地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (3): 400-411
引用本文
Lisa TANNOCK, 王亚, 李景富, 刘洁, 张珂, 徐力峰, Klaus REGENAUER-LIEB. 广东河源断裂带地热成因及与构造关系初探[J]. 地质力学学报, 2019, 25(3): 400-411.
Lisa TANNOCK, WANG Ya, LI Jingfu, LIU Jie, ZHANG Ke, XU Lifeng, Klaus REGENAUER-LIEB. A PRELIMINARY STUDY ON THE MECHANICS AND TECTONIC RELATIONSHIP TO THE GEOTHERMAL FIELD OF THE HEYUAN FAULT ZONE IN GUANGDONG PROVINCE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(3): 400-411.
广东河源断裂带地热成因及与构造关系初探
Lisa TANNOCK1 , 王亚2,3 , 李景富4 , 刘洁2,3 , 张珂2,3 , 徐力峰4 , Klaus REGENAUER-LIEB1     
1. 澳大利亚新南威尔士大学矿产与能源资源工程学院, 澳大利亚 悉尼 2052;
2. 中山大学地球科学与工程学院, 广东 广州 510275;
3. 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室, 广东 广州 510275;
4. 广东省有色地质环境中心, 广东 广州 510080
摘要:广东省河源断裂带位于中国东南沿海地热异常区,地热资源十分丰富,但其形成机制和利用前景尚不确定。为此文章开展了多学科综合分析,获得以下初步认识:温泉是断裂带内深循环地下水被地温加热而成,断裂剪切热和花岗岩浆残余热的贡献基本可以排除;沿断裂展布的厚层硅化带是古水热活动的产物;硅化带形成时期的挤压应力方向为北东-南西,与河源断裂及河源盆地晚白垩世以来的伸展活动对应,现代构造应力场为北西西-南东东方向挤压,与古应力场相比发生了明显变化;现今构造应力场使得北东向河源断裂呈右旋挤压运动,而北西向断裂则发生左旋张剪,导致地下水循环格局也发生相应改变;目前温泉沿河源断裂呈带分布,沿北西向断裂呈线性溢出,断裂交汇部位是热泉上升的主要通道。总体而言,河源地区拥有令人鼓舞的地热资源及应用前景,有可能达到建设地热发电厂的目标。建议继续深入开展地质学、地球物理、水文地质学和地热成因机理等多学科综合研究,从而更好地定量评价地热潜能与开发前景。
关键词河源断裂    地热    硅化带    构造应力场    地下水循环    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.03.037     文章编号:1006-6616(2019)03-0400-12
A PRELIMINARY STUDY ON THE MECHANICS AND TECTONIC RELATIONSHIP TO THE GEOTHERMAL FIELD OF THE HEYUAN FAULT ZONE IN GUANGDONG PROVINCE
Lisa TANNOCK1 , WANG Ya2,3 , LI Jingfu4 , LIU Jie2,3 , ZHANG Ke2,3 , XU Lifeng4 , Klaus REGENAUER-LIEB1     
1. School of Minerals and Energy Resources Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, Australia;
2. School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China;
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources & Geological Processes, Guangzhou 510275, Guangdong, China;
4. Guangdong Nonferrous Geological Environment Centre, Guangzhou 510080, Guangdong, China
Abstract: Located in the geothermal anomaly area along the southeast coast of China, the Heyuan fault zone in Guangdong Province owns abundant geothermal resources. To investigate its potential, the mechanics and tectonic relationship to the geothermal field of the Heyuan fault zone in Guangdong Province are analysed. It is preliminarily believed that:1) The origin of hot springs is mainly attributed to deep circulation of groundwater along the fault zone heated by the geothermal gradient; the contribution of shear heat and residual heat of granite magma can be eliminated. 2) The thick quartz reef distributed along the fault is the product of the ancient hydrothermal activity. 3) The direction of compressive stress during the formation of quartz reef is NE-SW, corresponding to the extension of the Heyuan fault and the Heyuan Basin since the Late Cretaceous. This is a marked change to the stress direction of the modern tectonic stress field of NWW-SEE. 4) The current tectonic stress field makes the NE Heyuan faults dextral trans-compressional, while the NW faults have left-lateral strike and tension, resulting in a corresponding change in the groundwater circulation pattern. 5) The hot springs are distributed along the Heyuan fault zone and aligned along the NW faults; the intersection of the faults is the channel through which hot springs rise. Overall, the Heyuan area has promising geothermal resources and potential to establish geothermal power plants. It is recommended that further multidisciplinary studies are carried out, including geology, geophysics, hydrogeology and geothermal.
Key words: Heyuan fault    geothermal    quartz reef    tectonic stress field    groundwater circulation    
0 引言

广东省是中国经济发展的重要区域,特别是珠江三角洲地区,人口稠密,工业发达,高新科技集中,对能源的需求量极大。根据国家粤港澳大湾区的战略部署和能源战略规划,广东省将更加重视开发可持续利用的地热能。

中国拥有丰富的地热能,直接利用量位居世界第一,每年18 GW,其后分别是美国(17 GW)和瑞典(6 GW)[1]。然而,中国的地热发电量却远低于世界先进水平,美国以3 GW的地热发电量居全球第一,而中国只有27 MW[2]。显然,中国地热能间接利用具有极大的发展潜力,广东省地热资源量仅次于西藏和云南[3],但区位优势更加明显。文章以广东省境内河源为重点研究区,河源地区内温泉众多,拥有“温泉之都”的美誉,自然条件优越,显示良好的地热开发前景。河源地区的温泉受河源断裂带控制明显。根据汪集旸等[4]的研究,河源断裂带处于中国大陆6个高热流区域中位居第三的东南沿海高热流区。

在广东省政府相关部门的资助下,项目围绕河源断裂带地热资源开展了构造地质、地球物理、水文地质以及地球动力学等多学科、多国家的综合研究,主要目标是寻找合适地点,钻获发电用高温热井,使中国东部高温地热发电实现零的突破。而查明构造与地热的成因关系,从而更好地掌握研究区的地热分布规律,无疑是实现上述目标的重要基础。文章是该项研究的阶段性认识,希望通过河源断裂带与地热活动关系的探讨,为深入认识地热分布规律和形成机理提供参考。

1 构造背景

广东省跨越华南和华夏两大构造单元,一般认为以政和—海丰断裂带为界,其西北为华南“加里东褶皱带”,其东南为“华夏地块”[5]。区内发育元古代到早古生代基底,加里东运动导致基底变形和变质,随后沉积了晚古生代—早中生代盖层。印支和燕山运动使基底连同盖层一并褶皱,形成了多组断裂构造体系。上述三次构造运动的主幕均伴有岩浆活动,且以花岗岩侵入为主要特征[5-6]。燕山运动后期,华夏地块东南缘进入拉伸阶段,出现弧后扩张,形成北北东和北东东向断裂带以及相关盆地,例如南海北部大陆架的珠江口盆地,粤东南的惠阳、河源盆地[7]。控制这些拉张盆地的主要断裂带分别是滨海断裂带、长乐—南澳断裂带、政和—海丰断裂带和河源—邵武断裂带[8]

河源地区发育北北东、北东东和北北西向等三组走向不同的断裂(图 1)。北北东向断裂带包括河源—邵武断裂、人字石断裂和大坪—岩前断裂[9];北东东向断裂带主要为南山—坳头断裂;而北西西向断裂带为石角—新港—白田断裂。不同方向断裂切穿了近东西向展布的中生代大型花岗岩体(佛冈岩体)[10-11]。河源—邵武断裂是华南地区北北东向深大断裂之一[12],延伸长约700 km,从福建的邵武向西南穿越江西进入广东,断裂主体位于广东省境内,在不同文献中往往依所在地给予不同的命名,文中简称为河源断裂。已有研究认为[13-14]:河源断裂带具长期活动特征,其活动控制着晚侏罗世以来的沉积相带、变质岩带、花岗岩带及岩浆喷发等;新生代活动仍比较明显,该断裂带不但控制了半地垒—半地堑地貌的展布,而且沿断裂带有多处温泉溢出[4],并在1962年发生过Ms 6.1级水库诱发地震。

1—第四系;2—古近系;3—白垩系;4—侏罗系;5—石炭—二叠系(局部少量三叠系);6—泥盆系;7—寒武奥陶系;8—晚元古界;9—侏罗纪花岗岩(局部白垩纪);10—三叠纪花岗岩;11—白垩纪末—古近纪初基性岩;12—地质界线;13—断层及其编号(粗细示断层规模,虚线代表隐伏断裂或线性构造);14—天然温泉;15—热水井;16—钻孔;17—水文取样点;18—取样编号;19—剖面位置;20—城镇
F1—河源断裂,F2—人字石断裂,F3—大坪—岩前断裂,F4—石角—新港—白田断裂,F5—南山—坳头断裂;A-A′—表示剖面位置
a—河源地区相关断裂、地层、主要花岗岩体、温泉和取样位置图;b—横切河源断裂带和河源盆地剖面示意图
图 1 河源地区地质构造简图和剖面示意图(据广东省地质局、广东省有色地质环境中心内部资料以及野外实测综合) Fig. 1 Overview geological map of the Heyuan area and a cross-section schematic

河源断裂带具有3个显著特征:①走向突变——在河源市附近走向从北北东转为北东东再回到北北东向,与周围近于直线型展布的断裂形成鲜明对比;②沿断裂带分布众多温泉;③沿断裂带发育几十米厚的硅化带,硅化程度从断层带核部向两侧减弱,并逐步过渡到围岩,如柳城镇205国道旁,可见从断裂带核部到两侧,强硅化带逐步过渡为糜棱岩、碎裂岩和花岗岩(图 2)。

a、b、c、d分别表示观测点照片及对应位置;露头照片显示断裂带不同岩相(从花岗岩到石英岩脉)脆性变形和石英成分均增加 图 2 河源断裂带野外岩相变化示意图(位置见图 1b) Fig. 2 Cross-section schematic of the Heyuan Fault, showing the relative position of the fault zone facies, based on field observations

从宏观到微观的各种尺度下,都能见到花岗岩的糜棱岩化和硅化(包括粗—细石英脉),显微镜下还可见到硅化带多期复杂的变形和裂缝愈合现象(图 3)。糜棱岩是压剪作用的典型产物,石英岩脉则代表了张裂隙和流体的作用。显然,河源断裂带经历了多期次复杂构造变形及相关的流体作用过程。

a—样品HY17-13,正交偏光5倍,显示石英颗粒被错断,石英细脉贯入;b—样品HY17-18b,正交偏光5倍,显示平行糜棱岩面理方向的石英脉 图 3 硅化带岩石多期次变形和裂缝愈合显微构造特征 Fig. 3 Two thin sections showing multiple phases of deformation and fracture healing
2 水岩反应与硅化带

河源断裂带中厚达十几米的硅化带是该断裂带的显著特征之一。硅化带厚度大、质地纯、品质高,作为石英矿开采。硅化带不仅沿河源断裂带发育,与河源断裂相交的北西向断裂中也常有分布,但厚度相对较小。

研究表明,硅化带是地热流体作用的产物。相关的化学反应为流体中的氢离子与钾长石发生化学反应,形成钾离子、云母和二氧化硅溶液[15]。该反应可以表示为:

$ \begin{array}{c}{3 \mathrm{KAlSi}_{3} \mathrm{O}_{8}+2 \mathrm{H}^{+} \rightleftharpoons \mathrm{KAl}_{3} \mathrm{Si}_{3} \mathrm{O}_{10}(\mathrm{OH})_{2}+} \\ {2 \mathrm{K}^{+}+6 \mathrm{Si} \mathrm{O}_{2}(\mathrm{aq})}\end{array} $ (1)

一般在200 ℃以上,上述反应能快速进行[15]。河源断裂带所处基岩为花岗岩,含有大量钾长石;地壳深部流体有多种方式获得氢离子,使这一反应持续进行。二氧化硅溶液迁移到合适的温度、压力条件下便会发生沉淀,这一过程与温泉附近碳酸钙泉华的形成原理基本相同。但SiO2泉华极少形成于地表,绝大部分硅化带形成于地下一定深度,经后期构造抬升后才会剥露出来。

野外观测表明,断裂带常以硅化带为中心,两侧分别过渡到(硅化)糜棱岩、碎裂岩,再到未变形的花岗岩(图 3)。常温常压下的地表或近地表不可能形成糜棱岩,硅化带最初一定形成于深部。硅化与糜棱岩化应该是同时异地的产物,两者应有成因关系:SiO2迁移后仍残留的花岗岩和新生的云母,构成糜棱岩的主要成分。

研究表明,河源断裂带在晚白垩世—古近纪以伸展变形为主[14],断裂破碎为含硅热液的运移提供了通道。SiO2的沉淀(硅化)使断裂的渗透性逐步降低,流体迁移受阻。因此,形成巨厚硅化带的前提应当是断裂伸展与SiO2沉淀速率长期保持一致。

现今河源地区温泉的水文地球化学测试结果显示[16],河源地区温泉水为偏硅酸型,以含钾、钠等阳离子为特征,这意味着上述反应可能仍在深部进行。

3 地热特征与热源分析 3.1 地表热流与温泉

已有资料表明[4, 17],华南的地表热流较高,平均超过72 mW/m2,最高处超过90 mW/m2(图 3)。研究区热流梯度在70~80 mW/m2之间,最高可达85 mW/m2,沿河源断裂带走向温度较高。Wang等[18]根据地表热流估计河源断裂带广东省境内4.5 km深处平均地温约150 ℃,在6.5 km深处地温可能增加到200~250 ℃。

广东省境内水温高于30 ℃的温泉有320处[19],7处水温超过90℃[20]。其中沿河源断裂带共有35处天然温泉溢出。野外实测3个温泉水温在55.7~62.5 ℃之间,与Mao等[21]在该区域的测量结果可相互验证(表 1),实测的3个温泉点的流量在3~6 L/s之间。

表 1 研究区内沿河源断裂带分布的温泉温度和流量 Table 1 Measurements of hot springs along the Heyuan Fault Zone.

河源断裂带与北西向石角—新港—白田断裂交汇的巴登城附近,间距0.2至1.0 km不等的6个钻孔所测出的水温差异较大,变化范围在27 ℃至64 ℃之间(表 2);而且流量差异也较大,从0.75 L/s至16.2 L/s不等。除了钻孔ZK1外,其余钻孔的流量和温度显示正相关关系,特别是钻孔ZK7,温度和流量均远高于其它钻孔。

表 2 河源断裂带的浅层钻孔测量的地下水温度和流量 Table 2 Groundwater measurements obtained from shallow boreholes along a section of the Heyuan Fault in the Badengcheng area.
3.2 热源分析 3.2.1 花岗岩体放射性生热

研究区位于佛冈岩体东部(或称新丰岩体),东部则为白石岗岩体,形成于燕山运动主幕(晚侏罗世)。有研究认为巨厚花岗岩基可能是热流异常的原因[6]。经典地壳地热模型[22]使用地壳顶部10 km厚的花岗岩体估计放射生热量。由于放射性元素为不相容元素,会在花岗岩熔体中分离出来,向上迁移到岩体顶部沉淀富集,因此,花岗岩体顶部放射性元素含量更高。研究区缺少针对花岗岩体内部生热探测深井,这里仅依据典型一维地热模型中放射性元素生热量随深度呈指数衰减假定[23],估算地表产热率的最大值。

Sun等[24]分析了佛冈岩体的37个样品,其平均密度为2.57 g/cm3,Th、U和K2O的加权平均值分别为51 mg/kg、11 mg/kg和5.12%,Th/U比值为4.96,根据Rybach[25]所提出的公式计算出产热率(A0):

$ A_{0}=10^{-5} \rho\left(2.56 C_{\mathrm{Th}}+9.52 C_{\mathrm{U}}+3.48 C_{\mathrm{K}}\right) $ (2)

其中ρ表示密度,kg·m-3CUCTh为以mg/kg为单位的U和Th的浓度;CK为以重量百分比表示的K的浓度。所计算出的产热率为6.77 μW/m3,明显高于2.5 μW/m3的世界地表平均生热率。

Zhang等[26]也对佛冈岩体和白石岗岩体样品进行了全岩微量元素分析,其中Th含量为28.0~39.9 mg/kg,U含量为8.15~39.0 mg/kg,K2O含量为4.58%~4.99%。该结果中U的浓度变化范围相当大。假设岩体密度相似,由这些数据计算出的产热率在4.5 μW/m3~12.6 μW/m3之间,平均为6.9 μW/m3。如果将最高值12.6 μW/m3作为异常值加以排除,所得到的生热率为4.5~6.8 μW/m3(平均5.65μW/m3),仍表明花岗岩体放射性生热对地热有显著贡献。

Birch等[27]最早提出热流(q0)和地表生热率(A0)之间存在线性关系,表示为:

$ q_{0}=q^{*}+D A_{0} $ (3)

其中D表示受花岗岩放射热影响的区域的深度,而q*为来自花岗岩体下方即地幔的热流[28]。取地幔热流的均值q*=25 mW/m2,以5.65 μW/m3热产量、花岗岩体平均厚度10 km进行花岗岩放射性最大生热值估算。由上式(3)获得热流(q0)的上限值为81.5 mW/m2,与该区域已知的热流结果基本一致[4]。以上为最大估算值,但研究区仍存在高达85 mW/m2的热流值[17],因此河源地区可能还存在其它热源。

3.2.2 其它热源

其它可能的热源包括:岩浆的残留热、剪切生热、地幔热流正异常、热流体的对流。

华南沿海以侏罗纪花岗岩为主,形成时代较早。即便是燕山晚期(白垩纪)花岗岩,也形成于60~70 Ma前,而岩浆冷却所需时间一般为20~40 Ma。因此可以认为区域内温泉和花岗岩浆活动没有直接关系[29]

剪切生热在长时间尺度和短时间尺度上都可以发生。短时间尺度的剪切生热是地震断层突发运动的结果,长时间尺度的剪切生热是非地震的剪切变形所致[30],有资料表明非地震蠕变和地表高热流共存的现象[31]。计算剪切生热对地表热流的贡献需要考虑岩石圈伸展的时空尺度。研究表明河源断裂带深部发生中地壳减薄和莫霍面抬升[32],而河源断裂带垂直剖面上的伸展因子β大约为1.2~1.8之间。假如伸展运动始于晚白垩世,所得伸展速率太低,长时间剪切生热的贡献极其有限。

新丰江水库蓄水之后诱发了6.1级水库地震,主震发生后小震频繁。但小震只发生在河源断裂与北西走向走滑断裂交汇部位,虽然不排除其他段落持续非震剪切蠕变产生摩擦热的可能性,但相对中国大陆其他活动构造带,河源断裂带及相邻断裂的蠕滑速率极小,地震活动性也很低,短时间剪切生热的因素也几乎可以忽略不计。

限于深部地球物理资料,目前尚难确定地幔热流值贡献。然而,地质调查表明,河源断裂带玄武岩浆活动仅发生于白垩纪晚期到新生代早期[33],与断裂伸展活动耦合。此后基性岩浆活动向东南方向依次退缩到沿海、大陆架和大陆坡。现已查明,南海大陆架存在新近纪至全新世的海底基性火山喷发,但现今测井资料所计算出的大陆架盆地平均热流值仅为68 mW/m2,与河源断裂带相比,并没有明显升高。直至南海深海盆地热流值才上升到100 mW/m2[34],暗示河源断裂带现今地幔热流的贡献也不显著。

4 断裂构造与地下水循环关系

在空间上河源地区的温泉分布与断裂带显示出较明显相关性,意味着区域应力场特征、断裂及其活动特征等都可能影响了地下水运动。

4.1 现今构造应力场

研究区内的新丰江水库自1959年蓄水开始即监测到小震活动明显增多,持续到1962年3月29日,发生了Ms 6.1级强震,并成为弱活动构造区水库诱发强震的典型案例[9]。该地震的震源机制解是研究区现今区域构造应力场的最直接证据。

王妙月等[35]根据震源机制解,确定新丰江水库地震的最大主压应力方向为N73°W,最小主应力方向为N17°E,两个节面的走向分别为N28°W和N62°E;利用震源有限破裂速度传播的瑞利波振幅谱中产生的极小值,确定发震断裂并非河源断裂带,而是与之相交的北西向断裂。余震分布也支持这一结论。王妙月等[35]进一步研究认为,大部分前震所反映的应力场与主震相似,前震破裂面与主破裂面近于平行;早期余震的发震应力场与主震应力场相近,但后期应力方向变化较大。如果将后期余震的发震应力场解释为主破裂后的局部应力调整,那么主震应力场就代表河源地区现今的构造应力。根据最大水平主应力和断层线间的夹角,河源断裂现今受压剪应力作用,应发生右旋走滑。

然而,地质资料表明[36],包括河源盆地在内的华南沿海大多数中生代晚期—新生代早期沉积盆地属于断陷盆地,代表自白垩纪—早新生代的伸展变形。显然,现今应力场与古应力场存在明显差异,断层力学性质发生了反转,导致断层带的渗透性和地下水循环格局也相应发生了改变。

4.2 地下水循环

上文讨论表明,河源地区拥有地热形成的有利条件(较高的地热异常)和温泉溢出的必要条件(断裂通道)。

相关学者曾指出,断层的交叉部位可成为热流体向地表运移重要通道[37],并且对该过程的地质及力学机制进行过较深入研究[38]。Person等[39]的解析分析以及数值计算还表明:当裂缝宽度在10 cm量级时,单条裂缝宽度倍增可以使得流体峰值速度增加1%~8%,而两条宽度不变的裂缝相交却可以使得峰值流速增加20%~47%。同时伴随流体运移,热对流主要沿断层面发生;而热传导主要在断层两盘的岩层中进行。显然,断层交错位置极有利于热流体的向上迁移(图 4)。

图 4 流体循环概念模型 Fig. 4 Conceptual diagram of fluid circulation

广东省核工业局292地质大队在其位于河源市区的办公及生活区内、距河源断裂带南东约750 m处进行了钻探,该井终井深度1197.67 m。在距地表约1000 m深度遇花岗岩硅化破碎带(断层倾角约58°),但这一深度地下水温仅为43 ℃。说明此处河源断裂渗透性较低,无地热异常。相反,在佗城镇(24°04′36″N, 115°08′53″E)和巴登城(23°37′35″N, 114°37′07″E)两处的北西向断裂与河源断裂相交部位,天然温泉和浅井水温就高达64.6~76.8 ℃,地热异常非常明显。这两处均可确认被北西向小断裂所切割,并见石英脉出露,意味着温泉来自地下水深循环。

根据已开展的多种环境同位素研究[16],包括稳定氢氧同位素、氦同位素以及放射性碳14同位素、氚同位素等,可以初步排除河源断裂带地热水循环跨流域深循环的可能,而单流域的循环深度估计可达6600 m以上,从另一侧面佐证了地下水深循环的推测。

现今北西西—南东东向的近水平挤压构造应力场作用下,北东向河源断裂带的渗透性降低;而北西向断裂则发生张或张剪作用,渗透性提高。因此,现今泉眼多受北西向断裂控制,呈现出北西向排列特征。

上文已分析,河源断裂带中巨厚硅化带是河源盆地早期拉伸状态下水热活动的产物。由于硅化带的沉积和封堵,加上构造应力场的转化,现今北东向的河源断裂带至少在浅部渗透性不会太大。但由于河源断裂带规模大,切割深,不排除深部渗透性仍然较好,使得河源断裂带与北西向断层的交汇处成为地下水深循环的最佳通道。

因此,河源地区地下水循环模式可能是:地下水在深部沿着渗透性较好的河源断裂带流动;到了浅部,因硅化带的封堵转向渗透性较好的北西向断裂溢出;形成温泉沿河源断裂呈带分布,沿北西向断裂呈线性溢出的现象。

4.3 三维构造模型

研究区温泉属裂隙型水,断裂的分布和力学性质对裂隙型储水层具有至关重要的意义。根据已有资料和认识,文章尝试性地建立了研究区三维深部结构模型。

根据美国宇航局公布的全球数据(http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/)中的遥感数据ASTER Global DEM V2以及ESA CCI Land Cover项目(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/index.php)在近红外表面反射带铺设中分辨率成像光谱仪得到的数据,结合Google Earth可以辨析出至少两条北北东走向线性构造,这两条线性构造似乎切割了若干北东东向断层线;另外GIS影像显示一系列北西向线性构造与河源断裂相交,部分地段得到了野外填图、构造测量和硅化带露头证实,这些北西向断层很可能呈高角度倾向北东或近乎直立,与现今构造应力场匹配(图 1a中红色虚线)。

断层三维建模采用了GeoModeller软件(http://www.geomodeller.com)。模型中包含的断裂(含推测断裂)见表 3。初步建立的河源地区断裂三维结构模型见图 5。注意图中横坐标不是以研究区左下角为坐标原点,而是以系统中WGS84/UTM Zone50 N为参考坐标的值。

表 3 地质模型中的断层及其参数 Table 3 Faults considered in the geomodel, the parameters used, and comparison with other sources.

灰色为推测断层;断层标号对应的断裂名称见表 3 图 5 三维断裂结构模型 Fig. 5 3D structure of faults

断裂构造和温泉位置(图 1a)关系显示,区域上主要的温泉点均位于次级断裂与河源断裂带的交汇位置(含上述隐伏断层)。因此,断裂带交汇处和温泉分布在空间上构成了可相互验证的关系。当然,因目前所依据的资料较少,图 5中断层模型还有待未来进一步细化。

5 地热资源评估

根据地质矿产部的《地热资源地质勘探规范》(GB/T 11615-2010)[40],地热资源量按以下公式计算得出。

$ Q=A d P_{\mathrm{r}} C_{\mathrm{r}}(1-\varphi)\left(t_{r}-t_{\mathrm{o}}\right) $ (4)

其中Q是地热资源量,单位为kcal;A是热储面积,m2d是热储厚度,m;tr是热储温度,℃;to是基准温度,℃;Pr是岩石密度,kg/m3Cr是热储岩石的比热,J/(kg·℃);φ是岩石孔隙度。以沿河源断裂带从河源市至龙川市约80 km、断层两侧各10 km(图 1a显示断层两侧花岗岩出露不少于10 km)、花岗岩层厚度5 km(尚无准确数据时的保守估计)计算,上式中Ad乘积为8×1012 m3。取5 km深度范围平均温度120 ℃、地区年平均温度20 ℃,热储温度和基准温度差为100 ℃。考虑到花岗岩孔隙度很低,在计算平均热容时忽略孔隙度和水的影响,取花岗岩比热794 J/(kg·℃)、密度2500 g/cm3(取略小于Sun等[26]获得的密度值),由此计算得到河源断裂带地热资源量在1.6×1021 J量级。这一估算中,热储体积远小于该地区具有生热能力的花岗岩体积;5 km深度内热储温度取120 ℃也是保守的估计;平均热容计算忽略孔隙度造成的误差和前两项的误差相比可以忽略。总体而言,1.6×1018 kJ地热资源量是一个非常保守的估计值。

所计算出的热资源量远大于大型地热田的标准(服务周期30年、单位时间供应热量大于50 MW)。同时,应该注意到的是,除花岗岩外,河源地区还可能存在其它热源,并以热对流带来的深部热源最为可能。因此,总体上看广东省河源断裂带沿线应具有极其丰富的地热资源以及地热应用与开发前景。

6 讨论与结论 6.1 讨论

地质构造和地下水循环分析揭示了河源断裂带独特的动力学过程,其地热前景十分看好。

(1) 河源地区现有花岗岩成分有较高的产热背景。但该地区存在比背景更高的地表热流值,意味着可能还存在其它热源。这一热源不太可能来自断层运动的剪切热,也不太可能来自中生代岩浆的残余热,地壳深部流体的热源可能也有限。沿断裂深循环地下水对流有可能是地表地热异常的主因。

(2) 硅化带反映了古水热活动。深部地热活动使花岗岩中的长石分解,形成云母、钾离子和SiO2溶液,SiO2溶液随地下水运移,在地下合适的温压环境下沉淀,形成硅化带。后期构造抬升使硅化带剥露地表。该过程仍在继续中,但地下水循环的温压环境和路径可能发生了改变。其中仍有一些问题值得今后深入探讨,例如,深部如何提供几十米厚硅化带所需的沉淀空间,硅化带形成与构造演化关系等。

(3) 北东向的河源断裂带早期主要以张性运动为主,成为地下水流动的良好通道,也为SiO2的迁移、沉淀提供了空间。反过来,SiO2沉淀又使得断裂渗透率降低,甚至堵塞流体通道。巨厚的硅化带可能暗示断层伸展速度和SiO2沉淀速度长期保持一致。现今构造应力场发生了反转(主压应力为N73°W),北西向断裂处于张性,北东向断裂处于压性,特别是硅化之后,断裂渗透率降低。推测深部高温处含硅热液仍可以大型北东向断裂带为通道,浅部则以北西向断裂为通道,最终使两者的交汇部位成为地下水循环和排泄的最佳通道。

(4) 根据目前地表热流估算的地热梯度,在上地壳约6.5 km处的温度可达到约200~250 ℃[17];水文地球化学研究表明,河源断裂带附近地下水循环深度可以达到6.6 km以上[26]。意味着河源地区温泉所依赖的水循环系统完全可以达到地热发电所需要的180 ℃以上高温。但要注意的是,河源地区地下水为典型的裂隙型地下水系统,其典型特征是渗透率的不均性,水循环通道集中在断裂带和裂隙网络。在类似地区进行地热开发,关键是寻找最佳热泉通道。因此综合多种资料获取断层分布信息、建立地下水流动的三维结构模型并模拟研究地下水流动,将是未来地热开发的必经途径。

(5) 文中初步建立了三维地质模型,其中一些断裂参数有待未来工作进行确认和修改,但已经可以显示出不同断层的相互交错关系。

(6) 河源地区拥有令人鼓舞的地热开发应用前景,完全有可能达到建设地热发电厂的目标。但是,裂隙型地下水开发的重点是发现最佳的水流通道。建议未来工作中可进一步通过活动断裂和新构造分析结合地表形态识别,确定河源地区断裂分布和活动性;再利用地球物理技术(地震和大地电磁)查明深部构造形态;进而综合多种资料建立更完整的三维地质模型并实施地下水循环模拟,由此确定潜在的目标位置和预期的地热模型,为地热开发提供更为可靠的地质依据。

6.2 结论

河源地区广泛分布的花岗岩中的放射性元素是该地区高地表热流的主要成因,沿断裂带的异常热流主要归因于沿断裂带流体深循环的热对流作用。河源地区早期挤压应力方向为北东—南西,对应于晚白垩世至古近纪河源断裂及河源盆地的伸展活动,是硅化带形成的主要时期;现代构造挤压应力方向为北西西—南东东,与古应力场相比发生了明显改变。现今构造应力场使得北东向河源断裂呈右旋挤压运动,而北西向断裂则发生左旋张剪,导致地下水循环格局也发生了相应改变。目前温泉沿河源断裂呈带分布,沿北西向断裂呈线性溢出,断裂交汇部位是热泉上升的主要通道。

河源断裂中的厚层硅化带是古水热活动的产物。硅化带的形成过程是一个热—流体—力学—化学耦合过程,对此展开深入研究有望获得地球动力学演化新认识。总体而言,河源地区拥有令人鼓舞的地热资源及应用前景。对于典型的裂隙型地下水,寻找最佳流水通道是河源地区地热开发的关键。因此综合多种资料获取断层分布信息、建立地下水流动的三维结构模型并模拟研究地下水流动,将是未来地热开发的必经途径。

致谢: 感谢广东省核工业局292地质大队在野外工作中的帮助和数据、图件的共享。感谢邹和平教授、Marco Herwegh教授、以及王中正、邱晓林、戚超、李骁阳、施雨彤、陈霄等同学的支持和帮助。

参考文献/References
[1]
LUND J W, BOYD T L. Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review[C]//Proceedings World Geothermal Congress. Melbourne, Australia, 2015. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375650511000344
[2]
BERTANI R. Geothermal power generation in the world 2010-2014 update report[J]. Geothermics, 2016, 60: 31-43. DOI:10.1016/j.geothermics.2015.11.003
[3]
陈墨香. 中国地热资源的分布及其开发利用[J]. 自然资源, 1992, 7(3): 40-46, 58.
CHEN Moxiang. Geothermal distribution and utilities in China[J]. Advances of Earth Sciences, 1992, 7(3): 40-46, 58. (in Chinese)
[4]
汪集旸, 胡圣标, 庞忠和, 等. 中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J]. 科技导报, 2012, 30(32): 25-31.
WANG Jiyang, HU Shengbiao, PANG Zhonghe, et al. Estimate of geothermal resources potential for hot dry rock in the continental area of China[J]. Science & Technology Review, 2012, 30(32): 25-31. DOI:10.3981/j.issn.1000-7857.2012.32.002 (in Chinese with English abstract)
[5]
WAN T F. The tectonics of China:data, maps and evolution[M]. Berlin Heidelberg: Springer, 2012.
[6]
WANG A D, SUN Z X, HU B Q, et al. Guangdong, a potential province for developing hot dry rock geothermal resource[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 492: 583-585. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.492
[7]
LIU R X, XIE G H, ZHOU X H, et al. Tectonic environments of cenozoic volcanic rocks in china and characteristics of the source regions in the mantle[J]. Chinese Journal of Geochemistry, 1995, 14(4): 289-302. DOI:10.1007/BF02872628
[8]
王霄飞, 余珊, 龚跃华, 等. 华南北东向断裂在南海北部陆架的延伸[J]. 大地构造与成矿学, 2014, 38(03): 557-570.
Wang Xiao Fei, Yu Shan, Gong Yue Hua, et al. Extension of NE-trending faults in south china to northern south china sea continental shelf[J]. Geotectonica et Metallogenia, 2014, 38(3): 557-570. (in Chinese with English abstract)
[9]
CHENG H H, ZHANG H, ZHU B J, et al. Finite element investigation of the poroelastic effect on the Xinfengjiang reservoir-triggered earthquake[J]. Science China Earth Sciences, 2012, 55(12): 1942-1952. DOI:10.1007/s11430-012-4470-8
[10]
CHEN L, TALWANI P. Reservoir-induced seismicity in China[J]. Pure and Applied Geophysics, 1998, 153(1): 133-149. DOI:10.1007/s000240050188
[11]
QIU X, FENTON C. Factors controlling the occurrence of reservoir-induced seismicity[C]//Lollino G. Engineering Geology for Society and Territory. Cham: Springer, 2015, 6: 567-570. https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-09060-3_102
[12]
LEE C F, YE H, ZHOU Q. On the potential seismic hazard in Hong Kong[J]. Episodes, 1997, 20(2): 89-94.
[13]
刘大任. 邵武-河源断裂带活动性及分段评价[J]. 地质力学学报, 1997, 3(2): 54-60.
LIU Daren. Segmentation of the Shaowu Heyuan fault zone and their activity assessment[J]. Journal of Geomechanics, 1997, 3(2): 54-60. (in Chinese with English abstract)
[14]
邹和平, 彭樊源, 苏章歆, 等. 河源伸展剥离断层(博罗-龙川段)及其第四纪活动特征[J]. 华南地震, 2010, 30(S1): 1-9.
ZOU Heping, PENG Fanyuan, SU Zhangxin, et al. Discussions on the Heyuan extensional detachment fault from Boluo to Longchuan and its quaternary activities[J]. South China Journal of Seismology, 2010, 30(S1): 1-9. (in Chinese with English abstract)
[15]
REGENAUER-LIEB K, VEVEAKIS M, POULET T, et al. Stimulating granites: from synchrotron microtomography to enhancing reservoirs[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2015. Melbourne, Australia, 2015.
[16]
QIU X L, WANG Y, WANG Z Z, et al. Determining the origin, circulation path and residence time of geothermal groundwater using multiple isotopic techniques in the Heyuan Fault Zone of Southern China[J]. Journal of Hydrology, 2018, 567: 339-350. DOI:10.1016/j.jhydrol.2018.10.010
[17]
HU S B, HE L J, WANG J Y. Heat flow in the continental area of China:A new data set[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2000, 179(2): 407-419. DOI:10.1016/S0012-821X(00)00126-6
[18]
WANG G, LI K, WEN D, et al. Assessment of geothermal resources in China[C]//Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. California: Stanford University, Stanford, 2013, 10.
[19]
田春艳. 广东省中高温地热资源勘查与开发利用建议[J]. 地下水, 2012, 34(4): 61-63.
TIAN Chunyan. Suggestions on the exploration and development of high temperature geothermal resources in Guangdong province[J]. Groundwater, 2012, 34(4): 61-63. (in Chinese with English abstract)
[20]
XI Y, WANG Y, HU X, et al. Geothermal structure revealed by Curie isotherm surface in Guangdong province[C]//International Workshop and Gravity, Electrical & Magnetic Methods and their Applications. Chengdu, China, 2015: 189-192.
[21]
MAO X M, WANG Y X, ZHAN H B, et al. Geochemical and isotopic characteristics of geothermal springs hosted by deep-seated faults in Dongguan Basin, Southern China[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2015, 158: 112-121. DOI:10.1016/j.gexplo.2015.07.008
[22]
LACHENBRUCH A H, SASS J H. Heat flow and the thermal regime of the crust[C]//HEACOCK J G. The Earth's Crust, Its Nature and Physical Properties. Washington, D. C: American Geophysical Union, 1977: 626-675.
[23]
VIGNERESSE J L, CUNEY M. Are granites representative of heat flow provinces[A]//AČG ERMÁK V, RYBACH L. Terrestrial heat flow and the lithosphere structure[M]. Berlin: Springer, 1991.
[24]
SUN Z X, WANG A D, LIU J H, et al. Radiogenic heat production of granites and potential for hot dry rock geothermal resource in Guangdong province, Southern China[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2015. Melbourne, Australia, 2015.
[25]
RYBACH L. Determination of heat production rate[C]//HÄNEL R, RYBACK L, STEGENA L. Handbook of Terrestrial Heat Flow Density Determination. Dordrecht: Kluwer, 1988, 125-142.
[26]
ZHANG Y, YANG J H, SUN J F, et al. Petrogenesis of Jurassic fractionated I-type granites in Southeast China:Constraints from whole-rock geochemical and zircon U-Pb and Hf-O isotopes[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 111: 268-283. DOI:10.1016/j.jseaes.2015.07.009
[27]
BIRCH F, ROY R F, DECKER E R. Heat flow and thermal history in New York and New England[C]//ZEN F A, WHITE W S, HADLEY J B, et al. Studies of Appalachian Geology: Northern and Maritime. New York: Interscience Jr, 1968: 437-451.
[28]
WEBB P C, LEE M K, BROWN G C. Heat flow-heat production relationships in the UK and the vertical distribution of heat production in granite batholiths[J]. Geophysical Research Letter, 1987, 14(3): 279-282. DOI:10.1029/GL014i003p00279
[29]
钟建强, 周蒂. 华南沿海温泉分布与地震活动关系初探[J]. 华南地震, 1990, 10(4): 22-29.
ZHONG Jianqiang, ZHOU Di. A preliminary study of the relationship between the distribution of hot springs and the activity of earthquakes along south China coast[J]. South China Journal of Seismology, 1990, 10(4): 22-29. (in Chinese with English abstract)
[30]
SIBSON R H. Fault rocks and fault mechanisms[J]. Journal of the Geological Society, 1977, 133(3): 191-213. DOI:10.1144/gsjgs.133.3.0191
[31]
SIBSON R H. Continental fault structure and the shallow earthquake source[J]. Journal of the Geological Society, 1983, 140(5): 741-767. DOI:10.1144/gsjgs.140.5.0741
[32]
ZHAO B, BAI Z M, XU T, et al. Lithological model of the South China crust based on integrated geophysical data[J]. Journal of Geophysics and Engineering, 2013, 10(2): 25005.
[33]
广东省地质矿产局. 广东省区域地质志[M]. 北京: 地质出版社, 1998.
Geological Bureau of Guangdong Province. The geology of Guangdong Province[M]. Beijing: Geological Press, 1998. (in Chinese)
[34]
饶春涛, 李平鲁. 珠江口盆地热流研究[J]. 中国海上油气(地质), 1991, 5(6): 7-18.
RAO Chuntao, LI Pinglu. Study of heat flux in basins around the Pearl river delta[J]. China Offshore Oil and Gas (Geology), 1991, 5(6): 7-18. (in Chinese with English abstract)
[35]
王妙月, 杨懋源, 胡毓良, 等. 新丰江水库地震的震源机制及其成因初步探讨[J]. 地球物理学报, 1976, 19(1): 1-17.
WANG Miaoyue, YANG Maoyuan, HU Yuliang, et al. Mechanism of the reservoir impounding earthquakes at Xinfengjiang and a preliminary endeavour to discuss their cause[J]. Acta Geophysica Sinica, 1976, 19(1): 1-17. (in Chinese with English abstract)
[36]
陈伟光. 华南沿海沉积盆地的新构造运动及其与地震的关系[J]. 华南地震, 1995, 15(2): 55-61.
CHEN Weiguang. On the relation between earthquake and neotectonic movement of depositional basins in coastal area of south China[J]. South China Journal of Seismology, 1995, 15(2): 55-61. (in Chinese with English abstract)
[37]
CHADWICK R A, LEONARD R B. Structural controls of hot-spring systems on southwestern Montana[M/OL]. USGS Open-File Report 79-1333. U.S. Geological Survey, 1979. https://pubs.usgs.gov/of/1979/1343/report.pdf.
[38]
CUREWITZ D, KARSON J A. Structural settings of hydrothermal outflow:Fracture permeability maintained by fault propagation and interaction[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1997, 79(3-4): 149-168. DOI:10.1016/S0377-0273(97)00027-9
[39]
PERSON M, HOFSTRA A, SWEETKIND D, et al. Analytical and numerical models of hydrothermal fluid flow at fault intersections[J]. Geofluids, 2012, 12(4): 312-326. DOI:10.1111/gfl.2012.12.issue-4
[40]
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.地热资源地质探勘规范: GB/T 11615-2010[S].北京: 中国标准出版社, 2011.
General administration of quality supervision, inspection and quarantine of the People's Republic of China, Standardization administration. Code for geological exploration of geothermal Resources: GB/T 11615-2010[S]. Beijing: Standards Press of China, 2011. (in Chinese)