湖北省三里畈地區(qū)干熱巖地熱資源前景分析

郭 盼，劉成新，徐玳笠，程懷蒙，孔令耀

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

由于全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類面臨的資源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴重。與傳統(tǒng)化石能源相比,干熱巖地熱資源具有空間分布廣、資源儲量大、供能持續(xù)穩(wěn)定、可高效循環(huán)利用且不受季節(jié)、氣候等自然條件影響的特點[1],其可作為未來新型替代能源已得到國際地熱界和新能源界的普遍認可[2]。

干熱巖是一種不含或含有極少量水或蒸汽的、具有開發(fā)經(jīng)濟價值的致密熱巖體,普遍埋藏于地表3～10 km深處,溫度范圍在150～650 ℃[3-4],較常見的巖石有花崗巖、花崗閃長巖以及花崗質(zhì)片麻巖等[5]。2018年,中國國家能源局組織地熱行業(yè)專家編制了國家能源行業(yè)標準《地熱能術(shù)語(NB/T 10097—2018)》,規(guī)定干熱巖指內(nèi)部不存在或僅存在少量流體,溫度高于180 ℃的異常高溫巖體。據(jù)初步估算,中國大陸地區(qū)3～10 km深處干熱巖地熱資源總量>2×107EJ[6-7],開發(fā)前景廣闊。

早在1972年,美國洛斯·阿爾莫斯(Los Alamos)國家實驗室在芬頓山(Fenton Hill)鉆成了第一眼干熱巖勘探井,由此拉開了干熱巖勘探開發(fā)研究的序幕,至今已經(jīng)歷了近半個世紀的歷程。截至2019年初,全球先后實施了41個干熱巖開發(fā)項目,主要分布在歐洲、北美洲、澳洲、亞洲、中美洲的14個國家[8],并取得了一系列進展[9-10],但總體尚處于試驗研發(fā)階段,還沒有一個EGS項目投入商業(yè)運行[11]。中國干熱巖研究起步相對較晚,但發(fā)展較為迅速,在青海共和—貴德盆地、松遼盆地、福建漳州盆地以及廣東惠州等地先后開展了干熱巖資源勘查與評價,均取得了重大突破[12-13]。

湖北地跨揚子板塊和華北板塊的交接地帶,斷裂構(gòu)造發(fā)育,強烈的構(gòu)造運動疊加多期次巖漿活動,為地熱活動創(chuàng)造了有利地質(zhì)條件。尤其是東部地區(qū),燕山期中酸性巖體大面積出露且富集放射性元素,具有較好的生熱和儲熱條件。但湖北干熱巖研究較為滯后,研究基礎薄弱。本文依托湖北省自然資源廳科研計劃項目“湖北省干熱巖資源潛力及靶區(qū)選址研究”(ETZ201807A04),通過對湖北三里畈地區(qū)干熱巖地熱資源的賦存條件和找礦前景進行分析探討,為下一步調(diào)查評價工作提供參考。

1 地熱地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)隸屬黃岡市羅田縣三里畈一帶,位于團麻斷裂以東、襄廣斷裂以北,地處桐柏—大別造山帶東大別剪切帶內(nèi),為大別變質(zhì)雜巖的核心部位,面積約1 600 km2(圖1)。在中生代陸—陸俯沖碰撞造山作用下,大別地殼發(fā)生活化,構(gòu)造活動強烈,以發(fā)育北西向、北東向及近南北向斷裂為特征,且新生代以來仍持續(xù)活動,主要表現(xiàn)在強烈的巖漿侵入、圍巖混合巖化作用以及斷裂構(gòu)造的疊加[14]。其中以北西向和北東向為主的兩組斷裂基本控制了三里畈地區(qū)變質(zhì)地層、巖漿巖體以及地熱活動的格局(圖2)。

圖1 三里畈地區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Geotectonic location map of Sanlifan area1.早古生界；2.晚古生界；3.桐柏和大別雜巖；4.超高壓榴輝巖帶；5.高壓榴輝巖帶；6.藍片巖-綠片巖帶；7.顯生宙蓋層。

圖2 三里畈地區(qū)巖體地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological map of rock mass in Sanlifan area1.黑云二長花崗巖；2.斷層；3.熱異常區(qū)；4.二云二長花崗巖；5.熱泉。

1.2 基底分布

1.2.1酸性侵入巖分布及規(guī)模

研究區(qū)侵入巖出露面積約占90%以上,其中花崗質(zhì)片麻巖約占45%左右,其余大部分為中生代花崗巖體,鋯石年齡范圍為112～137 Ma[15],如鯉魚寨、龍井垴、蚊蟲山、云峰寨以及白蓮河巖體等,地表出露面積約為150 km2(圖2)。根據(jù)區(qū)域航磁資料,研究區(qū)具明顯正異常,表明巖基規(guī)模巨大,或由花崗質(zhì)巖石構(gòu)成的結(jié)晶基底分布較廣。

1.2.2酸性侵入巖生熱率及熱物性

測試結(jié)果顯示(表1、2),研究區(qū)花崗巖體的熱導率介于3.14～3.48 W/m·℃,平均3.29 W/m·℃；來自附近地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖的熱導率則相對較低,為2.59～3.22 W/m·℃。二長花崗巖體生熱率范圍3.1～4.0 μW/m3,平均為3.6 μW/m3,且大部分巖體的U元素含量大于或接近全球平均值(5 μg/g)[16]、Th元素含量則高于全球平均值(20 μg/g),表明放射性生熱條件較好；而周邊地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖則明顯較低,生熱率介于0.4～2.0 μW/m3之間,平均為1.2 μW/m3。

表1 三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of granitic rocks in Sanlifan area

表2 三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石生熱率Table 2 Heat generation rate of granitic rocks in Sanlifan area

1.3 蓋層分布

研究區(qū)出露地層由太古界—元古界的花崗質(zhì)片麻巖及大別山巖群變質(zhì)表殼巖、變質(zhì)基性巖等組成(圖3),其中大別山巖群分為片麻巖巖組和變粒巖巖組[17],前者巖性主要為(角閃)黑云斜長片麻巖夾條帶狀斜長角閃巖,巖層疊置總厚度>696.50 m,后者呈較為連續(xù)的帶狀分布于花崗質(zhì)片麻巖周邊,另有少量呈大小不等、形態(tài)各異的包體分布于中生代侵入巖中,巖性由黑云斜長變粒巖、角閃斜長變粒巖、斜長角閃巖和大理巖組成,巖層疊置總厚度>84.48 m。另外,沿巴河及其次級河兩岸或地勢低洼處分布有第四系,一般厚度<5 m,主要為礫、砂及亞砂土等河流相沖積物。

圖3 熱異常區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.3 Geological map of Sanlifan geothermal anomaly area1.第四系；2.早白堊世花崗巖；3.大別山巖群片麻巖巖組；4.大別山巖群變粒巖巖組；5.元古代花崗質(zhì)片麻巖；6.太古代花崗質(zhì)片麻巖；7.斷層；8.地熱田；9.MT測線。

2 地溫場特征

2.1 淺部地溫特征

受斷裂和巖漿巖體控制,研究區(qū)多以單泉或群泉的形式放熱,在有利地形處形成地熱田,如三里畈地熱田、許家沖地熱田以及羅田縣城關地熱田。以三里畈地熱田為例,泉眼成群出露,多達30余處,普遍具有流量大、溫度高的特點,水熱異常賦存于變質(zhì)巖、混合花崗巖裂隙中。該地熱田范圍內(nèi)的新構(gòu)造壓扭性斷裂不僅錯斷了南北向深大擠壓帶,而且切割云峰寨巖體,顯示出異常強烈的新構(gòu)造活動,為深部熱流提供了上涌通道,以致熊家墩溫泉達73 ℃,為省內(nèi)最高。地熱田內(nèi)的地溫梯度變化較大,常見值為4～9 ℃/100 m。受導熱構(gòu)造、巖石結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度、地下水等諸多因素影響,在一定區(qū)域范圍內(nèi),靠近地熱異常點附近地溫梯度多在3.0～3.74 ℃/100 m,鉆孔附近地溫梯度高達12.5～16.4 ℃/100 m,其他地段多為6.5 ℃/100 m左右,整個地熱田范圍平均地溫梯度為8.0 ℃/100 m,顯示出較為明顯的地溫異常[18]。此外,由于地下熱水影響會導致計算出的大地熱流值偏差較大,因此取地下熱水影響較弱的地段平均熱流值作為該熱異常區(qū)的參考值,為2.51HFU,即105.1 mW/m2。該熱流值具有一定代表性,能夠反映出熱異常區(qū)較高的熱流背景。

2.2 深部地溫預測

通過SiO2溫標對熱儲溫度和地熱流體循環(huán)深度進行估算,計算公式如下：

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

式中：SiO2代表地熱流體中可溶性二氧化硅的濃度；Z為熱儲埋深(m)；T為熱儲溫度；T0為地表溫度；G為地溫梯度；Z0為恒溫帶平均深度。取T0=16.3 ℃,Z0=20 m,熱異常區(qū)局部平均地溫梯度G=8.0 ℃/100 m,計算出地熱流體平衡溫度達140～150 ℃,最大循環(huán)深度為1 600～1700 m(表3)。

表3 三里畈地熱田熱儲溫度及埋深Table 3 Geothermal storage temperature and depth of Sanlifan geothermal field

熱儲在導熱斷裂破碎帶內(nèi)以熱對流為主,而深部則以熱傳導為主。由于缺乏深部地溫實測資料,因此采用一維穩(wěn)態(tài)熱流狀態(tài)下深部溫度的間接推算式[7]：

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

式中：T0為地表溫度；q0為地表熱流值；A為巖石生熱率；z為計算點地層厚度(km)；K為巖石熱導率。

在地殼深部變質(zhì)巖和巖漿巖區(qū),由于放射性生熱元素U、Th、K在高溫條件下因較強的地球化學分異會導致向淺部富集,從而呈現(xiàn)出隨深度指數(shù)衰減的趨勢[19],以此為依據(jù)來計算對應的深部溫度：

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

式中：D為放射性生熱元素富集層的厚度。在全球范圍內(nèi),除個別特殊地區(qū)外,放射性生熱元素富集層的厚度一般變化不大,常取為10 km。巖石熱導率和生熱率均取三里畈地區(qū)花崗質(zhì)巖石平均值,分別為3.12 W/m·℃和2.53 μW/m3。結(jié)果顯示,熱異常區(qū)4 km深處地溫可達到180 ℃,可滿足干熱巖賦存溫度條件(表4)。

表4 熱異常區(qū)深部溫度估算參數(shù)Table 4 Estimation parameters of deep temperaturein geothermal anomaly area of Sanlifan

3 潛力區(qū)預測及深部熱源分析

3.1 潛力區(qū)預測

選擇適合的干熱巖體是進行干熱巖能量開發(fā)的前提和基礎,它至少應具有相對高的放射性生熱元素,且規(guī)模要相對較大[20]。同時需要考慮開采技術(shù)條件和經(jīng)濟性,對于蓋層的要求也比較高,既要足夠厚,起到保熱作用，還要足夠薄,以便鉆井施工。對于當前普遍的開采技術(shù),蓋層厚度一般在2～3 km左右為宜[21]。根據(jù)三里畈地區(qū)實測MT解譯圖(圖4),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,推測視電阻率值高值區(qū)ρ+1-ρ+5均為花崗巖體或花崗質(zhì)片麻巖的綜合電性反映。其中ρ+1和ρ+5埋深淺且延伸至地表,分別與龍井垴、云峰寨巖體相對應,兩者規(guī)模較小,且蓋層條件較差；ρ+2、ρ+3和ρ+4幅值相當,但ρ+3和ρ+4基本與ρ+5相連,深部熱量易通過熱傳導向地表散失而不易保存；ρ+2則隱伏規(guī)模最大,埋深約2～3 km,即具有厚度合適的變質(zhì)表殼巖蓋層,內(nèi)部及附近無明顯深斷裂構(gòu)造發(fā)育,從而保證熱儲具有低的流體滲透性和低的熱流傳導,使對流引起的熱損失最小化,相比ρ+3、ρ+4具有更好的儲蓋條件。綜合考慮地熱地質(zhì)條件、地溫場特征、合適的干熱巖體及其蓋層條件,初步選取龔家山—三里畈—桃樹坳一帶為干熱巖賦存最佳潛力區(qū),可為下一步選區(qū)工作提供參考依據(jù)。

圖4 三里畈地區(qū)實測MT解譯圖Fig.4 Interpreted profile of MT measurement along the Sanlifan area1.視電阻率高值區(qū)；2.解譯斷層。

3.2 深部熱源分析

前人研究表明,170 Ma以來大別造山帶主要經(jīng)歷了晚造山期隆升、熱窿伸展和斷塊侵蝕剝露事件。140～85 Ma期間大別地區(qū)進入熱窿伸展階段,該時期引發(fā)基底廣泛熔融過程,在強烈伸展背景下,熱窿范圍集中于大別地區(qū),其熱軸平行于造山帶展布,由麻城經(jīng)羅田—英山地區(qū)并延伸至岳西,該帶范圍內(nèi)基底巖系表現(xiàn)出強烈的混合巖化作用,并伴隨大規(guī)模深/淺層次共存花崗巖體侵入[22],其深部可能存在巨量的巖漿殘余熱能。

4 干熱巖資源量估算

鑒于汪集旸等指出近期應著眼于4～7 km深度段干熱巖地熱資源的開發(fā),本次研究采用體積法對潛力區(qū)4～7 km埋深的干熱巖中儲存的熱量進行估算,計算公式[6]如下：

Q=ρ·CP·V·(T-T0)

式中：Q為干熱巖資源儲量；ρ為巖石密度；CP為巖石比熱容；V為巖體體積；T為計算深度的巖石溫度；T0為地表溫度。

巖石密度和比熱容取研究區(qū)花崗質(zhì)巖石平均值,分別為2 700 kg/m3和900 J/kg·℃。結(jié)果顯示,該區(qū)4～7 km干熱巖資源量估算值為2.64 EJ/km2,折合標準煤約7.74億t/km2,顯示出較好的資源前景(表5)。

表5 潛力區(qū)資源量估算參數(shù)表Table 5 Geothermal reserve estimation parameters of potential area in Sanlifan

5 結(jié)論

(1) 湖北省三里畈地區(qū)構(gòu)造活動強烈,具有高放射性酸性巖體,花崗質(zhì)結(jié)晶基底分布較廣且埋深較淺,有厚度合適的變質(zhì)表殼巖作為蓋層,顯示出良好的干熱巖儲蓋條件,其深部可能存在巖漿殘余熱。

(2) 根據(jù)實測MT解譯圖結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,初步選取龔家山—三里畈—桃樹坳一帶為干熱巖賦存最佳潛力區(qū)。

(3) 利用水化學數(shù)據(jù)和鉆孔測溫資料,估算出干熱巖潛力區(qū)4～7 km深處的溫度可達180 ℃,該深度范圍資源量預測值為2.64 EJ/km2,折合標準煤約7.74億t/km2,顯示出較好的找礦前景,可為下一步調(diào)查評價工作提供依據(jù)。

致謝：澳實分析檢測(廣州)有限公司對巖石地球化學元素含量測定提供了幫助,湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊實驗室對巖石熱物性參數(shù)測定提供了幫助,中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院對地熱流體水質(zhì)分析提供了技術(shù)指導,在此一并深表感謝。