由于全球經濟的快速發展,傳統化石能源不斷消耗,人們面臨的資源緊缺和環境污染問題日益嚴重。隨著全社會對新能源及環境保護的廣泛關注, 清潔可再生的干熱巖地熱資源可以改變未來能源結構的觀點已得到國際上的公認。

干熱巖是不含或僅含少量流體,溫度高于 180℃,其熱能是在當前技術經濟條件下可以利用的巖體,主要是各種變質巖或結晶巖類巖體,常見的有花崗質片麻巖、花崗巖和花崗閃長巖等。

干熱巖地熱資源具有空間分布廣、資源儲量大、供能持續穩定、可高效循環利用且不受季節、氣候等自然條件影響的特點。據初步估算,中國大陸地區3~ 10km深處干熱巖地熱資源總量大于2.0×107EJ,開發前景廣闊。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展。我國干熱巖研究起步相對較晚,但發展迅速,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熱資源評價與勘查,均取得了重大突破。

湖北地跨揚子板塊和華北板塊,斷裂構造發育, 巖漿活動強烈,中酸性巖體大面積出露且富集放射性元素,為地熱活動創造了有利的地質條件。但湖北省干熱巖研究較為滯后,研究基礎薄弱。為此,本文基于湖北省基礎地質、地熱地質條件的分析,對湖北省干熱巖地熱資源的賦存條件及潛力進行探討, 為下一步開展干熱巖地熱資源調查與評價提供依據。

1 湖北省干熱巖地熱資源賦存條件分析

1.1 區域地溫場特征

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的熱量,可以確切地表征區域地熱場。湖北省內共實測得到大地熱流有效值28個,測點分布不均，大多位于江漢盆地和武漢—黃石地區(見圖1),其值介于41.9~69.2mW/m2,均值為55.0mW/m2,低于中國大陸地區大地熱流平均值61.5mW/m2, 但結合湖南省、江西省和安徽省等臨近地區數據進行綜合分析,可知湖北省東部大別山地區(均值62mW/m2)和長江沿線地區(均值61.3mW/m2) 具有較高的大地熱流值。

1.1.2 地表地熱顯示

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。湖北省內目前已發現自然出露溫泉共53處,大多數集中分布于斷裂構造帶內,并與燕山期(隱伏) 中酸性巖伴生(見圖2)。根據湖北省地震統計數據顯示,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,湖北省鄂東地區共發生破壞性地震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日應城的4.9級地震;1974—1979 年間共發生微震和弱震共計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,反映出該地區較強烈的地熱活動。

1.1.3 地溫梯度及熱儲溫度估算

湖北省隆起帶山區多由致密巖層組成,在地溫場狀態上屬于地溫梯度低值區,如鄂東南地區地溫梯度一般為1.7~2.7℃/100m,但受地質構造、巖漿作用等影響,可導致局部地區地溫梯度較高。本次共測得湖北省代表性山區溫泉或地熱井的地熱流體水化學數據29份,并由此繪制了湖北省山區地熱流體Na-K-Mg平衡三角圖(見圖3)。圖3顯示大部分樣品中含Na、K、Mg礦物未達到平衡狀態,因此選用SiO2溫標估算熱儲溫度 (TSiO2)。熱儲溫度估算結果表明(見表2):羅田— 英山、嘉魚—咸寧以及京山地區具有較高的熱儲溫度,大多數TSiO2在100℃以上,反映出這些地區深部可能具備干熱巖賦存的溫度條件。

湖北省平原盆地區內地溫梯度相對較高,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 3.9℃/100m,顯示出地溫梯度異常。根據現有地溫數據顯示,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范圍地溫有望達到180℃。

另外,湖北省平原盆地區內地熱異常顯示,地熱異常主要分布在盆地周緣,雖然其地溫梯度有所降低,但基巖較為致密且熱導率高,常處于凸起構造區或隱伏中酸性花崗巖分布區,例如洪湖—嘉魚、應城—京山等地區,具有相對較好的干熱巖保存條件。

1.2 熱源條件

大陸地區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,深部構造活動導致地幔熱流占主導;而穩定克拉通地區的深部地幔熱流穩定且較低,地表熱流主要受控于地殼的放射性生熱變化。湖北省內構造-巖漿活動頻繁,東部地區均經歷了中-新生代晚造山、熱窿伸展事件,結晶基底面埋深較淺,有利于干熱巖地熱資源的生成。

1.2.1 幔源熱

受中、新生代多期巖石圈構造-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。 根據區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(Ⅱ)和東部幔隆區(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,具有良好的熱源條件。 另外,一般在巖漿活動、地殼深部熱傳導等熱構造活躍區,會導致居里面隆起,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, 隆起區主要位于羅田—英山、鐘祥—京山以及南部長江沿線地區,其中羅田—英山地區最淺埋深僅為 23km(見圖5),反映出較高的熱活動狀態。

1.3 儲蓋條件

一般熱導率較高的巖石形成熱儲層,而熱導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,但考慮開采技術和經濟性,目前開發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,分布著大規模高熱導率的酸性花崗巖體,可作為理想的干熱巖熱儲,該地區地表分布有一定厚度的熱導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模的隱伏巖體,如洪湖—嘉魚一帶,區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 湖北省干熱巖遠景區圈定

2.1 干熱巖選區的基本原則

從湖北省內大地熱流特征、地表地熱顯示、地溫梯度異常、莫霍面和居里面埋深、斷裂構造、隱伏酸性巖體分布以及蓋層條件等干熱巖地熱資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和江漢盆地南部地區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。根據上述影響干熱巖賦存的主要因素,參照國內外干熱巖選區研究資料,并結合湖北省地質背景,提出以下干熱巖選區的基本原則:

(1)選擇大地熱流高值區。

(2)選擇莫霍面埋深淺、居里面隆起區,有利于深部熱流上涌,提供持續的高溫熱源。

(3)選擇具有良好的地表地熱顯示區域,地表地熱顯示的群居性與深部高溫熱源構成一定程度上的鏡像關系,MIT通過EGS的研究提出,水熱系統周邊可視為近期干熱巖資源勘探開發的目標。

(4)選擇密度大、熱導率高、富含放射性生熱且時代年輕的中酸性巖體分布區,且具有規模較大的巖基或隱伏巖體所在的區域。

(5)選擇有利的構造部位,如活動性區域深大斷裂附近、變質核雜巖構造以及斷陷盆地區等。

(6)選擇具有低熱導率、厚度適宜(一般為2~3 km)的蓋層分布區。

(7)選擇具有較好的場地及外部條件的區域, 包括水源、交通、輸電以及社會經濟條件(人口、經濟水平、電力需求)等。

2.2 干熱巖遠景區圈定

本次針對湖北省內兩個大地熱流高值區進行有利區優選,通過對干熱巖地熱資源的“源、通、儲、蓋” 組合特征的評價分析,參照上述干熱巖選區的基本原則,綜合圈定出兩處干熱巖遠景調查區,分別為羅田地區和嘉魚地區(見圖2)。

2.2.1 羅田地區

羅田地區位于鄂東大地熱流高值區(均值為62 mW/m2),區域內地表地熱顯示強烈,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120~150℃,反映出較高的地溫場特征。根據區域重力、航磁反演資料顯示,羅田地區莫霍面埋深較淺,居里面埋深為省內最淺(僅 23km),具有較高的地熱背景。該地區地殼在晚中生代時劇烈活化,構造活動強烈,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造的格局基本控制了羅田地區內變質地層、巖漿活動,也為深部熱源向淺部傳導提供了良好的通道。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,晚期具右行引張特征。

羅田地區地表侵入巖出露面積約占90%以上,其中花崗質片麻巖約占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。羅田地區具有明顯的正航磁異常,表明巖基或花崗質巖石基底規模較大,存在巨量的隱伏巖漿作用。這些巖體具有規模大、時代年輕、高熱導率的特點,放射性平均生熱率達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,羅田地區地表還出露太古代—元古代大別山巖群變質表殼巖蓋層,巖性大多為低熱導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1.5km左右,可作為合適的蓋層。根據羅田三里畈地區實測大地電磁(MT)解譯圖(見圖6),結合區域地質資料,推測視電阻率高值區 ρ+1至ρ+5均為花崗巖體或花崗質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,兩者規模較小,且蓋層條件較差;ρ+2、ρ+3和ρ+4幅值相當, 但ρ+3和ρ+4基本與ρ+5相連,深部熱量易通過熱傳導向地表散失而不易保存;ρ+2則隱伏規模最大,埋深適宜(2~7km),且具有厚度合適(約2km) 的變質表殼巖蓋層,顯示出更好的干熱巖儲蓋條件。

以上深部地質構造特征具有一定的代表性,反映出羅田地區具備賦存干熱巖的潛力。在成因機制方面,羅田地區地處團麻斷裂以東、襄廣斷裂以北的鄂東部大別山剪切帶內,為大別變質雜巖的核心部位,170Ma以來主要經歷了晚造山期隆升、熱窿伸展和斷塊侵蝕剝露事件。該地區主要受燕山運動及新構造運動的影響,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、花崗質片麻巖放射性元素衰變產熱,使得羅田穹隆核部大地熱流值較高。區內地下水主要表現為深部循環特征,以熱傳導型為主。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傳熱。另外,巖石圈減薄作用始于135Ma左右,熱窿伸展構造引發基底廣泛熔融,熱軸平行于造山帶展布,由麻城經羅田地區并延伸至岳西,該帶范圍內基底巖系表現出強烈的混合巖化作用,并伴隨大規模深/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。可見,羅田地區來自上地幔傳導熱流疊加巖漿殘余熱以及花崗質巖石放射性生熱,使淺層花崗巖體和花崗質片麻巖體被加熱升溫,由于地表低熱導率變質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到180℃,具備干熱巖地熱資源成藏潛力。綜上所述,羅田地區干熱巖成因模式屬于高放射性產熱型,其成因模式見圖7

2.2.2 嘉魚地區

嘉魚地區位于湖北省東南部長江沿線大地熱流高值區(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一帶, 其中烏林溫泉溫度達65℃以上,熱儲溫度為100℃ 左右。該地區同樣處于東部幔隆區,同時位于沿長江居里面隆起區,居里面埋深為24.5~25km。區域重力異常特征顯示,沿長江重力梯度帶上存在一條規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)具有破碎帶性質的斷裂,且沿斷裂帶兩側或附近廣泛發育(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,區域航磁異常也顯示出嘉魚地區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,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,均為松散或不致密的碎屑巖沉積,具有較低的熱導率,蓋層條件十分理想。

嘉魚地區的熱源主要為幔源熱和地殼放射性元素富集層衰變生熱。由于基底及蓋層結構以及熱導率的差異性,自深部向淺層傳導的熱量會進行重新分配,基底斷陷區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形成高地溫梯度。另外,該地區隱伏花崗巖體多為燕山期巖漿活動產物,且富含放射性生熱元素,構成了該區域地溫場的附加熱源。盡管該地區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到 150℃以上,具有干熱巖賦存潛力。

綜合以上認為,嘉魚地區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”的有利地熱地質條件,與盆地型干熱巖地熱資源的特點較為相似,其成因模式見圖7。

3 結 論

(1)通過對湖北省區域地溫場特征、熱源條件、 熱傳導通道以及儲蓋條件的綜合分析,認為湖北省東部大別山地區和江漢盆地南部地區具有較好的干熱巖地熱資源賦存條件。

(2)參照國內外干熱巖選區研究資料,并結合湖北省地質背景,初步建立了包括大地熱流特征、莫霍面和居里面埋深、地熱異常顯示、(隱伏)酸性巖體分布、有利構造部位、低熱導率蓋層等幾個方面的干熱巖選區基本原則。

(3)根據干熱巖選區的基本原則,初步圈定出湖北省羅田地區和嘉魚地區兩處干熱巖遠景區,并從區內大地熱流特征地表地熱顯示、地溫梯度異常、 莫霍面和居里面埋深、斷裂構造、巖漿活動、蓋層條件等方面綜合分析了干熱巖地熱資源賦存潛力,并結合已有物探資料,提出了羅田地區和嘉魚地區分別具有高放射性產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熱資源調查與評價的優選區。