广西越城岭地区干热岩资源勘查前景分析

2022-08-04黄春阳康志强

南方自然资源 2022年7期

◎孙超，黄春阳，康志强

1.广西地质调查院，广西南宁 530023

2.广西地质矿产勘查开发局，广西南宁 530023

干热岩是清洁可再生地热资源，空间分布广、资源储量大、能源供给稳定，且不受气候和季节变化的影响[1-3]。已有研究表明，广西大地热流值高、莫霍面埋深浅，且具有高放射性岩浆岩体，具备干热岩地热资源成藏条件[4-5]。研究小组在总结前人研究成果的基础上，基于广西越城岭岩体岩石样品放射性生热率测试和钻孔测温作业，综合分析了该地区大地热流特征和干热岩资源赋存条件，为进一步开展干热岩资源勘查提供科学依据。

1 研究区概况及工作量布置

越城岭岩体地处湘桂两省（区）交界处，横跨广西兴安、全州、资源和湖南新宁、东安五县，毗邻猫儿山花岗岩体，面积1418 km2，是南岭成矿带西段出露面积最大的花岗岩体之一[6]。大地构造上位于扬子陆块东南侧的桂北台隆越城岭褶皱带[7]，是由多期次多阶段岩浆侵入活动形成的复式岩基，主要有加里东期、印支期和燕山期3 个成岩期次[8]。加里东期花岗岩体位于越城岭岩体的南部，平面上南窄北宽，呈NE 向往东凸的半椭圆形；印支期花岗岩体位于越城岭岩体的北部，平面呈椭圆状；燕山期花岗岩主要成岩株出露，未见大的岩体。

2021年，研究小组在研究区开展了地热地质调查工作。期间共采集10 件花岗岩样品进行岩石放射性生热率测试；在资源县城东面约8 km 处的宝鼎瀑布附近施工了1 眼孔深为100 m 的地热勘查孔，用于抽水试验及浅孔测温。

2 测试方法及结果

2.1 花岗岩样品测试结果

研究小组把从越城岭岩体中采集的10 件花岗岩样品送往重庆卓华工程勘测有限公司实验室进行热物性参数测试，实测了块体密度（ρ）、热导率（K）、比热容（C）和热扩散系数（k）等4 项指标，测试结果如表1 所示。

表1 越城岭岩体岩石热物性参数统计表

在稳定的大陆地区，大地热流主要来源于地壳热流与地幔热流[9]。地壳热流（Qc）主要来自地壳岩石中放射性生热元素（U、Th、K）衰变产生的热量[10]。越城岭地区相对富集U、Th、K 放射性同位素的上地壳花岗岩层，是形成地热异常的有利地热地质条件[11]。较高的导热率和热扩散系数，有利于深部热源热量传导，也有利于放射性生热的传导。

程顺波等在越城岭地区开展了岩体地球化学研究，其研究成果显示，越城岭岩体中U 平均含量为9.96×10-6，Th 平均含量为27.90×10-6，K 平均含量为4.68%[12]（见表2）。

表2 越城岭岩体U、Th、K 含量特征表[11]

2.2 岩石放射性生热率计算结果

岩石放射性生热率是指一定体积的岩石在单位时间内由所含放射性元素衰变所产生的热量，是判定岩体放射性生热能力的重要参数。越城岭岩体花岗岩放射性生热率可由实测岩体中的U、Th、K 元素含量及岩石密度计算得出。

式中，A为岩石总放射性生热率（μW/m3）；ρ为块体密度（g/cm3）；CU、CTh和CK分别为岩石中U（10-6）、Th（10-6）和K（%）的含量；AU、ATh、AK分别为3 种放射性元素的热贡献率。

根据以上测试数据，计算得到越城岭岩体花岗岩平均放射性生热率为4.71 μW/m3，其中U 热贡献率占比为52%，Th 热贡献率占比为39%，K 热贡献率占比为9%。

2.3 浅孔钻探及测温结果

钻孔揭露岩石岩性为（粗）中粒二长花岗岩，其中0～3.4 m 为中—弱风化的黑云二长花岗岩（推测为转石），3.4～11.0 m 为全风化的细砂层，11.0 m 以下为新鲜黑云二长花岗岩。3.4～11.0 m 为承压含水层，钻至3.4 m 处遇地下水，水即涌出孔口，并一直保持自流状态。11.0～100.0 m 为完整基岩，水文地质钻探编录和物探测井资料显示，岩石干燥无水，为承压水隔水底板。钻孔施工结束后，进行了3 次全孔测温。于2021 年8 月27 日在抽水试验前进行第1 次测温；在抽水试验结束静置24 h 后，于8 月30 日进行第2 次测温；在静置47 d 后，于10 月16 日进行第3 次测温。测试结果如图1 所示。

图1 钻孔测温曲线图

3 干热岩资源成生条件分析

3.1 放射性生热率

广西境内的中酸性岩体中U 含量平均值为6.79×10-6，Th 含量平均值为25.3×10-6[14]。全球花岗岩中U 含量平均值为5×10-6，Th 含量平均值为20×10-6[10]。由此可以看出，越城岭岩体花岗岩中U、Th 平均含量均高于广西和全球平均含量。越城岭岩体花岗岩平均放射性生热率为4.71 μW/m3，而全球花岗岩放射性生热率平均值为2.05±1.07 μW/m3[13，15]。可见，越城岭岩体花岗岩放射性生热率远高于全球平均值，属于高放射性生热率花岗岩[16]。

3.2 大地热流

地球物理资料显示，越城岭岩体所处的桂东北地区地壳总厚度平均值为30 km 左右[17]，其中上地壳厚度约为8 km[18-20]。基于前文分析，越城岭岩体花岗岩平均放射性生热率为4.71 μW/m3。在不考虑衰减的情况下，可估算出越城岭岩体花岗岩放射性生热贡献的热流高达37.68 mW/m2。

3.3 地温梯度

从测温曲线来看，研究区自地表向下，可明显分成3 个温度分带，其中变温带为0～11 m，恒温带介于11～30 m，30 m 以下为增温带。变温带受地表气温变化的影响极为明显，3 次测试均呈现出不同特征；恒温带和增温带的测试结果基本一致。从测温曲线上看，自30 m 以降，岩体温度随深度增大而增高，到孔底100 m 处仍保持增温趋势不变。

对钻孔30～100 m 段测温曲线进行数据拟合，得到地温梯度关系式：

式（1）中，T为地温（℃）；H为埋深（100 m）；R2为决定系数。

由式（1）计算得到的研究区地温梯度高达4.17℃/100 m。基于式（1）推算，在埋深2835.9 m 和3555.3 m 处可能分别探获150℃和180℃的高温岩体，该区干热岩勘查前景较好。

虽然施工的钻孔较浅，变温带温度差异较大，但在恒温带和增温带3 次测量的增温趋势几乎一致，因此，经推算的地温梯度数据具有一定的可信度。

3.4 储热及运热构造

研究区NNE 向的资源—新宁断裂带是一条区域性深大断裂，是区内的一级控岩、控盆、控矿构造带，有利于放射性生热元素的活化及深部热流的运移。调查发现，在剪应力作用下，在地下6～10 km 深部原片麻岩带之上叠加形成数条韧性剪切带，并显示多次活动的特征[21]。有学者认为，活动韧性剪切带是干热岩储热和导热的良好通道[4]。另外，在越城岭岩体与猫儿山岩体之间发育的中生代盆地，为红色砂砾岩覆盖的断陷盆地，构成了一个良好的热储盖层，有益于下部生热岩体的热量保存。

综上所述，越城岭地区具有较好的干热岩地热资源的生热条件、导热通道和储热条件，具有较好的干热岩勘查前景。