地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 501-508
引用本文
张盛生, 张磊, 田成成, 蔡敬寿, 唐保春. 青海共和盆地干热岩赋存地质特征及开发潜力[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 501-508.
ZHANG Shengsheng, ZHANG Lei, TIAN Chengcheng, CAI Jingshou, TANG Baochun. OCCURRENCE GEOLOGICAL CHARACTERISTICS AND DEVELOPMENT POTENTIAL OF HOT DRY ROCKS IN QINGHAI GONGHE BASIN[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 501-508.
青海共和盆地干热岩赋存地质特征及开发潜力
张盛生1,2 , 张磊1,2 , 田成成1,2 , 蔡敬寿1,2 , 唐保春1,2     
1. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院, 青海 西宁 810008;
2. 青海省水文地质及地热地质重点实验室, 青海 西宁 810008
摘要:青海共和盆地贮藏有丰富的干热岩地热资源。为提升共和盆地干热岩地热资源成因的理论认识,进一步推动干热岩资源的勘探,文章从共和盆地干热岩热源机制、盖层条件、储层特征等方面对共和盆地干热岩资源成因件进行了全面分析。首先,结合区域地质构造分析、地热地质调查、地球物理(航磁、地震)解译等手段,在共和盆地恰卜恰岩体内实施了4口深度为2927~3705 m的干热岩勘查孔,并在3705 m处钻获236℃的优质干热岩资源,为中国非现代火山区干热岩地热资源勘探的首个重大突破。其次,系统测试了钻孔不同深度花岗岩放射性,结果表明,共和盆地花岗岩体铀、钍、钾放射性含量略高于大地背景值,放射性生热率较低,对干热岩热源的贡献小,其热源可能来自壳内熔融体。第三,基于地质资料分析和航磁解译,圈定了共和盆地总体面积约1.4×104 km2的潜在干热岩分布区。最后,采用体积法评估了共和盆地干热岩资源潜力,结果表明,共和盆地3.0~6.0 km深度范围保守的、静态干热岩资源总量为8974.74×1018 J,换算标准煤可达3066.19×108 t,具有广阔的开发利用前景。
关键词共和盆地    干热岩    地温梯度    花岗岩    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.048     文章编号:1006-6616(2019)04-0501-08
OCCURRENCE GEOLOGICAL CHARACTERISTICS AND DEVELOPMENT POTENTIAL OF HOT DRY ROCKS IN QINGHAI GONGHE BASIN
ZHANG Shengsheng1,2 , ZHANG Lei1,2 , TIAN Chengcheng1,2 , CAI Jingshou1,2 , TANG Baochun1,2     
1. Institute of the Hydrogeology and Enigieering Geology of Qinghai, Xining 810008, Qinghai, China;
2. Key Laboratory of Hydrogeology and Geothermal Geology of Qinghai Province, Xining 810008, Qinghai, China
Abstract: The Gonghe Basin is rich in hot dry rock geothermal resources. In order to enhance the theoretical understanding of the genesis of hot dry rock geothermal resources in the Gonghe Basin and further promote the exploration of hot dry rock resources, a comprehensive analysis of the genesis of hot dry rock resources in the Gonghe Basin is made from the heat source mechanism, caprock conditions and reservoir characteristics. Firstly, combined with regional geological structure analysis, geothermal geological survey, geophysical (aeromagnetic, earthquake) interpretation, four hot dry rock exploration wells with the depth of 2927-3705 m were drilled in the Gonghe Basin. At 3705 m, the high-quality hot dry rock resources of 236℃ were obtained, which was the first major breakthrough in the exploration of hot dry rock geothermal resources in China's non-modern volcanic areas. Secondly, radioactivities of granites from different depths were tested. The results show that the radioactive elements content of U, Th and K in the granitoids of the Gonghe Basin is slightly higher than the background value of the earth, and the radioactive heat generation rate is relatively low, the contribution of radioactive heat to the heat source of hot dry rock is less and the heat source may come from the melt in the Crust. Thirdly, based on geological data analysis and aeromagnetic interpretation, the potential hot dry rock distribution area of the Gonghe Basin is about 1.4×104 km2. Finally, the volumetric method is used to evaluate the potential of hot dry rock resources in the Gonghe Basin. The results show that the total conservative and static amount of hot dry rock resources in the 3.0-6.0 km range of the Gonghe Basin is 8974.74×1018 J, and the converted standard coal can reach 306.619 billion tons, showing the broad prospects for development and utilization.
Key words: Gonghe Basin    hot dry rock    geothermal gradient    granite    
0 引言

干热岩是指内部没有或者仅存少量流体、温度高于180 ℃的异常高温岩体,一般干热岩上覆盖有沉积岩等隔热层。干热岩地热资源具有资源量巨大,污染排放小,安全性好,热能连续性好,不受季节、气候、昼夜制约,利用率高,成本低等特点[1],是一种有广泛利用潜力的清洁可再生资源[2-3]。迄今为止,全球共有美国、英国、德国、法国、澳大利亚、瑞士、瑞典、日本等多个国家相继建立了39个干热岩开发的EGS工程,曾投入发电的工程有14个,目前尚在运行的有5处,总装机容量为12.2兆瓦。其中法国苏尔茨项目于2013年实现了商业性发电,发电功率1.5兆瓦。

中国干热岩地热资源的研究起步较晚,自2006年起在福建漳州、云南省、河北省和苏北盆地等多处开展了干热岩地热资源潜力评估工作。2012年,蔺文静等[4]与汪集旸等[5]分别用体积法对中国大陆3.0~10.0 km深处的干热岩资源量进行了估算,结果均显示,中国大陆3.0~10.0 km深处干热岩资源基数巨大,约为2.5×1025 J,按2%的可采资源量计算,相当于中国2010年能源消耗总量的4400~5300倍。2013—2017年,在青海省国土资源厅及中国地质调查局的大力支持下,青海省水文地质工程地质环境地质调查院实施了共和盆地干热岩勘查项目,利用区域地球物理勘探、地面调查等工作手段,初步查明了青海共和盆地东北部的干热岩资源分布情况,并首次在青海省共和盆地3705 m处钻获236 ℃的干热岩体,实现了中国干热岩勘查突破,但对于青海共和盆地干热岩的赋存条件和开发潜力认识仍相对欠缺。文章从共和盆地干热岩的热源、盖层与储层三方面分析了共和盆地干热岩的成因,进而阐明了共和盆地地温场分布特征、圈定了干热岩有利区块、估算了共和盆地干热岩地热资源量,对后期干热岩勘探具有参考意义。

1 研究区概况 1.1 研究区概况

共和盆地位处青海省东中部,隶属于青海省海南藏族自治州,南北宽90 km,东西长210 km,总面积21186 km2。盆地中心地形较为平坦,海拔2850 m左右。黄河纵贯盆地东部,年平均流量663 m3/s。共和县恰卜恰地区位于共和盆地北东部(图 1),结合区域地质构造分析、地热地质调查、地球物理(航磁、地震)解译等手段,在共和盆地恰卜恰岩体内实施了4口深度为2927~3705 m的干热岩勘查孔。

图 1 研究区位置及区域地质构造简图 Fig. 1 The brief map of the location and regional geological structure of the research area
1.2 地热资源分布

根据以往地质、水文地质调查、地热地质勘查和勘探工作,盆地中分布有以传导热为主的层状热储[6],且分布范围遍布整个盆地。共和盆地层状热储,可分为下更新统低温温水热储和新近系低温热水热储,其中下更新统热储埋深50~560 m,岩性为第四系亚粘土、亚砂土,该热储具有埋藏浅,水质好,水量大,水温偏低的特点;新近系中温热水热储埋深270~1550 m,盖层岩性为新近纪泥岩、砂质泥岩为主,热储层岩性为新近系粉细砂岩、中砂岩及含砾中粗砂岩为主,该热储具有水质好且温度高的特点。平面上,远离山前冷水带、盖层条件较好的盆地中部地区(如恰卜恰地区)的热流值较高(平均热流为114.7 mW/m2)。

2 区域地质背景条件 2.1 区域地质构造分析

区域性的深大断裂是深部热量传递到浅部的重要通道。尽管共和盆地内由于受到沉积物覆盖的影响,断裂迹象在地表展布不明显,但盆地周边深大断裂较为发育(图 1)。盆地北缘受青海湖南山断裂控制,该断裂是祁连地块与昆仑地块的分界断裂,北西走向,长度大于650 km,是一条断面微向南倾的近直立、切穿岩石圈的活动断裂[7];盆地西侧受温泉—瓦洪山断裂控制,断裂呈北北西—北西走向,控制了盆地与东昆仑岩浆岩带接触,整体上表现为右行走滑特征;其东南受马沁文都断裂控制,该断裂为西南—北东走向,整体上同样表现为右行走滑特征;其西南受甘德断裂控制,与巴彦克拉造山带相邻。受周边深大断裂控制,共和盆地在几何形态上呈北西西向展布的菱形断陷盆地,总体表现为拉张的构造环境,为深部热向浅部传递提供了有利构造环境。不同深度发育的断裂构造为共和盆地热活动创造了条件,浅部发育的断裂构造在区内形成了一个开放的环境,对地热的迅速扩散起到促进作用;深部的断裂构造切割下地壳或更深的断裂构造,不但为深部岩浆的上升、运移提供通道,而且也为深部热的扩散创造条件[8]

2.2 区域地层岩性分析

共和盆地周边不同时代的岩浆活动较频繁和强烈[9],盆地周边山区主要活动期分别有:兴凯期、加里东期、华力西期、印支期等;岩浆活动形式有侵入和喷发两种,且受地质构造的控制,以中酸性岩浆为主。岩性大多为花岗岩、闪长岩等。盆地内部沉积物大部分为全新世、更新世和上新世的沉积物,湖泊相细碎屑岩粒度较细、透水性极差、热导率低,是一个良好的隔热盖层。

2.3 地球物理特征分析

根据共和盆地重力剖面解译、1:5万航磁ΔTS等值线图(图 2)以及地热资源潜力评价成果分析表明共和盆地中部呈重力负异常,基底为花岗岩分布区。钻孔勘探也表明,盆地基底由印支期花岗岩组成,分布面积可达1.4×104 km2

图 2 共和盆地及周边航磁异常分布图 Fig. 2 The magnetic anomaly distribution map of the Gonghe Basin and surrounding area
3 干热岩赋存条件分析 3.1 热源机制研究

根据钻孔岩芯放射性数据显示,共和盆地花岗岩中铀的放射性平均值为10.64 μg/g,中国大陆大地背景值2.11 μg/g;钍的放射性平均值为24.29 μg/g,中国大陆大地背景值10.12 μg/g;钾含量平均值为3.11%,中国大陆大地背景值2.22%[10];恰卜恰花岗岩体的铀、钍、钾放射性含量略高于背景值,属低放射性的花岗岩体,因此放射性生热对地热资源的贡献较小。

文章分析认为共和盆地底部的侵入岩在一定的深度内可能有熔融体存在(据宽频地震接收函数处理结果显示共和盆地下1~10 km、25~40 km及60 km附近均有低速层存在),并且自中二叠世形成以来一直经过多阶段、多期次的演化和对早期侵入体的熔蚀形成了熔融状态下的混合型岩浆房(岩浆囊),该岩浆房最有可能就是区内干热岩重要的热源体。

3.2 盖层条件分析

共和盆地上部的盖层主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩,为一套陆地湖泊相沉积。上部为全新世和更新世共和组灰褐、黄褐色的粗砂细砾、中粗砂、细砂、亚粘土、亚砂土粗细相间的互层状地层。下部为新生代中新地层,岩石粒度较细、密度较大、渗透性极差、热导率低(图 3),为一良好的密封盖层,为深部花岗岩热能聚集提供了有利条件[11]

图 3 恰卜恰岩芯样品热导率随深度分布关系图 Fig. 3 Thermal conductivity distribution with depth in Qiabuqia of the Gonghe Basin
3.3 储层特征分析

共和盆地恰不恰地区4口干热岩勘探井的钻井稳态温度测量表明该区为一个显著的高温异常区。DR3井在2280 m深度温度达180.3 ℃,DR4井在3080 m深度温度达182.3 ℃,GR2井在3003 m深度温度达182.0 ℃;GR1井在2550 m处温度达到150 ℃,在3705 m温度达236 ℃,是目前国内钻获干热岩的最高温度。共和花岗岩体顶界埋深2100~2300 m,顶界温度一般150 ℃;岩体在3000 m深温度普遍达到180 ℃以上(图 4),满足中国地热行业认定的干热岩温度标准。综上可知,共和盆地干热岩储层具有温度高、埋藏浅且分布广的特征。

图 4 恰卜恰东西向地热地质剖面图(剖面位置见图 2) Fig. 4 The EW directional geothermal geological profile in Qiabuqia of the Gonghe Basin (The profile location shown in Fig. 2)
4 干热岩靶区及潜力分析 4.1 共和盆地地温场分析

根据地温梯度的研究,依据共和盆地干热岩勘查孔(DR3、DR4、GR1、GR2)测温数据,计算得到共和盆地平均地温梯度为4.73 ℃/100 m(表 1),且不同地段梯度值基本一致,说明共和盆地为地热高梯度区。另外受盖层影响,梯度值高达13.7 ℃/100 m,岩体内部的梯度值变化与岩体完整程度有关,大厚度完整岩体地温梯度相对较小,梯度值在3.9 ℃/100 m左右,裂隙发育岩体的地温梯度值较高,往往大于6 ℃/100 m,尤其是断裂带内的局部梯度值最高可达14 ℃/100 m,表明岩体深部断裂带对热源的贡献较大。

表 1 共和盆地干热岩钻孔地温梯度计算 Table 1 Geothermal gradient of hot dry rock boreholes in the Gonghe Basin
4.2 勘查开发靶区及前景区评估

共和盆地钻探控制的干热岩研究区为230 km2(图 1),根据航磁、重力、钻探验证,共和盆地秦昆结合部底部都有印支期花岗岩侵入,推测干热岩前景区分布面积约为1.4×104 km2。根据共和盆地周边地表热显示特征,以共和盆地温度为最高,以此为中心向外围温度逐渐变低,如由中心向北,由共和恰卜恰镇近100 ℃向西宁65 ℃及门源25 ℃渐变,由中心向西,从共和恰卜恰镇近100 ℃向都兰85 ℃及茶卡42 ℃渐变(图 5)。

图 5 共和盆地周边地表温泉分布示意图 Fig. 5 The schematic map of surface hot spring distribution in the Gonghe Basin
4.3 干热岩资源估算及潜力分析

共和盆地干热岩资源评价借鉴蔺文静等[4]与汪集旸等[5]的评估方法,即采用体积法进行资源潜力估算[12-13]。干热岩所蕴含的地热资源量取决于干热岩的温度与干热岩岩体的热物性[14]。干热岩资源总量(Q)即为低孔渗(忽略岩石中流体的热储量)岩体介质中所赋存的总体热量[15-16],其计算公式如下:

$ Q=\rho \cdot {{C}_{p}}\cdot V\cdot (T-{{T}_{c}}) $ (1)

式中,Q为干热岩资源总量,ρ为岩石的密度,花岗岩密度为2362.8 kg/m3Cp为岩石比热,比热平均值取0.7336 J/(g·K);V为岩石的体积,通过以圈定的干热岩范围为底面、计算层段厚度为高的柱状体计算得到;T为计算层段花岗岩平均温度,考虑到温度一般随深度线性增加,其值取计算层段底板温度和顶板温度的平均值,其中,最大钻孔测温深度为3705 m,该深度以下地温梯度采用共和盆地恰卜恰干热岩平均地温梯度4.73 ℃/100 m外推估算得到;Tc为常温层温度,根据经验估算,常温层温度一般与该地区多年平均气温具有较好的一致性,查询有关资料可知共和盆地多年平均温度为6.34 ℃。各项参数及资源估算见表 2

表 2 共和盆地干热岩体积法资源估算 Table 2 Resource estimation of dry hot rock based on volumetric method in the Gonghe Basin

计算结果表明,共和盆地3.0~6.0 km深度范围蕴含干热岩资源总量为8974.74×1018 J,换算标准煤可达3066.19×108 t。需要说明的是,该资源估算总量是一个保守估算量,未考虑地球深部热能补给及放射性生热对共和盆地干热岩总量的贡献,仅为静态储量。

5 结论

(1) 共和盆地干热岩埋藏浅、范围广,3705 m处达到了236 ℃高温,是中国首次在非现代火山区钻探发现的最高温干热岩资源。

(2) 共和盆地深部花岗岩体放射性生热率低,放射性生热率贡献不足以在该区形成优质干热岩地热资源,深部热源可能为壳内的熔融体;其上覆巨厚的沉积地层形成了相对较好的隔热效果,为高温干热岩的保存提供了有利条件。

(3) 共和盆地恰卜恰地区花岗岩的地温梯度为4.20~5.58 ℃/100 m,平均梯度为4.73 ℃/100 m。

(4) 共和盆地干热岩远景区分布面积约为1.4×104 km2,其3.0~6.0 km深度范围保守的、静态干热岩资源总量为8974.74×1018J,换算标准煤3066.199×108 t。

致谢: 地质力学研究所张重远博士在图文修改方面的建议和帮助,在此表示感谢

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