湖南省熱水圩地?zé)崽锔蔁釒r形成的熱源機(jī)制與成因模式

杜 江，蔡寧波,3，張保建，王克營(yíng)，何立宏，廖鳳初

(1.湖南省地球物理地球化學(xué)調(diào)查所，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.湖南省地質(zhì)新能源勘探開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 高等研究院，湖北 武漢 430074；4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037)

干熱巖資源主要是指埋深較淺(目前一般在3 000～5 000 m)、溫度較高、能被人類所開(kāi)發(fā)利用的地下高溫巖體[1]。國(guó)際上干熱巖開(kāi)采的研究已有將近50 a歷史，干熱巖資源以遠(yuǎn)超其他能源的資源規(guī)模以及綠色、低碳的資源品質(zhì)而廣受關(guān)注[2]。1974年，美國(guó)洛斯·阿拉莫斯(Los Alamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的Fenton Hill首先開(kāi)展了干熱巖勘查開(kāi)發(fā)研究。迄今為止，全球共建立了39個(gè)干熱巖開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，EGS)工程，總裝機(jī)容量12.2 MW，其中法國(guó)蘇爾茨項(xiàng)目于2013年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)性發(fā)電，發(fā)電功率1.5 MW[3]。

我國(guó)對(duì)干熱巖的勘查研究相對(duì)較晚，研究成果主要集中于近10 a內(nèi)。在干熱巖的成因機(jī)制方面，王貴玲研究團(tuán)隊(duì)[4-7]通過(guò)綜合分析國(guó)內(nèi)外干熱巖資源特征，將我國(guó)干熱巖資源類型劃分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型，并分析了其成因機(jī)制。并對(duì)未來(lái)我國(guó)干熱巖資源重點(diǎn)勘查方向及靶區(qū)進(jìn)行了論述，建立干熱巖選區(qū)指標(biāo)體系，圈定有利靶區(qū)。張保建等[1,8]研究了河北唐山馬頭營(yíng)與共和盆地干熱巖的成因機(jī)制，闡述深部熱物質(zhì)的上涌過(guò)程及地球內(nèi)外力地質(zhì)作用對(duì)地球淺部地?zé)釄?chǎng)的塑造與熱異常制約過(guò)程。在干熱巖的熱源機(jī)制方面，張超等[9]指出花崗巖放射性生熱、附加巖漿熱與深部地幔熱是干熱巖常見(jiàn)的熱源。在干熱巖資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，劉德民等[10-11]指出干熱巖勘查評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)為巖石圈厚度和莫霍面埋深、居里等溫面埋深、地溫梯度、大地?zé)崃?、新?gòu)造運(yùn)動(dòng)、高溫溫泉與氣田等；論述了控?zé)針?gòu)造對(duì)干熱巖熱能的傳輸與聚斂具有很重要的作用，將控?zé)針?gòu)造劃分為生熱、導(dǎo)熱、儲(chǔ)熱和釋熱構(gòu)造。在干熱巖的勘查方向方面，饒松等[12]通過(guò)分析對(duì)比國(guó)內(nèi)外典型干熱巖系統(tǒng)成因機(jī)制，綜合考慮全球高溫地?zé)釒Х植己椭袊?guó)陸區(qū)板塊構(gòu)造背景、現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植几窬?、巖石圈熱結(jié)構(gòu)、莫霍面深度及殼內(nèi)熱源、新生代火山活動(dòng)、溫泉分布、深大斷裂分布與活動(dòng)性，以及現(xiàn)有干熱巖勘查結(jié)果，圈定了中國(guó)陸區(qū)最具潛力的干熱巖勘探靶區(qū)。在干熱巖的開(kāi)發(fā)利用方面，李奉翠等[13]研究了中深層地?zé)峋峦S換熱器長(zhǎng)期換熱性能。孫致學(xué)等[14]基于離散裂縫模型開(kāi)展了CO2增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)傳熱?滲流?應(yīng)力(THM)耦合數(shù)值模擬。汪集暘等[15]系統(tǒng)總結(jié)了煤田區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用與儲(chǔ)能技術(shù)。上述研究為我國(guó)干熱巖的熱源機(jī)制、勘查方向、靶區(qū)優(yōu)選、開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面提供了較好的研究基礎(chǔ)。

湖南省處于中國(guó)中部巖石圈厚度較大的地區(qū)，迄今為止尚無(wú)已探明的干熱巖資源，被認(rèn)為是大地?zé)崃髌偷膮^(qū)域，但湖南省卻發(fā)現(xiàn)有熱水圩和灰湯兩處90℃以上的高溫天然溫泉，特別是汝城地區(qū)熱水圩溫泉曾記錄到98℃的水溫，這說(shuō)明湖南省局部地區(qū)也具有良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件。與汝城地區(qū)鄰近的廣東惠州黃沙洞惠熱1井深度3 009 m，測(cè)溫溫度高達(dá)127.5℃，甘浩男等[16]指出黃沙洞地區(qū)地殼熱流與地幔熱流值相近，構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)熱流也占有相當(dāng)比例。孫明行等[17]研究了廣西干熱型地?zé)豳Y源成因機(jī)制與賦存模式，指出欽州盆地以殼、幔物質(zhì)上涌所形成的傳導(dǎo)型熱為主要熱源，歸屬于強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶?沉積盆地型干熱型地?zé)豳Y源區(qū)；合浦盆地以“低速高導(dǎo)”局部熔融層為主要熱源，以次級(jí)幔枝或熱點(diǎn)為熱源補(bǔ)給，歸屬于近代火山?沉積盆地型干熱型地?zé)豳Y源區(qū)，說(shuō)明包括湖南省在內(nèi)的華南地區(qū)局部也具有良好的干熱巖勘查前景。湖南省特別是汝城地區(qū)高放射性花崗巖分布廣泛，放射性鈾、釷、鉀含量豐富，生熱率高。汝城地區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造格局復(fù)雜多樣，構(gòu)造形跡縱橫交錯(cuò)，深大斷裂廣泛發(fā)育，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和明顯的階段性和繼承性。龍西亭[18]、楊漢元[19]、葉見(jiàn)玲[20]等根據(jù)汝城地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地溫場(chǎng)特征、高放射性花崗巖體等地?zé)岬刭|(zhì)條件，推測(cè)汝城地區(qū)熱水圩一帶具有良好的干熱巖賦存條件與干熱巖資源潛力。歐健等[21]采用地?zé)釡貥?biāo)、管道模型及基于生熱率的深部地溫反推法等地溫梯度估算方法，綜合確定了湖南省現(xiàn)今的地溫梯度，其中熱水圩及周邊地溫梯度達(dá)3.0～4.0℃/hm，據(jù)此推斷熱水圩一帶4 000 m深度溫度為176.8℃，5 000 m深度溫度為216.7℃。

綜上所述，湖南省局部地區(qū)可能具有較好的干熱巖賦存條件。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，綜合分析汝城地區(qū)熱水圩一帶的深部地質(zhì)與構(gòu)造、地球化學(xué)和地球物理特征、地溫場(chǎng)特征等，探討熱水圩地?zé)崽锔蔁釒r形成的熱源機(jī)制與地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以期為下一步的湖南省干熱巖勘查提供理論基礎(chǔ)與勘查方向。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華夏地塊與揚(yáng)子地塊結(jié)合部位的華南多期復(fù)合造山帶內(nèi)，在兩地塊拼合增生以前屬于華夏古陸北西緣斜坡帶，在兩地塊碰撞后，構(gòu)成了萬(wàn)洋山?諸廣山走滑巖漿帶的重要組成部分。兩地塊的會(huì)聚走滑和離散走滑，奠定了區(qū)域的基本構(gòu)造型式，造成了構(gòu)造形跡縱橫交錯(cuò)、組合較為復(fù)雜的格局，反映了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不但具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性，而且具有明顯的階段性和繼承性。特別是其鄰近的NNE向郴州?臨武深大斷裂與NW向常德?安仁深大斷裂，均是具有多期活動(dòng)的深大走滑斷裂，在不同方向深大斷裂的交匯部位容易形成巖漿活動(dòng)及上侵的主要空間。熱水圩地區(qū)位于NE向遂川?熱水大斷裂與NW向塘灣大斷裂交匯處北側(cè)，強(qiáng)烈的燕山運(yùn)動(dòng)使斷裂交匯處下部物質(zhì)熔融，并沿?cái)嗔讯啻蚊}(涌)動(dòng)上侵而形成中棚復(fù)式巖體(圖1)。沿遂川?熱水大斷裂有大量溫泉出露，如上堡、豐州、熱水、城口等溫泉，這表明熱水?dāng)嗔咽且粭l高熱異常帶，且現(xiàn)今仍在活動(dòng)，為熱流體的深循環(huán)與上涌提供了條件。

圖1 熱水圩區(qū)域地質(zhì)及巖體分布Fig.1 Regional geology and rock mass distribution map of the Reshuiwei Area

熱水圩地?zé)崽镂挥谌A南地區(qū)復(fù)式巖體?諸廣山巖體的北側(cè)，該巖體規(guī)模宏大，由印支期和燕山期花崗巖與花崗閃長(zhǎng)巖組成，呈巖基產(chǎn)出[22]。巖體周緣是新元古界和古生界變質(zhì)巖。區(qū)域斷裂縱橫交錯(cuò)發(fā)育，規(guī)模最大的斷裂呈NNE向、NW向和NEE向，其中NNE向走滑斷裂規(guī)模最大，控制著區(qū)域溫泉的分布，在整個(gè)華南地區(qū)形成數(shù)個(gè)溫泉帶[23-24]。區(qū)域上經(jīng)過(guò)多期造山隆升作用，高山峻嶺發(fā)育，高程500～1 200 m。區(qū)域地形南高北低，地表水系向北排泄，地?zé)崽锂a(chǎn)出在山間洼地中，最低高程347 m。

1.2 地?zé)崽锔艣r

熱水圩地?zé)崽镂挥谟≈砥诨◢弾r體與變質(zhì)巖接觸帶上，地表被第四系覆蓋，平均厚度2.3 m。東部為印支晚期中粒斑狀黑云母花崗巖，西部地層由老到新依次為新元古代嶺秀組砂巖、粉砂質(zhì)板巖和板巖，震旦系砂巖、硅質(zhì)巖和板巖，以及寒武系炭質(zhì)板巖、砂巖夾板巖。地?zé)崽锩娣e4 km2，有地?zé)峥碧姐@井21口，鉆探深度200～380 m，其中高溫井(終孔溫度70～92℃)6口，中溫井(終孔溫度40～70℃)9口，低溫井(終孔溫度小于40℃)6口。鉆井基本覆蓋了整個(gè)地?zé)崽?，溫度最高?口井溫度達(dá)到90～92℃，單井流量2 000 t/d。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)基巖為變質(zhì)砂巖、板巖和花崗巖，巖性致密且完整、不透水，主要地下水類型為構(gòu)造裂隙潛水或構(gòu)造裂隙承壓水。由于研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多次巖漿侵入，斷裂交叉發(fā)育，斷裂破碎帶控制了地下水分布及循環(huán)。

地下水富集程度由斷裂破碎帶規(guī)模及性質(zhì)決定，研究區(qū)河谷深切多呈“V”形，峽谷多陡崖，裂隙交橫密集成網(wǎng)，地下水類型為HCO3-Na·Mg型和HCO3-Mg·Ca型。洼陷地區(qū)是地下水和地表水共同的排泄區(qū)，熱水圩地?zé)崽锂a(chǎn)出在最大的山間洼地，熱水河流經(jīng)地?zé)崽锉砻妫畲髷嗔呀?jīng)過(guò)地?zé)崽锵路?，溫泉在河谷邊緣呈線性出露。

1.4 熱儲(chǔ)分布及特征

熱水圩地?zé)崽餆醿?chǔ)構(gòu)造由斷裂破碎帶及裂隙構(gòu)成，主要斷裂有2組，一組為早期共軛斷裂，走向相互垂直；另一組為后期形成的新斷裂，控制了現(xiàn)今河流的走向，地表溫泉在新斷裂邊出露。中高溫溫泉水在斷裂交匯帶排泄，斷裂傾角大，擠壓和張性裂隙均有發(fā)育。張性裂隙是地下水排泄的主要通道，周邊多數(shù)張性裂隙被結(jié)晶充填，遠(yuǎn)離張性裂隙中心則裂隙封閉，現(xiàn)有的有效熱儲(chǔ)被限制在洼陷區(qū)的有限空間內(nèi)[25]。

熱水圩地?zé)崽餃厝罡邷囟冗_(dá)98℃，周邊有多眼鉆孔(孔深200～350 m)揭露到90℃的熱儲(chǔ)，揭露的熱儲(chǔ)層位之上的地溫梯度達(dá)20.9～60.6℃/hm[26](表1)，且多數(shù)鉆孔在揭露熱水后地溫梯度急劇降低或變?yōu)樨?fù)值，指示出熱水圩地?zé)崽锞哂酗@著的對(duì)流型地?zé)岬奶攸c(diǎn)，因此，地?zé)崽镢@孔實(shí)測(cè)的地溫梯度不能直接用來(lái)推算深部熱儲(chǔ)的溫度。

表1 熱水圩地?zé)崽镏饕@孔地溫梯度實(shí)測(cè)結(jié)果Table 1 Measured geothermal gradients of major boreholes in the Reshuiwei geothermal field

2 研究方法

本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)地球化學(xué)和地球物理手段以及其反映的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，來(lái)推測(cè)熱水圩地區(qū)深部熱物質(zhì)的上侵過(guò)程及有利的聚熱、成熱條件與干熱巖成因機(jī)制。

2.1 地?zé)釡貥?biāo)

依據(jù)溫泉或熱水孔的水化學(xué)資料，利用各類地?zé)釡貥?biāo)公式估算熱儲(chǔ)溫度，是確定深部熱儲(chǔ)溫度和地溫梯度的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。SiO2地?zé)釡貥?biāo)是應(yīng)用最早也是最常用的地?zé)釡貥?biāo)，其理論依據(jù)是地?zé)崃黧w中SiO2的含量主要取決于不同溫度、壓力下石英在水中的溶解度。試驗(yàn)表明，水中SiO2的析出量與溫度呈函數(shù)關(guān)系[27]。

一般來(lái)說(shuō)，SiO2溫標(biāo)包括石英和玉髓溫標(biāo)兩種，前者適用于中?高溫?zé)醿?chǔ)(大于110℃)溫度計(jì)算，玉髓溫標(biāo)用于小于110℃溫度條件。由于用SiO2地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度在湖南省及周邊取得了較好的估算效果[26,28-29]，且從地?zé)岬刭|(zhì)條件分析，熱水圩地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度一般大于110℃，為全面掌握湖南省地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)溫度及深部地?zé)釢撃?，選取熱水圩地?zé)崽锝陙?lái)所采取的11處溫泉或地?zé)峋乃瘜W(xué)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SiO2地?zé)釡貥?biāo)法估算其熱儲(chǔ)溫度。計(jì)算公式如下：

2.2 放射性元素放熱

由于地球仍然含有很多長(zhǎng)半衰期的放射性元素，地殼淺表的放射性元素以238U、232Th、40K為主。研究表明[30-32]，溫泉與鈾礦在空間分布上有一致性分布規(guī)律，形成的地質(zhì)構(gòu)造條件上有相似性，溫泉水化學(xué)成分與鈾礦化特征及其圍巖蝕變之間有一定的相關(guān)性。

放射性元素放熱是地殼淺表形成地?zé)岙惓５闹匾蛑?。巖石放射性生熱率A是指單位體積巖石中所含放射性元素在單位時(shí)間內(nèi)由放射性衰變所產(chǎn)生的能量，μW/m3。巖石生熱率可由實(shí)測(cè)的巖石中鈾、釷、鉀3種放射性元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算獲得：

2.3 重磁異常反演

B.H.Arney 等[33]利用重力與地震資料對(duì)愛(ài)達(dá)荷州Mountain Home 地區(qū)進(jìn)行了干熱巖潛力評(píng)估。W.J.Hinze等[34]在美國(guó)中部大陸利用重磁異常圈定了干熱巖有利區(qū)。A.Rimi等[35]利用摩洛哥地?zé)崽锏闹卮女惓?shù)據(jù)計(jì)算出居里面的深度為10～40 km，為后續(xù)評(píng)估提供依據(jù)。上述研究成果表明，重磁異?？捎脕?lái)圈定干熱巖有利區(qū)段。

結(jié)合研究區(qū)以往地質(zhì)構(gòu)造研究成果，利用重磁異常特征，進(jìn)一步揭示研究區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其反映的深部熱物質(zhì)活動(dòng)狀態(tài)?；谑占暮鲜『酱艛?shù)據(jù)，通過(guò)磁異常反演，利用下延20和30 km疊加重新推斷中酸性巖體。同時(shí)，基于磁異常反演的居里面深度與巖體、深大斷裂相疊加，來(lái)判斷居里面深度對(duì)地?zé)岙惓５挠绊憽?/p>

2.4 電法與地震勘探

S.Thiel等[36]對(duì)干熱巖進(jìn)行三維大地電磁正演模擬，并在澳大利亞南部Paralana驗(yàn)證，結(jié)果能夠很好地反映蓋層、熱儲(chǔ)層的電性信息。K.Suzuki等[37]利用地震反射波法和可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magneto Tellurics，CSAMT)聯(lián)合反演對(duì)日本Ogachi干熱巖實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行探測(cè)，很好地反映地下儲(chǔ)層信息。Gao Ji等[38]利用三維大地電磁成像結(jié)果首次表征了共和盆地干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)的三維分布特征。

通過(guò)收集“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)課題(SinoProbe-02-04)開(kāi)展的大井?泉州超長(zhǎng)大地電磁測(cè)深剖面數(shù)據(jù)，及其反演的華南殼、幔電性結(jié)構(gòu)模型[39]，來(lái)了解橫穿湖南省南部鳳凰?熱水圩一線的電性結(jié)構(gòu)及其反映的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2 大井?泉州大地電磁測(cè)深剖面南段江南構(gòu)造帶和華夏地塊電性結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Electrical structure model of the Jiangnan orogenic belt and Cathaysia block in the southern section of the Dajing-Quanzhou magnetotelluric sounding profile

地震波是研究巖石圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造的主要參數(shù)，可用來(lái)輔助判斷有無(wú)深部幔源熱物質(zhì)上侵及其通道。根據(jù)臺(tái)灣?黑水地學(xué)斷面其中湖南省鳳凰?茶陵段的地震探測(cè)資料[40-41]，建立鳳凰?茶陵段的速度、密度模型，為研究湖南東南部深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供地震學(xué)方面的證據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱儲(chǔ)溫度

根據(jù)式(1)計(jì)算得到熱水圩地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度(表2)，從表2看出，熱水圩地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)的溫度為79.4～143.9℃，其中位于地?zé)崽镏行牟课?泉1、泉2、ZK1、ZK4)的深部熱儲(chǔ)溫度為135.8～143.9℃。由于采取的井泉水樣多是深部地?zé)崴c淺層冷水的混合水，因此，用地?zé)釡貥?biāo)法估算的熱儲(chǔ)溫度一般偏小。推斷在熱水圩地?zé)崽锷畈亢芸赡苜x存有150℃以上的高溫巖體，具有良好的干熱巖賦存潛力。

表2 熱水圩地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度SiO2溫標(biāo)法計(jì)算結(jié)果Table 2 Geothermal reservoir temperatures of the Reshuiwei geothermal field calculated using SiO2 geothermometry

3.2 放射性生熱及對(duì)地?zé)岙惓５挠绊?/h3>

熱水圩地區(qū)所在的花崗巖巖體鈾豐度一般達(dá)20×10?6，最高達(dá)50×10?6；鈾浸出率達(dá)20%以上；震旦系、寒武系巖石鈾豐度較高，一般達(dá)(8～40)×10?6，且鈾浸出率高達(dá)30%～42%[42]。根據(jù)湖南省地質(zhì)隊(duì)近年來(lái)對(duì)熱水圩地區(qū)及周邊不同花崗巖巖體的U、Th、K含量測(cè)試結(jié)果[19]，計(jì)算了熱水圩地區(qū)及周邊不同花崗巖巖體的巖石生熱率[43](表3)，熱水圩地區(qū)花崗巖的巖石生熱率為3.13～14.86 μW/m3，生熱率平均值為7.11 μW/m3。其中中棚巖體巖石生熱率為5.86～14.72 μW/m3，生熱率平均值為8.44 μW/m3；魚(yú)王巖體巖石生熱率為3.72～14.86 μW/m3，生熱率平均值為7.07 μW/m3，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)大陸主要地質(zhì)構(gòu)造單元的地殼平均生熱率1.9 μW/m3[44]，這兩個(gè)巖體均以黑云母花崗巖為主，U、Th、K含量相對(duì)較高，是區(qū)內(nèi)巖石生熱率最高的兩個(gè)巖體，均位于熱水圩溫泉附近(圖1)，指示放射性熱源是本區(qū)的重要熱源之一。鉆孔取得的花崗巖樣品生熱率與地表樣品測(cè)得巖石生熱率相近，反映了該區(qū)巖體放射性生熱率較穩(wěn)定。

表3 熱水圩地區(qū)花崗巖巖樣放射性元素測(cè)試及生熱率計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of the radioactive element tests and heat production rate calculation of granite samples from the Reshuiwei area

章邦桐等[45]研究認(rèn)為，深部傳導(dǎo)熱的熱能有限，放射性元素成礦期在巖漿巖成巖之后10 Ma至數(shù)Ga之后(巖礦時(shí)差)，巖漿余熱在鈾礦成礦期已經(jīng)緩慢冷卻，區(qū)域鈾礦床成礦熱能主要由放射性元素產(chǎn)生的熱源長(zhǎng)期積累形成。巖石圈伸展作用引發(fā)的深部熱物質(zhì)上侵及地?zé)崃黧w大規(guī)模循環(huán)，在不斷演化為富鈾熱液流體形成熱液型鈾礦的同時(shí)，也形成地殼淺表的重要熱源。因此，放射性元素?zé)嵩词潜緟^(qū)的重要熱源，在4 000 m以淺具有較好的干熱巖資源遠(yuǎn)景。

穿過(guò)研究區(qū)中心的遂川?熱水?dāng)嗔褞С蔔E向展布，受遂川?熱水?dāng)嗔褞У乃齑〝嗔雅c熱水?dāng)嗔训寞B接區(qū)控制[46]。斷裂帶北東部是著名的鹿井鈾礦田，其中豐州鈾礦與溫泉共伴生；在斷裂帶南部的城口鈾礦，與城口鎮(zhèn)6處溫泉共伴生，其中錦城溫泉水溫75℃，流量72 m3/h。熱水圩溫泉及其附近的溫泉均與鈾礦床(點(diǎn))具有密切的空間聯(lián)系，其中鹿井鈾礦田地殼的放射性生熱量至少為72.66 mW/m2，遠(yuǎn)高于全球平均地殼放射性生熱量40 mW/m2[47]。這是熱水圩地區(qū)高熱異常的主要影響因素之一。

3.3 重磁電震反映的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及聚熱分析

3.3.1 低速高導(dǎo)體指示的幔源熱物質(zhì)上侵趨勢(shì)

Huang Jinli等[48]通過(guò) P 波層析成像結(jié)果顯示中國(guó)中東部地區(qū) 200 km 以上深度范圍內(nèi)為大范圍的地震波速高速異常(圖3)，在 600 km 深度處，揚(yáng)子地塊的東西兩端均為地震波速高速異常，推測(cè)東側(cè)的高速異常體為西太平洋板塊的俯沖體。揚(yáng)子地塊上方局部位置被來(lái)自華夏地塊的低速異常所取代，揚(yáng)子克拉通淺部的低速異常被解釋為南部華夏地塊的軟流圈熱物質(zhì)沿著地層薄弱區(qū)以及斷裂帶上涌；而在地殼與上地幔頂部的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)為高速異常，表明該區(qū)域的高速體并未被取代，推測(cè)來(lái)自軟流圈的熱物質(zhì)上涌至上地幔頂部后侵蝕巖石圈，從而導(dǎo)致板塊拆沉并產(chǎn)生了50～200 km 深度范圍內(nèi)的高速異常，因此，該高速異常體大致為分離的巖石圈。這與“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)課題(SinoProbe-02-04)所得的大井?泉州超長(zhǎng)大地電磁測(cè)深剖面高導(dǎo)體特征是基本一致的[39](圖4)，都反映了在華夏地塊邊緣的深大斷裂等巖石圈薄弱帶，有幔源熱物質(zhì)的明顯上侵趨勢(shì)。說(shuō)明除了地幔熱流傳導(dǎo)外，局部巖石圈脆弱帶還存在幔源熱物質(zhì)的上侵(圖2、圖3中低速高導(dǎo)體，白色箭頭反映了幔源熱物質(zhì)運(yùn)移方向)，這是形成局部帶狀(點(diǎn)狀)熱異常的主要原因之一。

圖3 沿中國(guó)南部北緯25°剖面P波速度擾動(dòng)的垂直橫截面[48]Fig.3 Vertical cross section showing disturbances to the P-wave velocity along the 25°N seismic section of southern China[48]

根據(jù)湖南省三維地球結(jié)構(gòu)模型地殼速度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，匯編成揚(yáng)子、華南地塊及兩地塊結(jié)合帶巖石圈三維結(jié)構(gòu)的密度、速度柱數(shù)據(jù)模型，如圖4所示。邵陽(yáng)以東中地殼低速體最明顯，低速體P波速度為5.8～6.2 km/s，主要見(jiàn)于10～15 km深度，厚度4.0～5.2 km(圖5)。區(qū)域低速一般都在12～15 km的殼內(nèi)韌性剪切滑動(dòng)面產(chǎn)生，該低速異常體可能位于構(gòu)造?巖漿作用、構(gòu)造滑脫作用的部位，這個(gè)構(gòu)造部位也被很多研究者認(rèn)為是地震的多發(fā)部位和深部幔源、殼源流體的活躍部位。殼內(nèi)低速體多在板塊邊緣或微地塊結(jié)合帶、深大斷裂帶及其次級(jí)斷裂附近出現(xiàn)，說(shuō)明這些深大斷裂有可能構(gòu)成深部熱物質(zhì)上侵的通道，為淺部干熱巖的形成提供重要熱源。

圖5 鳳凰?茶陵地殼P波速度剖面Fig.5 Crustal P-wave velocity profile of the Fenghuang-Chaling section

3.3.2 重磁特征反映的深部熱結(jié)構(gòu)特征

從圖6看出，汝城?桂東一線呈現(xiàn)NE向重力負(fù)異常梯度帶(圖6a)，長(zhǎng)度超過(guò)250 km，寬約20 km，重力值為?35～?60 mGal，水平梯度為1.25 mGal/km，這主要是對(duì)斷裂構(gòu)造和巖漿巖帶的綜合反映。NE向串珠狀重力負(fù)異常帶主要為低密度隱伏?半隱伏花崗巖帶和下古生界地層的綜合反映。與重力低值相間分布的重力高值主要與上古生界碳酸鹽地層分布有關(guān)。溫泉沿?cái)嗔褞芗植迹从沉薔E向斷裂對(duì)地?zé)豳Y源具有明顯控制作用。汝城盆地也呈現(xiàn)重力負(fù)異常，這是因?yàn)樵搮^(qū)域雖然地殼厚度相對(duì)較大，但巖石圈厚度卻相對(duì)較薄所致。巖石圈厚度的局部減薄，可能與軟流圈的上侵有關(guān)。

圖6 熱水圩地區(qū)重磁特征及其反映的深部熱結(jié)構(gòu)模式Fig.6 Gravity and magnetic characteristics of the Reshuiwei area and the deep thermal structures they reflected

研究區(qū)磁異常曲線起伏較大，但幅值變化不大(圖6b)，這可能與區(qū)內(nèi)大量不同時(shí)代、不同類型的淺表層中酸性巖體相關(guān)。根據(jù)磁異常反演結(jié)果，汝城干熱巖研究區(qū)一帶居里面為23～26 km(圖7)，相對(duì)周邊地區(qū)偏淺。特別是位于莫霍面、居里面的陡變帶(圖6c)，這也是深淺物質(zhì)交替循環(huán)的有利地帶，利于深部熱物質(zhì)的上侵。

圖7 基于磁異常反演的居里面深度、巖體、深大斷裂及溫泉點(diǎn)的疊加Fig.7 Map showing the superposition of the Curie depth derived from magnetic anomaly inversion,plutons,deep faults,and hot spring outcrops

重磁特征表明，熱水圩地區(qū)相對(duì)較薄的巖石圈厚度，軟流圈熱物質(zhì)沿深大斷裂的上侵，特別是NE向深大斷裂與NW向大斷裂的交匯部位多呈現(xiàn)相對(duì)開(kāi)啟的應(yīng)力狀態(tài)，為深部熱物質(zhì)的上侵(圖6c)提供了有利條件，使其深部保持了相對(duì)高熱的地質(zhì)背景。

3.4 干熱巖形成的其他有利因素

除上述干熱巖形成的有利因素外，熱水圩地區(qū)干熱巖形成的其他有利因素還有：

1) 地塊結(jié)合帶與深大斷裂控?zé)?/p>

研究區(qū)位于華夏地塊與揚(yáng)子地塊結(jié)合部位的華南多期復(fù)合造山帶內(nèi)，在兩地塊拼合增生以前屬于華夏古陸北西緣斜坡帶，在兩地塊碰撞后，構(gòu)成了萬(wàn)洋山?諸廣山走滑巖漿帶的重要組成部分。兩地塊結(jié)合帶的走滑和離散走滑，奠定了區(qū)域的基本構(gòu)造形式，造成了構(gòu)造形跡縱橫交錯(cuò)、組合較為復(fù)雜的格局，反映了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不但具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性，而且具有明顯的階段性和繼承性。特別是其鄰近的NE向茶陵?郴州深大斷裂與NW向常德?安仁深大斷裂，均是具有多期活動(dòng)的深大走滑斷裂，在2條斷裂的交匯部位是巖漿活動(dòng)及上侵的主要空間。根據(jù)大地電磁測(cè)深剖面(圖3)，在郴州?臨武深大斷裂及其東側(cè)較大次級(jí)斷裂的深部均有高導(dǎo)低速體自下而上分布的特征，是深部熱物質(zhì)上侵的有利通道。

區(qū)域內(nèi)溫泉群主要沿NE向遂川?熱水大斷裂展布，表明NE向大斷裂是主要的控?zé)釘嗔?。就某個(gè)單獨(dú)泉群來(lái)說(shuō)，地?zé)峋?泉)主要沿NW向構(gòu)造形跡展布，表明區(qū)域內(nèi)NW向斷裂是主要的開(kāi)啟性控水?dāng)嗔?。因此，NE向大型控?zé)釘嗔雅cNW向開(kāi)啟斷裂的交匯部位，也是現(xiàn)今深部熱物質(zhì)上涌的有利通道，繼承了中生代以來(lái)的巖漿活動(dòng)規(guī)律，此交匯部位也是干熱巖賦存的有利部位。

2) 地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制

湖南省東南部地處西太平洋俯沖板片的前緣。大洋板塊的俯沖會(huì)導(dǎo)致地殼巖石圈的破碎變形，并形成一系列NNE向深大斷裂。深部熱對(duì)流的加劇促使軟流圈的強(qiáng)烈隆起，俯沖進(jìn)入軟流圈的大洋板塊使深部熱擾動(dòng)變得更加劇烈，并且隨著大洋巖石圈和拆沉的大陸巖石圈等“冷”物質(zhì)的下沉，需要一個(gè)上升流來(lái)平衡，于是上升的軟流圈高溫物質(zhì)開(kāi)始不斷地加熱和底侵深部巖石圈，在巖石圈破裂的區(qū)域上侵得最快，當(dāng)?shù)浊殖潭戎饾u加劇的時(shí)候，本來(lái)已經(jīng)裂解的巖石圈底部開(kāi)始發(fā)生拆沉作用或者使已經(jīng)變得可塑的巖石圈向四周流動(dòng)，從而導(dǎo)致巖石圈減薄，當(dāng)上侵動(dòng)力不足的時(shí)候，高溫物質(zhì)便存在于上侵能達(dá)到的最大高度，開(kāi)始對(duì)周圍圍巖進(jìn)行加熱，一部分熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)薄地殼或斷裂帶傳導(dǎo)到近地表，軟流圈劇烈隆起的地區(qū)由于深部持續(xù)的熱源供應(yīng)必然形成淺部的高溫?zé)崽锖偷乇淼母叽蟮責(zé)崃鳌?/p>

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期 (距今(10～8) Ma)，中國(guó)大陸地殼受到西南側(cè)印度板塊向北低角度俯沖碰撞和東側(cè)西太平洋板塊向西高角度俯沖雙重動(dòng)力體系的控制。受到東、西兩大動(dòng)力體系的影響，湖南地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以近東西向的水平擠壓為主，這就導(dǎo)致該區(qū)的古老構(gòu)造形跡在新構(gòu)造期間發(fā)生了不同程度的復(fù)活，出現(xiàn)了許多規(guī)模和活動(dòng)性不等的活動(dòng)斷裂及斷塊隆起區(qū)、裂陷區(qū)[49]。因此，自中新世以來(lái)，深大斷裂的局部活化與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的活動(dòng)斷裂，使深部幔源熱物質(zhì)繼續(xù)沿各級(jí)斷裂自深部向淺部上侵。

3) 熱儲(chǔ)與蓋層

研究區(qū)呈隱伏狀態(tài)的花崗巖巖體是良好的熱儲(chǔ)，其中在構(gòu)造破碎處形成地?zé)崴畠?chǔ)層，致密且裂隙不發(fā)育、埋深在4 000～6 000 m的花崗巖巖體溫度可達(dá)176.8～256.6℃[21]，形成良好的、近期可勘查開(kāi)發(fā)的干熱巖體。汝城盆地內(nèi)熱導(dǎo)率較低的震旦系至古近系地層，熱導(dǎo)率一般在1.86～2.14 W/(m·k)，明顯低于花崗巖巖體2.6～2.7 W/(m·k)的熱導(dǎo)率，構(gòu)成了深部熱儲(chǔ)的良好保溫蓋層。

4 干熱巖成因模式

綜上所述，熱水圩一帶地?zé)豳Y源(干熱巖)的成因模式可歸納為：太平洋板塊俯沖與回撤，導(dǎo)致板塊前緣形成強(qiáng)烈的熱擾動(dòng)，造成軟流圈的隆起和幔源熱物質(zhì)的上侵，形成相對(duì)較高的幔源熱源。同時(shí)，生熱率較高的地殼巖體與鈾礦體放射性產(chǎn)熱形成了溫度較高的地殼熱源(圖8)。有利的熱源條件及沿深大斷裂的深部熱物質(zhì)上侵，使湖南省東南部形成以熱水圩花崗巖體為代表的干熱巖有利靶區(qū)。郴州?臨武、遂川?熱水等深大斷裂導(dǎo)水、導(dǎo)熱，淺部低溫地下水通過(guò)斷裂流向深部熱源，經(jīng)加熱后對(duì)流上升與其他淺部地下水混合，至山間溝谷或山前平原低洼處出露地面，形成溫泉。

圖8 湖南省熱水圩地?zé)崽锔蔁釒r形成機(jī)制模式Fig.8 Formation mechanism and mode of hot dry rocks in the Reshuiwei geothermal field,Hunan Province

5 結(jié)論

a.湖南省熱水圩位于西太平洋板塊俯沖與回撤的前緣，中生代以來(lái)巖石圈伸展?減薄作用明顯；揚(yáng)子、華夏地塊結(jié)合帶附近的深大斷裂一般均切穿地殼甚至巖石圈。中新世以來(lái)，深大斷裂的局部活化與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的活動(dòng)斷裂，使NE向、NW向深大斷裂的交匯部位多呈開(kāi)啟性良好的構(gòu)造環(huán)境。高導(dǎo)低速體與深大斷裂帶的吻合指示這些深大斷裂有可能構(gòu)成深部熱物質(zhì)上侵的通道，有利于深部幔源熱物質(zhì)的上侵和熱流側(cè)向向上傳導(dǎo)，為淺部干熱巖的形成提供重要熱源。

b.熱水圩周邊巖體的放射性生熱率較高，周邊鹿井、城口等鈾礦床、礦點(diǎn)密布，為放射性生熱率高值區(qū)，形成殼源異常熱源，在不同級(jí)次斷裂網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)通作用下，對(duì)干熱巖的形成具有重要意義。

c.根據(jù)綜合確定的地溫梯度推算，熱水圩地?zé)崽锍孰[伏狀態(tài)的、致密的、裂隙不發(fā)育的埋深在4 000～6 000 m的花崗巖體溫度可達(dá)176.8～256.6℃，是良好的、近期可勘查開(kāi)發(fā)的干熱巖體。

符號(hào)注釋：

A為巖石生熱率，μW/m3；t為熱儲(chǔ)溫度，℃；W為熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量，mg/L；CU、CTh分別為巖石中的U、Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)，10?6；CK為K質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；vP為P波速度，km/s；vS為橫波速度，km/s；ρ為巖石密度，1 000 kg/m3。