出露面積最大，約1.88萬km2，占燕山期侵入巖的57.8%；燕山晚期侵入巖面積約1.14萬km2，占燕山期侵入巖的35.1%，燕山早期侵入巖面積約0.24萬km2，占燕山期侵入巖的7.1%。

3 適合干熱巖巖體的條件及巖體巖性、巖石化學(xué)特征

3.1 合適干熱巖巖體的選擇

干熱巖是指溫度一般超過150℃，埋深超過2 000 m，無裂隙，很少有地下流體存在的高溫巖體。干熱巖可以作為熱能資源加以利用[4]，理論上只要掘井到足夠深度就能達(dá)到滿足發(fā)電要求的地?zé)釡囟?。由于在實踐過程考慮到投資和商業(yè)化生產(chǎn)等因素，一般要求干熱巖體溫度超過200℃[5]。因此，選擇適合的干熱巖巖體進(jìn)行干熱巖資源開發(fā)，一般要滿足以下3個條件[6]。

(1)巖體應(yīng)具有相對高的放射性生熱元素。根據(jù)地殼結(jié)構(gòu)和成因機制，中國干熱巖資源主要分為高放射性產(chǎn)熱型、近代火山型、沉積盆地型及強烈構(gòu)造活動帶型[7]。福建發(fā)育不同活動時期的侵入巖，燕山期巖漿活動尤其強烈，地表及地殼淺部發(fā)育許多大型的中生代酸性花崗巖類巖體，該類巖體具有較高的放射性產(chǎn)熱特征，是高放射性產(chǎn)熱型地區(qū)(福建、廣東、江西)所在的3個省份之一[8，9]。一般認(rèn)為巖石單位體積生熱≥5.0 μW/m3時具有干熱巖意義；在省內(nèi)中酸性侵入巖生熱率最高，峰值區(qū)為4.5～5.0 μW/m3，平均值為4.61 μW/m3；各期次巖體生熱率上，燕山期的生熱率最高，峰值區(qū)為3.65～4.53 μW/m3。

(2)花崗巖體的規(guī)模應(yīng)至少大于100 km2，規(guī)模太小的花崗巖體不適合用于干熱巖能量開發(fā)，福建燕山期巖體以酸性和中酸性巖類占絕對優(yōu)勢，巖體規(guī)模較大，多以大巖株或巖基形式產(chǎn)出，面積一般從幾十平方千米到幾百平方千米，具有較好的干熱巖巖體規(guī)模條件。

(3)巖體要完整性好。對于傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源，熱能的載體——孔隙水開采后的補給和加熱率很慢，其資源量概算一般基于留存水層的最大允許沉降量，故要有斷裂通過裂隙水的循環(huán)將熱量帶上來，干熱巖發(fā)電要求熱源穩(wěn)定持續(xù)，所以要完整性好且破壞性小的巖體，才能提供源源不斷的熱能[10]。

3.2 各巖體巖性及巖石化學(xué)特征

此次在大熱流高值區(qū)中選擇面積均大于100 km2的燕山期熱儲條件最好的酸性類和中酸性巖類[11]的9個巖體作為研究對象，如福州地區(qū)的丹陽巖體和魁歧巖體，漳州地區(qū)的漳浦復(fù)式巖體、長泰巖體、金山復(fù)式巖體和大坪巖體，安溪地區(qū)的長坑巖體，龍巖—三明地區(qū)的古田—小陶復(fù)式巖體和胡坊復(fù)式巖體。各巖體規(guī)模、巖性和巖石化學(xué)主要特征見表1，巖性主要為正長花崗巖和二長花崗巖。構(gòu)造上，除漳浦復(fù)式巖體東部受區(qū)域構(gòu)造影響[12，13]部分變質(zhì)變形外，各巖體巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本完整。據(jù)各巖體巖石主量元素含量的TAS、AFM圖解投影，均為富堿、高鉀鈣堿性、弱過鋁質(zhì)巖石，其中大坪、長坑、丹陽和漳浦復(fù)式巖體在SiO2-K2O圖解中屬鉀玄巖系列；J.P.Puin鋯石類型趨勢圖中，魁歧巖體為幔源或幔源為主的花崗巖，其余巖體為殼幔混合型花崗巖，與華南燕山運動時空演化和巖漿侵入活動特點是一致的[14-16]。

表1 各巖體巖性和巖石化學(xué)主要特征(%)

4 巖石放射性生熱率特征

4.1 分析測試原理及方法

研究認(rèn)為，巖石圈內(nèi)熱主要來源之一是放射性元素衰變生熱，只有具有一定豐度、生熱量高和半衰期長的元素，才具有地?zé)嵫芯恳饬x，Th、U、K元素具備了這些條件[17-19]。其含量的高低直接決定了干熱巖體的溫度，目前多采用單位體積生熱率來評價干熱巖體的生熱能力。選定的9個巖體共采樣測試樣品399個。分析測試由廣東澳實礦物實驗室(198個樣品)和福建省121地質(zhì)大隊化驗測試中心(201個樣品)完成，Th、U含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定(ICP-MS)，數(shù)據(jù)分析精度±10%，K含量采用X熒光光譜法測定(XRF)，分析精度±2%。

4.2 分析測試結(jié)果

根據(jù)9個巖體采集399個樣品分析測試，巖石中放射性元素含量及生熱率分析測試數(shù)據(jù)(表2)可以看出，放射性元素U、Th和K的含量平均值分別是7.48×10-6、32.35×10-6和3.89×10-2。綜合前人資料[20-22]看出，這些燕山期的酸性巖體放射性元素U、Th的含量遠(yuǎn)高于東南沿?；◢弾r的平均值(4.05×10-6、23.67×10-6)，最高的是長坑巖體，其次為大坪巖體和胡坊巖體；而放射性K的含量3.89×10-2則低于東南沿?；◢弾r的平均值4.24×10-2，只有3個巖體大于4.0×10-2，最高為古田—小陶復(fù)式巖體。

表2 巖石放射性元素含量及生熱率①

注：①福建省非常規(guī)能源調(diào)查研究院，福建省干熱巖資源有利區(qū)調(diào)查評價報告，2016。

4.3 巖石放射性生熱率特征

根據(jù)巖石放射性元素中U、Th和K測試數(shù)據(jù)計算巖石放射性生熱率公式求得[23]：

A0=0.26×Cu+0.071×CTh+0.096×CK

式中：Ao為巖石放射性生熱率(μW/m3) ，CU為鈾濃度(×10-6)，CTh為Th濃度(×10-6)，CK為K濃度(×10-2)。

經(jīng)計算，放射性生熱率在3.91～5.65 μW/m3，平均值為4.62 μW/m3，整體均高于全球花崗巖放射性生熱率平均值2.5 μW/m3，更高于東南沿?；◢弾r放射性生熱率平均值3.01 μW/m3[24]。放射性生熱率大于5.0 μW/m3的有2個巖體，為大坪巖體和長坑巖體，最高的為長坑巖體，達(dá)到5.65 μW/m3，胡坊復(fù)式巖體放射性生熱率也接近5.0 μW/m3。

根據(jù)U、Th和K的數(shù)據(jù)曲線(圖2)，可以明顯看出各元素對放射性生熱率的貢獻(xiàn)，放射性生熱率A0曲線的變化與Th、U含量曲線變化基本一致，說明產(chǎn)熱主要來源于Th、U的放射性衰變熱。研究也表明，巖石放射性生熱率K貢獻(xiàn)相對較小，一般在10%左右[25]，但也會因元素半衰期的不同，貢獻(xiàn)率隨時間發(fā)生變化，半衰期較長的生熱元素如232Th，其熱貢獻(xiàn)的相對比例在逐漸增大，半衰期較短的235U和40K則相反[26]。

圖2 巖石放射性元素(K、Th、U)含量及生熱率(A0)曲線圖Fig.2 Curve diagram of the content and heat production rate (A0) of radioactive elements (K, Th, U) in rocks

4.4 巖石古放射性生熱率校正

采樣分析測試計算得出的是當(dāng)今的巖石放射性生熱率，在研究花崗巖體放射性成因的熱對古水熱系統(tǒng)的熱能貢獻(xiàn)等問題時, 需要根據(jù)巖體形成的時間(地質(zhì)年齡 t) 對現(xiàn)今測得的放射性生熱率進(jìn)行校正, 才能得到古放射性生熱率 ,使計算更符合地質(zhì)實際，其校正根據(jù)公式為[27]：

N=eλt

式中：N為校正系數(shù)，λ為放射性元素衰變常數(shù)，t為距今時間(單位Ma)。

研究認(rèn)為，地質(zhì)年齡小于100 Ma的地質(zhì)體，古放射性生熱率的變化小于2%，可以不進(jìn)行古放射性生熱率的校正。9個巖體中，地質(zhì)年齡最老的為古田—小陶復(fù)式巖體(Rb-Sr等時線年齡為180 Ma[28])，地質(zhì)年齡最新的為魁歧巖體(K-Ar同位素年齡為82 Ma)。因此，t區(qū)間選定為100～180 Ma，根據(jù)以下公式求得(其中U有2種放射性同素，為238U和235U)：

Nu=0.9928×e1.55×10-10×t+0.0072×e9.85×10-10×t

NTh=e0.495×10-10×t

Nk=e5.54×10-10×t

經(jīng)計算，U、Th 和K 的古放射性生熱率校正系數(shù)分別為NU=1.016～1.029，NTh=1.005～1.009，NK=1.057～1.105。從結(jié)果可以看出，U的古放射性生熱率變化在1.6%～2.9%，Th的古放射性生熱率變化在0.5%～0.9%，對表2中巖石放射性生熱率結(jié)果基本無影響，而K的古放射性生熱率變化在5.7%～10.5%，但K對巖石放射性生熱率貢獻(xiàn)相對較小，一般只在10%左右，因此，此次對巖石放射性生熱率計算結(jié)果未進(jìn)行古放射性生熱率的具體校正。

5 與干熱巖有關(guān)的指標(biāo)評價

5.1 評價方法及評價指標(biāo)選擇

筆者參照馬峰等[29]對中國EGS靶區(qū)選址示范研究的指標(biāo)評價法選取相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行干熱巖指標(biāo)評價，有些指標(biāo)數(shù)據(jù)大致相同的(如熱儲巖性、地溫梯度和覆蓋層厚度等)省略不列入?yún)⒃u；對于活動性構(gòu)造的影響方面，9個巖體均有不同的活動性構(gòu)造經(jīng)過，但沒有充分證據(jù)或具體數(shù)據(jù)支持無法比較，也不列入?yún)⒃u；此外考慮到熱流失量過多不利于干熱巖的保存，增加了熱流失量指標(biāo)。最終確定選取大地?zé)崃髦怠⒎派湫陨鸁崧?、居里面埋深、年熱流失量和巖體規(guī)模5項指標(biāo)對9個巖體進(jìn)行干熱巖指標(biāo)評價(表3)。在確定指標(biāo)權(quán)重時，采用投影尋蹤法并綜合考慮各指標(biāo)重要性和收集資料的詳細(xì)程度進(jìn)行賦值，其中高放射性產(chǎn)熱型干熱巖的熱量主要來自巖體的放射性生熱，熱流失量對干熱巖的保存影響較大，權(quán)重均為2；和熱量相關(guān)的大地?zé)崃髦抵笜?biāo)權(quán)重為1.5；巖體面積和居里面深度指標(biāo)權(quán)重均為0.8；各指標(biāo)根據(jù)內(nèi)部在分值分配上，A為4分，B為3分，C為2分，D為1分。

表3 干熱巖指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

(據(jù)馬峰等(2015)有修改)

5.2 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)干熱巖巖體評價指標(biāo)各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計(表4)，其中巖體具體邊界范圍確定有結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造和巖體的完整性適當(dāng)修改，巖體面積在MapGIS矢量化地質(zhì)圖上計算求得,其中規(guī)模最大為古田—小陶復(fù)式巖體，面積為2 801 km2，其次為漳浦復(fù)式巖體，面積為1 497 km2；據(jù)省內(nèi)大地?zé)崃髦档戎稻€圖讀取，其中長泰巖體大地?zé)崃髦底罡?，熱流值?0～105 mW/m2，其次為漳浦復(fù)式巖體；熱流值為70～100 mW/m2，居里面埋深采用福建地區(qū)磁測資料計算分析結(jié)果[30]，居里面埋深最淺的為長坑巖體11～14 km，其次為大坪巖體，最深的為丹陽巖體(圖3)；放射性生熱率，最高的為長坑巖體，其次為大坪巖體；熱流失量以計算溫泉形式的年熱量流失總量，根據(jù)各巖體的溫泉出露個數(shù)、水溫、流量、開采量等數(shù)據(jù)，計算各巖體年熱流失量，再換算成標(biāo)準(zhǔn)煤作為指標(biāo)評價數(shù)據(jù)，經(jīng)計算，長泰巖體年熱流失量最大，相當(dāng)13.92萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，其次為漳浦復(fù)式巖體，年熱流失量相當(dāng)11.85萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，胡坊復(fù)式巖體年熱流失量也較小，年熱流失量相當(dāng)于2 067 t標(biāo)準(zhǔn)煤。丹陽巖體地表目前未發(fā)現(xiàn)溫泉，年熱流失量按零賦值。

表4 干熱巖巖體評價指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計①

注：①福建省非常規(guī)能源調(diào)查研究院，據(jù)福建省干熱巖資源有利區(qū)調(diào)查評價報告，2016。

圖3 福建省燕山期主要巖體所處居里面位置圖(居里面等值線據(jù)葉儀西等，2017)Fig.3 Location of Yanshanian granitic rocks in Curie interface, Fujian province

5.3 評價結(jié)果

對9個巖體進(jìn)行干熱巖指標(biāo)評價結(jié)果(表5)，并繪制3條熱結(jié)構(gòu)剖面(圖4-a、b、c)。從各項指標(biāo)得分和熱結(jié)構(gòu)剖面上看，胡坊復(fù)式巖體、長坑巖體和大坪巖體居里面埋深相對較淺的位置，說明這一帶可能存在地幔上隆，與幔源產(chǎn)熱有關(guān)，其放射性生熱率和大地?zé)崃髦迪鄬Ω?，具有干熱巖靶區(qū)選址的有利條件；金山、漳浦復(fù)式巖體和長泰巖體大地?zé)崃髦狄蚕鄬Ω?，巖石放射性生熱率一般，長泰巖體巖石放射性生熱率僅為4.15 μW/m3，福州地區(qū)丹陽巖體、魁歧巖體居里面較深，高放射性生熱率又低，但大地?zé)崃髦祬s高，可能是由于覆蓋層較厚，深部熱源向上傳導(dǎo)，在導(dǎo)熱率變小的覆蓋層形成熱流匯集的結(jié)果，也有認(rèn)為是存在高導(dǎo)低速半熔融的塑性高溫巖漿體的原因[31-34]；漳浦復(fù)式巖體和長泰巖體熱流失量較大，胡坊復(fù)式巖體和丹陽巖體熱流失量小。評價結(jié)果，綜合分值達(dá)20分以上為胡坊復(fù)式巖體、長坑巖體和大坪巖體。

表5 主要巖體(燕山期)干熱巖評價指標(biāo)結(jié)果

圖4 巖體熱結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 Thermal structural profile of granitic rocks

6 結(jié)語

(1)根據(jù)大地?zé)崃髦禂?shù)據(jù)，結(jié)合各地質(zhì)時期巖體的巖石生熱率巖體規(guī)模和完整性，選定了胡坊復(fù)式、大坪、長坑、古田—小陶復(fù)式、漳浦復(fù)式、丹陽、金山復(fù)式、長泰和魁歧巖體等9個燕山期的巖體作為與干熱巖有關(guān)指標(biāo)評價的巖體，通過399件樣品分析測試，獲得巖石放射性生熱率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其巖石放射性生熱率均高于東南沿海花崗巖放射性生熱率平均值，遠(yuǎn)高于全球花崗巖放射性生熱率平均值。其中，放射性生熱率平均值大于5.00 μW/m3的有2個巖體，為長坑巖體和大坪巖體。

(2)從高放射性產(chǎn)熱型干熱巖角度，采用指標(biāo)法評價，選取大地?zé)崃髦?、放射性生熱率、居里面埋深、年熱流失量和巖體規(guī)模5個指標(biāo)對9個巖體進(jìn)行干熱巖有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評價，認(rèn)為胡坊復(fù)式巖體、長坑巖體和大坪巖體的綜合分值高，可為省內(nèi)干熱巖靶區(qū)勘查選擇方面提供參考。

(3)福建境內(nèi)大地?zé)崃髦蹈?，燕山期大面積侵入的酸性巖體完整性、巖石放射性生熱率等指標(biāo)值也較好，但普遍存在覆蓋層厚度小或基巖裸露地表，不利于熱能蓄積，因此，尋找較厚覆蓋層之下的燕山期高放射性酸性巖體是干熱巖靶區(qū)選址的關(guān)鍵。如德化—仙游及永春、永泰一帶，大地?zé)崃髦递^高，又處于居里面的相對上隆區(qū)，可結(jié)合1∶5萬高精度磁測成果資料，如果深部推測有隱伏巖體，又是高放射性的燕山期巖體，應(yīng)該是干熱巖勘查的首選地區(qū)。

7 討論

(1)采集樣品未按燕山期次分類，不利于了解燕山各時期巖體放射性生熱率的具體情況，同時也未能對巖石古放射性生熱率進(jìn)行準(zhǔn)確具體地校正。

(2)在干熱巖指標(biāo)評價權(quán)重參數(shù)選擇時，如熱儲巖性、地溫梯度和覆蓋層厚度等指標(biāo)數(shù)據(jù)因大致相同的原因忽略，但落實到具體巖體時，仍然會略有差異；對于新構(gòu)造活動性構(gòu)造的影響，則因為沒有充分或具體數(shù)據(jù)支持無法比較。

本文據(jù)福建省財政廳、福建省國土廳公益性地質(zhì)調(diào)查及戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查資金項目“福建省干熱巖資源有利區(qū)調(diào)查評價”成果報告資料整理，是項目集體勞動成果，在此對項目組成員表示感謝,同時感謝審稿專家對文章提供的寶貴修改意見。