黃岡地區干熱巖賦存條件及遠景分析

中國對能源的需求有增無(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。地熱能具備在中國能源體系中占據重要地位的資源基礎,而在中國地熱資源中，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)濟價(jià)值的致密熱巖體。干熱巖的主要用途是應用人造循環(huán)系統裝置，收集非滲透或極低滲透率的干熱巖體內的熱能進(jìn)行發(fā)電。

近年來(lái)，湖北省大力開(kāi)展中深層地熱資源勘查工作，取得了豐碩成果。對全省地熱資源綜合研究表明，東大別黃岡地區深部可能存在具經(jīng)濟價(jià)值的干熱巖體。本文參照國內外干熱巖主流研究方法，結合區域地質(zhì)背景，總結區內水熱型地熱資源“補、徑、排”條件，分析地熱賦存條件及干熱巖資源潛力，初步圈定干熱巖找礦遠景區，為下步干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)提供依據。

1 研究區地熱背景條件

研究區位于湖北省黃岡市北東部(圖1),西側以麻城—浠水—大冶為界，南側以大冶—黃梅為界，北側和東側以省界為界，總面積約9 500 km2。區內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(cháng)江。

1.1 地表地熱顯示

區內地表地熱顯示主要為溫泉，黃岡市已發(fā)現的14處溫泉中，有12處分布于研究區內(圖1,表1)。這些溫泉的空間分布與構造及巖漿巖密切相關(guān)，均分布在近平行產(chǎn)出的NE向構造帶上，并與燕山期大規模侵入的中酸性巖漿巖伴生。

1.2 大地熱流

大地熱流是地球內部熱能傳輸至地表的一種現象，大地熱流值可反映地殼淺部熱狀態(tài)。通過(guò)對區內典型鉆孔的地溫梯度和巖石熱導率進(jìn)行測量，發(fā)現地熱異常區(地熱田)的大地熱流值介于78.6～222.6 mW/m2,明顯高于中國大陸地區大地熱流平均值61.5 mW/m2。綜合周邊地區大地熱流數據,按照鉆孔地溫梯度2.5℃/100 m、巖石熱導率2.68 W/(m·℃)計算，區內大地熱流平均值約65.7 mW/m2,亦顯示較好的大地熱流條件。

圖1 研究區斷裂、燕山期中酸性巖體與溫泉分布簡(jiǎn)圖

1.3 地溫梯度及熱儲溫度估算

研究區內廣泛分布深變質(zhì)巖及巖漿巖，巖石致密且導熱性能較好，但幾乎沒(méi)有被低熱導率的巖層所覆蓋，“蓋層”條件較差，因而本區整體地溫梯度較低。據已有鉆孔資料顯示，無(wú)地熱異常區域的地溫梯度一般為15～25℃/km, 但局部區域受構造、巖漿及地熱流體熱對流作用的影響，地溫梯度可達80℃/km以上。

本次工作收集了區內溫泉和地熱井地熱流體的水化學(xué)分析數據30余份，取其中的代表性數據繪制了Na-K-Mg平衡三角圖。圖2顯示，地熱流體中所含Na、K、Mg礦物多數未達到平衡狀態(tài)，因此可采用SiO2溫標估算熱儲溫度(TSi)。估算結果表明，英山—羅田地區地熱田普遍具有>100℃以上的熱儲溫度，其中三里畈地熱田熱儲溫度為149.91℃,英山北湯河地熱田熱儲溫度為123.05℃,暗示本區深部可能存在高溫巖體。

2 干熱巖形成機理

認清地熱的成因模式是開(kāi)發(fā)地熱能的重要前提,其關(guān)鍵問(wèn)題包括熱源、熱傳導通道、儲蓋條件等。

2.1 熱源條件

研究區地熱能的熱源主要來(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)，具備高熱導率、高放射性特征的中酸性巖漿大規模侵入，不僅有利于深部熱量向淺部傳導，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—熱窿伸展事件的影響，使區內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，湖北省陸殼呈現西厚東薄的特征。由湖北省莫霍面等深圖(圖3)可見(jiàn)，研究區所處的東大別居里面隆起區的莫霍面(溫度約1 100℃)埋深為30～35 km, 有利于地幔熱流向淺部傳導。

區內巖漿活動(dòng)和地殼深部熱傳導等熱構造活動(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)，研究區所處的東大別居里面隆起區的居里面(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，該區也是英山—羅田地區地熱資源(溫泉)的地熱流體補給區,由此可推斷研究區處于較高的地熱活動(dòng)狀態(tài)，地幔熱占大地熱流值比例較高。

研究區平均大地熱流值約65.7 mW/m2,地幔熱流值約30～35 mW/m2,地幔熱流值占大地熱流值的49.5%左右。以本區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)。結合東大別地區非地熱異常區的鉆孔地溫梯度(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，由此推測區內地溫梯度會(huì )隨深度的增加而增加。

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(cháng)等特征，對地球內熱具有顯著(zhù)貢獻。根據研究區16件中—新生代中酸性巖體樣品的測試分析結果,可采用Rybach L等修正后的公式計算巖石放射性生熱率。計算公式為：

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、%。

計算結果表明，東大別居里面隆起區中—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,表明本區具有較好的放射性生熱條件。

大別造山帶根部已被剝蝕，東大別地區地殼厚度約30～35 km, 上地殼以長(cháng)英質(zhì)巖為主，并含有0～20%的榴輝巖；中地殼以長(cháng)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(cháng)英質(zhì)麻粒巖，下部基本為鎂鐵質(zhì)麻粒巖。按照理想化的東大別地區地殼模型，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,依此計算出地殼熱流的貢獻約28.5 μW/m3,約占大地熱流的43.4%;上地殼約占整個(gè)地殼厚度的28.6%,熱流貢獻卻占整個(gè)地殼熱流的42.1%,因此放射性元素呈現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

研究區自中生代以來(lái)(150～80 Ma)巖漿活動(dòng)十分強烈，中酸性巖體廣布，其出露面積達2.8×103 km2,約占本區面積的30%。根據理論計算，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。根據區內巖漿巖體的規模及成巖時(shí)代分析，本區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。另外從前文的分析可知，研究區內地幔熱流和地殼熱流合計占大地熱流值的 92.9%左右，因此其他熱源對干熱巖的形成貢獻很小。

2.2 熱傳導通道條件

研究區干熱巖中的熱能主要以熱傳導和熱對流形式從深部傳遞而來(lái)，熱傳導作用普遍存在。在局部巖石圈斷裂、殼斷裂及基底斷層發(fā)育處，可形成熱對流的良好通道。本區歷經(jīng)漫長(cháng)的地質(zhì)演化過(guò)程，地質(zhì)構造十分復雜，區內已查明的構造按展布方向分為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。區內出露的12處地熱田均由NE向斷裂控制，由此可見(jiàn)NE向斷裂是區內最主要的導水導熱構造。

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

2.3 儲蓋條件

區內主要發(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率相對較高，可作為干熱巖體；而熱導率稍低的變質(zhì)巖可視作區域上相對的蓋層。本區中酸性巖漿巖的出露面積約占本區總面積的30%(圖1),其主要集中分布于居里面埋深相對較淺的英山—羅田地區北部。通過(guò)同位素及構造分析得出，羅田三里畈、浠水曹畈、英山溫泉鎮的地熱流體補給區均位于地熱田北東方向的麻城張家畈—英山縣城北一線(xiàn)，補給距離為10～50 km。麻城張家畈—英山縣城北一線(xiàn)主要出露變質(zhì)巖，對深部干熱巖體熱量的保存具有積極作用。

3 干熱巖遠景區

綜合研究區地表地熱顯示、大地熱流值、地溫梯度、地熱田熱儲溫度、熱源條件、莫霍面及居里面埋深、熱傳導通道和干熱巖儲蓋等賦存條件來(lái)看，本區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景區——羅田河鋪—英山楊柳遠景區(圖1)。

羅田河鋪—英山楊柳遠景區位于羅田縣河鋪鎮—大河岸鎮—英山縣楊柳鎮一帶，區內及周邊地區地熱資源豐富，溫泉多表現出溫度高、單井流量大、沿NE向斷裂分布等特征。遠景區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溫標法估算其熱儲溫度為100～150℃,其中三里畈溫泉出水溫度為湖北省最高(76℃),熱儲溫度達149.91℃;西湯河溫泉出水溫度為69℃,熱儲溫度達123.05℃,說(shuō)明本區的地熱活動(dòng)強烈，具較高的溫度場(chǎng)特征。經(jīng)H-O同位素和地熱田構造特征分析，認為地熱流體補給源區均位于北東方向的羅田河鋪—英山楊柳一線(xiàn)?；诘?a href="http://keyinmall.com/t/熱田熱儲.html" >熱田熱儲應位于地熱流體補給區和溫泉出露點(diǎn)之間這一原則，認為羅田河鋪—英山楊柳一帶深部很可能存在干熱巖資源。根據區域航磁異常、剩余重力資料反演顯示，該遠景區莫霍面埋深為33 km左右，居里面埋深為23 km左右，幔熱源傳導距離較短。中生代以來(lái)(150～80 Ma)區內構造、巖漿活動(dòng)強烈，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(zhù)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。本區具有明顯的航磁正異常，表明結晶巖基底規模較大，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，估計放射性熱流貢獻率可達40%～50%。遠景區內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),可作為相對的蓋層，對深部巖體的熱量起到一定的保存作用。

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

4 結論及建議

(1) 結合區域地質(zhì)背景，總結了研究區地表地熱顯示、大地熱流、地熱源、導熱通道及干熱巖儲蓋條件等特征，認為東大別黃岡地區具備較好的干熱巖賦存條件。

(2) 綜合分析研究區地熱地質(zhì)條件，圈定了羅田河鋪—英山楊柳干熱巖資源找礦遠景區。

(3) 目前東大別地區干熱巖研究程度較低，深度超過(guò)1 000 m的鉆孔僅一處，且位于研究區西部邊界附近。建議在后續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，查明遠景區及其周邊地區的結晶基底起伏、隱伏巖體分布及斷裂構造三維空間展布特征，為區內干熱巖資源勘查深部鉆探提供科學(xué)依據。