湖南花岗岩体干热岩资源赋存条件分析

2018-03-27何大芳杨汉元叶见玲张大礼

中国煤炭地质 2018年2期

何大芳，曾琳，杨汉元，叶见玲，曹晖，张大礼

(1.湖南省煤田地质局油气资源勘探队，长沙 410014； 2.湖南省煤田地质局，长沙 410014)

0 引言

干热岩是埋藏于地面1 km以下、温度一般大于200℃，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体[1]，其蕴藏着巨大的热能，是世界发达国家积极开发的重要资源之一[2-3]，对其的勘探开发日益受到高度重视。目前，国土资源部、吉林大学、清华大学、中国地质大学、中国科学院广州能源研究所、中国地质科学院水文地质环境地质研究所等单位近年来都开展了初期的干热岩勘探与资源评价工作，在干热岩的的赋存条件及评价方法等方面进行了大量的研究，并取得了较多成果[3-4]。同时，通过借鉴国外干热岩各种地质理论及勘探开发实例基础上，国内已针对我国东南沿海地区，海南陵水地区、苏北盆地、青海共和盆地、漳州岩体等重点干热岩地区进行了勘探评价[3,5-6]，提供了大量可借鉴资料。但我国干热岩分布区地质背景十分复杂，区域差异性极大，相关研究尚处于起步阶段，因此，有关干热岩资源赋存条件分析可为今后的区域干热岩资源开发及利用研究提供基础参考。

湖南是我国重要的富含U、Th、K放射性元素花岗岩分布区，具有形成干热岩的有利条件，但研究程度极低，相关地质参数指标不明确，缺乏系统的针对花岗岩体干热岩的评价，已制约了湖南地区干热岩勘探开发。已有研究表明，湖南省东南部局部存在形成干热岩的有利条件[6-8]，且近年来针对湖南省主要花岗岩体的区域调查工作取得了一定进展，开展了大量的分析测试[9-16]，为干热岩赋存条件分析提供了可借鉴基础数据。2016年以来，湖南省国土资源厅开展了针对湖南地区干热岩的专项调查工作，笔者有幸参与了该项目工作，并获得了部分数据资料。在国内外干热岩研究基础上，参考前人有关干热岩赋存的地热地质条件[5-6,11]，充分利用湖南地区已有花岗岩研究的基础地质、物探等资料，对区内主要花岗岩体的干热岩赋存条件进行了分析，获得了相应的指标参数。在综合分析各岩体深部地热地质条件基础上，评价了湖南花岗岩体干热岩潜力，圈定了勘查靶区，为湖南省干热岩资源的科学勘探提供依据。

1 区域花岗岩基本特征

湖南省地处扬子准地台和华南加里东褶皱带两个构造单元之内，以雪峰弧为界湘中、湘东南属华南褶皱带，雪峰弧以西及以北属扬子准地台，岩浆活动显示出明显的区域性差异[18]。

湖南岩浆岩发育中等，总出露面积约1.7×104 km2，占全省总面积的8.3%，其中，酸性侵入岩最为发育，约占全省岩浆岩总出露面积的99%。其中加里东期第二阶段、印支期第二阶段和燕山早期是本区花岗岩浆侵入活动的三个主峰期[18]。加里东期花岗岩出露面积较大，主要岩性为黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩及正长花岗岩。湖南印支期中酸性侵入岩分布众多出露面积超过5 600 km2，包括沧水铺、沩山、大神山、白马山、紫云山、歇马、关帝庙、瓦屋塘、塔山、阳明山、大义山、鸡笼街、将军庙、五峰仙等岩体，上述岩体多呈岩基产出主要侵位于板溪群—泥盆系中。岩性包括中细粒斑状黑云母花岗岩、二云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩，个别岩体发育中细粒斑状黑云母花岗闪长岩，以中细粒-中粒似斑状结构和中细粒花岗结构为主[19-20]。燕山早期花岗岩是本省中酸性岩浆活动高峰的产物，形成由湘东南至湘东北巨大的北东向花岗岩带。本期岩体产状及岩性变化均较大，浅成相小侵入体广泛发育。以含角闪石斑状花岗岩类、二长花岗岩及花岗岩闪长斑岩为主。燕山晚期花岗岩浆岩出露面积和范围均很小。

隐伏岩体方面，据南岭地区重力场特征研究[12,16]，湖南隐伏岩体集中在湘中地区，呈散点状分布，可能与湘中地区居里面深度较小有关(见下文相关讨论)，其次为湘南地区(图1)，越城岭岩体北东部、塔山—大义山岩体周边以及香花岭—骑田岭一线、衡阳盆地东部集中了较大规模的隐伏岩体。

2 干热岩资源赋存条件研究

2.1 干热岩体

放射性生热作为地壳生热最主要的热来源，对干热岩资源的赋存有重要意义。干热岩体应具有相对高的放射性生热元素，包括Th、U和K含量的高低直接决定了干热岩体的温度[6]，同时地壳岩石放射性热流是影响地表热流大小的因素之一，尤其是花岗岩体大面积分布的地区，地表热流中的放射性热流占相当大的比例。由于壳源成因的花岗岩在熔融形成过程中具有富集不相容元素的能力，因而壳源成因的花岗岩体是形成干热岩体的有利部位。

通过对前人资料的整理分析，本文计算了湖南地区花岗岩放射性生热率(表1)，采用的花岗岩密度为平均值2.677g/cm3[17]，本次计算获得的热水岩体放射性生热率为7.53μW/m3，与赵平等[25]研究结果值7.6μW/m3基本一致。结果表明，相对于东南沿海地区而言，湖南花岗岩体普遍具有较高的放射性生热元素(表1)，其中放射性生热率大于5μW/m3以上的占到了统计花岗岩数的33.3%以上，4μW/m3以上的花岗岩体可达57.1%。放射性生热率分布在2.70～7.53μW/m3之间，平均值为4.61μW/m3，其中最高为诸广山岩体，为7.53μW/m3，其次为骑田岭—香花岭岩体、九嶷山、塔山—大义山、幕阜山、沩山等。同时，根据中南地区1：150万区域地球化学资料，对湖南省岩体中U、Th、K含量值分布特征进行了分析(图2)，本次采用的岩体放射性判别指标中U质量分数大于5.5×10-6，Th质量分数大于20.5×10-6，K2O质量分数大于3.2%。分析表明，岩体中具有明显U、Th、K2O叠合异常岩体集中在诸广山岩体、骑田岭岩体、越城岭岩体和幕阜山岩体、其次为九嶷山、沩山、五峰仙、关帝庙和塔山岩体，这一特征与放射性生热率分布特征基本一致。

在岩石放射性生热率计算过程中，同等含量条件先又以铀钍所占比重最大，因此本文中采用铀钍异常圈定范围作为岩体中有利干热岩分布范围。其中放射性生热率在4μW/m3以上的岩体中，除阳明山岩体以外，其他均在100 km2以上(表1)，考虑到深部可能存在隐伏岩体，岩体规模可能远大于上述统计值。

因此，从花岗岩岩体的放射性生热率及岩体规模来说，湖南部分岩体具备形成干热岩体的条件。

图1 湖南省花岗岩及推断半隐伏岩体分布简图Figure 1 A sketch of granite and inferred semi-buried granite masses distribution in Hunan Province

序号岩体CU/10-6CTh/10-6CK/%放射性生热率/μW·m-3岩体中放射性原始偏高规模/km2地温梯度/℃·km-1盖层类型热流值/mW·m-2构造稳定性居里面埋深/km基底4km温度/℃1诸广山17.7637.174.947.5314424古生代754级及以下251172万洋山5.1619.203.913.0022.5古生代67.54级及以下271113骑田岭13.2952.135.017.43696.620古生代664级及以下311014越城岭8.7427.975.024.6125120古生代52.5发生过5级191015幕阜山13.9524.004.685.64468.521元古代及以前52.5发生过5级301056沩山9.8630.994.435.0524415白垩系44发生过5级21.5817五峰仙4.3326.874.613.3820220古生代564级及以下221018关帝庙7.5631.304.644.5030020古生代514级及以下221019塔山7.0415.634.393.2720017.5古生代57.54级及以下309110南岳3.9025.204.603.1520古生代554级及以下2110111香花岭17.6426.554.576.74>10021古生代654级及以下2910512九嶷山13.7933.014.856.2310022古生代614级及以下24109

续表

*据文献[3-5,7,9,14-15,17,24]

图2 湖南花岗岩体及其周边放射性元素分布特征Figure 2 Radioactive elements distribution features in granite masses and periphery in Hunan Province

2.2 盖层导热率

为了保存好基底的能量，地堑(断陷)盆地是最适合干热岩能量开发[5]。前人研究表明[22]，中新生代沉积盆地地区地温梯度代表沉积盖层的地温梯度，岩层热导率小，地温梯度高，基岩隆起区、造山带、古老地层出露区，岩石热导率高，地温梯度小。如下扬子地区，K2p—Es地层热导率为1.5～2.2 W (m·K),而O—T2地层热导率为2.6～3.7 W (m·K)。湖南白垩系红盆较为发育，其中以衡阳盆地为代表，具有较高的地温梯度[22]，地温梯度局部可达30°以上。沩山、关帝庙、丫江桥等岩体周边发育规模不一的白垩系红盆，但大多的岩体(及隐伏岩体)受古生代断陷盆地中沉积盖层覆盖。

2.3 地热异常

2.3.1 地温梯度

研究区主要位于华南加里东褶皱带两个构造单元之内，地质构造复杂。有关资料表明[22]，湖南省除衡阳盆地中东部以外(局部可达30°以上)，总体地温梯度在25℃/km以下，相对东南沿海地区具有较低的地温梯度值，同时东部及南部地温梯度相对偏高，均在20℃以上，其中诸广山岩体及湘北局部接近25℃。因此，从岩体与地温梯度分布关系来看，诸广山岩体具有相对较高的地温梯度值，可达24℃，其中地温梯度在20℃以上的包括了万洋山、幕阜山、九嶷山、骑田岭-香花岭、越城岭、五峰仙、关帝庙、五峰仙、南岳以及阳明山等。与放射性生热率相对较高的岩体大致吻合。

2.3.2 大地热流特征

通常认为，热流量显著高于63～105mW/m2的区域才有干热岩开发价值。湖南省大地热流分布特征呈现出东南高、北西低的特征(图4)。从岩体角度来看，诸广山岩体地表热流值最高，可达75 mW/m2，九嶷山、骑田岭—香花岭岩体地表热流值可达60 mW/m2以上。其他岩体的热流值则主要分布50～60 mW/m2。中国南方不同地区软流圈顶界埋深差别很大，湘中—桂中为199 km，华南造山带为83 km。对应地大地热流值为湘中—桂中为30～ 40 mW/m2，华南造山带为72 mW/m2，规律性非常明显[22]，因此湖南省东南部具有相对有利的形成干热岩的条件。

图3 湖南省地温梯度等值线分布图Figure 3 Isogram of geothermal gradient in Hunan Province

图4 湖南省地温大地热流等值线分布图Figure 4 Isograms of ground temperature and telluric heat flow in Hunan Province

图5 湖南省居里面等深图Figure 5 Isogram of Curie point isotherm depth in Hunan Province

2.3.3 居里面分布特征

从湖南省居里面等深图上可以看出(图5)[20]，居里面深度在17～34km，表现出NEE向的相间条带状构造。其中湘西南—湘中地区最浅，深度在23km以浅，表现出隆起和凹陷相间的团块状构造，在湘西南的越城岭地区埋深最浅，约17km。湘东南和湘西北地区最深，最深处位于塔山—大义山岩体、骑田岭岩体附近，可达34 km。研究表明，居里面的结构特征可以间接反映出岩石圈的热活动状态，居里面隆起位置有利于干热岩的形成，但湖南省居里面深度特征与地表面热流值、地温梯度的分布特征存在差异，可能与岩体生热率有关。

2.4 应力条件

中国陆域及各活动地块、南北地震带现今地壳浅部原地应力场分布特征表明[25],中国陆域地表实测地应力均为压性，随埋深均呈线性增大。地块地壳浅部应力场特征分析表明，由于受到菲律宾海板块以及青藏地块的作用,在华南地块内部，最大主应力方向主要为SE方向，长江中下游平原区表现出较大的压应力水平。已有研究表明，挤压构造背景下的应力场格局有利于沉积物盖层和花岗岩基底保持高的构造应力存在，进而保证他们具有低的流体渗透率、低的热流传导[5]，因此湖南省主要主要SE向的压应力作用范围内，有利于花岗岩岩体具有低的流体渗透率、低的热流传导。

2.5 地体稳定区域

湖南地震资料分析表明[17]，湖南历史上发生4(3/4)级以上的中强震22次，其中，Ms≤5.0级地震10次，5.0≤Ms≤5.9级地震11次，6.0级以上地震1次，总体表现较为稳定的特征。有仪器记录以来的近代地震湖南共发生ML3.0级以上地震 40次，集中分布在近东西的断裂带上，即湘北西带、东中带和湘东南带，与重磁异常区、莫霍面陡坡和缓坡区、温度异常区有相同的展布。其中洞庭拗陷盆地东西两侧晚期北北东向断裂继续活动，形成省内两条重要的地震活动带。如公田—新宁高级断裂带，据地震资料说明，断裂带附近曾发生24次3～5级地震。而湘东南如桂东—汝城断裂、瑶岗仙断裂、郴县—临武等地区，地震强度一般小于4级，是的干热岩开发的有利地区。

3 靶区优选

3.1 评价指标综合体系

根据上述分析结果，结合国内外有关干热岩判别指标，择优选取6项评价指标对湖南省花岗岩体干热岩赋存条件进行评价，并对每个指标进行细分(表2、表3)，依据其重要性赋予权重，进而优选有利区。

3.2 靶区优选

依据上述评价指标及权重，本次重点对具有高放射性生成热大于4 μW/m3的岩体进行了判别，各岩体评价指标见表3所示。根据权重算获得的地质评价系数60分以上的按大小排序依次为：诸广山岩体(81)、九嶷山岩体(77)、香花岭岩体(74)、骑田岭岩体(71)、大义山岩体(包括塔山部分)和越城岭岩体(66)、关帝庙和沩山岩体(65)、万洋山岩体(62)、五峰仙岩体和幕阜山岩体(61)。依据这一结果可以优选有利区，认为湘东南的诸广山岩体、九嶷山岩体、香花岭岩体、骑田岭岩体重点干热岩勘探区，其次为大义山岩体、越城岭岩体、关帝庙以及沩山岩体。同时，根据隐伏岩体及放射性元素分布特征，可以考虑对诸广山岩体热水地区、香花岭—骑田岭NEE向带、九嶷山岩体北西部、关帝庙岩体中部、沩山岩体中部红盆覆盖区开展干热岩勘查工作。

表2 湖南省花岗岩体干热岩评价标准Table 2 Assessment criterion for granite mass hot dry rocks in Hunan Province

表3 湖南省主要花岗岩体干热岩指标分值及评价结果Table 3 Main granite mass hot dry rock indicative scores and assessed results in Hunan Province

4 结论

(1)在综合分析前人已有资料基础上，综合湖南花岗岩岩体分布、岩石放射性生热率、大地热流分布、深度温度场特征，初步获得了湖南省主要花岗岩体干热岩指标。

(2)依据干热岩体地质评价指标研究分析表明，湘东南的诸广山岩体、九嶷山岩体、香花岭岩体、骑田岭岩体重点干热岩勘探区，其次为大义山岩体、越城岭岩体、关帝庙以及沩山岩体。

(3)湖南省干热岩研究尚处起步阶段，建议在诸广山岩体热水地区、香花岭—骑田岭NEE向带、九嶷山岩体北西部、关帝庙岩体中部、沩山岩体中部的红盆覆盖区开展干热岩勘查工作。

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