2. 国土资源部油气资源战略研究中心, 北京 100034;
3. 福建省祥和地热开发有限公司, 福建漳州 350001
2. Strategic Research Center of Oil & Gas Resources, Ministry of Land & Resources, Beijing 100034, China;
3. Fujian Xianghe Geothermal Development Co., Ltd, Zhangzhou Fujian 350001, China
地热能源作为一种绿色的新能源,它在我国快速工业化和经济腾飞中乃国家的战略需求,在我国未来的能源结构配置中必将会占有重要的份额.近些年来,随着能源消耗的持续增长和化石能源的紧缺,地热新能源已经引起世界许多国家的关注,特别是对一些无油、气、缺煤的省市及边远地区若能广为开发和利用地热能源确具有十分深远的意义.美国、意大利、新西兰、冰岛、日本、菲律宾、墨西哥、俄罗斯等50多个国家都在某种程度上积极加强或着手进行地热资源的勘查、开发和利用.1961年,联合国在罗马召开了首届新能源讨论会,那时候利用地热发电仅有少数几个国家,如意大利、新西兰和美国,世界地热发电总装机容量约42万千瓦.1970年,联合国在意大利比萨召开了地热资源开发与利用讨论会,对地热能的利用起到了推动作用,世界地热发电总装机容量增加到约67.5万千瓦,九年间平均每年增长5.4%.1975年,联合国在美国旧金山召开了第二届地热资源开发与利用讨论会时,会上发表有关地热研究文章有290余篇.据报道,1976年全世界正在运行的地热发电总装机容量已达136.22万千瓦,1970—1975年间每年增长约14%.
随着世界化石能源的逐日紧缺和人们对地热能源发电和利用认识的不断深化,地热能的勘查、开发和利用正在兴起,我国已给予了高度重视.西藏羊八井乃我国目前唯一的一座高温地热发电站,自1991年以来装机容量为25MW左右(多吉, 2003).2010年国土资源部启动了公益性科学研究项目“中国干热岩勘探关键技术研究”.2011年,中国地质调查局开展了中国陆区干热岩资源潜力评估.2014年启动了“大型盆地和东南沿海典型地区深部水文地质调查与综合评价”项目.2013年1月,国家能源局、财政部、国土资源部和城乡建设部三部一局共同发布的《关于促进地热能开发利用的指导意见》提出,到2015年全国地热供暖面积将要达到5亿m2,地热发电装机容量要求达到100 MW.2011年,中国工程院提出的我国地热能发展战略目标,要求到2020年我国高温地热发电装机容量达到75 MW,中低温地热发电装机容量达到25 MW(中国能源中长期发展战略研究项目组,2011).2009年,中国科学院发布了《中国至2050年能源科技发展路线图》,其中对深层地热工程化技术开采给出了相应的愿景:即2020年前后作为技术成熟期,2035年前后该项技术将达到商业化开采水平,至2050年,利用该技术进行地热发电的总量将达到全国电力总装机容量的5%~10%(中国科学院能源领域战略研究组,2009).在2012年11月,由科技部召开的以“大型地热田形成机制与可持续开发利用”为主题的第477次香山科学会议上,中国科学院地质与地球物理研究所的地热学家们提出了以“四化”,即多元化、规模化、精细化、绿色化为特色的中国地热能技术发展途径,和以“近期”、“中期”、“远期” “三步走”的中国地热能产业发展道路(庞忠和等, 2012).
2016年6月20日中国工程院与中国石油化工集团公司主办了“第240场”中国工程科技论坛.这次中国地热国际论坛,乃中国地热产业规划和布局研究重点咨询项目的启动会.初步研究表明,地热能利用在当今我国经济发展中将占有重要地位,主要表现在调整未来能源结构,应对气候变化和大气污染方面定会有突出贡献,在“十三五”期间将把地热能放在更加重要的位置(国家启动我国地热能开发利用“十三五”规划的编制),其重点之一是积极推进中深层地热供暖,其指导思想是用重大工程来带动大范围地热开发,进而带动整个规划的实现.在“十三五”期间,京津冀地区将成为地热产能发展的主阵地(地热供暖/制冷).可喜的是河北雄县地热集中供暖已全覆盖,而《中国“十三五”地热产业发展规划》将会使地热在我国的利用进入一个新的时代(计红梅, 2016).当然必须面对当今我国地热开发与利用的机遇和挑战,特别要重视的是地热能探查、开发和利用中前期的扎实工作和难题的破解.
当今我国东南沿海福建地带的建设与经济发展已进入快车道,必需大量资源与能源的消耗,然而福建既无煤、也无石油,水力亦不足.为此在地壳深处探查和发现干热岩体,厘定热能体量与供热时序及热源供给,乃是福建省能否持续利用水热资源作为新能源,并替代部分化石能源的核心所在.纵观我国东南沿海福建省境内及漳州盆地地热显示十分突出,且不论是近地表的浅表层地质构造与水文状况,还是壳、幔精细结构和地球物理场响应研究均比其他地区(带)相对多且详细(魏斯禹等, 1990).因此,剖析漳州盆地壳、幔特异结构,并结合地球物理边界场响应来分析、研究和探讨该地区地下深处是否存在干热岩体,并首先进行示范性研究与探索确具有重要的科学意义和应用前景.当然,要达到目标又必须从福建省境内整体构造格架和区域性深层与浅层过程出发,方可查明漳州盆地深处的地热显示和属性及特点,以达有步骤的探查、开发和利用的成效!
1 我国东南陆缘地质构造格架与水热活动和地热活动特征从板块动力学理论出发,欧亚板块与太平洋板块及菲律宾海板块在我国东南陆缘地带的碰撞、俯冲、消减,直接影响着闵、浙、粤等整个东南陆缘地带.它们相互作用的主压力方向为NW向的张性或张扭性断裂,而与其垂直的NE向大断裂则属压性或压扭性.基于这两个方向断裂的交汇及深部热物质与能量的交换,并伴随着板块的碰撞、挤压、运移和构造应力作用,故在地壳内部局部地域可能形成破碎带或软弱层,它们不仅构成地下热水的良好通道和储集区,而且还导致了小地震的频繁发生.另外,东南沿海和台湾海峡可能存在小型的局部地幔对流环,在福建沿海和台湾海峡处上升,致使澎湖列岛出现上新世至更新世的玄武岩溢出.
1.1 我国东南陆缘与临海地域的大地构造环境华南大陆特别是陆缘地带复杂的构造格局和活动状态,关系着这一地带的水热活动以及深部热物质运动的行为与轨迹.动力学特征主要表现为我国大陆边缘地带地壳生长和大陆增生最活跃的大陆边缘,也是陆-洋过渡带,壳-幔物质与能量强烈的交换地带,即构造活动的侧向不连续地带.
该区主要受走向为NE向的滨海断裂带(F1),长乐—诏安断裂带(F2),政和—大埔断裂带(F3),邵武—河源断裂带(F4)制约(图 1)(张洁等, 2016; 陈园田等, 2001),且控制了多期次的岩浆侵入和火山喷发.太平洋板块俯冲带与华夏块体之间的大陆边缘地带是大规模新生代构造活动带,近期活动特征则表现为高频度的小地震和强烈地震活动,且呈现出大量的地热显示及地壳上隆.这种陆内的断裂构造体系乃是在太平洋板块与欧亚板块相互作用下导致陆内强烈变形的产物,当必亦受到海-陆板块远程效应的影响.依据其沉积构造、造山带和错综的NE向和NW向断裂体系、岩浆活动及变质作用等,全省可划分为三大构造单元,即闽西北(上升区)构造带、闽西南华里西-印支期断裂带、政和—大浦断裂带和闽东火山活动构造带.实际上福建境内断裂纵横(NE与NW),且已形成了一幅由NE向主体深大断裂和15条断裂纵、横交错的断裂网络(图 2).
沿政和—大埔一线出露有加里东期和华力西-印支期的超基性和酸性侵入岩,走向为NE.燕山期(侏罗-白垩纪)的侵入岩和火山活动规模大,且呈周期性的多期次喷发.花岗岩类以NE走向分布在福建沿海的广大地区.地热活动显著的表现是高丰度的长寿命放射性同位素U、Th、K以及大幅度重力布格负异常且延伸深度很大的花岗岩侵入体.该区喜山期侵入的规模小,成组出现在浦城—长汀,政和—大埔及长乐—南澳断裂一带.燕山期花岗岩的同位素年龄自西向东变小.例如,政和—大埔以西地带为140~200 Ma,政和—大埔和福安—南靖之间为100~160 Ma,而福安—南靖断裂以东则为80~100 Ma.在漳州东南沿海还发现了非常年轻的基性侵入岩体,其同位素年龄只有0.7 Ma,这与现代地热活动从西往东逐渐加强的特征是相关联的(黄卿团等, 2005; 林长江, 2002).
福建省的地质构造格局受燕山运动影响深广,主要表现为NNE向的强烈断裂、造山带、大规模的岩浆侵入和火山岩喷溢,并沿NNE及NWW方向形成了一系列的断陷盆地.福建省岩浆分布面积约8万km2,约占全省国土面积的2/3;全省温泉和地热资源基本上分布在与燕山期花岗岩关切的断裂和裂隙系统中,即属裂隙型呈带状展布的地热显示.
1.2 福建省温泉福建省温泉分布十分广泛,密度大但分布并不均匀(图 2).其分布特征:
(1) 地表温泉的区域性分布特征
福建全省的地热勘查初步查明天然温泉215处,最高温度89 ℃,温泉分布密度居全国第3位.闽南温泉县分布占全省温泉县总数的54.2%,闽中占37.5%,闽北仅占8.3%.由福建省东部陆缘地热资源趋势可见:漳州市地热资源约占全省40%,该热田应是中国东部地区温度偏高、地热资源量最丰富且最具开发利用价值与前景的地区(庄庆祥, 2010; 何永金和陈明光, 1999).
(2) 漳州盆地近地表的温泉分布与地热活动强烈
漳州是我国温泉分布密度最大的地区之一,仅漳州地热田已查明的地热资源可采热流体量达7598 m3/d.另外,全市现有温泉82处,占全省温泉分布的1/3以上.温泉总流量达4.23万m3/d,约占全省总流量的31%.漳州地热温度高,80%以上的温泉温度在40~80 ℃.水温高于60 ℃的温泉有13处,地下热水资源水温居东南沿海之冠.漳州市境内浅层温泉热水富集区最多,最为集中的地区主要有14个温泉富集区,其中12个为含水性丰富的温泉水热富集区,只有2个为中等-丰富的温泉水富集区(庄庆祥, 2010, 2015, 2016a, b, c).
漳州地热田浅层温泉热水富集区.该富集区位于福建省最大的漳州盆地中央,是福建省地下热水补给范围最广(补给面积大于550 km2),补给条件最好的地热田,勘查程度亦较高,以100 m深度为例,详查阶段热田面积达7.891 km2,开采勘探阶段约为12 km2,如以200 m深度处热田面积应在15 km2以上.浅层地热水允许开采量大于20000 m3/a,平均水温81 ℃以上,热田中心水温均在100 ℃左右,最高达122 ℃以上,如漳州五中校内第二开采孔,孔深200 m,孔口水温122 ℃,最大允许涌水量大于10000 m3/a,为福建省乃至全中国沿海地区唯一处分布着的低温浅层地热水,为福建省最大的浅层高温地热水富集区.据地下热水氚含量分析,该热泉为1952年之前形成的,年龄为50~60年,或更老一些,O18/O16比率研究表明大部分为大气降水补给(庄庆祥, 2010, 2015, 2016a, b, c),只有百分之几至百分之十几是变质水或原生水,氚值稍高于大气降水,表明是在高温(300 ℃)条件下与围岩进行同位素交换所致.
华安沙建汰内热田浅层温泉水富集区.该富集区的地热异常范围约15 km2,天然温泉六处,总流量28.6 L/s(2471.04 m3/a)水温40~70 ℃,推算该温泉水富集区允许开采量约为1.2万m3/a,为富水性丰富的中温浅层温泉水热富集区.
若从近地表温泉水热活动和分布来看,并与该区纵、横交错的断裂一并考虑可见,在断裂交汇处,温泉水热活动均较发育.纵观福建东部陆缘地带的近地表温泉水热活动可见,漳州盆地最具前景.
1.3 福建省地震活动与分布特征福建省东部陆缘地震异常活动,强烈地震亦时有发生(张洁等, 2016; 林锦华, 2001; 陈园田等, 2001)(图 3).地震活动与温泉水热活动密切相关,且震源分布的密度和地震发生的强度确均由西向东增强,由北向南增强,显示出它们具有同步性和均源于深部物质与能量交换所致.
据福建省漳州市地震志记载,漳州属于地震多发区,有历史记载的地震如漳州盆地1067、1185、1445、1549年(间隔104~260年)分别发生5,6,6,5级地震;漳浦海外1791年和1962年(间隔171年)分别发生过5级(震中有争议)和4.7级地震;平和1832年发生5级地震;华安1968年发生一次5.2级强烈地震.三次有感地震分别为华安沙建1972年发生的3.2级地震;漳州石亭北1975年发生的最大震级为3.1级、119次的小震群,长泰坂里1977年发生3.7级地震;两次大于4级地震分别为1962年漳浦以东海域的4.7级和1980年东山南海的4.3级地震.
沿整个长诏断裂带与其周围地区,东山—南沃1600年和1918年分别发生了7级和7.3级大地震,泉州海外1604年发生8级大地震,厦门海外1906年发生6级强震.其他4.5级或5级以上强震则更多.现代小震,微震更是众多,主要集中于三个区:(ⅰ)东山—南沃区,震源深度平均为18.8 km;(ⅱ)漳浦—厦门海外区,震源深度平均17.2 km;(ⅲ)华安县台内—坂里区,震源深度平均10.9 km.总体上,震源深度向海域方向增大.
地震震源发生在一定的体积内(滕吉文等, 2008, 2009, 2014),它并不取决于地表的某一条断裂.在强烈地震在发展进程中,特别是临震阶段确会驱使震源上方近地表一系列错综断裂的活动.由此可见,福建境内四组NE向深大断裂系可能作为深部物质与能量交换和地震能量向上运移的通道.
2 福建陆缘深部干热岩体和热源环境分析利用地下热能发电是一项系统工程,必须在查明近地表浅层温泉活动与分布的前提下,进行一定深度的钻井温度和温度梯度测量.在这一系列广泛调查和探测的基础上,初选深部可能的干热岩靶区,经详细勘查与浅钻井试验(几百米)后,再通过地球物理探测来检验与证实.
2.1 漳州盆地地热勘查与井中温度响应在20世纪70年代早期,漳州地热田在普查圈定1 km2面积的基础上,于1984—1987年进行了地热资源详查,投入钻井进尺4000 m以上,扩大圈定了热田面积达7.9 km2,100 m钻井深度内最高温度可达121.5 ℃.第四系松散层的热储5410 m3/d,基岩裂隙热储7598 m3/d(庄庆祥, 2010, 2015, 2016a, b, c).这一次地热详查范围为226 km2,新发现2个地热田、7处温泉和21个地热异常点(庄庆祥等, 2016a, b, c).
地热勘查大于100 ℃的地热井2眼:漳州工人疗养院井深99 m,井底温度121.5 ℃,井口水温105 ℃,挟带蒸汽间歇性喷出;漳州五中井深199 m,井口温度122.4 ℃的蒸汽和热水连续喷出(孔底温度约140 ℃).
漳州热田以西约5 km处的下庵热田钻有十多个浅孔,其深度为50~100 m,孔口水温可达42~53 ℃,其NW方向约5 km处有一图山火山口,北侧5 km附近在历史上曾发生过6.2级地震且微震频发.
2.2 地壳深部干热岩区发电是作为替代化石能源的重要导向在福建省能否发现存在于地壳深部的干热岩,并具一定规模的热能长期供给乃是能否借助地下干热岩体发电以形成对化石能源替代或部分替代的关键所在.同时,应当注意到干热岩的勘查、开发和利用乃一系统工程,尚有一系列重要问题必须思考和厘定(滕吉文, 2001, 2003, 2005; 李德威和王焰新, 2015).在全球范围内,特别是在构造、矿产资源和地震相对活动的地区的深处发现干热岩的概率是比较大的,亦应重视.
目前,干热岩地热资源在世界上仅美、英、法、德、瑞士、瑞典、澳大利亚和日本八个国家在研究与开发.利用从地下干热岩区循环出160~175 ℃的高温蒸汽进行发电,在法、德已有连续发电的成功实例.我国西藏羊八井热田发电当时在我国乃属先河(多吉, 2003),而青海温泉区、云南腾冲和福建陆缘确具前景!
(1) 我国地下干热岩的潜力估计
干热岩是指不含水或仅含较少量水的地下局部炽热的岩体,泛指地壳内埋深大于3 km(系指地下水循环对流不能抵达的层位),即为3 km以深100 km以内岩石圈范围内岩石的温度为150~650 ℃的致密热岩体(Brown and Phillips, 2000).至今,全球最大钻探深度的井为苏联在北极科拉半岛打的一口12.26 km超深钻井(Ю·H·亚科夫列夫和В·И·卡赞斯基, 1999),而世界上将地壳内部深度3~10 km范围内的可开采地热能岩层(体)称之为干热岩.
地壳0~3 km深度的地热资源指的是正在开采、利用中的地下热水资源,而地壳3~10 km深处的干热岩地热资源储量巨大,估计我国干热岩地热资源约相当于714.9万亿吨标准煤,小于75 ℃的干热岩资源总量为0.4×106EJ,占总资源量的2%,75~150 ℃资源量为8.9×106EJ,占43%,大于150 ℃资源量为11.7×106EJ,占55%.由于温度随深度增加而增高,地热资源量也与深度呈正比.当今,在我国大陆地区的热状态和干热岩开发的经济性及以发电为目的的考量下,现阶段的开采深度以在4~7 km比较适宜,这一深度段可开采资源量为7.9×106EJ,热储温度目标是150~250 ℃(汪集旸等, 2015).我国东南沿海中生代岩浆活动区,占总量的8.5%左右.若以2%开采量计,可供中国总能源消耗4000年以上.福建省陆、海干热岩地热资源储量大于60万亿吨标准煤,漳州市约占全省的40%,且以热储温度高、埋深较浅、交通方便、开采较容易、经济价值较高著称,故开发利用潜力巨大(庄庆祥, 2016a, b, c).
(2) 干热岩埋藏深度与温度关系的分区
依据正常地区3 ℃/100 m的地热梯度计算,可将深部干热岩的平均地热梯度大于3 ℃/100 m的干热岩地热资源分布区视为丰富的干热岩地热资源分布区(汪集旸等, 2015).这一分布区在4000 m深度左右、温度大于120+年平均气温(以漳州年平均气温21 ℃为例)+10 ℃=151 ℃;5000 m深度处大于181 ℃,10000 m深度处温度大于331 ℃;将深部干热岩平均地热梯度等于3 ℃/100 m的分布区划分为中等干热岩地热资源分布区;将深部干热岩平均地热梯度小于3 ℃/100 m的地区划为贫乏干热岩地热资源分布区.
以上地热干热岩资源热储温度分区清晰地表明:只有位于地热异常区内并有丰富的干热岩资源、且平均地热梯度大于3 ℃/100 m的深孔定位与施工,才可能有较大的开发潜力.
(3) 我国东南陆缘干热岩可能的最佳选区
尽管我国的干热岩分布甚广,但是分布很不均匀且各向异性特征十分显著.由科技部立项的中国干热岩关键技术正在进行中,国土资源部安排的中国干热岩第一井,宜应选在地热地质条件较好、大地热流背景较高的地区,如漳州市的云霄—漳州市区—长泰岩浆房分布区(平均地热梯度大于3 ℃/100 m),以利于进程便于推广.可是在尚未搞清干热岩的关键深部介质物理属性和空间结构的情况下,已将井位布置在远离岩浆房分布区的龙海市东泗乡清泉林场.尽管该井正在施工中(蔺文静等, 2015),但这一井位所处的孔内构造、地热梯度与热流值均有可能属贫乏的干热岩地热资源分布区.因其井口温度仅40 ℃左右,井深2000 m左右时,井底温度仅81 ℃.显然该靶区的选定和深井定位与实施的前期工作是尚不够充分.这表明,可能存在干热岩的相对最佳选区必须具备较为充分的前期地球物理探查与论证方可厘定.
2.3 干热岩地区应具备的深层物理过程和壳、幔介质属性及空间结构显然形成天然蒸汽田必须具备一定的基本条件,即特异的深部与浅部相耦合的介质物理属性和空间结构环境.结合我国华南东缘地区的水热活动和地下热状态可集成归纳出以下几点约束背景:
(1) 必要条件
① 首先要在现今构造活动、地震活动、水热活动地区(带)进行普查勘探,可在1:2.5万的详查基础上进行靶区挑选;在靶区进行精细(1:0.5万或1:0.2万)的地表勘查,并配合浅孔(200~500 m)钻探进行检验,目的是在客观上最大限度缩小最佳强地热活动范围.
② 在0~5000 m深度左右处须发现存在一定规模、温度高、地温梯度大的热储,只有年轻的岩浆侵入体才能构成一个具经济价值的地热田热量、且能补给所必需的大量热能.换言之,积蓄有大量地热能的任何远景区都必然出现有年轻的(新生代)火山活动带(林长江,2002).年轻的浅层岩浆侵入体的适生区,其地层时代多为第四纪抬升区和晚第三纪、第四纪沉降区.
③ 在①、②的基础上,应挑选靶区中具有高大地热流值(q>80 mW·m-2)(袁玉松等,2006)和高岩石生热率的地区.我国华南地区出露大面积的花岗岩体,其生热背景均大于2.8 mW·m-3,如此大面积的高生热率区在东亚甚至全球亦不多见.美国在内华达山脉岩基的热流与生热率呈线性关系(Sawka and Chappell, 1985),英国在英格兰岩基的大地热流值亦呈线性关系(Lee et al, 1987),但我国东南地区的热流与生热率之间却尚难以认为呈线性关系(赵平等,1996).为此,华南地区的大地热流值与生热率之间的关系较为复杂,在华南是一个什么样的关系组合又受到哪些因素的制约,必须进行进一步的观测与深化认识.因为它对评价深部干热岩体的规模,即干热岩地热资源的总量或基数、供热时序等是至关重要的.对干热岩地热资源量评价的直接参考量是深部温度,而决定不同深度处温度分布的参数主要为地表温度(T0)、地表热流(q0)、岩石导热率(K)和岩石生热率(A).
(2) 充分条件
① 地表深处壳、幔结构中清晰地呈现出低速层,而低速层中存在一有限边界的低速体和具有致密且不透水、气的盖层.
② 地壳低速层,特别是低纬度处或相邻地带存在由深部向上切穿各层序的深、大断裂带或破碎带,以构成与深部连通的热物质上涌通道.
③ 该低速体,即热源体必须具有一定的规模,并且具有稳定的热源长期补给,地表及附近地带应有丰富的水资源.
(3) 其他
① 项目设计和先进的工程与技术投入;
② 前期的资金投入;
③ 场地建设与科学管理.
3 福建东部陆缘穿越漳州盆地地热活动地区的地壳与上地幔结构华南地处两大板块的汇聚地带,不论是其浅表层过程还是深层过程均十分复杂.尽管该区已进行了大量不同类型的地球物理场和壳、幔结构的研究(中国科学院地球物理研究所和福建省地质矿产局, 1992; 刘建华等, 1996; Zeng et al., 1997; 徐克定, 2000; 曹小林等, 2001; 滕吉文等, 2001, 2014; 滕吉文, 2003; 滕吉文和杨辉, 2013; Huang et al., 2003; Huang and Zhao, 2006; 朱介寿等, 2005; Zhang et al., 2005, 2009; 朱金芳等, 2006; Ai et al., 2007; Chen et al., 2009; 熊小松等, 2009; 邓阳凡等, 2011; Zhou et al., 2012; 叶卓等, 2013, 2014; 李国辉等, 2014; 王敏玲等, 2015),但由于目的各异、程度不同、且尺度不一,尚难以厘定东南陆缘福建省的地热活动地区(如漳州盆地和福州盆地的地热异常区或前景地带)的深部热储属性和结构、深层动力过程、基础模型及其耦合响应(Brown and Phillips, 2000; Chen et al., 2001; 李国辉等, 2014).为了深化理解热田区的深层过程和边界条件,应对该区的壳、幔结构给予综合分析和探讨.
3.1 华南地区人工源地震深部探测与壳、幔速度结构为集中讨论福建省境内,特别是东南陆缘地带的壳、幔结构,仅截取了已有人工源地震深部探测资料的两条剖面(一条为NW向,一条为NE向)进行壳、幔速度结构反演(图 4, 5).
(1) 地壳深部速度结构的分布特征与响应
基于不同构造单元中地壳各层和全地壳的平均速度随平均深度的分布柱状图(图 4)可见,华南地区的地壳厚度均小于其他各构造单元,且由西向东减薄(除台湾造山带外),地壳平均厚度为32 km.同时华南地区的中、下地壳的速度亦低(分别为6.19 km·s-1,6.71 km·s-1),地壳的平均速度均小于其他11个构造单元的速度(6.24 km·s-1).这表明,福建省境内不仅地壳厚度小于其他构造单元,而且中、下地壳和全地壳的速度亦均低,这一方面反映出壳、幔介质相对较软,壳、幔深处可能存在热物质与能量的交换.
(2) 两条斜交地震剖面(NW和NE)的速度结构图像.华夏地块壳、幔结构复杂(图 5),上地壳中存在低速层、整体速度偏低,而且其与扬子克拉通、台湾造山带和与江绍断裂带之间的界线均为地壳厚度和上、中地壳介质属性变异的地带,特别是华夏地块东南端和东北端显示出异常的介质低速属性.
(3) 基于剖面辖区地壳平均厚度、平均速度和层速度结构图像特征表明,深部(上地壳3~15 km之间)可能存在热物质,即异常热储体的反映.
3.2 穿越福建东部陆缘人工源地震探测与波场特征福建省东南部深部是否存在潜在的干热岩体和热源,除地表岩相及断裂构造派生现象外,区域地球物理场响应与壳、幔特异速度结构是厘定的核心判据.为此,在该区部署了两条主干剖面,即云霄—漳州—永春—闽清—宁德剖面,长约370 km,(AA′),古雷—华南—漳平—永安剖面,长约260 km(BB′)(图 6).为了集中讨论这两条断裂与地热活动区的耦合关系,故将其分别截成几个剖面段分别讨论(L1-L5)(表 1).
在每一剖面段上获得了多重相遇和多重追逐观测系统的互换地震震相,给出了穿越漳州盆地的两端剖面(L1, L3)的地震记录(图 7).
下面讨论穿越漳州盆地地热活动地区两条地震长剖面(AA′,BB′)中L1和L3段的壳、幔速度结构特征(图 6, 7).
(1) 云霄—漳浦—漳州—安溪剖面段(L1)
该段剖面分布有3个爆炸点,即云霄的荷步、长泰和城东、安溪的内村,测点距平均为2.2 km,剖面段长176 km,可构成完整的相遇与追逐观测系统.该剖面通过漳州盆地热异常区,且断裂发育(NWW和NNE两组),水热活动、地震亦活动,地表热水温度可达65 ℃.天然地震观测表明,在漳州—华安之间的沙建附近微地震活动频繁,震源深度小于15 km.在1445年和1791年这里曾发生过5级以上地震,1968年和1977年曾发生5级和4级以上地震,而1、2级小地震则更多.另外在L1剖面段的云霄—漳州—长泰—安溪地带Q值偏高,介质对地震波能量吸收较强,故可能意味着在其深部尚有热物质运移.
① 记录的主体震相为Pg,地壳内部反射波(P1,P2,P3和P4),壳、幔边界(Moho)的反射波Pm和上地幔顶部的折射波Pn(图 7),反演求得了沿剖面段的速度结构.
② 由二维速度结构剖面可见(图 8):剖面5 km以浅介质基本上呈水平状展布,速度为5.3~6.0 km·s-1.在深度8 km(S)~14 km(N)深度处存在一厚度为6 km左右的低速层,并由南向北加深.
③ 发现在地壳内部10~16 km处存在一个速度值为5.8~6.1 km·s-1的低速透镜体(“扁豆状”),主要分布在漳浦—长泰下方宽约90 km的范围内、厚度为6 km,低速层中的低速体以漳州为中心向两侧延伸,埋深约为8 km(漳州市及以南地带)、向北加深,在长泰—安溪之间深达14.8 km.十分重要的是在该“扁豆状”低速体的南缘存在一条贯穿整个地壳,且切入上地幔顶部盖层的深大断裂并向北倾斜,若该深大断裂能证实深抵软流圈顶部,则它可能是热能的深部补给源地,而深大断裂为其热物质上涌的通道.
中地壳速度为6.3~6.5 km·s-1,且速度在横向有变化、故不均匀.下地壳较均匀,但中、下地壳均沿NNE方向变化,其拐点亦在漳州市,上地幔顶部速度呈不均匀展布,测得其顶部速度为8.0~ 8.1 km·s-1、北段略低,即为8.0~7.9 km·s-1(图 8),同时该深大断裂穿过上地幔盖层中速度由8.2 km·s-1向8.0~7.9 km·s-1的转折部位.
(2) 古雷—漳州—永安剖面段(L3)
该剖面长约260 km,由于未能记录到分辨率较好的地震图,难以给出详细的分层速度结构,只能显示出其基本轮廓.总体上,该剖面段在漳州、沙建地带Moho界面呈局部上隆,幅度约3~4 km,该上隆地区向北呈断陷状展布,断距可达5~6 km,地壳内存在一低速层厚约5~6 km、速度为5.9 km·s-1,上地幔顶部速度偏低为7.9±0.1 km·s-1(图 9).
十分重要的是为什么在漳州—漳平之间未能采集到速度分层的高分辨率地震数据,而在L1剖面段,即云霄—漳州—安溪之间确取得了详细的地震波速度资料呢?究其原因表明,该剖面段恰位于斜切NE方向政和—大埔大断裂带、福安—南靖断裂带、长泰—南澳断裂带、NW向谭平—永春断裂和EW向南靖—龙海厦门断裂的错综交错集中区,破坏了地震波场的射线路程,故在这一聚焦部位难以形成清晰的震相和速度成像.
如果那里有壳内低速区则很有可能比漳州地区更深.虽然我们没有古雷—永安(L3)剖面更详细的资料,但从云霄—漳州—长泰剖面段数据的反演结果也可以得出,低速区埋深在长泰以北地区深度已经到了14 km以上.人工源地震深部探测的结果确发现在漳州市下方存在有相对埋藏较浅的低速层-低速体,即可能为热源体,应予以重视.漳州热田区的频繁水热活动和中高温状态应与壳内部分熔融体有关,但并不是说福建地区所有的地热异常点都如此,即漳州附近等少数地带确具特异性.
(3) 漳州盆地壳、幔结构与热储及热能供给漳州盆地的壳、幔结构十分复杂且特殊,地壳中各层均由南向北增厚,而在漳州—长泰乃是其变异的拐点.特别是低速层内速度变低的透镜状低速体和其北缘的深大断裂带更为引人注目.
(4) 异常的壳、幔结构.漳浦—长泰壳内深8 km(南)~14 km(北)、厚度为4~6 km、速度为5.8~6.1 km·s-1的低速层内“扁豆状”低速体的最低速度可达5.8 km·s-1、长约90 km,它有可能是一个较大的干热熔体、且为在逐渐固化的岩浆岩体.
在该“扁豆状”低速体的北缘,即长泰与漳州之间存在一条由上地幔软流圈透过盖层向上穿过壳、幔边界,整个地壳向北倾直抵近地表的深大断裂带,估计其宽度可达80 km或90 km.由于剖面穿过“扁豆状”低速体边缘,故很可能作为上地幔软流圈的热液物质向上运移的通道,可能为该低速体的热量补给深部源地,这一图像应给予特别重视并进一步验证和证实.
(5) 长乐—南澳断裂及其与对热田的约束
长乐—南澳深断裂.该断裂位于东南沿海,呈NE向平行于海岸线,宽38~58 km、长度大于400 km (见图 1).推断它发生于晚三叠纪,新第三纪以来该断裂尚有活动.1600年以来共发生MS≥7级的强震3次,最强的为1604年的泉州8级地震.这一地带有基性-超基性岩分布,除上第三纪至更新世的佛昙群火山岩可提供大量热量外,估计在地壳深部沿此断裂还同时有侵入的岩浆,而至今尚未出露.人工源爆炸地震资料发现,沿此断裂带Pn波的能量被强烈地吸收,上地幔Vp是7.9~8.0 km·s-1,而断裂带以北地区则是8.1 km·s-1.这一地带地壳厚度为29~30 km,地壳内主要分为上中下三层,下地壳也可分为两层(上层与下层).泉州以南下地壳下层厚度为4 km,平均速度7.1 km·s-1.泉州以北是一个速度从6.9 km·s-1向下增加至7.2 km·s-1的梯度带、层厚约7 km,故推断该层内可能有上地幔热物质侵入.
(6) 其他断裂与区域地热活动
如福安—南靖深断裂、浦城—武平断裂、厦门—南靖断裂、松溪—南靖断裂,均在不同程度上涉及到岩浆活动,构造活动和水热活动.
4 福建东部陆缘地热活动与板块构造 4.1 地球内部410 km和660 km之间地幔过渡带的探讨地幔过渡带的形成与其深层动力过程对理解深部物质组成和地幔对流的动力学响应有着重要作用.这一过渡带顶部的低速层主要集中分布于俯冲带地域(滕吉文和闫雅芬, 2004; 滕吉文, 2005; Obayashi et al., 2006; Courtier and Revenaugh, 2007; Jasbinsek et al., 2010; Schmandt et al., 2011),并伴有大火成岩省发育的大陆克拉通(Vinnik and Farra, 2002, 2007; Vinnik et al., 2003; Oreshin et al., 2011),特别是在俯冲带向陆一侧更为发育(Bagley et al., 2009; Tauzin et al., 2010).在地幔过渡带顶部的低速层内熔体可能比较富水,其含水量不小于10wt%(Inoue et al., 2007; Hirschman et al., 2009).
(1) 岩石学和地球化学相关资料表明,中生代晚期(110~90Ma)华南地区的俯冲作用类型发生了剧烈的转变,从平俯冲转化为陡俯冲(Li, 2000; Li et al., 2012).俯冲角度的增大意味着板片与地幔相互作用深度可能增加,当影响深度达到410 km间断面时,就可能扰动富水的地幔过渡带物质上涌(Faccenna et al., 2010; Richard and Iwamori, 2010),并发生脱水部分熔融而形成低速层(Gajewski and Prodehl, 1985).在该俯冲期之前也可能处在类似的过程,与其对应的低速层是否能保留至今还不清楚.此后,板块的俯冲方向又发生变化(Sharp and Clague, 2006;Sun et al., 2007),这些过程都可能不同程度地改造了低速层的熔体含量.因此,现今地幔过渡带低速层中熔体含量的显著差异可能与太平洋板片多期次作用的叠加效应相关.
(2) 地幔过渡带低速层的形成.地幔过渡带顶部厚度达40~57 km低速层(李国辉等, 2014)的产生与板块构造关切.特别是俯冲近陆缘一侧.我国中生代以来,华南陆块东部受到了多体系和多期次俯冲作用的影响(Hilde et al., 1977; Honza and Fujioka, 2004; Zhou et al., 2006;Sun et al., 2007),其现今位置又恰处于西太平洋俯冲带的向陆一侧(Huang and Zhao, 2006).
高温高压矿物岩石物理实验研究认为这种地幔过渡带顶部低速层可能与部分熔融作用和热异常相关(周晓亚等, 2014, 2015),也有人认为地幔过渡带顶部低速层的形成与410 km间断面处瓦茨利石(Wadsleyite)相变为橄榄岩并发生脱水诱发的部分熔融有关,但由于板块俯冲会带来冷却效应,即应与热异常无关.这一地幔过渡带顶部低速层与华南,特别是其东缘福建地热活动有何关系尚难以厘定,因为它毕竟太深了(410~660 km之间)!可是不可忽略的要素乃太平洋板块与欧亚板块的俯冲、消减和多期次的转化关系,当必促使地幔过渡带的水化作用,并扰动其中含水物质的上涌.当穿越410 km间断面时,发生脱水部分熔融并促使其中低速层的形成也是完全可能的.
4.2 福建东部Pn波特征与构造活动性和板块构造动力学由人工源地震深部探测的AA′剖面,宁德爆炸点在永春—嵩口—宁德测线段(L2)130 km以远的台站记录(图 10)可见,德化是一明显的分界线:近爆炸点(NE)方向的Pn波能量非常强,而远离爆炸点(SW)方向的Pn波能量却很弱,其能量几乎相差一个数量级.德化以南的Pn波能量变弱是整个闽南地区的普遍现象,在这两段测线段上所观测到的Pn波能量都很弱.但是这些测线段上观测到的Pm波能量并不弱,这说明闽南地区较弱的Pn波并不是由于地壳内部的吸收作用所致,而是由于上地幔物质属性的差异及其对Pn波能量强烈吸收引起的.
菲律宾海板块在台湾岛以东的琉球岛屿一带向北西方向俯冲潜没,冲绳海槽恰是正在发展中的一个弧后扩张中心.因此,台湾海峡以北的东海陆缘地带受菲律宾海板块俯冲作用的影响并不大,而南海板块却在菲律宾板块以西向东俯冲,位于这二者之间的台湾岛与菲律宾海板块则是碰撞和挤压的关系,并伴有菲律宾海板块向北滑移.因此,台湾海峡不可能形成弧后盆地.菲律宾海板块强大的挤压应力必然会通过台湾岛和海峡地带传递到大陆地区,从而对闽东南地带的构造活动,水热活动会产生强烈的影响.
在台湾北部的转换地带可能有一条NW向的构造带(图 2),且一直延伸到大陆上,此亦一条构造活动的分界线,它的北部地区构造相对稳定,以南地区则是相对活动区.这条构造线在大陆上即为沙县—湄洲湾断裂,它通过永春—嵩口—宁德测线段(L2)的德化—嵩口附近.而Pn波在德化附近的突变点所反映的上地幔顶部位置亦恰在嵩口镇下方(地震射线入射的偏移距离).为此,闽南地区广泛的地热分布与沙县—湄洲湾断裂以南的诸多纵横交错的断裂相对活动性密切相关,而这种相对活动的性质则是由于菲律宾海板块碰撞挤压所致.据此推测:板块碰撞使闽南地区地幔深部物质重新分异、调整与运移,并在热物质上涌过程中驱使地幔顶部温度升高,故导致对Pn波能量的强烈吸收作用,这可能是闽南地热活动区的区域构造特征.
4.3 地壳内部是否存在干热岩体或岩浆房中、高温或高温天然蒸气田的形成是以地壳中是否具有固态岩浆,即干热岩体为前提的(图 11),同时还必须有深处液态岩浆对固态岩浆体的不断加热和热物质沿断裂或破碎带上涌给予热量的补充.由这一模型可见,满足于一定边界条件的地下干热岩体并非地热活动地区所均能普遍存在的,而必须具有特异的物质运移的行为与轨迹及其边界条件.
因为干热岩地热能源是赋存在地下中高温(>150 ℃)与高温(>200 ℃)岩体中,可以开发利用发电的地热能是获得较高热能的源地,对未来能源确具有巨大的潜力和前景.至于是否存在保存下来的岩浆余热,或是否存在深部岩浆房,乃是福建境内能否找到深部干热岩体、并可用于发电,且形成一定规模的对化石能源的替代乃是十分关键的科学问题.
(1) 漳州及相邻地带是否可能存在深部热储与热源
在福建省境内,喜山期以来没有大规模的岩浆活动,其岩体也都是基性、超基性岩,出露面积很小.全省出露总面积仅21.8 km2,单个岩体一般小于0.5 km2,呈小岩瘤、岩墙状产出,只需不到1.5万年的时间这种岩体中心温度便可以冷却到接近围岩温度.岩浆余热对现有地温场同样不起作用.只有全新世以来侵入的岩浆岩才有可能起到一定程度的影响和效应,而花岗岩岩浆却从内陆向海洋方向呈现出由老到新的分布格局,它们乃是深部热液向上运移出露地表的产物.福建东部沿海地区因断裂构造非常发育,地下水的循环深度亦很大.通过对漳州热异常区的调查推断,其循环深度可达3~6 km.基于漳州地热异常区是福建省范围最大、温度偏高的异常区,显然3~5 km以内的地壳浅部不可能存在具有一定规模的熔融岩浆房,并且要引起区域性的高热流背景仅依靠局部的岩浆房作用也是不可能的.人工源地震深部探测发现:福建沿海一带,即图 7-10所示,在地壳上部8~10 km深处存在一层厚约5~8 km的低速层,而在漳浦、长泰地区该低速层呈现出一速度低达5.8~6.1 km·s-1的“扁豆状”低速体.那么该低速体可能为熔融岩浆体?它固结后可成为干热岩体?若将该低速层与“扁豆状”低速体理解为10万年前形成的熔融岩浆房,尽管它现已冷却固化成岩,其剩余温度仍可达到600 ℃左右,即可符合地下混合热岩体的条件.由于岩石塑性尚较强,可对地震波能量造成强烈吸收,导致波速降低,从而形成低速体.
(2) 福建地热强烈活动与深部岩浆活动及断裂通道形成的边界条件
基于该区火山岩,即花岗岩的广为分布,同位素元素的衰变生热,作为岩浆上涌的断裂近期活动以及对深部干热岩体及岩浆房的理解等,使人们清晰地认识到福建浅表层水热活动和高温异常的呈现乃是深部物质与能量交换的结果(滕吉文, 2003, 2005),而非其浅表层过程所能解释.当今的问题是为什么在福州、漳州地带地热如此活动,且近代断裂活动、大地热流值高呢?要形成高温地热活动和厘定深部岩浆房或干热岩体则必须具备哪些必要条件和充分条件方可产生响应.应当清晰的认识到福建的福州和漳州盆地地壳低速层及其中低速“扁豆状”低速岩体的存在表征着深部介质的热状态,即热异常体岩浆房的存在(周晓亚等, 2014, 2015).
(3) 板块西向俯冲与福建东部陆缘的构造热事件
在太平洋板块西向俯冲到欧亚大陆东缘深部的过程中,在华南陆内形成了1300 km的印支期造山带和前陆盆地,并发育了一套NE向和NNE向的构造体系印支期板内陆块的构造热事件则可能与二叠纪太平洋板块西向俯冲导致东南沿海地带由被动陆缘转变成主动陆缘密切相关.
东南沿海二叠纪砂岩碎屑锆石U-Pb年龄揭示了东南陆缘地带新生代至少有六次岩浆活动,其时代为1160~940 Ma、800 Ma、445 Ma、370 Ma.考虑到中-晚二叠世的岩相古地理特征,华南晚二叠世的沉积岩很可能为来源于武夷山及沿海地区,而二叠纪古太平洋板块西向水平俯冲模式则可解释为280~25 Ma时期沿海地带岩浆弧的形成并向内导致可运移1300 km的造山运动,伴随着构造的强烈改造、叠加、变形和大规模的岩浆活动.跟随而来的则为造山迁徙形成了陆内盆地和造山后的盆岭或岩浆岩省.尽管东南沿海至今尚无类似的岩浆岩报导,但碎屑锆石年龄分析表明,它很可能是曾存在约280 Ma的岩浆岩(胡瑞忠等, 2015).这便充分表明,太平洋板块的西向俯冲奠定了华南中生代大地构造的基本格局,也正是由于太平洋板块的西向俯冲,导致在这海-陆耦合地带,激励着福建省东缘地带深部物质重新分异、调整,并促使深部热物质活动和运移.
在太平洋板块西向俯冲处于欧亚大陆东缘深部时,地表出露了多期次的、大面积的岩浆岩分布,且都是第四纪以来的火山活动(林长江, 2002; 赵海玲等, 2004; 黄卿团等, 2005).显然,太平洋板块的俯冲乃是华南陆缘中生代构造格架的直接产物.由于太平洋板块俯冲到欧亚板块之下深约200 km后,其相对富水的洋壳在高温高压作用下发生脱水反应,轻质水会上升至壳、幔边界(Moho)附近,并形成玄武岩质岩浆基底,玄武岩岩浆在这种情况下则会重新分异、调整,并形成局部熔融的花岗斑岩浆岩.这时深、浅部断裂系统和软弱介质(破碎带)作为热液物质运移的通道,冲破盖层阻隔,且以不同规模、在不同深处造成侵入岩喷发并出露地表(图 12).该图清晰地告诉人们,在地热活动区地下深部干热岩的厘定中,特异的壳、幔精细结构、不同层序的物质属性和运动行为与轨迹及其动力机制乃是这一研究的核心所在.
本文基于对福建省东部陆缘地带、特别是漳州盆地壳、幔精细结构,结合大地构造格局近期火山岩活动及分布,并以该地区深部物质的运动学和深层动力过程为导向,对福建境内漳州盆地地热能的潜力和前景进行了较系统地分析和讨论表明,福建地热利用和研究确有一定基础.该区的近期、多期次的火山岩喷溢和展布,近地表中、低温和中温频繁水热活动,构造与岩相分布格局给该区地热高效综合利用构绘了蓝图,为部分替代化石能源的可能打下了坚实基础.
(1) 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“扁豆状”低速体,故有理由推断地下可能有热储的存在.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,它有可能构成深部物质向上的运移通道,即热能的补给途径.
(2) 基于所论述该区的特异壳、幔结构及空间环境厘定了福建陆缘深部介质属性与地热潜在的利用前景,为地下干热岩的可能存在提供了有益判据,为进一步验证,复核和靶区的确定提供了约束.
(3) 在当今已有的认识基础上,尚必须强化对漳州盆地的地壳低速层和深大断裂的向下延伸进行进一步的详查和示范性研究、探索及验证.
漳州盆地近地表中、低、高温度和深部中、高温以及超高温的水热资源丰富、水热活动强烈,作为地热能的勘查、开发和利用有着一定的基础和潜能,应予以足够的重视!
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