青海干熱巖地?zé)豳Y源潛力分析
——基于貴德縣干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查研究

馬維明，羅永統(tǒng)，馬　英，張學(xué)德（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

青海干熱巖地?zé)豳Y源潛力分析
——基于貴德縣干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查研究

馬維明*，羅永統(tǒng)，馬英，張學(xué)德
（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

2014年4月，青海共和盆地首次發(fā)現(xiàn)可大規(guī)模利用的干熱巖資源。基于貴德縣干熱巖地?zé)豳Y源勘查研究項(xiàng)目實(shí)施，介紹了干熱巖的基本特征、開發(fā)利用潛在價(jià)值，探討了我省干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域地質(zhì)背景條件和評價(jià)方法。

干熱巖；區(qū)域地質(zhì)；評價(jià)方法

能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著人類對能源需求的不斷增長，可再生且無污染的能源倍受人們關(guān)注。在有利的地區(qū)，開發(fā)利用無污染無破壞的新能源——干熱巖，成了很多地區(qū)積極開展試驗(yàn)研究的新課題。地?zé)崮艿拈_發(fā)利用近年來得到了較快的發(fā)展，前景十分誘人，被證明是對人類十分友好的未來潔凈新能源。

2014年4月，青海省中深層地?zé)崮芸辈槿〉弥卮笸黄疲埠团璧刂斜辈康叵?230m處勘查到埋藏淺、溫度高的干熱巖，這是中國首次發(fā)現(xiàn)的可大規(guī)模利用的干熱巖資源。

共和盆地位于青藏高原腹地，這次鉆獲的干熱巖巖體在共和盆地底部廣泛分布，僅鉆孔控制干熱巖面積已達(dá)150km2，潛力巨大。由于黃河橫穿共和盆地，同時(shí)盆地內(nèi)地下水資源豐富，每天泄入黃河的地下水達(dá)20×104m3以上，豐富的水源保障了干熱巖資源廣闊的開發(fā)利用前景。

干熱巖是一種可再生能源，可以說取之不盡，用之不竭，青海地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源的發(fā)現(xiàn)，不僅對我國開展干熱巖資源的深入研究，爭奪新一輪能源制高點(diǎn)具有重要意義，而且對改變地區(qū)能源結(jié)構(gòu)和對經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1　干熱巖的基本特征

干熱巖（HDR）是一種普遍埋藏于距地表2～10km以深，溫度為150℃～650℃的沒有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體，是一種可用于高溫發(fā)電的清潔資源。在學(xué)術(shù)界，干熱巖有時(shí)被稱為“熱干巖”，其英文名稱為“Hot Dry Rock”。

干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體，較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖以及花崗巖小丘等。一般干熱巖上覆蓋有沉積巖或土等隔熱層。干熱巖主要被用來提取其內(nèi)部的熱量，因此其主要的工業(yè)指標(biāo)是巖體內(nèi)部的溫度。

干熱巖也是一種高溫地?zé)豳Y源，其性質(zhì)和賦存狀態(tài)有別于蒸汽型、熱水型、地壓型和巖漿型的地?zé)豳Y源。從現(xiàn)階段來說，干熱巖地?zé)豳Y源是專指埋深較淺、溫度較高、有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱巖體。

2　我國干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域地質(zhì)背景

地?zé)豳Y源的生成與地球巖石圈板塊發(fā)生、發(fā)展、演化及其相伴的地殼熱狀態(tài)、熱歷史有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，特別是與構(gòu)造引力場、熱動(dòng)力場有著直接的聯(lián)系。全球性地?zé)釒б话阊氐貧じ鞔蟀鍓K邊界分布，高熱流的部位常在俯沖帶的前端。中、新生代造山帶一般為地殼變動(dòng)劇烈的地區(qū)，也是地?zé)岙惓^(qū)；而板塊內(nèi)部地殼穩(wěn)定部位，如古老地盾地臺區(qū)，地?zé)釥顩r較為平淡，地溫低，變化小。從全球地質(zhì)構(gòu)造觀點(diǎn)來看，大于150℃的高溫地?zé)豳Y源帶基本上都出現(xiàn)在地殼表層各大板塊的邊緣，如板塊的碰撞帶，板塊開裂部位和現(xiàn)代裂谷帶。小于150℃的中、低溫地?zé)豳Y源則分布于板塊內(nèi)部的活動(dòng)斷裂帶、斷陷谷和坳陷盆地地區(qū)。

我國地處亞歐板塊的東南部，東瀕太平洋西緣構(gòu)造活動(dòng)帶，受太平洋板塊和菲律賓板塊的擠壓作用。我國西部為地中海構(gòu)造帶的延續(xù)部分，除東邊太平洋板塊對其有影響之外，又疊加上南部印度板塊強(qiáng)烈碰撞作用，而亞歐板塊則產(chǎn)生向南的阻擋作用，在這三方面的應(yīng)力作用下，形成我國西部獨(dú)特的構(gòu)造格局（黃少鵬等，1995）。

按照熱流—構(gòu)造分區(qū)，通常地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)度隨遠(yuǎn)離板塊邊界而減弱。中國西部的滇西地區(qū)及東部臺灣中央山脈兩側(cè)，分別處于印度板塊與歐亞板塊、歐亞板塊與菲律賓板塊的邊界及其相鄰地區(qū)，均是當(dāng)今世界上構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，具有產(chǎn)生強(qiáng)烈水熱活動(dòng)和孕育高溫水熱系統(tǒng)必要的地質(zhì)構(gòu)造條件和熱背景。靠近此帶，地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)烈；遠(yuǎn)離此帶，地?zé)峄顒?dòng)逐漸減弱。我國西南部的地?zé)峄顒?dòng)呈南強(qiáng)北弱、西強(qiáng)東弱；東部區(qū)的地?zé)峄顒?dòng)呈東強(qiáng)西弱之勢，明顯的反映了這一特點(diǎn)。

中國大陸的大地?zé)崃鞯恼w空間展布趨勢可以歸結(jié)為：西部“南高北低”，東部“東高西低”，中部“北高南低”（汪洋等，2001）。

3　干熱巖地?zé)豳Y源分布特征

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，干熱巖的分布幾乎遍及全球，它是無處不在的資源（Duchane，1997）。世界各大陸地下都有干熱巖資源。不過，干熱巖開發(fā)利用潛力最大的地方，還是那些新的火山活動(dòng)區(qū)，或地殼已經(jīng)變薄的地區(qū)，這些地區(qū)主要位于全球板塊或構(gòu)造地體的邊緣。

我國地?zé)豳Y源豐富。經(jīng)科學(xué)測算，有國內(nèi)專家認(rèn)為，中國大陸3～10km深處干熱巖資源總計(jì)為2.09× 107EJ，合7.149×1014t標(biāo)準(zhǔn)煤，若按2%可開采資源量計(jì)算，相當(dāng)于中國大陸2010年能源消耗總量的4400倍。

從我國干熱巖地?zé)豳Y源的溫度上看，3～10km深度內(nèi)，小于75℃的干熱巖資源占總資源量的2%；75℃～150℃的占43%；大于150℃的占55%。由于干熱巖溫度隨著埋藏深度的增加而升高，資源量也與深度呈正比。

從區(qū)域分布上看，青藏高原南部占中國大陸地區(qū)干熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高；其次是華北（含鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹）和東南沿海中生代巖漿活動(dòng)區(qū)（浙江、福建、廣東），分別占總資源量的8.6%和8.2%；東北（松遼盆地）占5.2%；云南西部干熱巖溫度較高，但面積有限，占總資源量的3.8%。

判斷某個(gè)地方是否有干熱巖利用潛力，最明顯的標(biāo)志是看地?zé)崽荻仁欠裼挟惓＃虻叵乱欢ㄉ钐帲?000～5000m）溫度是否達(dá)150℃以上。

4　干熱巖的開發(fā)利用價(jià)值

干熱巖的儲量十分豐富，它所儲存的熱能約為已探明的地?zé)豳Y源總量的30%，比蒸汽、熱水和地壓型資源要大得多（袁銀梅，2006；楊吉龍等，2001）。一些發(fā)達(dá)國家已進(jìn)行干熱巖的開發(fā)研究和試驗(yàn)，目前，人們對干熱巖的開發(fā)利用，主要是發(fā)電。美國、法國、德國等多家科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)。

干熱巖位于地殼深部，巖體致密、滲透性極低且不含水，因此開采利用主要是通過熱交換介質(zhì)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱量的提取。

4.1開發(fā)利用原理

干熱巖發(fā)電的基本原理是：通過深井（注水井）將高壓水注入地下2000～6000m的巖層，使其滲透進(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰浚辉偻ㄟ^另一個(gè)專用深井（生產(chǎn)井）（相距約200～600m左右為宜）將巖石裂隙中的高溫水或水汽混合物提取到地面；取出的水、汽溫度可達(dá)150℃～200℃，通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電和綜合利用；冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用（如圖1所示）。整個(gè)過程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。

4.2關(guān)鍵技術(shù)

采熱的關(guān)鍵技術(shù)是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)。經(jīng)過多年研究與探索，常用的地下熱交換系統(tǒng)的模式主要有3種。

人工高壓裂隙模式：最早由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室提出，即通過人工高壓注水到井底，干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙，水在這些裂隙間穿過，即可完成進(jìn)水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。

天然裂隙模式：由英國卡門波礦產(chǎn)學(xué)校提出，即充分利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)人工注水時(shí)，原先的裂隙會(huì)變寬或錯(cuò)位更大，增強(qiáng)了裂隙間的透水性。在這種模式下，可進(jìn)行熱交換的水量更大，而且熱量交換的更充分。

天然裂隙—斷層模式：由歐洲蘇茨（Soultz）干熱巖工程中的研究人員提出。這種模式除了利用地下天然的裂隙，而且還利用天然的斷層系統(tǒng)，這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的最大優(yōu)勢也是最大的挑戰(zhàn)，即不需通過人工高壓裂隙的方式連接進(jìn)水井和出水井，而是通過已經(jīng)存在的斷層來連接位于進(jìn)水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)。

4.3開發(fā)優(yōu)勢

（1）干熱巖地?zé)崮苁蔷薮蟮模谠S多國家存在并廣泛分布。干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富，比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多，比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。這些能量是所有熱液地?zé)豳Y源評估能量的800倍還多，是包括石油、天然氣和煤在內(nèi)的所有化石燃料能量的300倍還多（Tester，et al.1989）。

（2）干熱巖是一種潔凈的新能源，開采使用中，沒有廢氣（CO、SO、NO）、粉塵等污染物的排放，也沒有其他流體或固體廢棄物，干熱巖地?zé)豳Y源系統(tǒng)可以維持對環(huán)境最低水平的影響。

（3）干熱巖的熱能開發(fā)利用中，也不像水電那樣，因水壩的修建而破壞局部乃至整個(gè)河流的生態(tài)系統(tǒng)以及在水電廠周圍引起各種程度不一的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。

（4）干熱巖地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)是安全的，沒有爆炸危險(xiǎn)，更不會(huì)引起災(zāi)難性事故或傷害性污染。它適合于基本負(fù)荷或高峰負(fù)荷的電力供應(yīng)，是能源計(jì)劃中最理想的組成部分。

（5）干熱巖地?zé)衢_發(fā)可以提供不間斷的電力供應(yīng)，不受季節(jié)、晝夜等自然條件的影響。

（6）開發(fā)性價(jià)比高，美國等國家的高溫巖體地?zé)崆捌陂_發(fā)試驗(yàn)已充分說明，高、中等地溫梯度的高溫巖體地?zé)岚l(fā)電電價(jià)具有很高的商業(yè)競爭能力。

5　青海干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域地質(zhì)背景條件

5.1地層巖性

青海貴德盆地為一新生代斷陷盆地。基底主要是中生界三疊系，次為盆地四周零星分布的前震旦系、二疊系及印支期花崗巖體。盆地內(nèi)主要為新生界的新近系、古近系和中生界的白堊系及侏羅系地層所占據(jù)，次為第四系中下更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

貴德盆地周邊山區(qū)零星分布有前震旦系片麻巖組；古生界海相二疊系鈣質(zhì)礫狀長石粗砂巖及灰色層狀結(jié)晶灰?guī)r；中生界海相三疊系的板巖變質(zhì)砂巖互層，上部為長石質(zhì)砂巖夾頁巖；中生界侏羅系為砂巖、頁巖、泥巖夾煤層；白堊系為薄層狀礫巖、砂巖等巖層。

新近系中上新統(tǒng)沉積整個(gè)盆地，是組成貴德構(gòu)造盆地的主要地層。

中新統(tǒng)西寧組和上新統(tǒng)貴德組巖層在貴德盆地河谷平原區(qū)埋深在20～65m以下，總厚為10～42m左右，產(chǎn)狀平緩，一般1°～3°，由盆地四周向中心傾斜。

第四系下更新統(tǒng)巖層僅保留在盆地內(nèi)低山丘陵頂部；中更新統(tǒng)巖層見于扎倉寺沖溝岸邊；上更新統(tǒng)巖層分布于黃河及支溝三級以上的階地上；全新統(tǒng)巖層分布于現(xiàn)代河床及低階地上。

另外，區(qū)內(nèi)火成巖僅見印支期花崗巖，集中位于溫泉西側(cè)北西西壓扭性斷裂上盤，構(gòu)成斷層崖。花崗巖為淡紅色粗粒斑狀花崗巖和細(xì)晶花崗巖及花崗閃長巖，侵入于三疊系砂板巖中，呈巖體或巖墻產(chǎn)出。

從地溫場演化角度來看，新近系、第四系巖層導(dǎo)熱率小，導(dǎo)熱性差，起到一種隔熱保溫的作用，使得近、晚期巖漿活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量和來自于地殼深部的地球內(nèi)熱，不會(huì)迅速消失，而在熱容量較大的地層中保存下來，形成熱巖層。

5.2地質(zhì)構(gòu)造

貴德斷陷盆地位于祁呂賀山字型構(gòu)造的前弧西翼褶皺帶與河西系的阿米夏江—日月山—榆木次山隆起帶的復(fù)合部位。

（1）祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系：見于盆地北部拉脊山。野牛山南坡延至盆地東北扎馬山至出圖規(guī)模大，影響深，成組出現(xiàn)，由一系列北西、北西西向壓性、壓扭性斷裂和褶皺組成，將前寒武系到新近系地層全部卷入進(jìn)來。發(fā)動(dòng)時(shí)期早，侏羅紀(jì)后期有過強(qiáng)烈活動(dòng)。

（2）河西系：總體走向北北西18°左右，由斷裂及中生代酸性侵入巖組成。斷裂時(shí)斷時(shí)續(xù)，呈雁行排列。破碎帶寬達(dá)100m，屬壓性并順扭，垂直壓扭結(jié)構(gòu)面為與之配套的張性斷裂。挽近以來，該體系活動(dòng)強(qiáng)烈，控制了盆地的東西邊緣，伴之祁呂系的活動(dòng)，使山區(qū)沿襲既定的格局持續(xù)上升，而凹陷區(qū)相對沉降，貴德盆地則是隆起帶中的次一級構(gòu)造沉降區(qū)。據(jù)有關(guān)資料，形成于白堊紀(jì)早期影響到新近系中、上新統(tǒng)，甚至第四系中、下更新統(tǒng)。

綜合以上分析，根據(jù)貴德地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域地質(zhì)背景條件、地處地理位置和水源優(yōu)越條件，借助發(fā)達(dá)國家干熱巖地?zé)豳Y源勘查研究和開發(fā)利用的成熟經(jīng)驗(yàn)，青海地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

6　干熱巖地?zé)豳Y源評價(jià)方法

對于干熱巖地?zé)豳Y源評價(jià)，目前我國還缺乏一套統(tǒng)一的評價(jià)及勘查方法標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)借鑒國內(nèi)外的初步研究成果，參考國內(nèi)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010），探討干熱巖地?zé)豳Y源潛力的評價(jià)方法。

干熱巖與淺部水熱型地?zé)豳Y源潛力評價(jià)的區(qū)別主要有3方面：

（1）深部地質(zhì)信息較少，地質(zhì)上的不確定性增加，往往無法確切給出地層的分布情況，且?guī)r石物性、熱物理參數(shù)都會(huì)隨著溫度和壓力的變化而不同。

（2）在研究深度達(dá)到10km時(shí)，在地溫場預(yù)測時(shí)需考慮不同層段的熱流貢獻(xiàn)。

（3）干熱巖孔滲性差，通常在地溫場描述和儲量評價(jià)中可不考慮地下水的影響。

基于上述干熱巖地?zé)豳Y源的特點(diǎn)，選用計(jì)算厚度的平均值作為總體干熱巖資源估算值，以彌補(bǔ)地層分布資料的不足。溫度場預(yù)測中考慮巖石生熱率對熱流的貢獻(xiàn)，同時(shí)假定巖體中不含水。

采取體積法估算貴德地區(qū)干熱巖資源儲量公式：

Q=ρ×Cp×V（T-T0）

式中：Q——干熱巖資源儲量；

ρ——巖石密度（貴德地區(qū)以花崗閃長巖為主要巖石其范圍2.5～3.3）；

Cp——巖石比熱容（以花崗閃長巖為主要巖石取2457kj/kg℃）；

V——計(jì)算區(qū)巖體體積（計(jì)算深度從2～10km）；

T——所計(jì)算深度的巖石溫度；

T0——淺部恒溫帶溫度（恒溫帶溫度可取8℃）。

目前，對于深度大于5～10km的溫度不能直接進(jìn)行測量時(shí)，可采用間接的方法推算出來。在穩(wěn)態(tài)熱流狀態(tài)下的深部溫度可用下式推算：

T=T0+（q0Z）/K-AZ/2K

式中：T0——地表溫度；

q0——地表熱流值；

A0——地表生熱率；

Z、K——各層段的厚度和熱導(dǎo)率；

A、Z——底部生熱率和計(jì)算點(diǎn)地層的總厚度。

干熱巖資源的估算還需要以下數(shù)據(jù)：巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率、大地?zé)崃髦怠⒎派湫栽丶袑拥暮穸取８鶕?jù)我國目前已有的相關(guān)工作及資料積累程度：

巖石熱導(dǎo)率：目前研究巖石熱導(dǎo)率只是通過鉆孔取樣，在室內(nèi)測試。國內(nèi)外研究結(jié)果在4～10km的巖石平均為2.1～2.5W/mK。

巖石生熱率：單位體積巖石在單位時(shí)間內(nèi)，由其所含放射性元素衰變而產(chǎn)生的熱量。貴德地?zé)豳Y源屬巖漿巖地區(qū)，所含放射性元素較高，考慮前人對研究柴達(dá)木盆地的熱生成率研究，數(shù)據(jù)為0.67～1.0較為合理。

大地?zé)崃髦担焊鶕?jù)前人對青海地區(qū)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，6km深度，大地?zé)崃髦灯骄?2mW/m2。

放射性元素層厚度：貴德地區(qū)為花崗閃長巖，其放射性元素集中層的厚度變化不大，估算中可統(tǒng)一取10km。

另根據(jù)鉆探實(shí)際溫度進(jìn)行校對，估算其鉆孔的開采熱能資源量。

Q=ρw×Cw×q（t-t0）

式中：Q——鉆孔開采熱水或蒸汽資源量，kJ/d；

ρ——熱水密度；

Cw——水或蒸汽的比熱容，水，4.2kJ/kg℃；

q——熱水流量或蒸氣體積，m3/d；

t——鉆孔出水（蒸汽）的溫度，℃；

t0——恒溫帶溫度，℃。

盡管以目前的技術(shù)水平還無法使干熱巖這種潛在潔凈能源完全為人們所開發(fā)利用，但這份大自然的豐厚饋贈(zèng)在能源日益緊張的今天無疑是非常誘人的。相信隨著相關(guān)技術(shù)的逐步成熟，青海干熱巖地?zé)豳Y源定會(huì)給全國人民的生活帶來巨大的幫助。

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P314

A

1004-5716（2016）04-0111-04

2015-03-31

馬維明（1987-），男（回族），青海西寧人，助理工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)礦產(chǎn)科研及管理工作。