地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (2): 187-200
引用本文
李亭昕, 蔺文静, 甘浩男, 岳高凡, 张德龙, 王贵玲. 东南沿海干热岩资源成因模式探讨及勘查进展[J]. 地质力学学报, 2020, 26(2): 187-200.
LI Tingxin, LIN Wenjing, GAN Haonan, YUE Gaofan, ZHANG Delong, WANG Guiling. Research on the genetic model and exploration progress of hot dry rock resources on the southeast coast of China[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(2): 187-200.
东南沿海干热岩资源成因模式探讨及勘查进展
李亭昕1, 蔺文静1, 甘浩男1, 岳高凡1, 张德龙2, 王贵玲1    
1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061;
2. 北京探矿工程研究所, 北京 100083
摘要:干热岩是一种重要的地热资源,绝大部分以开采地壳中生代以来中酸性侵入岩体中所蕴含的热量为主。东南沿海地区是中国最主要的高放射性花岗岩分布区,发育大面积的中生代酸性花岗岩体,是寻找干热岩的良好靶区。通过研究东南沿海大地构造背景、区域大地热流分布、地壳厚度、居里面埋深及新构造等条件,分析了东南沿海干热岩资源的赋存背景,对福建地区是否存在干热岩进行了探讨,并通过控热构造分析提出了东南沿海干热岩资源的成因模式,初步建立了东南沿海干热岩成藏的三元聚热模型,总结了漳州、惠州等地区的干热岩资源靶区勘查进展,相关研究为今后中国东南沿海地区干热岩勘查评价提供了基础。
关键词干热岩    东南沿海    成因模式    勘查进展    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.02.018     文章编号:1006-6616(2020)02-0187-14
Research on the genetic model and exploration progress of hot dry rock resources on the southeast coast of China
LI Tingxin1, LIN Wenjing1, GAN Haonan1, YUE Gaofan1, ZHANG Delong2, WANG Guiling1    
1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061, Hebei, China;
2. Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China
Abstract: Hot dry rock (HDR) is an important geothermal resource, whose exploitation mostly centers on the heat contained in the intermediate-acid intrusive rock mass of the crust since the Mesozoic. The southeast coast is the main distribution area of highly radioactive granites in China, with a large area of developed Mesozoic acid granite intrusions, which makes it a target area for HDR prospecting. By studying the tectonic background of the southeast coast, regional terrestrial heat flow distribution, crustal thickness, buried depth of the curie surface and new structures, the occurrence background of HDR resources on the southeast coast and the existence of HDR resources in Fujian were analyzed and discussed. Based on the analysis of the heat-controlling structure, a genetic model of HDR resources on the southeast coast was proposed and a ternary heat accumulation model for HDR accumulation on the southeast coast was preliminary established. The exploration targeting at HDR resources in Zhangzhou, Huizhou, etc. was summarized. The progress and related research provide the basis for future exploration and evaluation of HDR resources on the southeast coast of China.
Key words: HDR resources    southeast coast    genetic model    exploration progress    
1 东南沿海干热岩研究现状

干热岩(Hot Dry Rock,HDR)是地热资源的重要赋存形式,指地层深处(一般指地下3~10 km)存在的没有水或蒸汽的致密的热岩体。干热岩分布广泛,是未来地热开发的主要方向。据麻省理工学院2006年报告,只要开发美国3500~7500 m深度2%的干热岩资源储量,就将达到2.6×105 EJ,是美国2005年全年能源消耗总量的2600倍,有极大的开发潜力(Massachusetts Institute of Technology, 2006)。据初步估算,中国大陆3~10 km深处干热岩资源总计为2.5×1025 J,相当于860×1012 t标煤(蔺文静等, 2012, 2013),若能采出2%,即相当于中国2015年全国一次性能耗总量的4000倍。

干热岩地热发电与核能、太阳能或其他可再生能源发电相比,尽管目前技术尚未成熟,但作为重要的潜在能源,已具备了一定的商业价值。到目前为止,中国干热岩资源开发及其技术研究十分薄弱,特别是干热岩资源评价、靶区选择、关键技术研究和示范工程建立,亟需缩小与发达国家间的差距,紧跟国际步伐,发现和掌握适合中国地质情况的干热岩资源,力求在不久的将来利用研究领域中占有一席之地(陆川和王贵玲,2015王贵玲等,2015Lu et al., 2017)。目前中国在青海共和盆地已发现品质较高的干热岩体(Gao et al., 2018张盛生等,2019),东南沿海正在开展干热岩勘查研究工作(蔺文静等,2016)。

目前,干热岩资源的开发绝大部分以开采地壳中生代以来中酸性侵入岩体中所蕴含的热量为主。东南沿海地区是中国最主要的高放射性花岗岩分布区,发育大面积的中生代酸性花岗岩体,花岗岩中富含U、Th、K等放射性元素,这些放射性元素的衰变热是重要的热源,在壳源产热和幔源产热均理想的情况下花岗岩分布区的大地热流值可超过100 mW/m2,在覆盖层理想的地方,可以获取理想的干热岩资源(甘浩男等,2015Wang et al., 2016)。同时,作为中国主要的能源消费地区,长期以来东南沿海地区的煤、电、油等就异常短缺,能源的绝大部分要依靠区外调进。经济的高速增长,特别是大量高耗能工业的发展,使该地区能源消耗增长过快,更加剧了能源供应的紧张,干热岩资源的开发利用可为本地提供后备能源,具有重要的意义。

对于地处东南沿海的福建是否存在干热岩资源,目前学者存有不同的观点。有些学者认为福建存在干热岩资源。庄庆祥(2016)分析了由近南北向的九龙江深大活动断裂与近东西向的深切割西溪活动断裂共同形成的漳州盆地至九龙江口东西向地热异常走廊,该区面积约2000 km2,地应力集中,地壳较薄,中地壳有高温热储分布,下地壳可能有巨大岩浆房存在,干热高温热储条件是福建省大陆上最具开发前景的地区。滕吉文等(2017)认为福州盆地、漳州盆地恰处在太平洋板块与欧亚板块碰撞、挤压、俯冲与消减的聚集地带,壳幔结构特异,上地壳中存在低速层,特别是漳州盆地在低速层中局部地带呈现出透镜状低速体,推断地下有热储的存在。漳州—长泰之间尚存在一条贯穿地壳、直抵上地幔顶部的深、大断裂带,它可能构成深部物质向上的运移通道,即热能的补给途径。

也有学者对福建存在干热岩持有不同意见。万天丰等(1988)对福建岩石圈热状态进行研究,认为福建不具备可用于发电的干热岩开发条件。根据计算,即使在深部温度较高的漳州地区,5 km深度地温尚可达到194.6 ℃,德化为187.6 ℃,其他地区均不足180 ℃。按照上述温度,想要开发福建干热岩内的人工热储,需要技术条件大幅度提高,降低施工成本才有可能。廖志杰(2012)从福建所处板块构造背景分析认为,福建地壳上部不可能出现岩浆热源的温度条件。人工爆破地震所发现的低速层,分布比较稳定,不可能是融熔或半融熔层所造成,而是由于岩石破碎所造成,即由闽台铲状活动断裂系或滑脱面所致,闽台低角度活动断裂系在沿海地区的埋深正好为十余千米。廖志杰等(2015)认为福建出现的大规模水热活动异常是由于福建地区自新近纪以来受到菲律宾大洋板块来自东南的强烈挤压,使相对脆性的、固结的闽台地区陆壳产生铲状断层系统,断裂网格发育,丰沛的大气水渗入地下深处,吸收岩石中的热量,由于水头压力差和密度差,地下水可沿断裂,特别是北西向张剪性断裂,排出地表或储存于地表附近,构成大量深循环水热对流系统。它们主要是低温和中温的温水储,当循环深度大时也可以形成高温的热水系统。在这种地热地质条件下,形成可开采干热岩系统难度较大,想要获得150 ℃以上高温岩体,需要寻找上覆较厚盖层的花岗岩体。

总结来看,对于干热岩资源是否存在,双方观点都认为板块构造背景是热源的主要影响因素,区别在于是否在该构造背景条件下可以形成高温热储。通过对东南沿海地区控热系统的分析,建立干热岩资源成因模式,可以为上述观点提供佐证。

已有研究系统总结了干热岩选址的地热地质学指标,并对中国东南沿海地区的干热岩赋存背景进行了论述,选取了广东阳江新州、广东惠州黄沙洞、雷琼断陷盆地、海南陵水等几个地区作为东南沿海干热岩开发的重点潜力靶区(蔺文静等,2016)。然而对区域热背景和热成因机制的探讨较少,且典型地区的干热岩赋存背景不充分。文章通过研究东南沿海大地构造背景、地壳厚度、居里面埋深等条件,分析了东南沿海干热岩资源的赋存背景,并总结漳州、惠州等重点潜力靶区的干热岩赋存条件,初步建立了东南沿海干热岩成藏的三元聚热模型,为今后中国东南沿海地区干热岩勘查评价提供了科学数据支撑。

2 干热岩资源赋存地质背景

东南沿海地区尤其是赣、粤、闽三省具有大规模的不同时期的花岗岩分布,这些花岗岩体岩石类型多样、形成时代各异,具有复杂的源区和地质演化特征,并与深部断裂带密切相关,另外,区域内具有大规模的不同时期的沉积盆地产出,这些优越的地质条件都为区内干热岩热量的生产和保存提供了极有利的条件。

2.1 大地构造背景

地热、地震、火山以及断裂的分布,都严格受控于大地构造特征。东南沿海位于亚洲大陆东部边缘南段,全区分布有大量的晚中生代火山-侵入杂岩,是濒太平洋地区构造-岩浆带的重要组成部分(王涛等,2019)。晚中生代以来太平洋板块俯冲以及菲律宾板块的碰撞对控制整个亚洲大陆东部的古新世以至第四纪岩浆-火山活动至关重要,这直接关系到东南沿海地区是否具有类似台湾的高温地热资源。

台湾海峡地区P波层析成像的结果证明,现今东南沿海地区以欧亚大陆与菲律宾板块的碰撞挤压作用为主(Zheng et al., 2013)。菲律宾板块的北西向挤压作用对漳州地区以至东南沿海地热系统的形成起到了重要作用。根据台湾海峡地区1964—1996年地震记录及运动学指示,欧亚板块下插在菲律宾板块之下,以及菲律宾板块位于台湾地区之下引起的碰撞,是形成地区内地震的主因,区域主应力方向与板块俯冲碰撞方向一致。

2.2 地球物理揭示的深部热结构 2.2.1 地壳厚度特征

从东南沿海地壳厚度分布图(图 1)上看,东南沿海地壳厚度分布特征与地势分布相近,由西南地区向东南沿海地区地壳厚度逐渐变薄,至福州—广州一带地壳厚度已小于30 km。东南沿海地区从内陆到沿海,除金华—福州一带存在北东向整体地壳厚度增厚外,基本呈现出由厚至薄的趋势变化。

图 1 东南沿海部分地区地壳厚度图(Guo et al., 2019) Fig. 1 Crust thickness of the southeast coast of China(Guo et al., 2019)

按照地壳厚度变化特征,以北海—戴云山—杭州一带为界,可以将东南沿海地区划分为两个带,以西为东南沿海地壳厚度增厚带,以金华—福州的北东向地壳厚度加厚为特征;以东为东南沿海地壳厚度陡坡带,以地壳厚度向沿海急剧变薄为特征(Guo et al., 2019)。

2.2.2 地震波速

P波速度下降可能是存在局部熔融体的证据之一,如果地壳内存在局部熔融体,说明该地区地壳内存在较高的地热异常,是干热岩赋存的良好场所。引起P波波速下降的地质因素是多种多样的,例如可能是破碎带,由于裂隙增多孔隙增大使P波速度减小;岩石孔隙压力、温度和含水性质的变化也可以使P波速度明显减小;此外地壳中存在部分熔融的物质也会降低P波速度。福建地区地震折射剖面YCA和L3所揭示的漳州盆地深部构造表明,该地区属深部结构异常带(熊绍柏等,1991),在漳州市正下方深度10.2 km以下的地壳中上部存在速度小于5.8 km/s的P波低速体(图 2)。有可能由于这个地区的莫霍面深度只有29 km左右,又有北西向张性深断裂,因此壳内的热源可能不断得到地幔热源的补充(滕吉文等,2017),从而引起局部地区地热异常。此深度的低速体从江西南部至福建沿海均有发现,说明区域大地构造背景的统一性和连续性。

图 2 YCA测线P波波速等值线剖面图(熊绍柏等,1991) Fig. 2 Contour profile of the P-wave velocity of the survey line YCA(Xiong et al., 1991)

根据电性结构差异可以解译出,现今东南沿海地区岩石圈层自西向东逐渐减薄,结合浅部变形表现可以推断出,岩石圈经历了一定程度的伸展作用(图 3)。软流圈层位的流动推动了岩石圈的伸展,同时在莫霍面深度局部融熔形成一系列壳幔混合带,地壳浅部则形成一系列铲状伸展、拆离断层,断层上部为脆性,下部逐渐过渡呈脆韧性以至韧性,与壳幔混合带相沟通。地球物理显示在中上地壳距地表约15 km处存在低速层,且层位从江西南部到福建沿海均有分布,该层位可能代表着中地壳的部分熔融岩浆体,或中下地壳韧性流动层(Zhou and Li, 2000)。

图 3 江西南部—福建—台湾综合地球物理剖面图(Zhou and Li, 2000) Fig. 3 Integrated geophysical profiles of southern Jiangxi-Fujian-Taiwan(Zhou and Li, 2000)
2.2.3 热流值

大地热流值是表征地壳热状态的一个综合参数,是干热岩资源赋存分布的重要地热地质指标之一。中国东南沿海地区大地热流值整体上受大地构造背景影响明显(图 4):西北侧的盆地区整体构造活动较稳定,表现为较低的大地热流值,而靠近板块接触带的东南海岸一带,则表现为较高的大地热流值。在整体由西向东热流值逐渐升高的趋势下,局部的深部热结构控制了大地热流值的高低。从图 4中可以看出福建福州、漳州以及广东阳江—茂名一带大地热流值达到较高值,热流值达到95 mW/m2以上(蔺文静等,2016)。

图 4 中国东南沿海地区大地热流值等值线图(蔺文静等,2016) Fig. 4 Contour map of terrestrial heat flow values on the southeast coast of China(Lin et al., 2016)
3 东南沿海干热岩成因模式探讨 3.1 热源机制

地表热流值结果显示,东南沿海地区比陆内南岭地区要高,地表热流值作为各种热源(含地幔热、岩浆热、构造热、放射性元素衰变热等)在地表的直接反应,其值大小在很大程度上反映了深部热源的综合情况。相关学者在东南沿海地区开展了大量的花岗岩研究工作(熊亮萍和胡圣标,1994赵平等,1995),对区内不含铀矿的花岗岩进行了单位体积生热率统计,结果见表 1。结果表明,东南沿海花岗岩具有较宽的单位体积生热率变化范围和最高的平均单位体积生热率(4.11 μW/m3),相对砂岩、碳酸盐岩等其他类型岩石,花岗岩具有显著高的单位体积生热率(赵平等,1995)。其中,燕山期尤其是燕山晚期花岗岩具有最高的平均单位体积生热率(6.4 μW/m3),显著高于晋宁期、加里东期和印支期花岗岩的平均单位体积生热率,显示花岗岩形成时代越新,平均单位体积生热率越高。东南沿海地区的花岗岩尤其是燕山期花岗岩显著高的单位体积生热率,为干热岩资源的形成提供了良好的生热条件。庞忠和(1987)对地热和水文地球化学的模拟结果显示,漳州地区幔源热贡献率大约60%,而放射性元素衰变生热贡献率大约40%。周珣若等(1988)根据漳州岩体的元素和同位素地球化学特征模拟,也发现地幔在花岗岩体中的物质贡献率超过60%,与林乐夫等(2017)的研究结果基本一致。上述研究表明,漳州地区花岗岩体中既有地幔热贡献,也有地壳物质贡献,但以地幔热贡献为主。

表 1 东南沿海地区不同岩石类型的单位体积生热率(赵平等,1995林乐夫等,2017) Table 1 Heat production per unit volume of different rock types on the southeast coast of China(Zhao et al., 1995; Lin et al., 2017)
3.2 导热通道

东南沿海地区出露的花岗岩与区域内几条主要断裂带密切相关,如萍乡—桂林断裂带、龙岩—大埔—海丰断裂带、赣江断裂带、茶陵—广昌断裂带、梧州—四会隐伏断裂带和长乐—南澳断裂带等。印支期花岗岩集中分布在雪峰山及武夷—白云—云开山脉地区(Wang et al., 2007),此外,花岗岩的年龄趋势具有自西向东、自内陆(南岭地区)向沿海地区年轻化的趋势。同时,花岗岩与各种类型的沉积盆地密切共生,可能伴随着能量和物质的转移(陈培荣等,2002吴福元等,2007陶继华等,2013)。

一般而言,温泉分区界线与大型构造线相当,温泉的出露与主干断裂虽没有直接关系,但与次一级断裂构造关系较密切,例如福建漳州盆地,温泉出露主要呈北东向排列,反映地下热水的热源主要受北东向构造控制(粘为振,2008);然而从单个温泉出露地段分析,它们主要出露于北东向与北西向构造的交汇处,漳州盆地内北西向构造为区域最新构造,地下水的连通性、富水性相对较好,为地下热水提供主要补给来源及径流通道,说明了断裂具有良好的导热作用(庞忠和,1987)。

因此,东南沿海地区由于具有深断裂的存在,局部熔融或深部热流的热能可以通过深断裂更直接传递至浅部,会形成地温等值线的上扬,深断裂与浅部张性断裂交汇周围往往具有温泉出露。

3.3 储热盖层

为了保存好基底热量,防止大气降水渗入冷却岩体,需要在基底之上覆盖有低导热率的盖层,这种盖层通常主要是沉积岩(沉积物)或火山岩,有时候也可以是合适厚度的风化壳层。盖层的厚度及断裂发育程度对于热储中温度的保存具有重要作用(何治亮等,2020)。

据统计,中国东南地区岩石热导率的平均值,特别是沉积岩热导率的平均值高于地壳岩石的平均值(Wang et al., 2007)。从岩石矿物成分的分析可知,钙质、硅质和泥质矿物的含量是决定砂岩和泥岩热导率值高或低的主要因素,例如石英砂岩的热导率值最高可达6.46 W/(m·K);钙质砂岩的平均热导率值可达4.58±0.28 W/(m·K),此种类型盖层对防止热量的散失方面作用相对有限,使得沉积盖层的保热作用相对减弱。

3.4 热储层

东南沿海地区干热岩热储层以高放射性花岗岩体为主。放射性生热是岩石圈内热的主要来源之一,U、Th和天然放射性同位素40K是主要的生热元素。东南沿海地区绝大部分区域都处于高生热率范围(Wang et al., 2007),尤其是广东全省及江西南部、福建南部地区的大面积花岗岩出露,生热率背景超过了2.8 μW/m3,如此大面积的高生热率区域在全球大陆实属罕见。根据东南沿海地区现有的钻孔测温推算,东南沿海地区地温梯度为20~40 ℃/km,以180 ℃作为干热岩资源起步温度,可以初步得出东南沿海热储层埋深普遍大于5 km,而广东惠州黄沙洞、福建漳州、琼北等地热梯度较高地区,热储层埋深约为4~5 km。

根据以上关于东南沿海区域控热系统的分析,笔者认为东南沿海可能的干热岩资源需具备以下三元聚热模式,即酸性岩体放射性生热、断裂导热加之盖层保热的成藏模式,如图 5所示。

图 5 东南沿海干热岩资源成藏的三元聚热模式图 Fig. 5 Three-way heat accumulation model for dry hot rock resources on the southeast coast of China
4 东南沿海干热岩资源重点靶区勘查进展 4.1 福建省漳州地区

漳州地区是东南沿海典型地热异常区,区内出露温泉大多为40~80 ℃,水温高于60 ℃的温泉有13处,是中国中低温温泉中水温最高的。在水热异常的背景下,通过地热调查、地球物理勘查与地热钻探,对漳州龙海地区深部干热岩赋存特征进行了调查研究(蔺文静等,2015),结果显示,区内普遍缺失侏罗纪以后至第四纪以前的地层,下部为燕山期花岗岩体侵入,地表为第四纪更新世冲洪积层覆盖,厚度大于20 m(图 6)。

图 6 漳州地区地质简图(A-A′为物探综合剖面)(蔺文静等,2015) Fig. 6 Geological map of Zhangzhou area, A-A′ as the geophysical prospecting composite profile (Lin et al., 2015)

从物探综合解译结果(图 7)可以看出,区内存在大范围的花岗岩侵入,推测第4、9、19岩体为第三期γ52(3)c岩体,其他花岗岩体为更早期的;第13、15及17为花岗闪长岩体。在剖面的东部及西部7 km以下存在较大范围的低阻体(第7及11岩体),不排除成为半熔融体的可能(蔺文静等,2019)。

图 7 龙海地区重力和大地电磁联合反演推断解释剖面A-A′(剖面位置见图 6)(蔺文静等,2019) Fig. 7 Joint inversion interpretation of gravity and magnetotelluric of profile A-A′ in Longhai area, profile shown in Fig 6.(Lin et al., 2019)

在地球物理解译的基础上,选择完整花岗岩体,在龙海东泗乡开展了干热岩科学钻探,钻探深度为4000 m。完钻后总共进行了三次测试,每次3组,第一次为0~2500 m,第二次为0~3350 m,第三次为0~4000 m,结果见图 8。从图中可以看出,第一次测井温度比后两次温度在同一深度条件下均低3 ℃左右,而第二次和第三次测井温度曲线重合度较高,这表明第一次测井温度尚未达到平衡状态,测试结果偏差较大,第二次和第三次测井井温已经达到平衡,测井温度即为实际地层温度,结果更加可信。第三次测井与第二次测井结果较为接近,4000 m深处温度最高约为109 ℃,在预测温度范围之内。

图 8 漳州龙海地区4000 m井深测井温度曲线 Fig. 8 4000 m logging temperature curves in Longhai area, Zhangzhou

利用TOUGH2软件进行地温场演变模拟,为了减少数值计算带来的误差,在平面上采用泰森多边形进行剖分,限定单个网格最大面积为10000 m2;垂向上采用等距剖分方法,每200 m一层,共计40层,网格总计39680个。模型中的一些相关参数见表 2。热储主要为花岗岩,据测井资料和岩芯热导率测试,并结合经验值,确定其热导率为3.4 W/(m·K),孔隙度为0.01,渗透率为1×10-17 m2。断裂存在硅化现象,其热导率高于普通热储,为5.5 W/(m·K)。

表 2 模型主要参数表 Table 2 Main parameters of the model

模型的初始压力采用静水压力P=P0+ρw·g·h计算,其中P为目标网格压力,Pa;P0为大气压,Pa;g为重力加速度,N/kg;h为网格中心点深度。采用2500 m以浅的测温数据做线性拟合得到:T=23.403+0.0186Z,式中T为温度,℃;Z为深度,m。以此作为模型的初始温度条件。

研究区深部地温分布模拟结果见图 9。从图中可以发现,深部热量主要沿断裂传导至浅部,可以见到明显的地温等值线凸起现象。模型预测5100 m地层温度能够达到140 ℃。

图 9 研究区深部地温分布图 Fig. 9 Deep geothermal map of the study area
4.2 广东省惠州市黄沙洞地区

惠州黄沙洞地区在区域上属华南板块、华夏陆块南部,处于河源深断裂带的南东侧约30 km,紫金—博罗深断裂带的南东侧约12 km,莲花山深断裂带北西侧约40 km。区内出露地层包括震旦系老虎塘组(Z2lh)、寒武系牛角河组()、泥盆系老虎头组(D1-2l)、帽子峰组(D3C1m)、石炭系测水组(C1c)和第四系黄岗组(Qp3hg);北西侧为大点顶岩体(J1D),岩性为细中粒黑云二长花岗岩,基底由早古生界震旦纪变质岩结晶基岩组成(图 10)。

图 10 黄沙洞地区地质简图及物探解译成果图 Fig. 10 Geological map and geophysical prospecting interpretation map in Huangshadong area

采用CSAMT方法进行浅部断裂探测,使用V8仪器和1根磁棒标定。每台仪器、磁棒的标定曲线(振幅曲线、相位曲线)符合仪器出厂指标,两次标定结果误差最大为1.36%,优于设计要求的2%。频率采集范围由9600 Hz至0.125 Hz,采集周期为45 min,最大供电电流为15 A。共布置测线4条,编号分别为L1线、L2线、L3线、L4线,L1线与L3线呈北西向,L2线与L4线呈北东向。音频大地电磁L2和L4线联合解译显示,存在对应的低阻体通道,位于L3线东侧(图 11)。投影到图 10上,通道为北西向,且L2线反映出的低阻体通道范围小于L4线,因此,可以推断该低阻体通道由南向北逐渐减小,将其定义为T1。

图 11 L2和L4测线联合解译图 Fig. 11 Joint interpretation profile of survey line L2 and L4

根据音频大地电磁L1和L3线的联合解译可以看出,存在对应的低阻与高阻体分界线(T2),位置与L4线大致重合(图 12)。投影到图 10上,通道为北东向,与地表北东向断裂带(F2、F4)方向一致,位于马儿寨断裂F3与川龙凹断裂F4之间。可以推断F3断裂与F4断裂是低阻与高阻的分界线在地表的反映。

图 12 L1和L3测线联合解译图 Fig. 12 Joint interpretation profile of survey line L1 and L3

根据图 10中物探解译T1和T2与地质条件对应关系,可以看出温泉区基本位于低阻通道T1上,因此推测T1为温泉(地热井)的控热导水构造。此外,根据构造地质调查,T1范围内地层发育北西向断裂,角度高倾,可作为断裂存在的证据。对于区域应力而言,区域主应力σ1方向为北西—南东向挤压(温泉区内可见轴面走向245°背斜褶皱),北西向作为最小应力σ3方向应为拉张性质,也与T1导水通道的作用相符(蔺文静等,2019)。

在这种推论下,高阻与低阻分界线T2则作为北东向断裂的深部表现,为挤压性质,且向下延伸较广,因此推测T2为温泉/地热井的控热导热构造。

从上述论证总结得出,黄沙洞地热田的热成因模式为深部热源沿北东向压扭性断裂带T2(F2,F4)传导至浅部,遇到北西向张性低阻通道T1,以流体为介质将热传递至地表,形成温泉。按照此热成因模式,部署了钻探孔位(惠热1井),井位选择在压扭性断裂带T2北西侧下盘,且位于张性低阻通道T1中(图 10)。考虑到T1从南东向北西逐渐变小,可能断裂(热)传递逐渐减弱,因此选择相对靠近T2导热断裂带的位置。

根据上述钻孔选择位置,实施了惠热1井地热钻探施工,钻探进尺深度为3009 m,目的为揭穿上覆沉积盖层,揭露下伏隐伏岩体的地温梯度特征,获取深层岩石热物性参数。钻孔于2017年10月开始施工,至2018年10月完井,在1560 m深处成功揭穿沉积盖层,进入下部隐伏花岗岩体,上覆沉积盖层岩性由浅至深依次是砂岩、千枚状页岩、炭质板岩、构造角砾岩及硅化石英砂岩。根据钻井测温曲线,2900 m温度达到127.5 ℃(图 13),2400~2500 m和2750~2800 m井段温度出现突变,结合钻井漏失出水情况分析,这两处突变应是两段含水层产出高温热水引起温度升高所致。根据0~3000 m地温特征,可以预测继续钻进至高温无水深度,将具有良好的干热岩资源勘查开发潜力。

图 13 惠州惠热1井地温测温曲线 Fig. 13 Geothermal temperature curve of Huire Well 1 in Huizhou
5 结论与建议

(1) 东南沿海地区干热岩具有酸性岩体放射性生热—断裂导热—盖层保热的三元聚热模式,燕山晚期花岗岩生热率可达6.4 μW/m3,是壳源热源的主要组成部分;区域性断裂构造作为导热通道沟通深部热源与浅地表,将深部热量传导至浅部;沉积盖层对酸性岩体放射性生热和断裂导热起到盖层保温作用,一定程度上阻碍了热量的散逸。

(2) 东南沿海干热岩重点靶区包括福建漳州、惠州黄沙洞地区,其中漳州地区由于缺乏必要的盖层,4000 m深处获得温度为109 ℃;惠州黄沙洞地区具有约1500 m的沉积盖层,北东向深断裂为导热通道,井温于2900 m深度达到127.5 ℃,是惠州地区目前同深度的最高温度。

(3) 目前,酸性岩体放射性生热及断裂导热对干热岩的热量贡献多少尚不清楚,此外东南沿海的沉积盖层普遍保热效果相对较差,因此,建议下一步对三元聚热模式中各聚热因素的热量贡献进行研究,结合区域地质构造背景,建立更为精细的模式指标值。

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