2023, Vol. 32
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2. 辽宁省物测勘查院有限责任公司, 辽宁 沈阳 110031
2. Liaoning Geophysical Measuring Exploration Institute Co., Ltd., Shenyang 110031, China
地球深部蕴藏着巨大的能量, 地核温度可高达4 000~6 800℃. 地球内部的热量主要来源于3个部分, 分别为地球形成时的余热、地球与其他星体之间的潮汐摩擦加热及放射性元素的衰变产生的热量. 地球通过火山、地震、地热等方式源源不断地释放着内部能量. 干热岩是地球热量释放过程中产生的, 是地热资源的一种. 自1973年美国科学家提出干热岩概念以来, 由于其具有温度高、稳定性好、能量大等特点, 许多发达国家相继开展了干热岩的试验研究. 2018年, 国家能源局将干热岩定义为不含或仅含少量流体, 温度高于180℃, 其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体[1].
我国干热岩研究起步较晚, 但在世界干热岩利用技术发展的带动下, 呈现出快速发展的态势, 并取得了许多重要的进展, 为现阶段开展干热岩勘探开发奠定了良好的基础. 我国从1993年开始开展干热岩的试验, 但并未成功实施. 直至2010年, 原国土资源部启动了公益性科研项目"中国干热岩勘查关键技术研究", 主要开展干热岩高温钻探技术方面的研究. 2012年, 我国启动了"863计划"项目"干热岩靶区工程测试及人工压裂工艺技术研究"及"干热岩热能开发与综合利用关键技术研究", 开启了国内专门针对干热岩工程的研究, 计算出中国大陆(3~10 km深度)干热岩资源总量为20.9×106 EJ, 合714.9×1012 t标准煤, 若按2%的可采资源量计算, 相当于中国2010年能源消耗总量的4 400倍[2]. 2013年, 中国地质调查局承担项目"全国干热岩资源潜力评价与示范靶区研究", 系统研究了干热岩赋存特征和成因机制, 评价了我国干热岩资源潜力, 为我国实现干热岩开发利用提供科学依据, 国内干热岩资源调查评价与开发研究进入实质性阶段[3].
此后, 近20个省份相继开展了本省的干热岩勘查工作. 其中, 2014年至今, 青海地勘人员在青海共和盆地成功施工5眼干热岩勘探孔, 孔深在3 000~3 705 m, 井底温度达180℃以上, 5眼勘探孔均钻获干热岩体. 其中GR1干热岩勘探孔孔深3 705 m, 钻获了温度超过200℃的高温岩体, 实现我国干热岩资源勘探的重大突破[4]. 恒泰艾普(海南)清洁能源公司在李德威教授团队指导下, 在海南琼北盆地成功钻获古近纪碎屑沉积岩干热岩储层, 孔深4 387 m, 温度185℃ [5].
2020年, 是中国"碳中和"元年, 地热作为五大非碳基能源之一, 得到了进一步的重视. 2021年, 在中国科学院重大咨询项目"中国碳中和框架路线图研究"中, 干热岩的开发为专题内容之一[6]. 辽宁省作为典型的能源输入省份, 是以能源消耗为主的工业大省. 在"碳达峰、碳中和"进程中, 辽宁省仍处于高投入、高排放的阶段, 因此有序开发干热岩资源是顺应时代发展的要求, 也是解决自身能源结构的重要途径[7]. 本文对辽宁省大地热流值、居里面埋深、酸性岩体分布及构造应力特征等干热岩资源赋存指标进行分析, 以期为干热岩进一步的勘查工作提供参考.
1 干热岩资源赋存指标分析由于干热岩为深埋于地下3 000 m以深的岩石体, 除钻探外无法直接通过现有的技术手段获取其温度, 因此只能通过大地热流值、居里面埋深、酸性岩体分布、壳内低速高导体埋深及构造应力场等指标间接反映地下的热异常[8-9].
1.1 大地热流值特征大地热流值为单位时间内地球内部的热能通过岩层传导和地热流体对流作用向地表的散失量. 大地热流值是表征地壳浅部热状态的一个非常重要的综合性参数, 也是深部温度计算的最重要参数, 比其他地热参数更能反映某个地区地温场的特点[10]. 辽宁省已有的89个热流数据中, 有44个集中分布于下辽河盆地, 42个分布于辽东地区, 辽西地区数据较少, 仅3个(图 1). 热流值介于32.1~105 mW/m2, 均值为63.23 mW/m2, 平均地温梯度为35.1℃/km, 高于全国平均水平的大地热流值(61.5 mW/m2)和地温梯度值(24.1℃/km) [11], 显示出辽宁省具有较好的地热资源开发潜力. 其中, 辽阳-海城-盖州一带热流值大于(90 mW/m2)的点有4个, 呈条带状分布于郯庐断裂以东的辽东山地丘陵区与辽河平原区的过渡带, 最高值为105 mW/m2; 下辽河拗陷西部热流值介于70~90 mW/m2之间的点有11个, 平均热流值为77 mW/m2.
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图 1 辽宁省大地热流值分布图(据文献[11-14]修改) Fig.1 Distribution map of terrestrial heat flow values in Liaoning Province (Modified from References[11-14]) |
居里温度是使位于地壳深部的侵入岩、火山岩及变质岩等各类地质体中铁磁性矿物失去磁性的温度, 纯铁磁矿的消磁温度约578℃. 地壳深部各类地质体失去磁性的埋深面则为居里面. 居里面是一个磁性界面, 可以利用航磁资料计算居里面的埋深, 当地质体的铁磁性矿物组成相似时, 居里面也可以近似看作是一个温度界面. 居里面埋深较浅的地区, 地球内部热量向地表传输的距离较短, 有利于产生高温的干热岩孕育环境, 同时有利于干热岩的勘查开发[5].
从辽宁省居里面等深图(图 2)上可以看出, 辽宁省居里面总体上呈现拗隆相间的格局, 深度在16~40 km之间变化, 平均深度约28 km. 根据辽宁省居里面隆起和拗陷的特点, 可划分为辽东隆起区、辽南拗陷区、辽西隆起区和辽北拗陷区4个区域. 其中在辽北拗陷区的铁岭市横道河子镇附近分布着一个较深的极值点, 深度约40 km, 显示该区地壳具有"冷壳"的特点. 5个隆起中心分别位于阜新市、彰武县、盘锦市、凤城市及桓仁县, 绕辽北拗陷区呈环状分布, 隆起中心居里面埋深均在小于18 km. 辽南拗陷区主要分布于岫岩-营口以南地区, 居里面等深线长轴呈近南北走向, 居里面深度从海上向陆地过渡具有明显变深的趋势, 居里面深度普遍大于30 km. 位于辽西隆起区的朝阳以东、盘锦以西地区呈现隆中拗的特点, 居里面埋深超过28 km.
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图 2 辽宁及其邻区居里面等深图(据文献[15]) Fig.2 Curie surface contour map of Liaoning and adjacent areas(From Reference[15]) |
地表观测到的热流值主要由两部分组成, 一是地核和地幔中的热量通过地壳散失于地表的热量, 二是地壳中的放射性元素U、Th和K通过衰变产生的热量. 酸性岩体由于相对富含放射性生热元素U、Th和K, 因此可作为干热岩资源赋存的重要指标条件[16]. 在各类酸性岩体中, 具有最高的平均单位体积生热率的岩体为燕山期花岗岩, 其平均单位体积生热率要显著高于印支期、华力西期及加里东期花岗岩[17].
花岗岩是辽宁省中生代酸性侵入岩中最主要的岩类, 总出露面积达16 041.2 km2, 主要分布于辽南庄河-盖州-普兰店及辽东凤城-海城-桓仁一带(图 3).其中, 早-中三叠世花岗岩不发育, 集中分布于辽北西丰地区及辽东宽甸地区, 主要受NE向断裂控制, 呈现NE向长条状或似圆状. 晚三叠世侵入的花岗岩类均出露于古元古代及以前的隆起带上, 受E-W向复式褶皱和NE向、E-W向、近S-N向断裂控制. 早侏罗世岩体以岩株为主, 部分为岩基, 多成NE向及近E-W向展布. 中侏罗世岩体发育程度不及早侏罗世, 岩体从小岩株到岩基均有产出. 晚侏罗世岩体多呈椭圆状、长条状的岩株产出, 多呈E-W向或NE向展布. 早白垩世岩浆侵入活动十分强烈, 岩体出露面积占燕山期侵入岩面积的53.4%. 晚白垩世岩浆侵入活动较早白垩世明显减弱[18].
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图 3 辽宁省中生代酸性岩分布图(据文献[18]修改) Fig.3 Distribution map of Mesozoic acid rocks in Liaoning Province(Modified from Reference[18]) 1-晚白垩世(Late Cretaceous); 2-早白垩世(Early Cretaceous); 3-晚侏罗世(Late Jurassic); 4-中侏罗世(Middle Jurassic); 5-早侏罗世(Early Jurassic); 6-晚三叠世(Late Triassic); 7-中三叠世(Middle Triassic); 8-早三叠世(Early Triassic) |
辽东地区酸性侵入岩中U、Th、K的平均含量分别为4.25×10-6、27.84×10-6、4.62×10-6, 均高于全球平均值(U≈3.5×10-6, Th≈18.0×10-6, K≈3.13×10-6) [19]. 其中, 三叠纪及侏罗纪花岗岩中放射性元素含量均远低于整体平均值. 白垩纪花岗岩中放射性元素远高于整体平均值, U、Th、K的平均含量分别为7.55×10-6、49.97×10-6、4.29×10-6. 岩石中放射性元素含量波动区间较大, 例如老黑山-宽甸岩体中U含量介于2.35×10-6~10.89×10-6之间, Th含量介于6.82×10-6~67.28×10-6之间, K含量介于1.95×10-6~5.77×10-6之间. 鞍山汤岗子及千山温泉、丹东五龙背及东汤温泉、本溪汤池沟温泉、熊岳温泉均发育在早白垩世花岗岩之中[20], 这几处温泉也是辽宁省内超过70℃的主要温泉资源. 各时代岩体放射性元素含量及生热率见表 1 [20].
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表 1 辽东地区中生代侵入岩放射性元素含量表 Table 1 Content of radioactive elements in Mesozoic intrusive rocks in eastern Liaoning Province |
低速高导层是位于地壳或地幔中的具有异常低的S波波速、较强的地震波衰减和较高的导电性的岩层. 壳内低速高导层的成因机制比较复杂. 韧性剪切带中的岩石在变形过程中, 由于矿物的定向排列, 可使岩石的波速、电性产生各向异性, 从而导致低速高导体的产生; 深部岩石中含水矿物的脱水作用可导致壳内低速高导层的形成; 在一定的温度区间, 地壳内的岩石达到熔融温度而发生相态的转变, 也可导致低速高导层的产生; 深部岩石在高温高压的作用下含水矿物发生脱水, 可导致壳内岩石的物理性质发生改变, 也会形成低速高导层[21]. 上地幔中低速高导层可能是水和熔体共同作用的结果[22]. 无论低速高导层的成因机制如何, 低速高导层的出现多伴随着异常的高温, 所以低速高导层的出现及埋深对干热岩的寻找有一定的指示作用.
内蒙古东乌珠穆沁旗-辽宁东沟断面(GGT-13)是我国地学断面部署中的11条断面之一, 在辽宁省内自西北向东南穿过北票、义县、盘山、古城子、海城、岫岩等地直至黄海之滨的丹东市大孤山镇[23]. 从图 4可以看出, 位于下辽河拗陷的盘山、古城子一带出现明显的莫霍面及软流圈的上隆, 下辽河拗陷新近纪以来幔源玄武岩喷发, 就是在软流圈上隆的背景下出现地幔剪切和上地幔部分熔融的结果[24]. 位于郯庐断裂带以东的海城两侧深度在10~20 km范围内出现明显的壳内高导层, 宽度约40 km, 其电阻率值为4~6 Ωm, 与壳内低速层的位置大致相当. 海城地区的地震震源集中分布于该低速高导层上界面, 结合上述壳内低速高导层的成因, 推测该层为高温高压下含水矿物的脱水所致. 脱水作用导致壳内岩石物理性质发生改变, 岩石相变成低强度的软弱体, 使区域应力集中分布于上覆的脆性岩石中导致地震的孕育和发生. 同时由于郯庐断裂带仅为古板块边界而非控热构造[25], 推测海城地区的高热流值可能与低速高导层存在一定的联系.
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图 4 GGT-13地球物理解译剖面(据文献[23]) Fig.4 Geophysical interpretation profile of GGT-13(From Reference[23]) 1-电导率(conductivity); 2-S波波速(velocity of S-wave); 3-P波波速(velocity of P-wave); 4-震中位置(epicenter) |
辽宁省处于总体走向呈NE向的华北断块北部, 中部有巨型断裂构造带郯庐断裂带呈NE向贯穿全省, 是中强地震较活跃的地区, 地震的发生正是构造应力突然释放的后果. 张先泽等[26]利用宏观和微观地震资料及辽河油田的计算成果, 详细分析了辽宁省构造应力场的特征, 认为辽宁省构造应力场主张应力为NW向形成NE向断裂, 主压应力为NEE向形成近NW向断裂. 戴盈磊等[27]通过1971-2020年辽宁及周边地区震源机制解资料, 利用区域尺度应力场反演方法(SATSI)对辽宁省构造应力场进行了分析, 认为辽宁省内最大主应力方向以NEE向为主, 最小主应力方向以NNW向为主, 以走滑正断裂为主, 整体上处于拉张的应力环境. 从区域地质构造背景来看, 西太平洋板块对辽宁省NWW向的高速俯冲是辽宁省地震发生及一系列NE-NNE向隆起和拗陷形成的主要动力来源, 并使地壳浅部形成一系列的NE-NEE向张性断裂[28].
张性的岩石圈断裂及深壳断裂可以更好地将地球深部热量传递到中、上地壳并为热量的循环提供通道. 贯穿辽宁省的郯庐断裂带为岩石圈断裂, 在延伸入下辽河盆地后, 线性断裂带变为多条, 主要有二界沟活动断裂带、威远堡-盘山活动断裂带及辽中-大洼活动断裂带等, 呈帚状断裂束. NE-NEE向深壳断裂主要有东风-沈旦堡断裂、长滩-东陵区断裂、李石-英额门断裂、虎庄-下肥地断裂、归州-丹东断裂、金州断裂、鸭绿江断裂等, 在沈阳、鞍山、本溪地区深壳断裂分布较集中, 且NE向与NEE向断裂互相交汇.
2 初选靶区讨论前人在分析我国大陆地区大地热流值、居里面埋深、酸性岩体分布和控热构造的基础上, 通过对国内外已发现的干热岩资源的成因模式进行研究, 将中国干热岩资源划分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型及强烈构造活动带型4种类型[3].
2.1 高放射性产热型辽宁省中生代酸性岩中白垩纪岩体具有最高的放射性元素含量和生热率, 其生热率介于3.14~8.64 μW/m3之间, 接近中国东南沿海地区的中生代酸性花岗岩的平均放射性生热率(4.2 μW/m3) [3]. 同时早白垩世的花岗岩体数量多, 面积大于100 km2的岩基有11个, 具备较好的生热条件. 但是要寻找到高放射性产热型干热岩, 不仅需要合适的干热岩体, 为了防止大气降水入渗而使岩体冷却, 在基底之上还需要具有一定厚度的导热性较差的盖层以保存基底热量. 结合辽宁省干热岩资源赋存条件, 初选出鞍山-海城一带、盖县-许屯一带、草河城镇-八河川镇一带及五龙背地区为高放射性产热型干热岩资源勘查靶区. 然而, 考虑到高放射性产热型干热岩开发工作至今还没有成功的案例, 其温度仅靠岩体放射性很难达到要求, 放射性花岗岩放热的效率并不高且温度衰减较快等原因, 高放射性产热型干热岩靶区仅保留具备高大地热流值和壳内低速高导体的鞍山-海城一带.
2.2 沉积盆地型下辽河盆地是辽宁省内最大的盆地, 是一个在前古生代基底上发育起来的呈北东向展布的中、新生代拗陷盆地, 属于渤海裂谷系的组成部分, 东临辽东褶皱带, 西接燕山沉陷带, 由东向西呈现出"三凹三凸"的构造格局. 下辽河盆地具有高的地温梯度和大地热流值, 居里面埋深浅, 深部存在上地幔低速高导体, 东西两侧为郯庐断裂带, 基底之上巨厚的低热导率新生代沉积盖层提供了很好的保温效果. 通过对以上干热岩资源赋存条件的分析, 初选出下辽河盆地为辽宁省沉积盆地型干热岩资源勘查靶区.
2.3 近代火山型近代火山型干热岩资源的主要热源为火山活动中未喷发出地表而残存于深部以岩浆囊形式存在的岩浆, 深浅不一, 通常可在较浅的位置获得较高的温度. 我国近代火山主要分布在腾冲、雷琼、长白山、五大连池等地区[29]. 东北地区有5个火山和火山岩带, 分别为下辽河-双辽、佳木斯-伊通、抚顺-密山、长白山和大兴安岭. 其中下辽河-双辽火山带火山活动时间为63~25 Ma, 抚顺-密山火山带活动时间为44.9 Ma, 而长白山天池火山晚期火山活动时间为1489~704 a, 五大连池火山群火山活动时间为0.563 Ma-现代[30]. 一般认为, 100 ka以来的岩浆活动对温度场有很大的影响[8], 而辽宁省内岩浆活动发生在第四纪之前, 长时间的冷却已使岩浆热量散失殆尽, 对区域地温场基本无影响.
2.4 强烈构造活动带型深大活动断裂作为活动构造中最活跃的因素往往切割地壳较深而使深部酸性岩浆易于侵入, 同时在岩浆侵入过程中会打破断裂原有的空间结构而加剧侵入岩体的上隆. 中国活动地块可划分为青藏、西域、南华、滇缅、华北和东北亚等6个Ⅰ级活动地块区, 还可以进一步划分为22个Ⅱ级活动地块[31]. 辽宁省处于东北亚活动地块区, 相较于我国西藏、滇西、川西及台湾地区, 本地块区是一个构造活动相对稳定的地区, 构造活动不强烈, 不具备形成强烈构造活动带型干热岩的构造条件和热背景.
3 结论通过对辽宁省大地热流、居里面等指标进行分析, 认为辽宁省可能存在的主要干热岩类型为沉积盆地型和高放射性产热型. 其中, 沉积盆地型干热岩靶区为下辽河盆地, 应作为下一步辽宁省干热岩资源勘查开发的重点地区; 高放射性产热型干热岩靶区为鞍山-海城一带, 可作为辽宁省干热岩资源勘查开发的次重点地区.
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