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湖北省干熱巖地?zé)豳Y源賦存條件及遠(yuǎn)景分析
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2025-03-27 15:40:22瀏覽次數(shù):27
由于全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)化石能源不斷消耗,人們面臨的資源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。隨著全社會對新能源及環(huán)境保護(hù)的廣泛關(guān)注, 清潔可再生的干熱巖地?zé)豳Y源可以改變未來能源結(jié)構(gòu)的觀點已得到國際上的公認(rèn)。
干熱巖是不含或僅含少量流體,溫度高于 180℃,其熱能是在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體,主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體,常見的有花崗質(zhì)片麻巖、花崗巖和花崗閃長巖等。
干熱巖地?zé)豳Y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。據(jù)初步估算,中國大陸地區(qū)3~ 10km深處干熱巖地?zé)豳Y源總量大于2.0×107EJ,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(Fen ton Hill)打出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,目前世界上已建立了一批干熱巖示范研究基地并取得了一系列進(jìn)展。我國干熱巖研究起步相對較晚,但發(fā)展迅速,在青海共和盆地和松遼盆地以及福建漳州、廣東惠州等地先后開展了干熱巖地?zé)豳Y源評價與勘查,均取得了重大突破。
湖北地跨揚子板塊和華北板塊,斷裂構(gòu)造發(fā)育, 巖漿活動強烈,中酸性巖體大面積出露且富集放射性元素,為地?zé)?/a>活動創(chuàng)造了有利的地質(zhì)條件。但湖北省干熱巖研究較為滯后,研究基礎(chǔ)薄弱。為此,本文基于湖北省基礎(chǔ)地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)條件的分析,對湖北省干熱巖地?zé)豳Y源的賦存條件及潛力進(jìn)行探討, 為下一步開展干熱巖地?zé)?/a>資源調(diào)查與評價提供依據(jù)。
1 湖北省干熱巖地?zé)豳Y源賦存條件分析
1.1 區(qū)域地溫場特征
1.1.1 大地熱流特征
大地熱流是指單位時間內(nèi)熱量由殼幔深部垂直向上通過單位面積地球表面向大氣層散發(fā)的熱量,可以確切地表征區(qū)域地?zé)?/a>場。湖北省內(nèi)共實測得到大地?zé)?/a>流有效值28個,測點分布不均,大多位于江漢盆地和武漢—黃石地區(qū)(見圖1),其值介于41.9~69.2mW/m2,均值為55.0mW/m2,低于中國大陸地區(qū)大地熱流平均值61.5mW/m2, 但結(jié)合湖南省、江西省和安徽省等臨近地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,可知湖北省東部大別山地區(qū)(均值62mW/m2)和長江沿線地區(qū)(均值61.3mW/m2) 具有較高的大地熱流值。
1.1.2 地表地?zé)犸@示
溫泉是地表地溫異常的最直接顯示,其空間分布與斷裂活動、巖漿侵入和地震活動性等密切相關(guān)。湖北省內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)自然出露溫泉共53處,大多數(shù)集中分布于斷裂構(gòu)造帶內(nèi),并與燕山期(隱伏) 中酸性巖伴生(見圖2)。根據(jù)湖北省地震統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,自公元前143年以來,地震震級M≥4.7級的破壞性地震有34次,其中M≥6級的地震有3次, M為5.0~5.9級的地震有19次,M為4.75~4.9 級的地震有12次(見圖2)。此外,湖北省鄂東地區(qū)共發(fā)生破壞性地震14次,最強烈的一次是1932年 4月6日麻城黃土崗的6.0級地震,最近的一次為 2019年12月26日應(yīng)城的4.9級地震;1974—1979 年間共發(fā)生微震和弱震共計283次,主要集中分布于沿長江斷裂、鄂城—嘉魚、麻城以及大別山羅田—英山一帶。湖北省內(nèi)溫度相對較高(60~90℃)的溫泉主要分布于鄂東一帶,反映出該地區(qū)較強烈的地?zé)峄顒印?o:p>
湖北省隆起帶山區(qū)多由致密巖層組成,在地溫場狀態(tài)上屬于地溫梯度低值區(qū),如鄂東南地區(qū)地溫梯度一般為1.7~2.7℃/100m,但受地質(zhì)構(gòu)造、巖漿作用等影響,可導(dǎo)致局部地區(qū)地溫梯度較高。本次共測得湖北省代表性山區(qū)溫泉或地?zé)峋?/a>的地?zé)崃黧w水化學(xué)數(shù)據(jù)29份,并由此繪制了湖北省山區(qū)地?zé)崃黧wNa-K-Mg平衡三角圖(見圖3)。圖3顯示大部分樣品中含Na、K、Mg礦物未達(dá)到平衡狀態(tài),因此選用SiO2溫標(biāo)估算熱儲溫度 (TSiO2)。熱儲溫度估算結(jié)果表明(見表2):羅田— 英山、嘉魚—咸寧以及京山地區(qū)具有較高的熱儲溫度,大多數(shù)TSiO2在100℃以上,反映出這些地區(qū)深部可能具備干熱巖賦存的溫度條件。
湖北省平原盆地區(qū)內(nèi)地溫梯度相對較高,一般介于2.0~3.9℃/100m,如江漢盆地中心潛江—天門一帶多在3.4~3.5℃/100 m之間,最高達(dá) 3.9℃/100m,顯示出地溫梯度異常。根據(jù)現(xiàn)有地溫數(shù)據(jù)顯示,江漢盆地3km深處地溫多在90~120℃之間,按照盆地中心地溫梯度為3.5 ℃/100m估算,4~5km范圍地溫有望達(dá)到180℃。
另外,湖北省平原盆地區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓o@示,地?zé)岙惓V饕植荚谂璧刂芫?雖然其地溫梯度有所降低,但基巖較為致密且熱導(dǎo)率高,常處于凸起構(gòu)造區(qū)或隱伏中酸性花崗巖分布區(qū),例如洪湖—嘉魚、應(yīng)城—京山等地區(qū),具有相對較好的干熱巖保存條件。
1.2 熱源條件
大陸地區(qū)地表熱流主要來自于巖石圈底部的地幔熱源和巖石圈放射性生熱,后者又以殼源放射性生熱為主。對于年輕的裂谷、造山帶等板塊運動活躍區(qū),深部構(gòu)造活動導(dǎo)致地幔熱流占主導(dǎo);而穩(wěn)定克拉通地區(qū)的深部地幔熱流穩(wěn)定且較低,地表熱流主要受控于地殼的放射性生熱變化。湖北省內(nèi)構(gòu)造-巖漿活動頻繁,東部地區(qū)均經(jīng)歷了中-新生代晚造山、熱窿伸展事件,結(jié)晶基底面埋深較淺,有利于干熱巖地?zé)豳Y源的生成。
1.2.1 幔源熱
受中、新生代多期巖石圈構(gòu)造-熱活動的影響, 湖北陸殼厚度具有自東向西呈臺階式變厚的趨勢。 根據(jù)區(qū)域重力反演的湖北省莫霍面等深圖(見圖4) 可見,以中部太行-武陵幔坡帶(Ⅰ)為界,分化為西部幔坪區(qū)(Ⅱ)和東部幔隆區(qū)(Ⅲ),后者莫霍面埋深較淺,約為29~31km,最淺埋深僅為28.5km,有利于地幔熱流向淺部傳導(dǎo),具有良好的熱源條件。 另外,一般在巖漿活動、地殼深部熱傳導(dǎo)等熱構(gòu)造活躍區(qū),會導(dǎo)致居里面隆起,反映出深部地幔熱流的上涌。湖北省居里面埋深范圍為23~26.8km, 隆起區(qū)主要位于羅田—英山、鐘祥—京山以及南部長江沿線地區(qū),其中羅田—英山地區(qū)最淺埋深僅為 23km(見圖5),反映出較高的熱活動狀態(tài)。
1.3 儲蓋條件
一般熱導(dǎo)率較高的巖石形成熱儲層,而熱導(dǎo)率較低的巖石則形成熱蓋層。盡管理論上處在一定地殼深度的變質(zhì)巖(如片麻巖等)和巖漿巖(如花崗巖、閃長巖等)都可視作干熱巖體,但考慮開采技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性,目前開發(fā)的干熱巖體大部分為溫度較高的花崗巖體,且蓋層厚度一般在2~3km為宜。湖北省東部大別山地區(qū)具有強烈的巖漿侵入活動以及圍巖混合巖化作用,分布著大規(guī)模高熱導(dǎo)率的酸性花崗巖體,可作為理想的干熱巖熱儲,該地區(qū)地表分布有一定厚度的熱導(dǎo)率較低的古老片麻巖和變沉積巖,具備良好的封蓋條件;湖北省江漢盆地南部長江沿線一帶有著不同規(guī)模的隱伏巖體,如洪湖—嘉魚一帶,區(qū)域航磁異常顯示有埋深約2.0km的中酸性巖體,其上被白堊系—第四系所覆蓋,大部分為低熱導(dǎo)率的松散或不致密碎屑沉積物,同樣具有良好的儲蓋條件。
2 湖北省干熱巖遠(yuǎn)景區(qū)圈定
2.1 干熱巖選區(qū)的基本原則
從湖北省內(nèi)大地?zé)崃魈卣鳌⒌乇淼責(zé)犸@示、地溫梯度異常、莫霍面和居里面埋深、斷裂構(gòu)造、隱伏酸性巖體分布以及蓋層條件等干熱巖地?zé)豳Y源賦存條件的綜合分析來看,湖北省東部尤其是大別山地區(qū)和江漢盆地南部地區(qū)具有良好的干熱巖資源前景, 是湖北省干熱巖工作的重點地區(qū)。根據(jù)上述影響干熱巖賦存的主要因素,參照國內(nèi)外干熱巖選區(qū)研究資料,并結(jié)合湖北省地質(zhì)背景,提出以下干熱巖選區(qū)的基本原則:
(1)選擇大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。
(2)選擇莫霍面埋深淺、居里面隆起區(qū),有利于深部熱流上涌,提供持續(xù)的高溫?zé)嵩?/a>。
(3)選擇具有良好的地表地?zé)犸@示區(qū)域,地表地?zé)犸@示的群居性與深部高溫?zé)嵩?/a>構(gòu)成一定程度上的鏡像關(guān)系,MIT通過EGS的研究提出,水熱系統(tǒng)周邊可視為近期干熱巖資源勘探開發(fā)的目標(biāo)。
(4)選擇密度大、熱導(dǎo)率高、富含放射性生熱且時代年輕的中酸性巖體分布區(qū),且具有規(guī)模較大的巖基或隱伏巖體所在的區(qū)域。
(5)選擇有利的構(gòu)造部位,如活動性區(qū)域深大斷裂附近、變質(zhì)核雜巖構(gòu)造以及斷陷盆地區(qū)等。
(6)選擇具有低熱導(dǎo)率、厚度適宜(一般為2~3 km)的蓋層分布區(qū)。
(7)選擇具有較好的場地及外部條件的區(qū)域, 包括水源、交通、輸電以及社會經(jīng)濟(jì)條件(人口、經(jīng)濟(jì)水平、電力需求)等。
2.2 干熱巖遠(yuǎn)景區(qū)圈定
本次針對湖北省內(nèi)兩個大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)進(jìn)行有利區(qū)優(yōu)選,通過對干熱巖地?zé)豳Y源的“源、通、儲、蓋” 組合特征的評價分析,參照上述干熱巖選區(qū)的基本原則,綜合圈定出兩處干熱巖遠(yuǎn)景調(diào)查區(qū),分別為羅田地區(qū)和嘉魚地區(qū)(見圖2)。
2.2.1 羅田地區(qū)
羅田地區(qū)位于鄂東大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)(均值為62 mW/m2),區(qū)域內(nèi)地表地?zé)犸@示強烈,溫泉分布較廣,如三里畈溫泉、曹畈溫泉、白廟河溫泉和城關(guān)溫泉等,其普遍具有流量大、溫度高、群居性的特點,其中三里畈溫泉泉口溫度為全省最高(為73℃),這些溫泉的熱儲溫度高達(dá)120~150℃,反映出較高的地溫場特征。根據(jù)區(qū)域重力、航磁反演資料顯示,羅田地區(qū)莫霍面埋深較淺,居里面埋深為省內(nèi)最淺(僅 23km),具有較高的地?zé)岜尘?。該地區(qū)地殼在晚中生代時劇烈活化,構(gòu)造活動強烈,并伴隨大量中生代花崗巖體侵入,而以NNW向-NW和NNE向為主的兩組斷裂構(gòu)造的格局基本控制了羅田地區(qū)內(nèi)變質(zhì)地層、巖漿活動,也為深部熱源向淺部傳導(dǎo)提供了良好的通道。其中,NNW-NW向斷裂多形成于元古代,早期以韌性變形為主,后期疊加脆性變形,是長期活動、影響很深、性質(zhì)多變的巖石圈斷裂;NNE向斷裂則多為中生代地殼斷裂,早期以左行韌性剪切和逆沖為主,晚期具右行引張?zhí)卣鳌?/p>
羅田地區(qū)地表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,其余大部分為燕山期酸性花崗巖體,如鯉魚寨巖體、龍井垴巖體、蚊蟲山巖體、云峰寨巖體和白蓮河巖體等,其地表出露面積約為150 km2。羅田地區(qū)具有明顯的正航磁異常,表明巖基或花崗質(zhì)巖石基底規(guī)模較大,存在巨量的隱伏巖漿作用。這些巖體具有規(guī)模大、時代年輕、高熱導(dǎo)率的特點,放射性平均生熱率達(dá)3.6μW/m3,不僅能作為良好的干熱巖熱儲巖性,還能提供放射性附加熱。另外,羅田地區(qū)地表還出露太古代—元古代大別山巖群變質(zhì)表殼巖蓋層,巖性大多為低熱導(dǎo)率的片麻巖和變粒巖組合,巖層總疊置厚度大于700 m,局部可達(dá)1.5km左右,可作為合適的蓋層。根據(jù)羅田三里畈地區(qū)實測大地電磁(MT)解譯圖(見圖6),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,推測視電阻率高值區(qū) ρ+1至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, 分別與龍井垴巖體、云峰寨巖體相對應(yīng),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(dāng), 但ρ+3和ρ+4基本與ρ+5相連,深部熱量易通過熱傳導(dǎo)向地表散失而不易保存;ρ+2則隱伏規(guī)模最大,埋深適宜(2~7km),且具有厚度合適(約2km) 的變質(zhì)表殼巖蓋層,顯示出更好的干熱巖儲蓋條件。
以上深部地質(zhì)構(gòu)造特征具有一定的代表性,反映出羅田地區(qū)具備賦存干熱巖的潛力。在成因機制方面,羅田地區(qū)地處團(tuán)麻斷裂以東、襄廣斷裂以北的鄂東部大別山剪切帶內(nèi),為大別變質(zhì)雜巖的核心部位,170Ma以來主要經(jīng)歷了晚造山期隆升、熱窿伸展和斷塊侵蝕剝露事件。該地區(qū)主要受燕山運動及新構(gòu)造運動的影響,隆升階段形成了羅田穹隆的同時,居里面也在呈凸起狀,上地幔高熱流傳熱和較薄的巖石圈厚度以及花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖放射性元素衰變產(chǎn)熱,使得羅田穹隆核部大地?zé)崃髦递^高。區(qū)內(nèi)地下水主要表現(xiàn)為深部循環(huán)特征,以熱傳導(dǎo)型為主。因此,在溫度梯度的推動下,來自上地幔熱通過巖石圈熱流向趨于熱平衡的羅田穹隆隆起區(qū)傳熱。另外,巖石圈減薄作用始于135Ma左右,熱窿伸展構(gòu)造引發(fā)基底廣泛熔融,熱軸平行于造山帶展布,由麻城經(jīng)羅田地區(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/淺層次共存的花崗巖體侵入,地殼深部可能存在巨量的巖漿殘余熱??梢?羅田地區(qū)來自上地幔傳導(dǎo)熱流疊加巖漿殘余熱以及花崗質(zhì)巖石放射性生熱,使淺層花崗巖體和花崗質(zhì)片麻巖體被加熱升溫,由于地表低熱導(dǎo)率變質(zhì)表殼巖蓋層能夠起到一定程度的熱封蓋條件,因此埋藏一定深度的熱儲層溫度可以達(dá)到180℃,具備干熱巖地?zé)?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/資源.html" >資源成藏潛力。綜上所述,羅田地區(qū)干熱巖成因模式屬于高放射性產(chǎn)熱型,其成因模式見圖7
2.2.2 嘉魚地區(qū)
嘉魚地區(qū)位于湖北省東南部長江沿線大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)(均值為61.3mW/m2),地處江漢盆地沔陽凹陷帶東南部,地表溫泉出露豐富,其中大于50℃ 的溫泉主要分布在烏林、蛇屋山以及嘉魚城區(qū)一帶, 其中烏林溫泉溫度達(dá)65℃以上,熱儲溫度為100℃ 左右。該地區(qū)同樣處于東部幔隆區(qū),同時位于沿長江居里面隆起區(qū),居里面埋深為24.5~25km。區(qū)域重力異常特征顯示,沿長江重力梯度帶上存在一條規(guī)模較大的巖石圈斷裂(見圖2),該斷裂是一條切割巖石圈(或至少切割巖石圈上部)具有破碎帶性質(zhì)的斷裂,且沿斷裂帶兩側(cè)或附近廣泛發(fā)育(隱伏) 中酸性巖體,有利于深部熱流的上涌,同時也是巖漿上侵的良好通道。此外,區(qū)域航磁異常也顯示出嘉魚地區(qū)具有極為顯著的長軸狀正異常特征,其下部具有埋深較淺的大規(guī)模隱伏巖體(見圖2),與實測大地電磁測深剖面反映的特征一致(見圖8):高阻異常區(qū)ρ+1顯示出伴有明顯的上凸跡象和深部延伸趨勢的橢圓形態(tài),是侵入巖體的電性反映;上部沉積蓋層厚度為1.8~2.5km,與地表白堊系—第四系相對應(yīng),均為松散或不致密的碎屑巖沉積,具有較低的熱導(dǎo)率,蓋層條件十分理想。
嘉魚地區(qū)的熱源主要為幔源熱和地殼放射性元素富集層衰變生熱。由于基底及蓋層結(jié)構(gòu)以及熱導(dǎo)率的差異性,自深部向淺層傳導(dǎo)的熱量會進(jìn)行重新分配,基底斷陷區(qū)頂部通常會聚集更多的熱量,因此在沔陽凹陷帶東南緣基底相對較淺的嘉魚地區(qū)形成高地溫梯度。另外,該地區(qū)隱伏花崗巖體多為燕山期巖漿活動產(chǎn)物,且富含放射性生熱元素,構(gòu)成了該區(qū)域地溫場的附加熱源。盡管該地區(qū)地表熱流值并不太高,但良好的蓋層條件使深部熱流得以保存并在相對淺部匯聚,其底部熱儲巖體溫度可以達(dá)到 150℃以上,具有干熱巖賦存潛力。
綜合以上認(rèn)為,嘉魚地區(qū)整體上具有類似凹陷帶聚熱—隱伏巖體儲熱—沉積蓋層保熱這種“三位一體”的有利地?zé)岬刭|(zhì)條件,與盆地型干熱巖地?zé)豳Y源的特點較為相似,其成因模式見圖7。
3 結(jié) 論
(1)通過對湖北省區(qū)域地溫場特征、熱源條件、 熱傳導(dǎo)通道以及儲蓋條件的綜合分析,認(rèn)為湖北省東部大別山地區(qū)和江漢盆地南部地區(qū)具有較好的干熱巖地?zé)豳Y源賦存條件。
(2)參照國內(nèi)外干熱巖選區(qū)研究資料,并結(jié)合湖北省地質(zhì)背景,初步建立了包括大地?zé)崃魈卣?、莫霍面和居里面埋深、地?zé)岙惓o@示、(隱伏)酸性巖體分布、有利構(gòu)造部位、低熱導(dǎo)率蓋層等幾個方面的干熱巖選區(qū)基本原則。
(3)根據(jù)干熱巖選區(qū)的基本原則,初步圈定出湖北省羅田地區(qū)和嘉魚地區(qū)兩處干熱巖遠(yuǎn)景區(qū),并從區(qū)內(nèi)大地?zé)崃魈卣鞯乇淼責(zé)犸@示、地溫梯度異常、 莫霍面和居里面埋深、斷裂構(gòu)造、巖漿活動、蓋層條件等方面綜合分析了干熱巖地?zé)豳Y源賦存潛力,并結(jié)合已有物探資料,提出了羅田地區(qū)和嘉魚地區(qū)分別具有高放射性產(chǎn)熱型和沉積盆地型干熱巖成因模式,可作為下一步開展干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查與評價的優(yōu)選區(qū)。
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