廣西越城嶺地區干熱巖資源勘查前景分析

◎孫 超，黃春陽，康志強

1.廣西地質調查院，廣西 南寧 530023

2.廣西地質礦產勘查開發局，廣西 南寧 530023

干熱巖是清潔可再生地熱資源，空間分布廣、資源儲量大、能源供給穩定，且不受氣候和季節變化的影響[1-3]。已有研究表明，廣西大地熱流值高、莫霍面埋深淺，且具有高放射性巖漿巖體，具備干熱巖地熱資源成藏條件[4-5]。研究小組在總結前人研究成果的基礎上，基于廣西越城嶺巖體巖石樣品放射性生熱率測試和鉆孔測溫作業，綜合分析了該地區大地熱流特征和干熱巖資源賦存條件，為進一步開展干熱巖資源勘查提供科學依據。

1 研究區概況及工作量布置

越城嶺巖體地處湘桂兩省（區）交界處，橫跨廣西興安、全州、資源和湖南新寧、東安五縣，毗鄰貓兒山花崗巖體，面積1418 km2，是南嶺成礦帶西段出露面積最大的花崗巖體之一[6]。大地構造上位于揚子陸塊東南側的桂北臺隆越城嶺褶皺帶[7]，是由多期次多階段巖漿侵入活動形成的復式巖基，主要有加里東期、印支期和燕山期3 個成巖期次[8]。加里東期花崗巖體位于越城嶺巖體的南部，平面上南窄北寬，呈NE 向往東凸的半橢圓形；印支期花崗巖體位于越城嶺巖體的北部，平面呈橢圓狀；燕山期花崗巖主要成巖株出露，未見大的巖體。

2021年，研究小組在研究區開展了地熱地質調查工作。期間共采集10 件花崗巖樣品進行巖石放射性生熱率測試；在資源縣城東面約8 km 處的寶鼎瀑布附近施工了1 眼孔深為100 m 的地熱勘查孔，用于抽水試驗及淺孔測溫。

2 測試方法及結果

2.1 花崗巖樣品測試結果

研究小組把從越城嶺巖體中采集的10 件花崗巖樣品送往重慶卓華工程勘測有限公司實驗室進行熱物性參數測試，實測了塊體密度（ρ）、熱導率（K）、比熱容（C）和熱擴散系數（k）等4 項指標，測試結果如表1 所示。

表1 越城嶺巖體巖石熱物性參數統計表

在穩定的大陸地區，大地熱流主要來源于地殼熱流與地幔熱流[9]。地殼熱流（Qc）主要來自地殼巖石中放射性生熱元素（U、Th、K）衰變產生的熱量[10]。越城嶺地區相對富集U、Th、K 放射性同位素的上地殼花崗巖層，是形成地熱異常的有利地熱地質條件[11]。較高的導熱率和熱擴散系數，有利于深部熱源熱量傳導，也有利于放射性生熱的傳導。

程順波等在越城嶺地區開展了巖體地球化學研究，其研究成果顯示，越城嶺巖體中U 平均含量為9.96×10-6，Th 平均含量為27.90×10-6，K 平均含量為4.68%[12]（見表2）。

表2 越城嶺巖體U、Th、K 含量特征表[11]

2.2 巖石放射性生熱率計算結果

巖石放射性生熱率是指一定體積的巖石在單位時間內由所含放射性元素衰變所產生的熱量，是判定巖體放射性生熱能力的重要參數。越城嶺巖體花崗巖放射性生熱率可由實測巖體中的U、Th、K 元素含量及巖石密度計算得出。

式中，A為巖石總放射性生熱率（μW/m3）；ρ為塊體密度（g/cm3）；CU、CTh和CK分別為巖石中U（10-6）、Th（10-6）和K（%）的含量；AU、ATh、AK分別為3 種放射性元素的熱貢獻率。

根據以上測試數據，計算得到越城嶺巖體花崗巖平均放射性生熱率為4.71 μW/m3，其中U 熱貢獻率占比為52%，Th 熱貢獻率占比為39%，K 熱貢獻率占比為9%。

2.3 淺孔鉆探及測溫結果

鉆孔揭露巖石巖性為（粗）中粒二長花崗巖，其中0～3.4 m 為中—弱風化的黑云二長花崗巖（推測為轉石），3.4～11.0 m 為全風化的細砂層，11.0 m 以下為新鮮黑云二長花崗巖。3.4～11.0 m 為承壓含水層，鉆至3.4 m 處遇地下水，水即涌出孔口，并一直保持自流狀態。11.0～100.0 m 為完整基巖，水文地質鉆探編錄和物探測井資料顯示，巖石干燥無水，為承壓水隔水底板。鉆孔施工結束后，進行了3 次全孔測溫。于2021 年8 月27 日在抽水試驗前進行第1 次測溫；在抽水試驗結束靜置24 h 后，于8 月30 日進行第2 次測溫；在靜置47 d 后，于10 月16 日進行第3 次測溫。測試結果如圖1 所示。

圖1 鉆孔測溫曲線圖

3 干熱巖資源成生條件分析

3.1 放射性生熱率

廣西境內的中酸性巖體中U 含量平均值為6.79×10-6，Th 含量平均值為25.3×10-6[14]。全球花崗巖中U 含量平均值為5×10-6，Th 含量平均值為20×10-6[10]。由此可以看出，越城嶺巖體花崗巖中U、Th 平均含量均高于廣西和全球平均含量。越城嶺巖體花崗巖平均放射性生熱率為4.71 μW/m3，而全球花崗巖放射性生熱率平均值為2.05±1.07 μW/m3[13，15]。可見，越城嶺巖體花崗巖放射性生熱率遠高于全球平均值，屬于高放射性生熱率花崗巖[16]。

3.2 大地熱流

地球物理資料顯示，越城嶺巖體所處的桂東北地區地殼總厚度平均值為30 km 左右[17]，其中上地殼厚度約為8 km[18-20]?；谇拔姆治?，越城嶺巖體花崗巖平均放射性生熱率為4.71 μW/m3。在不考慮衰減的情況下，可估算出越城嶺巖體花崗巖放射性生熱貢獻的熱流高達37.68 mW/m2。

3.3 地溫梯度

從測溫曲線來看，研究區自地表向下，可明顯分成3 個溫度分帶，其中變溫帶為0～11 m，恒溫帶介于11～30 m，30 m 以下為增溫帶。變溫帶受地表氣溫變化的影響極為明顯，3 次測試均呈現出不同特征；恒溫帶和增溫帶的測試結果基本一致。從測溫曲線上看，自30 m 以降，巖體溫度隨深度增大而增高，到孔底100 m 處仍保持增溫趨勢不變。

對鉆孔30～100 m 段測溫曲線進行數據擬合，得到地溫梯度關系式：

式（1）中，T為地溫（℃）；H為埋深（100 m）；R2為決定系數。

由式（1）計算得到的研究區地溫梯度高達4.17℃/100 m?；谑剑?）推算，在埋深2835.9 m 和3555.3 m 處可能分別探獲150℃和180℃的高溫巖體，該區干熱巖勘查前景較好。

雖然施工的鉆孔較淺，變溫帶溫度差異較大，但在恒溫帶和增溫帶3 次測量的增溫趨勢幾乎一致，因此，經推算的地溫梯度數據具有一定的可信度。

3.4 儲熱及運熱構造

研究區NNE 向的資源—新寧斷裂帶是一條區域性深大斷裂，是區內的一級控巖、控盆、控礦構造帶，有利于放射性生熱元素的活化及深部熱流的運移。調查發現，在剪應力作用下，在地下6～10 km 深部原片麻巖帶之上疊加形成數條韌性剪切帶，并顯示多次活動的特征[21]。有學者認為，活動韌性剪切帶是干熱巖儲熱和導熱的良好通道[4]。另外，在越城嶺巖體與貓兒山巖體之間發育的中生代盆地，為紅色砂礫巖覆蓋的斷陷盆地，構成了一個良好的熱儲蓋層，有益于下部生熱巖體的熱量保存。

綜上所述，越城嶺地區具有較好的干熱巖地熱資源的生熱條件、導熱通道和儲熱條件，具有較好的干熱巖勘查前景。

4 結 語

（1）研究區花崗巖中U、Th、K 等放射性元素含量較高，放射性生熱率為4.71 μW/m3，遠高于全球花崗巖放射性生熱率平均值，屬于高放射性生熱率花崗巖。

（2）研究區淺層地溫梯度高達4.17℃/100 m，為地熱異常區。假定巖體中保持該地溫梯度不變，則在埋深2835.9 m 和3555.3 m 處可分別探獲150℃和180℃高溫巖體。

（3）研究區具備干熱巖地熱資源的生熱條件、導熱通道和儲熱條件，具有較好的干熱巖勘查前景。

（4）建議在越城嶺巖體西側近SN 向展布的韌性剪切帶分布區開展干熱巖資源調查評價，為下一步干熱巖的開發利用提供依據。