江西贛縣大地熱流特征與熱源機制研究

閆曉雪, 甘浩男, 劉 峰, 廖煜鐘,原若溪, 魏帥超, 張 薇

中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061;自然資源部地熱與干熱巖勘查開發技術創新中心, 河北石家莊 050061

大地熱流是表征地球向外通過熱傳導所釋放熱量的綜合性物理參數, 是地球內部熱動力過程和熱狀態的地表顯示, 是研究區域熱背景、評價地熱資源潛力不可或缺的基礎參數(邱楠生, 1998; 葉正仁和 Hager,2001; 胡圣標和黃少鵬, 2015; Wei et al., 2022)。

江西省位于我國華南板塊, 地下熱水資源豐富,地表熱顯示多為自然出露的溫泉, 在北東—北北東斷裂帶控制下, 多呈帶狀分布(張智超, 2017)。截至目前, 江西省實測熱流值點 43個, 熱流值范圍為55.46～93.6 mW/m2, 平均熱流值為 71.5 mW/m2(李學禮等, 1992; 胡圣標等, 2001; 劉峰等, 2020; 黃起偉, 2021; Liao et al., 2022), 高于全球大陸大地熱流平均值65 mW/m2(Pollack et al., 1993)與中國陸區平均值(60.4±12.3) mW/m2(Jiang et al., 2019)。以上成果表明江西省的熱流值總體上呈現北部低(平均值為68.51 mW/m2)、中南部高的趨勢(平均值為74.36 mW/m2); 在不同的構造區則呈現出深部構造變異帶最高(平均值為 74.57 mW/m2), 上地幔隆起區次之(平均值為 71.45 mW/m2), 上地幔凹陷區較低(平均值為67.61 mW/m2)的特征(圖1)。

圖1 江西大地熱流測點分布圖(修改自李學禮等, 1993; 鄭乾墻等, 2009; 張青等, 2020; 黃起偉, 2021)Fig. 1 Distribution diagram of heat flow in Jiangxi Province(modified from LI et al., 1993; ZHENG et al., 2009; ZHANG et al., 2020; HUANG, 2021)

贛縣位于江西南部地區, 構造上處于上地幔隆起區, 又有 NE向深大斷裂穿過該區域, 表明贛縣區具有形成地熱資源的潛力。但區內對地熱資源形成背景的研究程度較低, 大地熱流測量工作尚屬空白, 導致了資源開發的盲目性。因此本文選取贛縣為研究區, 對區域恒溫帶深度, 鉆孔地溫分布, 鉆孔原位熱物性、放射性生熱率參數等進行測試, 對大地熱流值進行計算, 分析區域熱源機制, 為深入認識區域地熱資源成因提供基礎數據, 為區域地熱資源后續開發利用提供可靠依據。

1 研究區地熱地質背景

贛縣地處羅宵山、武夷山隆起帶和南嶺斷陷隆起帶的交接復合地帶(劉細元, 2000; 楊明桂等,2018; 張青等, 2020), 區內以北東向斷裂為主控構造, 屬大余—南城斷裂的一部分, 大余—南城斷裂規模大、切割深, 性質為壓性和壓扭性, 控制著中生代紅層的形成、發展及加里東期、燕山期花崗巖的旋回侵入(孫占學, 2014; 黃長生, 2021), 沿線地熱顯示發育, 說明其具有控熱導熱特性。斷裂受多期次構造活動影響, 在區內發育一系列相互平行的次級斷裂, 為熱水的運移提供了良好的通道。

區內出露地層由老至新主要有侏羅系、白堊系、第四系(圖1)。在贛縣區中部, 沿貢江兩岸分布有第四紀地層, 厚度較薄; 在大余—南城深斷裂的西北側發育了紅層斷陷盆地, 地層巖性包括白堊系雜色砂頁巖、紫紅色粉砂巖、泥巖; 寒武系的板巖、硅質巖; 少量分布石炭系和泥盆系的泥巖、砂巖和灰巖等碎屑巖和震旦系的石英片巖。區內巖漿巖活動強烈, 主要出露燕山期、印支期、加里東期等三期次巖漿巖, 其他期次巖漿巖僅零星出露主要受燕山期運動影響, 有大面積燕山期花崗巖侵入, 形成時代晚, 主要為大埠巖體, 巖性以中粒黑云二長花崗巖、細粒少斑黑云二長花崗巖為主(黃長生等,2021)。

區內北東向斷裂帶及其次級斷裂是地下熱水匯集、運移的主要通道, 同時存在與主斷裂溝通的分支斷裂及其附近的破碎帶也是地熱流體運移的重要通道, 共同構成裂隙型帶狀熱儲。

2 數據測量與處理

2.1 地溫測量

在研究區開展了鉆孔地溫測井、地溫監測工作。鉆孔地溫測井采用 PSJ-2型數字測井系統對GX01孔溫度進行測量, 測量范圍為0～65 ℃, 精度為 0.1 ℃, 為確保井溫處于(準)穩定狀態, 更客觀地反應地層真實溫度, 在 GX01鉆孔洗孔靜井48小時后, 每隔12小時記錄一次井溫變化, 直至井溫變化偏差在 0.5 ℃以內, 記錄最終的溫度作為該井地溫。地溫監測采用 WD-016A型嵌入式傳感器搭配TD-016C型數據采集儀, 對成井時間超過1年以上的機民井CW1-CW3及鉆孔ZK2進行測溫; 這些傳感器以5 m為間隔嵌入PVC電纜, 測量范圍為-50～100 ℃, 精度為 0.1 ℃(0～80 ℃)和 0.5 ℃(-50～0 ℃和81～125 ℃), 地溫監測工作持續3天。

2.2 巖石熱導率測試

巖石熱導率是表征巖石傳熱能力的物理量, 物理意義為沿熱傳導方向在單位厚度巖石兩側溫度差為 1℃時, 在單位時間內通過的熱量, 單位為W/(m·K)。熱導率測試工作由東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室完成, 使用的儀器是德國生產的 TCS(Thermal Conductivity Scaning)熱導率自動掃描儀, 測量范圍為 0.2～25 W/(m·K), 測量精度±3%。

2.3 巖石放射性生熱率測試

巖石放射性生熱率是判定花崗巖體放射性生熱能力的重要參數, 巖石生熱率A是指一定體積的巖石在單位時間內由所含放射性元素通過放射性衰變所產生的能量, 可由實測巖石中 U、Th、K三種放射性元素含量及巖石密度根據公式計算獲得。巖石U、Th、K含量及密度測試由核工業二三〇研究所分析測試中心完成, U、Th使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定, 不確定度為 1%～10%,K元素由 X射線熒光光譜儀(XRF)測定, 不確定度為1%～2%。

3 地溫分布特征

地溫分布特征是區域熱演化的最終表現, 是研究地熱演化、巖石圈熱結構的基礎和前提(何爭光等,2009)。為了解垂向地溫分布特征, 消除近地表外界條件變化對地溫的影響, 本次工作對研究區內三眼機民井(井深60～90 m)以及兩眼鉆孔(孔深900 m、1200 m)進行溫度測量工作, 根據不同深度的地溫實測數據, 分析鉆孔測溫數據特征, 獲得本地區變溫帶、恒溫帶、增溫帶特征, 進而擬合垂向地溫梯度, 計算大地熱流值。

3.1 鉆孔溫度整體特征

不同時刻地層溫度測量結果在淺部有較大的區別, 根據 3口機民井不同時段的測溫數據(圖2),普遍指示出該地區0～20 m地溫梯度或高達33 ℃/km,或呈現出負增長, 一方面是受氣候、光照等條件影響較大, 另一方面是由于地下水向上運動過程中發生對流影響, 為變溫帶; 20～30 m地溫基本不變, 約20.8 ℃, 為恒溫帶; 30 m以下埋深地溫不再受外界的影響, 呈現出隨深度增加而增溫的線性增長趨勢,為增溫帶。

圖2 贛縣主要機民井測溫曲線Fig. 2 Temperature curve of main wells in Ganxian county

可以看出該區域淺部地溫除恒溫帶(20～30 m)以上受大氣地表溫度及地下水運移的影響變化較大外, 其下部井溫呈現緩斜型增長, 屬于相對無水或水量很小的傳導型地溫變化。

鉆孔 GX01測溫曲線井內最低溫度位于30.00 m 處, 溫度 21.80 ℃, 最高溫度位于孔底,溫度43.70 ℃, 同樣展現出30 m以恒溫帶為分界線,30 m以淺在地下水運移影響下, 地溫出現負增長,30 m以深在花崗巖地層中, 呈現傳導型地溫變化,僅在200～240 m溫度出現明顯波動(圖3), 對應鉆孔地層較為破碎, 可能有冷水混入, 造成了溫度降低。

圖3 GX01鉆孔柱狀圖及測溫曲線圖Fig. 3 Drilling column diagram and temperature measurement curve of the well GX01

ZK2孔在白堊系砂巖內呈線性增長趨勢, 屬于相對無水或水量很小的傳導型地溫變化, 井內最高溫度為50.5 ℃, 出現在井底(圖4)。

圖4 ZK2鉆孔柱狀圖及測溫曲線圖Fig. 4 Drilling column diagram and temperature measurement curve of the well ZK2

3.2 垂向地溫梯度分析

根據測溫曲線特征, 去除地表溫度和地下水對流對溫度的影響, 運用公式(1)回歸四口井的地溫梯度。根據上文分析, 本地區T0選取區域恒溫帶溫度20.8 ℃。

式(1)中,T0為回歸直線與溫度坐標軸T的截距,當無其他因素干擾時,T0在數值上選取為恒溫帶溫度(℃);G為溫度隨深度的變化率, 即大地熱流值計算段內的地溫梯度(℃/km)。

基于以上鉆孔溫度特征與鉆孔含水層特征, 選取測溫井中溫度受地下水影響較小, 溫度-深度曲線較平直的區段, 進行地溫梯度計算。分別選取井CW1, CW2, CW3 機民井 30～60 m, 30～100 m, 40～70 m 測溫段計算地溫梯度, 分別為 25.15 ℃/km,28.3 ℃/km, 23 ℃/km。

ZK2鉆孔在 50～250 m層段, 地溫梯度平均為15.5 ℃/km, 250～450 m層段,地溫梯度為20.5 ℃/km, 450～1050 m, 地溫梯度為 26.7 ℃/km,1050 m 以下, 地溫梯度降低為 15 ℃/km。選取250～1050 m 為計算段, 采用厚度加權平均的方法,計算得到鉆孔平均地溫梯度為 25.2 ℃/km, 作為代表ZK2井的地溫梯度。

GX01鉆孔地溫梯度最大值為 29 ℃/km, 出現在 730～830 m 井段, 最小值為 12 ℃/km, 出現在130～230 m。選取430～900 m為計算段, 采用厚度加權平均方法, 計算得到鉆孔平均地溫梯度為26.6 ℃/km。

4 巖性特征及樣品測試分析

本次研究在 GX01井內進行原位取樣, 共選取30件巖心樣品, 進行熱導率及放射性測試。

4.1 巖性特征

根據區域地質特征, 結合調查收集資料,CW1-CW3井均揭穿上部蓋層, 進入花崗巖中, ZK2井揭穿白堊系砂礫巖、礫巖地層, 進入震旦系變質巖后終孔。

GX-01井(900 m)揭示的地層自上而下依次為新生界第四系、中生界白堊系、古生界寒武系以及燕山期花崗巖。新生界地層為灰黃色粉質黏土、亞黏土; 中生界白堊系地層為礫巖、局部含鈣, 砂礫巖及粉砂巖、頁巖; 古生界寒武系地層為細粒長石石英砂巖、板巖、硅炭質板巖夾石煤層; 燕山期花崗巖為中粒似斑狀黑云母花崗巖, 細-中細粒黑云母(二云母)斑狀花崗巖, 其中可見厚21 m的斷層角礫巖。

4.2 巖石熱導率測試結果分析

巖石熱導率除與巖性、礦物成分及其內部結構相關外, 還與其原位外部環境密切相關。前人對此進行了大量的研究, 認為巖石本身性質與熱導率密切相關, 變質巖、侵入巖的熱導率主要取決于石英礦物的含量, 火山巖和沉積巖的熱導率主要受空隙度的影響(Clauser and Huenge, 1995); 對相同巖性巖石, 其內部空隙度越小熱導率越大, 含水率越高熱導率越大; 外部環境, 主要是儲層溫度和壓力對熱導率也有明顯的影響, 其中溫度起主導作用, 與熱導率呈負相關關系(何麗娟等, 2001); 在低壓條件下, 熱導率隨壓力增加快速增長, 在高壓條件下,熱導率隨壓力呈線性增長(Seipold and Huenges,1998)。因此在計算大地熱流時需先對巖石熱導率實驗結果進行校正。

Vosteen and Schellschmidt(2003)針對結晶巖(火山巖, 變質巖)和沉積巖的熱導率與溫度的相關關系進行了分析, 對結晶巖在0～500 ℃范圍內進行試驗, 對沉積巖在 0～300 ℃范圍內進行試驗, 認為由于這兩類巖石的成因和礦物學組成具有本質上的區別, 因此熱導率與溫度的相關關系在結晶巖與沉積巖中表現不同, 并建立了相關關系方程:

式中,λ(0),λ(25), 對應外部環境為 0 ℃, 25 ℃時巖石的熱導率,λ(T)對應原位溫度下的巖石熱導率,λ單位為W/(m·K),T單位為℃。在結晶巖中常數a=0.003, b=0.004 2。

經過矯正后的巖石熱導率數據見圖5、表1; 砂巖在校正后熱導率比實測值增加了 1.01%, 花崗巖在校正后熱導率降低。地表花崗巖熱導率為2.67 W/(m·K), 鉆孔內沉積巖熱導率3.25 W/(m·K),黑云母鉀長花崗巖 3.16 W/(m·K), 二云母花崗巖2.49 W/(m·K), 黑云母花崗巖 2.52 W/(m·K)。每種巖性的熱導率均呈現出隨深度增加的趨勢(圖6)。蓋層砂巖熱導率比較大且離散性較小, 說明這些砂巖的壓實性比較好(徐明, 2011)。

圖5 GX01鉆孔主要巖石熱導率統計直方圖Fig. 5 Histogram of thermal conductivity of main rocks in borehole GX01

圖6 鉆孔內不同巖類熱導率與深度的關系圖Fig. 6 Relation between thermal conductivity and depth of different lithology in borehole

表1 GX01鉆孔熱導率與放射性參數測試結果Table 1 Test results of thermal conductivity and radioactivity parameters of borehole GX01

4.3 巖石生熱率測試結果分析

本文采用 Rybach修正后的天然放射性元素公式計算, 這種方法測量出來的結果精度相對較高。計算公式如下:

式中:A—巖石生熱率(μW/m3);CU、CTh—巖石中的U、Th含量(ppm);CK—巖石中K含量(wt%);ρ—巖石密度(kg/m3)。

在采集的20組鉆孔樣品中, 以3～4 μW/m3為分界線, 沉積巖層放射性生熱率平均值為1.61 μW/m3; 花崗巖巖體放射性生熱率最大為10.97 μW/m3, 位于260 m深, 最小為4.53 μW/m3(圖7), 位于800 m深, 生熱率在400 m以淺呈現隨深度增加的趨勢, 往后趨于穩定, 且略呈現減小趨勢(圖8), 由于測試得到放射性生熱率數值離散性較大, 采用放射性生熱率中位數代表巖體生熱率, 為 5.68 μW/m3, 高于世界花崗巖平均生熱率2.5 μW/m3(Mclaren et al. 2003), 屬于高產熱巖體。鉆孔內花崗巖體 Th/U值為 0.5～3.7, 為高鈾花崗巖體(許保良等, 1995), 且主要形成于燕山期, 造成了區域較高的生熱率, 這與華南地區燕山期花崗巖生熱率背景值較高、其中的特征一致(林樂夫,2018; 宋爐生, 2020)。

圖7 GX01鉆孔主要巖石放射性生熱率統計直方圖Fig. 7 Histogram of radioactive parameters of main rocks in borehole GX01

圖8 鉆孔內不同巖類花崗巖生熱率與深度的關系圖Fig. 8 Relation between radioactive parameters and depth of different lithology in borehole

5 區域熱流值特征

根據熱流值計算公式q=-λdT/dz,選取鉆孔測溫曲線相對穩定的井段作為熱流計算段, GX01鉆孔根據校正后的熱導率計算鉆孔的大地熱流值, 其余鉆井未取得原位巖樣測試, 由于區域上巖性變化不大, 因此根據地層巖性, 花崗巖參考 GX01井中經校正后相同巖性的熱導率進行熱流值計算; 沉積蓋層砂巖、砂礫巖熱導率考慮本次取樣數量較少,結合贛南取樣測試的砂巖、頁巖、泥巖等沉積巖層熱導率值(李學禮等, 1992; 林樂夫等, 2017; 黃起偉,2021), 求取均值進行計算, 結果如表2。

表2 贛縣區大地熱流值計算結果Table 2 Calculation results of terrestrial heat flow in Ganxian county

機民井中 CW1井位于花崗巖中, 通過30～100 m段測溫數據計算大地熱流; CW2井位于花崗巖中, 采取 30～60 m 段測溫數據計算大地熱流;CW3井揭穿上部沉積蓋層進入下部蝕變花崗巖體,通過40～70 m測溫數據計算大地熱流; ZK2井處于白堊系砂礫巖、礫巖中, 通過400～1000 m段測溫數據計算大地熱流; GX01鉆孔揭穿上部沉積蓋層進入下部花崗巖體, 通過250～760 m測溫數據計算大地熱流。鉆孔地溫梯度與主要巖性熱導率呈較明顯的負相關關系, 熱導率大的巖層地溫梯度相對較低,符合區域大地熱流值變化不大的特征。

總體來看, 本區域地溫梯度變化幅度不大(25.15～27.7 ℃/km), 平均地溫梯度為 26.22 ℃/km,略高于江西省平均地溫梯度23.83 ℃/km(李學禮等,1992)。

計算得到大地熱流值 73.18～79.49 mW/m2, 選取連續測溫段超過 50 m的鉆井對應的大地熱流值來代表區域的熱流水平, 平均為75.9 mW/m2, 大于我國陸區平均值((60.4±12.3) mW/m2)與全球陸區平均值(65 mW/m2)。將該區域熱流值與江西省其他實測熱流值繪制在圖1中, 可以看出區域熱流值略高于江西省平均熱流值71.5 mW/m2, 略高于贛南地區平均熱流值73.44 mW/m2。

贛縣區位于江西南部屬于華南褶皺系內, 屬于活動性較強的地塊, 熱流背景較高; 位于上地幔凸起區, 深部熱流向地表傳遞散發距離較短, 熱流值容易集中, 研究區偏高的大地熱流值, 表明該區域具有較高的區域熱背景值, 具備發育地熱田的良好地熱地質條件。切穿該區的大余—南城斷裂具有良好的控熱導熱機制, 其沿線熱流值范圍為62.1～79.7 mW/m2, 均具有較好的熱流背景。

6 熱源機制

結合本文成果與以往工作, 初步可得區內地熱水點均受北東向斷裂控制, 該斷裂即為區域控熱構造。根據目前掌握的資料分析, 本區域地下熱水的熱源有以下幾種可能:

(1)地下水深循環熱

贛南地區的地熱水多沿深大斷裂和斷陷盆地邊緣分布, 貫穿研究區的深大斷裂, 經歷了多次活動, 規模大、切割深, 為地下水深循環提供了通道,地熱的形成明顯受斷裂控制, 此外由于贛縣西區位于地幔隆起分布區, 深大斷裂溝通深部熱幔向上傳導的熱流, 與深大斷裂溝通的水體熱對流相互疊加共同完成水熱交換過程, 有利于地下熱水的形成。

(2)放射性元素衰變熱

區內大面積出露的花崗巖, 放射性生熱率均值為 5.68 μW/m3, 屬于高放射性花崗巖, 放射性元素衰變釋放熱具備為熱水形成提供附加熱源的條件。

研究區地殼厚度為 32.5 km, 居里面埋深24 km(熊盛青, 2016), 根據華南地區重要鈾礦放射性成礦深度、地震探測結論等, 推測區域放射性集中層厚度為5～7 km(林樂夫等, 2017; 劉峰等, 2020;毛勇, 2013)。地表熱流主要由地殼熱流和地幔熱流兩部分組成(Morgan et al., 1984; Nyblade and Pollack, 1993), 其中地幔熱流主要與幔源巖漿底侵作用相關(He, 2015), 地殼熱流主要與地層中放射性元素生熱率相關, 放射性集中層主要位于中上地殼,地殼熱流可近似認為是由放射性集中層巖體放射性衰變生熱提供?；诒敬螌崪y花崗巖放射性生熱率數據 5.68 μW/m3, 推測研究區地殼熱流值為28.4～39.76 mW/m2, 約占大地熱流值的37.2%～52.4%, 說明這些高產熱巖體的放射性衰變產熱可為研究區地熱資源的形成提供部分穩定的熱源(圖9)。

圖9 贛縣區域深部熱源機制概念模式圖Fig. 9 Conceptual model of deep heat source mechanism in Ganxian area

7 結論

本文結合在江西贛縣開展的地熱地質調查、地溫測量、巖心熱導率、放射性測試等工作, 分析了該地區的地溫場和大地熱流值特征。結論如下:

(1)贛縣區恒溫帶深度為20～30 m, 恒溫帶溫度為 20.8 ℃, 地溫梯度在 23～29 ℃/km 之間, 鉆孔地溫梯度平均值為 25.65 ℃/km。贛縣區各類巖石巖性熱導率均呈現出隨深度增加的趨勢, 鉆孔內花崗巖熱導率平均值為2.89 W/(m·K), 巖層導熱效果較好, 利于地層熱量的傳播。

(2)區域大地熱流平均值為 75.9 mW/m2, 高于我國陸區平均大地熱流值, 反映了研究區的高地熱背景, 具備發育地熱田的良好地熱地質條件。

(3)區內大面積分布的花崗巖體屬于高鈾花崗巖體, 生熱率平均為 5.68 μW/m3, 遠高于世界花崗巖平均生熱率, 可為區域地熱資源形成提供部分穩定的附加熱源。

(4)綜合以上成果, 推測區域高鈾花崗巖體放射性生熱及深循環加熱是區域熱能的主要來源。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2019YFB150410302), and China Geological Survey(No. DD20190128).