東大別黃岡地區(qū)干熱巖賦存條件及遠(yuǎn)景分析

戴 竹， 詹 文， 陳金國(guó)

(湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000)

中國(guó)對(duì)能源的需求有增無(wú)減，尤其是在“雙碳”政策影響下，新型可再生能源的勘查與開(kāi)發(fā)變得更加迫切。地?zé)崮芫邆湓谥袊?guó)能源體系中占據(jù)重要地位的資源基礎(chǔ)[1]，而在中國(guó)地?zé)豳Y源中，干熱巖占較大比重。干熱巖一般指埋深3～10 km、溫度150～650℃、不含或含有極少量水或水蒸汽并具有開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的致密熱巖體。干熱巖的主要用途是應(yīng)用人造循環(huán)系統(tǒng)裝置，收集非滲透或極低滲透率的干熱巖體內(nèi)的熱能進(jìn)行發(fā)電[2-4]。

近年來(lái)，湖北省大力開(kāi)展中深層地?zé)豳Y源勘查工作，取得了豐碩成果。對(duì)全省地?zé)豳Y源綜合研究表明，東大別黃岡地區(qū)深部可能存在具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的干熱巖體[5-8]。本文參照國(guó)內(nèi)外干熱巖主流研究方法，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，總結(jié)區(qū)內(nèi)水熱型地?zé)豳Y源“補(bǔ)、徑、排”條件，分析地?zé)豳x存條件及干熱巖資源潛力，初步圈定干熱巖找礦遠(yuǎn)景區(qū)，為下步干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地?zé)岜尘皸l件

研究區(qū)位于湖北省黃岡市北東部(圖1)，西側(cè)以麻城—浠水—大冶為界，南側(cè)以大冶—黃梅為界，北側(cè)和東側(cè)以省界為界，總面積約9 500 km2。區(qū)內(nèi)海拔自北向南逐漸降低，東北部與豫皖交界的大別山山脈呈NW-SE走向，舉水、巴水等水系由北向南匯入長(zhǎng)江。

1.1 地表地?zé)犸@示

區(qū)內(nèi)地表地?zé)犸@示主要為溫泉，黃岡市已發(fā)現(xiàn)的14處溫泉中，有12處分布于研究區(qū)內(nèi)(圖1，表1)。這些溫泉的空間分布與構(gòu)造及巖漿巖密切相關(guān)，均分布在近平行產(chǎn)出的NE向構(gòu)造帶上，并與燕山期大規(guī)模侵入的中酸性巖漿巖伴生[9-11]。

表1 研究區(qū)溫泉基本情況表Table 1 Basic situation of hot springs in study area

1.2 大地?zé)崃?/h3>

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱能傳輸至地表的一種現(xiàn)象，大地?zé)崃髦悼煞从车貧\部熱狀態(tài)[12]。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)典型鉆孔的地溫梯度和巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓^(qū)(地?zé)崽?的大地?zé)崃髦到橛?8.6～222.6 mW/m2(表2)，明顯高于中國(guó)大陸地區(qū)大地?zé)崃髌骄?1.5 mW/m2[12]。綜合周邊地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)[13-14]，按照鉆孔地溫梯度2.5℃/100 m、巖石熱導(dǎo)率2.68 W/(m·℃)計(jì)算，區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髌骄导s65.7 mW/m2，亦顯示較好的大地?zé)崃鳁l件。

圖1 研究區(qū)斷裂、燕山期中酸性巖體與溫泉分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Distribution maps of fault,Yanshanian intermediate-acid rocks and hot springs in the study area1.中—新生代中酸性巖漿巖；2.實(shí)測(cè)及推測(cè)斷層；3.韌性剪切帶及強(qiáng)變形帶；4.活動(dòng)性斷裂；5.溫泉及編號(hào)；6.地?zé)徙@孔；7.礦坑地?zé)狳c(diǎn)；8.研究區(qū)范圍；9.干熱巖遠(yuǎn)景區(qū)范圍。

1.3 地溫梯度及熱儲(chǔ)溫度估算

研究區(qū)內(nèi)廣泛分布深變質(zhì)巖及巖漿巖，巖石致密且導(dǎo)熱性能較好，但幾乎沒(méi)有被低熱導(dǎo)率的巖層所覆蓋，“蓋層”條件較差，因而本區(qū)整體地溫梯度較低。據(jù)已有鉆孔資料顯示，無(wú)地?zé)岙惓^(qū)域的地溫梯度一般為15～25℃/km，但局部區(qū)域受構(gòu)造、巖漿及地?zé)崃黧w熱對(duì)流作用的影響，地溫梯度可達(dá)80℃/km以上。

表2 研究區(qū)典型鉆孔熱流值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Heat flow statistics of typical boreholes in study area

本次工作收集了區(qū)內(nèi)溫泉和地?zé)峋責(zé)崃黧w的水化學(xué)分析數(shù)據(jù)30余份，取其中的代表性數(shù)據(jù)(表3)繪制了Na-K-Mg平衡三角圖(圖2)。圖2顯示，地?zé)崃黧w中所含Na、K、Mg礦物多數(shù)未達(dá)到平衡狀態(tài)，因此可采用SiO2溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度(TSi)[15-17]。估算結(jié)果表明，英山—羅田地區(qū)地?zé)崽锲毡榫哂?100℃以上的熱儲(chǔ)溫度，其中三里畈地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度為149.91℃，英山北湯河地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度為123.05℃，暗示本區(qū)深部可能存在高溫巖體。

表3 研究區(qū)地?zé)崃黧w熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of geothermal reservoir temperature in study area

圖2 研究區(qū)地?zé)崃黧wNa-K-Mg平衡三角圖Fig.2 Na-K-Mg equilibrium triangle diagram of geothermal fluid in study area

2 干熱巖形成機(jī)理

認(rèn)清地?zé)岬某梢蚰Ｊ绞情_(kāi)發(fā)地?zé)崮艿闹匾疤醄18]，其關(guān)鍵問(wèn)題包括熱源、熱傳導(dǎo)通道、儲(chǔ)蓋條件等。

2.1 熱源條件

研究區(qū)地?zé)崮艿臒嵩粗饕獊?lái)源于巖石圈地幔和地殼中放射性元素的衰變。中生代以來(lái)，具備高熱導(dǎo)率、高放射性特征的中酸性巖漿大規(guī)模侵入，不僅有利于深部熱量向淺部傳導(dǎo)，其本身亦具有一定放射性生熱能力，加之居里面埋深較淺和中—新生代晚造山—熱窿伸展事件[19-21]的影響，使區(qū)內(nèi)具備較好的熱源條件。

2.1.1幔熱源

在中—新生代晚造山—熱窿伸展事件的影響下，湖北省陸殼呈現(xiàn)西厚東薄的特征[22]。由湖北省莫霍面等深圖(圖3)可見(jiàn)，研究區(qū)所處的東大別居里面隆起區(qū)的莫霍面(溫度約1 100℃)埋深為30～35 km，有利于地幔熱流向淺部傳導(dǎo)。

圖3 湖北省莫霍面等深圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[22])Fig.3 Moho surface contour map of Hubei Province

區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)和地殼深部熱傳導(dǎo)等熱構(gòu)造活動(dòng)十分活躍，使得居里面隆起。由湖北省居里面等深圖(圖4)可見(jiàn)，研究區(qū)所處的東大別居里面隆起區(qū)的居里面(溫度約580℃)埋深為湖北省最淺，其埋深為22.5～24.5 km。居里面埋深最淺處位于大別山主峰——天堂寨附近，該區(qū)也是英山—羅田地區(qū)地?zé)豳Y源(溫泉)的地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)[2]，由此可推斷研究區(qū)處于較高的地?zé)峄顒?dòng)狀態(tài)，地幔熱占大地?zé)崃髦当壤^高[7]。

研究區(qū)平均大地?zé)崃髦导s65.7 mW/m2，地幔熱流值約30～35 mW/m2[14]，地幔熱流值占大地?zé)崃髦档?9.5%左右。以本區(qū)常年恒溫層平均溫度16.4℃及前述莫霍面與居里面的溫度、深度來(lái)推算，本區(qū)平均地溫梯度為31.0～36.1℃/km(深度0～35 km)和23.0～25.1℃/km(深度0～25 km)。結(jié)合東大別地區(qū)非地?zé)岙惓^(qū)的鉆孔地溫梯度(15～25℃/km，孔深200～2 000 m)來(lái)判斷，地殼淺部的地溫梯度低于平均地溫梯度，由此推測(cè)區(qū)內(nèi)地溫梯度會(huì)隨深度的增加而增加。

圖4 湖北省居里面等深圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[7])Fig.4 Contour map of Curie surface of Hubei Province

2.1.2放射性熱源

地殼巖石中含有多種放射性元素，其衰變釋放出的熱能是地球內(nèi)熱的主要熱源之一。U、Th、K因具有豐度足夠、生熱量大、半衰期長(zhǎng)等特征，對(duì)地球內(nèi)熱具有顯著貢獻(xiàn)[23]。根據(jù)研究區(qū)16件中—新生代中酸性巖體樣品的測(cè)試分析結(jié)果(表4)，可采用Rybach L等[24]修正后的公式計(jì)算巖石放射性生熱率。計(jì)算公式為:

A=10-2ρ·(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

式中:A為巖石放射性生熱率，μW/m3；ρ為巖石密度，g/cm3；CU、CTh、CK分別為巖石中U、Th、K的含量，單位依次為×10-6、×10-6、%。

計(jì)算結(jié)果(表4)表明，東大別居里面隆起區(qū)中—新生代中酸性巖漿巖(地表)放射性生熱率為2.77～3.68 μW/m3，平均值為3.2 μW/m3，表明本區(qū)具有較好的放射性生熱條件。

表4 研究區(qū)巖石放射性生熱率計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of rock radioactive heat generation rate of rocks in study area

大別造山帶根部已被剝蝕，東大別地區(qū)地殼厚度約30～35 km，上地殼以長(zhǎng)英質(zhì)巖為主，并含有0～20%的榴輝巖；中地殼以長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖和花崗巖為主；下地殼上部含80%的鎂鐵質(zhì)麻粒巖和20%的長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖，下部基本為鎂鐵質(zhì)麻粒巖[25]。按照理想化的東大別地區(qū)地殼模型，上、中、下地殼厚度分別為10 km、15 km和10 km，生熱率分別為1.2 μW/m3、0.9 μW/m3和0.3 μW/m3[26]，依此計(jì)算出地殼熱流的貢獻(xiàn)約28.5 μW/m3，約占大地?zé)崃鞯?3.4%；上地殼約占整個(gè)地殼厚度的28.6%，熱流貢獻(xiàn)卻占整個(gè)地殼熱流的42.1%，因此放射性元素呈現(xiàn)向淺地表富集的特征。綜上所述，東大別干熱巖資源屬高放射性產(chǎn)熱型。

2.1.3巖漿余熱及其他熱源

研究區(qū)自中生代以來(lái)(150～80 Ma)巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈，中酸性巖體廣布，其出露面積達(dá)2.8×103km2，約占本區(qū)面積的30%。根據(jù)理論計(jì)算，直徑為4 km、2 km、1 km的圓柱狀巖漿巖體冷卻到其初始溫度的10%，所需要的時(shí)間分別為0.52 Ma、0.13 Ma、0.032 Ma。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖漿巖體的規(guī)模及成巖時(shí)代分析，本區(qū)淺表巖漿巖已完全冷卻，僅深部隱伏的巖體可能存在少量的余熱[26]。另外從前文的分析可知，研究區(qū)內(nèi)地幔熱流和地殼熱流合計(jì)占大地?zé)崃髦档?92.9%左右，因此其他熱源對(duì)干熱巖的形成貢獻(xiàn)很小。

2.2 熱傳導(dǎo)通道條件

研究區(qū)干熱巖中的熱能主要以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流形式從深部傳遞而來(lái)，熱傳導(dǎo)作用普遍存在。在局部巖石圈斷裂、殼斷裂及基底斷層發(fā)育處，可形成熱對(duì)流的良好通道。本區(qū)歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，區(qū)內(nèi)已查明的構(gòu)造按展布方向分為NNE、NE、NEE、NWW、NNW、NW向及SN向7組，其中NE、NNE、NW向斷裂最為發(fā)育(圖1，表5)。區(qū)內(nèi)出露的12處地?zé)崽锞蒒E向斷裂控制，由此可見(jiàn)NE向斷裂是區(qū)內(nèi)最主要的導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造。

表5 研究區(qū)主要斷裂(系)簡(jiǎn)表Table 5 Summary table of main faults (series) in study area

區(qū)內(nèi)NE向斷裂(系)早期主要表現(xiàn)為韌性剪切帶，在后期熱窿作用下發(fā)生伸展，形成了構(gòu)造延伸長(zhǎng)、影響帶寬、切割深度大的張性構(gòu)造。大別山區(qū)的地表水多匯聚于NNE向斷裂帶中，不僅形成了巴河、浠水等地表水系，同時(shí)給予地?zé)崃黧w深循環(huán)足夠的補(bǔ)給，形成了英山—羅田地區(qū)的一系列溫泉。同時(shí)，團(tuán)麻斷裂、襄廣斷裂、竹瓦—總路咀斷裂和郯廬斷裂是區(qū)域上的深大斷裂，具有足夠大的延伸長(zhǎng)度、切割深度和影響寬度，其導(dǎo)水性能在本區(qū)雖顯不足，但有利于深部的熱向淺部傳播，雖然尚未在區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)由其控制的地?zé)崽?，但其可能具有較好的潛力。

2.3 儲(chǔ)蓋條件

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育以片麻巖為主的深變質(zhì)巖及巖漿巖體，其中中酸性巖漿巖體的熱導(dǎo)率相對(duì)較高，可作為干熱巖體；而熱導(dǎo)率稍低的變質(zhì)巖可視作區(qū)域上相對(duì)的蓋層。本區(qū)中酸性巖漿巖的出露面積約占本區(qū)總面積的30%(圖1)，其主要集中分布于居里面埋深相對(duì)較淺的英山—羅田地區(qū)北部。通過(guò)同位素及構(gòu)造分析得出，羅田三里畈、浠水曹畈、英山溫泉鎮(zhèn)的地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)均位于地?zé)崽锉睎|方向的麻城張家畈—英山縣城北一線，補(bǔ)給距離為10～50 km。麻城張家畈—英山縣城北一線主要出露變質(zhì)巖，對(duì)深部干熱巖體熱量的保存具有積極作用。

3 干熱巖遠(yuǎn)景區(qū)

綜合研究區(qū)地表地?zé)犸@示、大地?zé)崃髦怠⒌販靥荻?、地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度、熱源條件、莫霍面及居里面埋深、熱傳導(dǎo)通道和干熱巖儲(chǔ)蓋等賦存條件來(lái)看，本區(qū)具有一定的干熱巖勘查開(kāi)發(fā)前景，并初步圈定了一處干熱巖遠(yuǎn)景區(qū)——羅田河鋪—英山楊柳遠(yuǎn)景區(qū)(圖1)。

羅田河鋪—英山楊柳遠(yuǎn)景區(qū)位于羅田縣河鋪鎮(zhèn)—大河岸鎮(zhèn)—英山縣楊柳鎮(zhèn)一帶，區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，溫泉多表現(xiàn)出溫度高、單井流量大、沿NE向斷裂分布等特征。遠(yuǎn)景區(qū)以南由西至東出露有三里畈、曹畈、西湯河和北湯河溫泉，出水溫度為60～76℃，經(jīng)SiO2溫標(biāo)法估算其熱儲(chǔ)溫度為100～150℃，其中三里畈溫泉出水溫度為湖北省最高(76℃)，熱儲(chǔ)溫度達(dá)149.91℃；西湯河溫泉出水溫度為69℃，熱儲(chǔ)溫度達(dá)123.05℃，說(shuō)明本區(qū)的地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)烈，具較高的溫度場(chǎng)特征。經(jīng)H-O同位素和地?zé)崽飿?gòu)造特征分析，認(rèn)為地?zé)崃黧w補(bǔ)給源區(qū)均位于北東方向的羅田河鋪—英山楊柳一線?；诘?zé)崽餆醿?chǔ)應(yīng)位于地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)和溫泉出露點(diǎn)之間這一原則，認(rèn)為羅田河鋪—英山楊柳一帶深部很可能存在干熱巖資源。根據(jù)區(qū)域航磁異常、剩余重力資料反演顯示，該遠(yuǎn)景區(qū)莫霍面埋深為33 km左右，居里面埋深為23 km左右，幔熱源傳導(dǎo)距離較短。中生代以來(lái)(150～80 Ma)區(qū)內(nèi)構(gòu)造、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，不僅造成了早期NE向韌性剪切帶的活化，亦讓中酸性巖漿沿著斷裂通道侵位并分布在NE向斷裂周邊，如今部分巖體因剝蝕作用已出露地表。本區(qū)具有明顯的航磁正異常，表明結(jié)晶巖基底規(guī)模較大，可能存在大量的隱伏巖漿巖體。已經(jīng)出露地表的巖漿巖放射性生熱率多在3.0～3.6 μW/m3，而隱伏巖體一般具有更高放射性生熱率，估計(jì)放射性熱流貢獻(xiàn)率可達(dá)40%～50%。遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi)出露地表的地層主要為早元古代大別群片麻巖(厚度700～1 500 m)，可作為相對(duì)的蓋層，對(duì)深部巖體的熱量起到一定的保存作用。

綜上所述，羅田河鋪—英山楊柳遠(yuǎn)景區(qū)在干熱巖資源的“源、儲(chǔ)、蓋”等方面均具有較好的條件，具備干熱巖資源成藏潛力。

4 結(jié)論及建議

(1) 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，總結(jié)了研究區(qū)地表地?zé)犸@示、大地?zé)崃?、地?zé)嵩础?dǎo)熱通道及干熱巖儲(chǔ)蓋條件等特征，認(rèn)為東大別黃岡地區(qū)具備較好的干熱巖賦存條件。

(2) 綜合分析研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件，圈定了羅田河鋪—英山楊柳干熱巖資源找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

(3) 目前東大別地區(qū)干熱巖研究程度較低，深度超過(guò)1 000 m的鉆孔僅一處，且位于研究區(qū)西部邊界附近。建議在后續(xù)的干熱巖勘查工作中，重點(diǎn)采用重力、電磁法及地震等深部地球物理勘查方法，查明遠(yuǎn)景區(qū)及其周邊地區(qū)的結(jié)晶基底起伏、隱伏巖體分布及斷裂構(gòu)造三維空間展布特征，為區(qū)內(nèi)干熱巖資源勘查深部鉆探提供科學(xué)依據(jù)。