江西蘆溪縣南部大地?zé)崃魈卣?/h1>
2024-01-20 08:15:08張浩然張垚垚孫文潔王書訓(xùn)
地球?qū)W報(bào) 2024年1期 關(guān)鍵詞：研究
張浩然,劉 凱,張垚垚,孫文潔,王書訓(xùn)
1)中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;2)中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037; 3)中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083
近年來隨著化石能源的大量消耗,能源危機(jī)已經(jīng)初顯態(tài)勢,全球各個(gè)國家開始把重點(diǎn)放在尋找和開發(fā)可再生能源上(Lund,2007)。隨著我國“碳達(dá)峰和碳中和”目標(biāo)提出,綠色環(huán)保可再生能源在我國的比重達(dá)到了一個(gè)新的高度(劉凱等,2017; Sun et al.,2023)。地?zé)豳Y源作為一種清潔可循環(huán)再生的綠色能源具有極大的利用價(jià)值(Lund et al.,2016; Gondal et al.,2017; 劉凱等,2018)。據(jù)估計(jì),中國12個(gè)主要盆地地?zé)豳Y源量約為24 964×1018J,其儲量相當(dāng)于8 531.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,每年可采儲量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為6.4億噸(周總瑛等,2015),地?zé)豳Y源開發(fā)潛力巨大。江西省中低溫地?zé)豳Y源儲量豐富,以地表溫泉為主要出露形式,淺層地?zé)豳Y源采用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)利用,主要用于供暖、溫泉療養(yǎng)、農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)(張學(xué)真,2013)。
大地?zé)崃髦凳茄芯恳粋€(gè)地區(qū)地?zé)釄鎏卣鞯木C合性熱參數(shù),是地球內(nèi)部熱狀態(tài)在地表的表征,同時(shí)也是巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)(Furlong et al.,1987; Pollack et al.,1993; 陳愛華等,2017),劉峰等(2020)研究了江西寧都縣北部大地?zé)崃魈卣骷暗責(zé)豳Y源成因機(jī)制,研究得出,該區(qū)大地?zé)崃髌骄禐?3.6 mW/m2,地?zé)豳Y源成因機(jī)制為“高產(chǎn)熱花崗巖放熱+多級次斷裂控?zé)釋?dǎo)水”。段和肖等(2023)研究了滄縣隆起中部獻(xiàn)縣地?zé)崽锏拇蟮責(zé)崃魈卣?其大地?zé)崃髦禐?0.58 mW/m2。閆曉雪等(2023)研究了江西贛縣大地?zé)崃魈卣髋c熱源機(jī)制,贛縣地區(qū)平均大地?zé)崃髦禐?5.9 mW/m2,地?zé)豳Y源的熱源機(jī)制為“地下水深循環(huán)加熱+高產(chǎn)熱花崗巖體生熱”。孫占學(xué)等(2016)研究了沁水盆地大地?zé)崃髋c地溫場特征,其大地?zé)崃髦禐?4.8～101.8 mW/m2。雷曉東等(2018a)研究了北京平原區(qū)西北部大地?zé)崃魈卣?其大地?zé)崃髦禐?8.1～99.1 mW/m2,熱流的分布受基底形態(tài)和斷裂構(gòu)造控制。
蘆溪縣位于萍鄉(xiāng)市東南部,屬于環(huán)武功山地區(qū)。武功山地區(qū)地?zé)豳Y源豐富,構(gòu)造斷裂發(fā)育,其中地?zé)崽镉?2處之多,多沿北東向斷裂呈串珠狀分布(圖1),研究區(qū)大地?zé)崃髦捣秶鸀?0～80 mW/m2(胡圣標(biāo)等,2001),屬于較高熱流背景區(qū)域。然而蘆溪縣南部地區(qū)的巖石熱物性參數(shù)、大地?zé)崃髦禂?shù)據(jù)等尚不全面,還比較缺乏,地?zé)嵫芯砍潭容^低,制約了研究區(qū)地?zé)豳Y源的可持續(xù)研究與開發(fā)。本文選定蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū)作為地?zé)嵫芯康湫蛥^(qū),通過對研究區(qū)巖石熱物性參數(shù)測試、地溫測井等方法,結(jié)合前人的研究數(shù)據(jù),計(jì)算得到該地區(qū)大地?zé)崃髦蹬c主要巖性巖石的放射性生熱率,分析了該地區(qū)的大地?zé)崃魈卣?為下一步該地區(qū)將來的地?zé)豳Y源勘探開發(fā)和研究利用提供理論指導(dǎo)。
圖1 江西武功山地區(qū)地質(zhì)地?zé)豳Y源分布簡圖(據(jù)張垚垚等,2022修改)Fig.1 Simplified regional,geological,and geothermal distribution map of the Wugongshan area,Jiangxi Province(modified from ZHANG et al.,2022)
1 地質(zhì)背景
1.1 區(qū)域地質(zhì)背景
武功山地區(qū)位于江西省中西部,地處羅霄山脈北支,位于華南早古生代造山帶的中段(岳煥印等,1998),揚(yáng)子板塊與華夏板塊匯聚帶的南側(cè)(圖1),屬于華夏板塊北緣贛中構(gòu)造碰撞帶。研究發(fā)現(xiàn),武功山是一個(gè)典型的花崗巖穹窿伸展構(gòu)造(舒良樹等,1998; 岳煥印等,1998)。
武功山地區(qū)巖性以花崗巖類分布最廣,規(guī)模最大,其中主要為中酸性的S型花崗巖,巖漿巖主要形成年代為早古生代和中生代時(shí)期,主要是上地殼沉積巖層在巖漿作用下重熔經(jīng)結(jié)晶分異作用形成(岳煥印等,1998),代表性巖石以英云閃長巖、花崗閃長巖、黑云母二長花崗巖、黑云母花崗巖、二云二長花崗巖為主,其礦物組成主要為斜長石、鉀長石、黑云母、角閃石及少量石英,暗色礦物含量較多,其結(jié)構(gòu)有中粗粒斑狀、細(xì)粒斑狀、粗粒、細(xì)粒結(jié)構(gòu)。并且?guī)r石大多受到后期構(gòu)造運(yùn)動造山運(yùn)動的改造,礦物呈定向排列,發(fā)育了片麻狀構(gòu)造。
武功山地區(qū)地?zé)岫嗵幱跀嗔褬?gòu)造交匯處。多期碰撞造山和巖漿侵位導(dǎo)致武功山地區(qū)地?zé)豳Y源密集分布。區(qū)內(nèi)發(fā)育三組北東向斷裂,即北東側(cè)的溫湯—萬龍山斷裂和南東側(cè)的錢山—三江斷裂及滸坑—洪江斷裂,武功山地區(qū)地?zé)豳Y源分布具有沿此三條北東向斷裂呈帶狀展布特征(圖1)。武功山地區(qū)北東向深大斷裂延伸較遠(yuǎn),規(guī)模較大,對地殼的切割深度大,為地下水的深部循環(huán)及構(gòu)造導(dǎo)熱提供了有利條件,對地?zé)嵝纬善鹬鲗?dǎo)作用。
1.2 蘆溪縣南部地區(qū)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征
研究區(qū)主要位于蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū),地處揚(yáng)子與華夏板塊之間的新元古代欽杭縫合帶南側(cè)(Shu et al.,1996; Guo et al.,1996),華南加里東褶皺帶中段北緣(樓法生等,2005),亦屬于江南造山帶南延于贛西部分的南側(cè),并且坐落在武功山復(fù)式花崗巖穹隆的山間,構(gòu)造演化歷史十分復(fù)雜。
北東向溫湯—萬龍山斷裂穿過了新泉地區(qū),該斷裂是本研究區(qū)一條重要的控?zé)峥厮當(dāng)嗔?這條斷裂向北延伸穿切了揚(yáng)子與華夏板塊之間的欽杭縫合帶的南側(cè)邊界。石溪麻田地區(qū)緊鄰F1、F3兩條北東向斷裂和F2北北東向斷裂(圖1),其中F1(黃竹塘—焦沖斷裂)規(guī)模較大,區(qū)域延伸大于10 km,呈密集平行的北東向節(jié)理裂隙發(fā)育,F2斷裂較F1斷裂規(guī)模小。研究區(qū)地質(zhì)剖面圖見圖2。研究區(qū)主要巖層為早古生代變質(zhì)巖和花崗巖,透水性較差。然而在研究區(qū)構(gòu)造斷裂發(fā)育,裂隙、節(jié)理發(fā)育,巖石破碎,往往形成具有一定埋藏深度和厚度的斷裂破碎帶,是地?zé)崃黧w的儲存場所,同時(shí)由于深大斷裂發(fā)育,溝通地殼深部熱量,為深部的熱水循環(huán)提供了良好的通道和儲存場所。同時(shí)由于深大斷裂發(fā)育,溝通地殼深部熱量,為深部熱水循環(huán)提供了良好通道和儲存場所,使深部熱水可以沿?cái)嗔淹ǖ郎仙?形成地?zé)岙惓?對地?zé)嵝纬善鹬鲗?dǎo)作用。
圖2 蘆溪縣南部地區(qū)地質(zhì)剖面圖(剖面位置見圖1中剖面AB)Fig.2 Geological profile of the southern region of Luxi County (located in the section AB of Fig.1)
2 分析測試和計(jì)算結(jié)果
2.1 巖石熱導(dǎo)率參數(shù)測試
巖石熱導(dǎo)率是計(jì)算大地?zé)崃骱蜕畈繙囟鹊闹匾獏?shù),本次采集武功山地區(qū)1口鉆孔(石溪ZK01)鉆孔巖心樣品12件,取樣深度范圍為205～1 637 m不等(表1),采樣點(diǎn)位如圖1所示。新泉地區(qū)引用前人的鉆孔巖心采樣數(shù)據(jù)包括新泉ZK11,新泉ZK12,新泉ZK13,3個(gè)鉆孔的巖心樣品數(shù)據(jù)16個(gè)(Liu et al.,2023)。本次總共采集樣品數(shù)量28件進(jìn)行巖石熱物性和大地?zé)崃髦档姆治龊陀?jì)算。本文選取的4口鉆孔均位于斷裂構(gòu)造帶附近,區(qū)域地層、構(gòu)造分布較好,鉆孔的巖心樣品涵蓋研究區(qū)大部分的巖層。
表1 蘆溪縣南部地區(qū)巖石熱導(dǎo)率及放射性生熱率參數(shù)Table 1 Thermal conductivity and radioactive heat generation rate parameters of rocks in the south of Luxi County
熱導(dǎo)率測試是通過瑞典生產(chǎn)的Hot Disk熱常數(shù)分析儀。可對多種巖石樣品的熱導(dǎo)率、比熱容等巖石熱物性進(jìn)行高精度的測量。該儀器的工作原理為基于瞬變平面熱源(Transient Plane Source,TPS)方法,該儀器的核心元件是一個(gè)由10 μm厚的金屬鎳刻蝕而成具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片探頭,探頭邊緣為4～100 μm的絕緣薄膜,通常將探頭置于兩個(gè)樣品中間進(jìn)行測試(Sizov et al.,2016)。Hot Disk探頭既是熱源又是溫度傳感器,在測試過程中,通過輸出恒定電流,電流通過探頭產(chǎn)生一定升溫,使探頭電阻發(fā)生變化,從而產(chǎn)生一定的電壓降(雷曉東等,2018b),探頭的熱容量可忽略不計(jì)。通過記錄一段時(shí)間內(nèi)電壓變化,可以得到探頭的溫度變化,通過相對應(yīng)的溫度函數(shù)模型,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果瞬態(tài)曲線分析,進(jìn)而得出被測樣品導(dǎo)熱系數(shù)。
按照巖石巖性不同,蘆溪縣南部地區(qū)巖石可分為3類。熱導(dǎo)率均值最大的為硅質(zhì)石英巖6.176 W/(m·K),其次為侵入巖2.647 W/(m·K),變質(zhì)巖熱導(dǎo)率均值最小為2.314 W/(m·K),繪制不同巖性巖石熱導(dǎo)率的直方圖和箱圖(圖3,圖4)。江西省現(xiàn)今實(shí)測熱流值點(diǎn)43個(gè),熱流值范圍介于55～93.6 mW/m2,平均熱流值為71.5 mW/m2(李學(xué)禮等,1992; 胡圣標(biāo)等,2001; 劉峰等,2020),研究區(qū)大地?zé)崃髦翟诮鞯貐^(qū)位于中上等,熱流值較高。寧都縣北部侵入巖熱導(dǎo)率介于2.45～4.35 W/(m·K),平均熱導(dǎo)率為2.59 W/(m·K) (劉峰等,2020)。贛縣地區(qū)侵入巖熱導(dǎo)率介于2.4～2.68 W/(m·K),平均熱導(dǎo)率為2.52 W/(m·K) (閆曉雪等,2023)。研究區(qū)侵入巖平均熱導(dǎo)率為2.65 W/(m·K)。研究區(qū)侵入巖的熱導(dǎo)率與鄰區(qū)侵入巖熱導(dǎo)率較為接近。
圖3 不同巖性熱導(dǎo)率直方圖Fig.3 Histograms of thermal conductivity for different lithologies
圖4 不同巖性熱導(dǎo)率參數(shù)箱線圖(分位符代表: 最大值、75%、中位數(shù)、25%、最小值)Fig.4 The boxplot of thermal conductivities (division character means: maximum,75%,the median,25% and the minimum value)
2.2 鉆孔測溫及地溫梯度
鉆孔測溫是了解地溫場最直接的方式,是地?zé)嵫芯康幕痉椒ㄖ?主要的溫度數(shù)據(jù)一般包括系統(tǒng)測溫溫度、孔底測溫溫度(bottom hole temperature,BHT)、試油溫度(drill stem temperature,DST)等(唐曉音等,2016; 雷曉東等,2018a)。孔底測溫為隨鉆測溫,每鉆進(jìn)100 m,定深測溫一次,孔底測溫井溫基本恢復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)或似穩(wěn)態(tài)狀態(tài)(He et al.,2008),本次測溫主要為孔底測溫,各鉆孔孔底測溫?cái)?shù)據(jù)如圖5所示。4個(gè)鉆孔50—100 m深的測溫溫度均小于30 ℃。其中,新泉ZK11和新泉ZK12溫度隨深度變化較為均勻(圖5)。而石溪ZK01和新泉ZK13分別在1150—1300 m、800—900 m處溫度曲線出現(xiàn)較大波動,溫度曲線出現(xiàn)下凹,可能與該處導(dǎo)熱裂隙或破碎帶發(fā)育有關(guān),有地下冷水通過裂隙或破碎帶混入,導(dǎo)致該深度段溫度隨深度增加增溫較小。故在進(jìn)行大地?zé)崃饔?jì)算時(shí)可以跳過該深度段進(jìn)行計(jì)算。
圖5 鉆孔測溫溫度-深度曲線圖Fig.5 Wells temperature-depth curve
4個(gè)鉆孔所選取的深度范圍包含了鉆孔內(nèi)的所有巖性,可滿足大地?zé)崃鳒y量的要求,利用上述4個(gè)鉆孔的孔底測溫?cái)?shù)據(jù),結(jié)合所測的巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),進(jìn)行大地?zé)崃髦涤?jì)算。
2.3 區(qū)域大地?zé)崃魈卣?/h3>
大地?zé)崃?是指單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由地球內(nèi)部傳輸至地表,而后散發(fā)到太空中去的熱量。大地?zé)崃魇且粋€(gè)綜合參數(shù),是地球內(nèi)熱在地表可直接測得的唯一物理量(徐明等,2011),大地?zé)崃鞅绕渌A(chǔ)的地?zé)釁?shù)(如溫度、地溫梯度)更能確切地反映一個(gè)地區(qū)地?zé)釄龅奶卣?Furlong et al.,1987;Pollack et al.,1993; 左銀輝等,2013),例如高熱導(dǎo)率巖石分布區(qū),其地溫梯度可能不高,但熱流值卻可能比較高。熱流的測定和分析屬于地?zé)嵫芯康囊豁?xiàng)基礎(chǔ)工作。在理論上,它對地殼的熱狀態(tài)與活動性、地殼與上地幔的熱結(jié)構(gòu)及其與某些地球物理場的關(guān)系等理論問題的研究具有重要意義; 在應(yīng)用上,是區(qū)域熱狀況及地殼穩(wěn)定性評價(jià)、地?zé)豳Y源潛力與資源量評價(jià)、油氣生成能力與生油過程分析等應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性參數(shù)(Osipova et al.,2015)。
陸地大地?zé)崃髦档挠?jì)算方法具體為該區(qū)域地溫梯度和巖石熱導(dǎo)率兩個(gè)參數(shù)的乘積(王良書等,1995)。對研究區(qū)4個(gè)鉆孔的地溫梯度進(jìn)行計(jì)算,地溫梯度根據(jù)實(shí)測鉆孔溫度數(shù)據(jù)和測溫段長度相除(△T/△h)求得(肖衛(wèi)勇等,2001; 李衛(wèi)衛(wèi)等,2014),根據(jù)測井溫度結(jié)果和鉆孔巖性資料來分析地下水對測溫曲線的影響,選擇測溫曲線較平直,受地下水對流影響較小的測溫段進(jìn)行地溫梯度計(jì)算(劉峰等,2020)。由于不同巖層地溫梯度可能相差較大(閆佰忠等,2018),因此要結(jié)合相應(yīng)測溫段的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),對不同層段的熱流值進(jìn)行分段疊加得到該鉆孔大地?zé)崃髦?即:
式中,Q為該井的分段疊加計(jì)算的實(shí)測大熱流值,Qi為其中某一測溫段△Hi的大地?zé)崃髦?由該測溫段的地溫梯度△Ti/△Hi與該段的熱導(dǎo)率Ki相乘得來,H為所有測溫段長度Hi的總和。
研究區(qū)的地溫梯度范圍為10～65 ℃/km,其中石溪地區(qū)平均地溫梯度為35.3 ℃/km,新泉地區(qū)平均地溫梯度為25.6 ℃/km(圖6)。蘆溪縣南部地區(qū)地溫梯度平均值為28.1 ℃/km。大地?zé)崃髦涤?jì)算過程中選取的測溫段均為較平滑,受地下水影響較小的區(qū)段。其中,石溪ZK01選取的溫度計(jì)算深度段為300—1 150 m,新泉ZK11選取的溫度計(jì)算深度段為300—950 m(圖5),新泉ZK12選取的溫度計(jì)算深度段為1 100—1 550 m,新泉ZK13選取的溫度計(jì)算深度段為100—800 m(圖5)。結(jié)合巖心熱導(dǎo)率測試結(jié)果,進(jìn)行大地?zé)崃髦涤?jì)算。
圖6 石溪ZK01、新泉ZK11、新泉ZK12、新泉ZK13鉆孔地溫梯度曲線圖Fig.6 Geothermal gradient curves of Shixi ZK01,Xinquan ZK11,Xinquan ZK12 and Xinquan ZK13 boreholes
由于巖石的熱導(dǎo)率受溫度的影響,會隨著溫度的升高而降低(趙永信等,1995),其中熱導(dǎo)率測試是在25 ℃環(huán)境下進(jìn)行的,與鉆孔中實(shí)際地溫相差較大,為獲取精確的大地?zé)崃髦禂?shù)據(jù),對于有實(shí)測原位溫度的鉆孔巖心,要根據(jù)其原位溫度進(jìn)行熱導(dǎo)率的校正(Anand et al.,1973)。熱導(dǎo)率和溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式見式(2)、式(3)(Sass et al.,1992),前人研究發(fā)現(xiàn)該經(jīng)驗(yàn)公式在中國大陸地區(qū)幾千米內(nèi)的地層都較為適用(He et al.,2008),故對于實(shí)測的巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)可采用以下兩個(gè)公式(2)、(3)進(jìn)行巖心熱導(dǎo)率的校正:
上兩式中,T為鉆孔巖心的原位溫度(℃),K(0)和K(25)分別為巖石在0 ℃和25 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率值(W/(m·K)),因?yàn)榻魇?5 ℃等溫面平均埋深為172 m,大部分介于150～200 m 之間,故對于一些鉆孔巖心無25 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率值的用150～200 m的巖心熱導(dǎo)率值代替(表2)。
表2 蘆溪縣南部大地?zé)崃髦涤?jì)算結(jié)果Table 2 Terrestrial heat flows calculation results for southern Luxi County
新泉ZK12鉆孔由于其鉆井取芯的深度是從1 133.07 m開始的,該深度的孔底溫度為48.8 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25 ℃,而孔深150 m處的孔底溫度為25 ℃但無巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),因此該鉆井無法進(jìn)行準(zhǔn)確的巖石熱導(dǎo)率校正,故該孔只有大地?zé)崃髦捣侄委B加的計(jì)算值,無校正大地?zé)崃髦怠?/p>
蘆溪縣南部大地?zé)崃髦捣秶s為65～84 mW/m2,平均大地?zé)崃髦禐?6.39 mW/m2,遠(yuǎn)大于全球大陸大地?zé)崃髌骄?5 mW/m2(Pollack et al.,1993)和中國大陸大地?zé)崃髌骄?1.5 mW/m2(姜光政等,2016)。
2.4 巖層放射性生熱特征
放射性元素的衰變生熱是地球內(nèi)部驅(qū)動眾多深部構(gòu)造熱過程的重要動力來源(Morgan,1984; 王安東等,2015),也是地?zé)豳Y源的主要熱源之一,開展巖石放射性生熱元素分布規(guī)律研究,對查明放射性衰變熱對地表熱流值的貢獻(xiàn)率以及理清巖石圈熱結(jié)構(gòu)都具有十分重要的意義(趙平等,1995; 邱楠生,2002)。研究區(qū)大量發(fā)育花崗巖和少量花崗片麻巖,花崗巖所占比例在80%以上,其中以志留紀(jì)時(shí)期黑云母花崗巖和片麻狀花崗巖為主要巖性。巖石的放射性生熱率主要是由一定豐度的長半衰期放射性元素U、Th和K在衰變過程中所釋放的放射性衰變熱產(chǎn)生。巖石的放射性生熱率通過測量巖石中U、Th、K三種元素的含量進(jìn)而計(jì)算得出,對于巖石放射性生熱率的計(jì)算,學(xué)者們提出了一些計(jì)算方法(Rybach,1976; Wollenberg and Smith,1987),采用Rybach(1976)提出的計(jì)算公式:
式中,A為巖石放射性生熱率(μW/m3),ρ為巖石密度(g/cm3),CU、CTh、CK分別為巖石中鈾(μg/g)、釷(μg/g)、鉀(%)的含量。U、Th使用電感耦合等離子體質(zhì)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%(表1)。
3 討論
通過以上的研究,計(jì)算得出蘆溪縣南部大地?zé)崃髦倒?個(gè),其中進(jìn)行大地?zé)崃髦敌Ｕ挠?個(gè),蘆溪縣南部地區(qū)巖石熱導(dǎo)率、地溫場和熱源機(jī)制特征主要有以下幾個(gè)方面。
3.1 巖石熱導(dǎo)率特征
巖石的熱導(dǎo)率是指沿?zé)醾鬟f方向單位長度上溫度降低1 ℃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量,熱導(dǎo)率的大小決定了巖石導(dǎo)熱能力的大小(Farouki,1981)。
研究區(qū)三種巖性巖石熱導(dǎo)率隨深度增加總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(圖7),但變化程度略有不同。硅質(zhì)石英巖、侵入巖和變質(zhì)巖的相關(guān)系數(shù)分別為-0.88、-0.4和-0.04,硅質(zhì)石英巖熱導(dǎo)率與深度呈明顯負(fù)相關(guān),熱導(dǎo)率從6.96 W/(m·K)減小至5.22 W/(m·K),侵入巖和變質(zhì)巖負(fù)相關(guān)程度較差。侵入巖和變質(zhì)巖的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.6和0.2(表3),表明變質(zhì)巖的熱導(dǎo)率隨深度增加其波動較小,主要在2.06～2.5 W/(m·K)之間。
表3 巖石熱導(dǎo)率均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Standard deviation and mean values of rock thermal conductivity
圖7 不同巖性巖石熱導(dǎo)率-深度關(guān)系Fig.7 Thermal conductivity-depth relationship of rocks with different lithologies
研究區(qū)巖石熱導(dǎo)率變化范圍為2.06～6.176 W/(m·K),平均值為2.74 W/(m·K),其中70%的巖石熱導(dǎo)率介于2.5～4.0 W/(m·K)之間,高于上地殼的平均熱導(dǎo)率2.5W/(m·K)(Rybach,1976),劉峰等(2020)研究得出江西寧都縣北部巖石熱導(dǎo)率介于2.46～4.35 W/(m·K)之間,平均值為3.32 W/(m·K),熱導(dǎo)率值略大于蘆溪縣南部地區(qū),但相差不大,巖層導(dǎo)熱能力比研究區(qū)略強(qiáng)。研究區(qū)硅質(zhì)石英巖的平均熱導(dǎo)率高達(dá)6.176 W/(m·K)(表3),侵入巖的平均熱導(dǎo)率為2.647 W/(m·K),變質(zhì)巖的平均熱導(dǎo)率為2.314 W/(m·K)。硅質(zhì)石英巖的熱導(dǎo)率是上地殼熱導(dǎo)率的2.5倍,是侵入巖的2.2倍,變質(zhì)巖的2.3倍,表明硅質(zhì)石英巖具有良好的導(dǎo)熱能力,是良好的導(dǎo)熱巖體。同時(shí),硅質(zhì)石英巖主要分布于斷裂破碎帶中,其較高的熱導(dǎo)率使研究區(qū)的斷裂帶具有較好的導(dǎo)熱能力,區(qū)內(nèi)的深大斷裂和次級斷裂成為良好的導(dǎo)熱通道。
3.2 地溫場特征
地溫場是指地球內(nèi)部的熱量通過不同熱導(dǎo)率的巖石在地殼上的表現(xiàn),是地球物理場的重要組成部分,地溫的分布形態(tài)和差異主要取決于區(qū)域地質(zhì)、深部構(gòu)造結(jié)構(gòu)、巖漿作用等。地溫場的研究對于一個(gè)地區(qū)的地?zé)岙惓３梢颉⒖責(zé)針?gòu)造和地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有重要意義,其主要研究方法是結(jié)合鉆孔地溫測量和巖石的熱物性參數(shù),來分析現(xiàn)今的地溫梯度和大地?zé)崃魈卣鳌?/p>
地溫梯度是指地球內(nèi)部恒溫帶以下地溫隨深度的變化率,是地溫場研究的基本物理參數(shù)(℃/km),在一定程度上反映了研究區(qū)的熱狀態(tài)。通過對蘆溪縣南部地區(qū)4個(gè)鉆孔的實(shí)測鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,得到了鉆孔的測溫溫度-深度曲線圖和地溫梯度-深度剖面圖(圖4,圖5,圖6)。在進(jìn)行地溫梯度的計(jì)算中,選擇較平直的測溫曲線作為基礎(chǔ)的測溫?cái)?shù)據(jù),選取每隔100 m的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較均勻,所選取的數(shù)據(jù)段較合理,可用性較強(qiáng)。計(jì)算得到石溪地區(qū)的平均地溫梯度為35.3 ℃/km,新泉地區(qū)的平均地溫梯度在22～31 ℃/km之間,研究區(qū)的平均地溫梯度為28.1 ℃/km,中國的平均地溫梯度為25～30 ℃/km,表明研究區(qū)的地溫梯度總的來看在我國屬于中上等水平,其中石溪地區(qū)的平均地溫梯度＞35 ℃/km,按照中國的劃分標(biāo)準(zhǔn)來看(雷曉東等,2018a),石溪地區(qū)屬于地?zé)岙惓^(qū),研究區(qū)目前只有新泉一個(gè)地?zé)崽?石溪地區(qū)的地?zé)岙惓１砻髟摰貐^(qū)具有較大的地?zé)峥碧介_發(fā)潛力。江西省的地溫研究開始于20世紀(jì)70年代,通過對測溫資料研究發(fā)現(xiàn),江西省平均地溫梯度介于19.7～24.7 ℃/km之間,贛北地區(qū)平均地溫梯度為19.7 ℃/km,萍樂坳陷帶平均地溫梯度為22.2 ℃/km,贛南地區(qū)平均地溫梯度為24.7 ℃/km,呈現(xiàn)出從北到南地溫梯度不斷增加的趨勢。從區(qū)域上來看研究區(qū)的平均地溫梯度為28.1 ℃/km,遠(yuǎn)高于中西部地區(qū)的塔里木盆地20 ℃/km和準(zhǔn)格爾盆地21.2～22.6 ℃/km等克拉通盆地(唐曉音等,2016),但遠(yuǎn)小于珠江口盆地37.9 ℃/km(唐曉音等,2016)。表明地溫梯度分布與地殼厚度具有密切關(guān)系,從大陸內(nèi)部到沿海地區(qū),地殼厚度不斷減薄(姚伯初,1998),地溫梯度呈增加趨勢。
大地?zé)崃魇亲钅艽_切反應(yīng)一個(gè)地區(qū)地?zé)釄鎏卣鞯膮?shù)(藺文靜等,2012)。研究區(qū)大地?zé)崃髦档挠?jì)算和校正均嚴(yán)格按照歷次中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編(共四版)的方法來進(jìn)行,連續(xù)測溫段均超過50 m,計(jì)算熱流值所用的巖石熱導(dǎo)率均為鉆孔內(nèi)對應(yīng)深度的巖心實(shí)測值。其中石溪ZK01鉆孔、新泉ZK11鉆孔和新泉ZK13鉆孔的測溫段長度、測溫段數(shù)據(jù)質(zhì)量、熱導(dǎo)率測試樣品數(shù)均達(dá)到了大地?zé)崃髦禍y量的A類(最高級別)標(biāo)準(zhǔn)(汪集旸等,1988; 汪集旸等,1990; 胡圣標(biāo)等,2001; 姜光政等,2016)。新泉ZK12鉆孔由于其巖心的取芯深度較深,缺少25 ℃時(shí)熱導(dǎo)率值,其熱導(dǎo)率無法進(jìn)行校正,故該孔的大地?zé)崃髦档臄?shù)據(jù)質(zhì)量為C類。其他三個(gè)鉆孔的大地?zé)崃髦稻_性較高。
蘆溪縣南部地區(qū)平均大地?zé)崃髦蹈哌_(dá)76.39 mW/m2,其中華南造山帶熱流值范圍為61.1～101 mW/m2,平均值為75.3 mW/m2,研究區(qū)的熱流值在華南造山帶中屬中上等水平,研究區(qū)北部的江南造山帶熱流值范圍為35.6～69.2 mW/m2,平均值為55.3 mW/m2(胡圣標(biāo)等,1994),研究區(qū)的大地?zé)崃髦颠h(yuǎn)高于北部的江南造山帶和中國大陸地區(qū)的大地?zé)崃髌骄?表明蘆溪縣南部地區(qū)屬于大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。
蘆溪縣南部地區(qū)較高的大地?zé)崃髦当砻髟摰貐^(qū)具有較高的區(qū)域熱背景,目前蘆溪縣南部地區(qū)雖然僅發(fā)現(xiàn)了新泉地?zé)崽?但是該地區(qū)的地?zé)豳Y源有較大的開發(fā)利用潛力,在麻田鎮(zhèn)石溪地區(qū)的石溪1號溫泉勘探井,最大涌水量每日681.55 m3,實(shí)測最高水溫達(dá)63 ℃,表明了該地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)潛力大,地?zé)豳Y源儲量豐富可利用價(jià)值較高。但是研究區(qū)的地?zé)峥碧焦ぷ鬟M(jìn)展的并不順利存在很多的勘探困難。大地?zé)崃鳟惓^(qū)地?zé)峥碧揭琅f相對困難主要有以下幾個(gè)原因,前期的地質(zhì)勘查程度較低,導(dǎo)致后期勘查進(jìn)展緩慢。勘探開發(fā)資源投入不足,導(dǎo)致地?zé)豳Y源開發(fā)活力有限。勘探開發(fā)過程中對于相關(guān)的基礎(chǔ)資料缺乏整理與全面收集,限制了工作效率與質(zhì)量。在勘探開發(fā)過程中由于鉆井工藝大多采用正循環(huán)泥漿鉆井,會導(dǎo)致鉆井液污染和堵塞地層,影響鉆井工程質(zhì)量、單井出水量及地下?lián)Q熱效率。新泉和石溪地區(qū)鉆取地?zé)豳Y源不容易存在以下原因,前期沒有進(jìn)行詳細(xì)的物探定井,主要依靠地面表層的巖層的產(chǎn)狀和巖性來尋找斷裂帶,但露頭情況與地下深部構(gòu)造存在一定差異,導(dǎo)致鉆取地?zé)豳Y源較為困難。
3.3 熱源機(jī)制
大地?zé)崃鞯臒嵩粗饕獮榈貧r石中元素放射性生熱和地幔熱,一般認(rèn)為,巖石中富含U、Th、K等元素的礦物,放射性生熱會釋放大量的熱,在適宜的部位可以聚集形成較高的地?zé)岙惓?Mareschal et al.,2013)。中國東南地區(qū),江西寧都燕山期混合巖放射性生熱率平均值為7.9 μW/m3,安徽省九華山花崗巖平均值為6.8 μW/m3,廣東諸廣山燕山期花崗巖平均值為5.9 μW/m3,均大于5 μW/m3(趙平等,1995; 劉峰等,2020),均屬于高產(chǎn)熱巖體(Siégel et al.,2014)。研究區(qū)巖石生熱率無較高值出現(xiàn),總體上偏小,巖石放射性生熱率變化范圍為0.02～3.42 μW/m3。花崗巖的放射性生熱率最大,其均值為2.31 μW/m3(表4),其次為變質(zhì)巖,放射性生熱率均值為1.84 μW/m3,硅質(zhì)石英巖的放射性生熱率最小,其均值為0.3 μW/m3。
表4 巖石放射性生熱率均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Standard deviation and mean values of rock radioactive heat generation rate
研究區(qū)不同巖性巖石生熱率隨深度變化各不相同(圖8)。變質(zhì)巖生熱率與深度相關(guān)系數(shù)為-0.65,生熱率隨深度增加呈現(xiàn)減小的趨勢,生熱率從3.42 μW/m3減小到0.09 μW/m3。侵入巖和硅質(zhì)石英巖的相關(guān)系數(shù)分別為0.1和0.73,生熱率與深度呈正相關(guān),硅質(zhì)石英巖的生熱率與深度正相關(guān)程度較高,其生熱率從0.02 μW/m3增大到0.8 μW/m3,侵入巖的生熱率與深度正相關(guān)程度較低。變質(zhì)巖生熱率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.9(表4),其生熱率隨深度增加波動較大,硅質(zhì)石英巖和侵入巖的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.7和0.5,侵入巖的生熱率隨深度增加波動較小,主要在1.95～2.85 μW/m3之間。
圖8 不同巖性巖石生熱率-深度關(guān)系Fig.8 Heat generation rate-depth relationship of rocks with different lithologies
硅質(zhì)石英巖的高熱導(dǎo)率,低放射性生熱率,為其成為良好導(dǎo)熱巖體奠定了基礎(chǔ)。全球花崗巖放射性生熱率平均值為2.1～2.5 μW/m3(McLaren et al.,2003),相比典型的放射性生熱率主導(dǎo)的地?zé)崽锒?蘆溪縣南部地區(qū)的花崗巖并未表現(xiàn)出較高的放射性生熱異常,并不是高產(chǎn)熱花崗巖,盡管元素的放射性生熱對大地?zé)崃饔幸欢ǖ呢暙I(xiàn),但并非是該區(qū)域的主要熱源。
武功山地區(qū)的地殼厚度在32.4～33.8 km之間(張永謙等,2019),遠(yuǎn)小于我國大陸地殼厚度的平均值47.6 km,也小于世界地殼平均厚度35 km。武功山地區(qū)屬于地殼厚度較薄區(qū),該地區(qū)的地殼厚度減薄與上地幔軟流圈上涌有關(guān),晚中生代時(shí)期發(fā)生了一次構(gòu)造轉(zhuǎn)折事件,受古太平洋板塊俯沖作用的影響,華南地區(qū)經(jīng)歷了由擠壓向拉張的轉(zhuǎn)化,軟流圈物質(zhì)上涌,華南地塊地殼被明顯減薄(Faure et al.,2009)。武功山地區(qū)深大斷裂發(fā)育,熱量可沿?cái)嗔褌鲗?dǎo),形成了武功山地區(qū)大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。
為查明研究區(qū)的熱源是否來自于地幔,在此引入氦同位素的研究,地殼中巖石礦物放射性元素如鈾、鐳、氡衰變可產(chǎn)生熱量,并使地?zé)崴挟a(chǎn)生水溶氦氣,同時(shí)氦同位素可以判別深部是否有含高熱量的幔源物質(zhì)的上涌(Hilton et al.,1993)。氦元素有兩種穩(wěn)定同位素,即3He和4He,其中3He主要是地球形成時(shí)捕獲的原始氦,可代表地幔來源,4He主要是放射性元素(鈾、鐳、氡等)衰變產(chǎn)生,可代表地殼來源。其中3He/4He與4He/20Ne的關(guān)系可用來判別地下熱水受大氣氦、殼源氦以及幔源氦影響的程度,為研究地下熱水的成因提供依據(jù)(Ma et al.,2015)。氦氣根據(jù)其來源分為殼源氦、幔源氦和大氣源氦。其中,大氣氦3He/4He值為一個(gè)常數(shù),常用Ra來表示,Ra=1.4×10-6; 殼源氦3He/4He的典型值為2.0×10-8; 幔源氦3He/4He的典型值為1.1×10-5(李修成等,2016)。用R/Ra來表示氦同位素的特征,R表示樣品的3He/4He比值,Ra表示大氣的3He/4He比值,若R/Ra＜1則是殼源氦的特征,若R/Ra＞1則說明有幔源氦的加入。研究區(qū)地下熱水氦同位素R/Ra=0.08遠(yuǎn)小于1,表明熱水中氦氣有明顯的殼源成因,基本沒有深部或有少量的高溫幔源物質(zhì)來源。巖漿活動對現(xiàn)今地溫場的影響取決于巖漿活動的年代和巖漿體規(guī)模,研究區(qū)巖漿巖的形成時(shí)代為志留紀(jì)時(shí)期,花崗巖的冷卻時(shí)間5～8 Ma,由于研究區(qū)的巖漿活動較久遠(yuǎn),且埋藏深度較淺,其內(nèi)熱已基本散失,無法提供熱量。故研究區(qū)的地下熱水是在深循環(huán)過程中,在較大的大地?zé)崃鞅尘爸抵?被地殼深部地?zé)峒訜岫纬傻摹Ｒ虼搜芯繀^(qū)地表熱流的主要熱源來自于地殼深部地?zé)?地殼深部熱源主要為深部巖層巖石放射性生熱提供熱量。
綜上,本次通過實(shí)測數(shù)據(jù)和前人的測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了蘆溪縣南部地區(qū)的巖石熱導(dǎo)率特征、地溫場特征、熱源機(jī)制及基礎(chǔ)地質(zhì)條件,在研究區(qū)內(nèi)增加了3個(gè)高質(zhì)量的大地?zé)崃髦禍y點(diǎn)。蘆溪縣南部地區(qū)的熱源主要來自于地殼深部地?zé)?與前人對武功山地區(qū)的熱源研究基本一致(張垚垚等,2024),研究區(qū)深大斷裂和次級斷裂發(fā)育,巖體熱導(dǎo)率較高,導(dǎo)熱性較好,地殼深部的熱量和熱流會沿著斷裂帶上升,大氣降水和地表水因重力作用會沿著節(jié)理裂隙帶下滲,逐漸接受增溫,形成高于常溫的溫?zé)崴?由于溫度升高,水的密度逐漸減小,地?zé)崴拿芏缺葴責(zé)崴?因此地?zé)崴畷细《鴾責(zé)崴畷聺B繼續(xù)接受加熱,此外由于補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)存在水頭差,形成地下水對流,產(chǎn)生局部熱擾動,使得大氣降水及地表水入滲地下接受加熱,地下熱水上升出露地表。深大斷裂為深部熱水的循環(huán)提供了良好的通道和儲存場所,使地下深部熱水和熱量可以沿?cái)嗔淹ǖ郎仙?在地表形成水熱型地?zé)豳Y源和地?zé)岙惓！５責(zé)崮茉跀嗔褞Ц浇幕◢弾r和硅質(zhì)石英巖中聚熱和傳熱,溫湯—萬龍山深大斷裂和F1斷裂(黃竹塘—焦沖斷裂)為研究區(qū)重要的控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造。
4 結(jié)論
本文以蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū)為典型區(qū),結(jié)合地溫測井、巖石熱物性測試分析等工作,對研究區(qū)的熱導(dǎo)率特征、地溫場特征、熱源機(jī)制進(jìn)行了研究。基于以上研究,得到如下結(jié)論:
(1)研究區(qū)巖石熱導(dǎo)率均值為2.74 W/(m·K),其中70%的巖石熱導(dǎo)率介于2.5～4.0 W/(m·K)之間,高于上地殼的平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)。硅質(zhì)石英巖的平均熱導(dǎo)率高達(dá)6.176 W/(m·K),是上地殼平均熱導(dǎo)率的2.5倍,圍巖的2.3倍。分布于斷裂帶中的硅質(zhì)石英巖因其高熱導(dǎo)率,低放射性生熱率的特性,是研究區(qū)斷裂帶中的主要熱導(dǎo)體。
(2)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算,研究區(qū)大地?zé)崃髌骄禐?6.39 mW/m2,遠(yuǎn)高于中國大陸大地?zé)崃髌骄岛腿驘崃鞯钠骄怠１砻餮芯繀^(qū)具有較高的熱背景值,在水熱條件連通較好的情況下易形成地?zé)崽铩?/p>
(3)研究區(qū)花崗巖放射性生熱率均值為2.16 μW/m3,低于全球花崗巖放射性生熱率。花崗巖放射性生熱不是地表熱流的主要熱源。
(4)研究區(qū)地?zé)豳Y源主發(fā)育于北東向溫湯—萬龍山深大斷裂和F1斷裂(黃竹塘—焦沖斷裂)沿線,研究區(qū)熱源主要為地殼深部供熱,深大斷裂和次級斷裂發(fā)育為地下熱水的深部循環(huán)提供了良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)水通道。
致謝: 感謝江西省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)高級工程師李蔚、漆琳以及中國地質(zhì)大學(xué)(北京)孫軍亮、余廷溪和中國地質(zhì)科學(xué)院王路瑤等在野外工作中提供的幫助。特別感謝評審專家給予本文的建設(shè)性修改意見。
Acknowledgements:
This study was supported by China Geological Survey (No.DD20221677-2),Fundamental Research Funds of Central Finance (No.JKY202004),Key Research and Development Project of Jiangxi Province(No.20203BBG72W011),and Science and Technology Research Project of Jiangxi Geological Bureau(No.2021AA07).
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張浩然,劉 凱,張垚垚,孫文潔,王書訓(xùn)
1)中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;2)中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037; 3)中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083
近年來隨著化石能源的大量消耗,能源危機(jī)已經(jīng)初顯態(tài)勢,全球各個(gè)國家開始把重點(diǎn)放在尋找和開發(fā)可再生能源上(Lund,2007)。隨著我國“碳達(dá)峰和碳中和”目標(biāo)提出,綠色環(huán)保可再生能源在我國的比重達(dá)到了一個(gè)新的高度(劉凱等,2017; Sun et al.,2023)。地?zé)豳Y源作為一種清潔可循環(huán)再生的綠色能源具有極大的利用價(jià)值(Lund et al.,2016; Gondal et al.,2017; 劉凱等,2018)。據(jù)估計(jì),中國12個(gè)主要盆地地?zé)豳Y源量約為24 964×1018J,其儲量相當(dāng)于8 531.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,每年可采儲量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為6.4億噸(周總瑛等,2015),地?zé)豳Y源開發(fā)潛力巨大。江西省中低溫地?zé)豳Y源儲量豐富,以地表溫泉為主要出露形式,淺層地?zé)豳Y源采用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)利用,主要用于供暖、溫泉療養(yǎng)、農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)(張學(xué)真,2013)。
大地?zé)崃髦凳茄芯恳粋€(gè)地區(qū)地?zé)釄鎏卣鞯木C合性熱參數(shù),是地球內(nèi)部熱狀態(tài)在地表的表征,同時(shí)也是巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)(Furlong et al.,1987; Pollack et al.,1993; 陳愛華等,2017),劉峰等(2020)研究了江西寧都縣北部大地?zé)崃魈卣骷暗責(zé)豳Y源成因機(jī)制,研究得出,該區(qū)大地?zé)崃髌骄禐?3.6 mW/m2,地?zé)豳Y源成因機(jī)制為“高產(chǎn)熱花崗巖放熱+多級次斷裂控?zé)釋?dǎo)水”。段和肖等(2023)研究了滄縣隆起中部獻(xiàn)縣地?zé)崽锏拇蟮責(zé)崃魈卣?其大地?zé)崃髦禐?0.58 mW/m2。閆曉雪等(2023)研究了江西贛縣大地?zé)崃魈卣髋c熱源機(jī)制,贛縣地區(qū)平均大地?zé)崃髦禐?5.9 mW/m2,地?zé)豳Y源的熱源機(jī)制為“地下水深循環(huán)加熱+高產(chǎn)熱花崗巖體生熱”。孫占學(xué)等(2016)研究了沁水盆地大地?zé)崃髋c地溫場特征,其大地?zé)崃髦禐?4.8～101.8 mW/m2。雷曉東等(2018a)研究了北京平原區(qū)西北部大地?zé)崃魈卣?其大地?zé)崃髦禐?8.1～99.1 mW/m2,熱流的分布受基底形態(tài)和斷裂構(gòu)造控制。
蘆溪縣位于萍鄉(xiāng)市東南部,屬于環(huán)武功山地區(qū)。武功山地區(qū)地?zé)豳Y源豐富,構(gòu)造斷裂發(fā)育,其中地?zé)崽镉?2處之多,多沿北東向斷裂呈串珠狀分布(圖1),研究區(qū)大地?zé)崃髦捣秶鸀?0～80 mW/m2(胡圣標(biāo)等,2001),屬于較高熱流背景區(qū)域。然而蘆溪縣南部地區(qū)的巖石熱物性參數(shù)、大地?zé)崃髦禂?shù)據(jù)等尚不全面,還比較缺乏,地?zé)嵫芯砍潭容^低,制約了研究區(qū)地?zé)豳Y源的可持續(xù)研究與開發(fā)。本文選定蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū)作為地?zé)嵫芯康湫蛥^(qū),通過對研究區(qū)巖石熱物性參數(shù)測試、地溫測井等方法,結(jié)合前人的研究數(shù)據(jù),計(jì)算得到該地區(qū)大地?zé)崃髦蹬c主要巖性巖石的放射性生熱率,分析了該地區(qū)的大地?zé)崃魈卣?為下一步該地區(qū)將來的地?zé)豳Y源勘探開發(fā)和研究利用提供理論指導(dǎo)。
圖1 江西武功山地區(qū)地質(zhì)地?zé)豳Y源分布簡圖(據(jù)張垚垚等,2022修改)Fig.1 Simplified regional,geological,and geothermal distribution map of the Wugongshan area,Jiangxi Province(modified from ZHANG et al.,2022)
1 地質(zhì)背景
1.1 區(qū)域地質(zhì)背景
武功山地區(qū)位于江西省中西部,地處羅霄山脈北支,位于華南早古生代造山帶的中段(岳煥印等,1998),揚(yáng)子板塊與華夏板塊匯聚帶的南側(cè)(圖1),屬于華夏板塊北緣贛中構(gòu)造碰撞帶。研究發(fā)現(xiàn),武功山是一個(gè)典型的花崗巖穹窿伸展構(gòu)造(舒良樹等,1998; 岳煥印等,1998)。
武功山地區(qū)巖性以花崗巖類分布最廣,規(guī)模最大,其中主要為中酸性的S型花崗巖,巖漿巖主要形成年代為早古生代和中生代時(shí)期,主要是上地殼沉積巖層在巖漿作用下重熔經(jīng)結(jié)晶分異作用形成(岳煥印等,1998),代表性巖石以英云閃長巖、花崗閃長巖、黑云母二長花崗巖、黑云母花崗巖、二云二長花崗巖為主,其礦物組成主要為斜長石、鉀長石、黑云母、角閃石及少量石英,暗色礦物含量較多,其結(jié)構(gòu)有中粗粒斑狀、細(xì)粒斑狀、粗粒、細(xì)粒結(jié)構(gòu)。并且?guī)r石大多受到后期構(gòu)造運(yùn)動造山運(yùn)動的改造,礦物呈定向排列,發(fā)育了片麻狀構(gòu)造。
武功山地區(qū)地?zé)岫嗵幱跀嗔褬?gòu)造交匯處。多期碰撞造山和巖漿侵位導(dǎo)致武功山地區(qū)地?zé)豳Y源密集分布。區(qū)內(nèi)發(fā)育三組北東向斷裂,即北東側(cè)的溫湯—萬龍山斷裂和南東側(cè)的錢山—三江斷裂及滸坑—洪江斷裂,武功山地區(qū)地?zé)豳Y源分布具有沿此三條北東向斷裂呈帶狀展布特征(圖1)。武功山地區(qū)北東向深大斷裂延伸較遠(yuǎn),規(guī)模較大,對地殼的切割深度大,為地下水的深部循環(huán)及構(gòu)造導(dǎo)熱提供了有利條件,對地?zé)嵝纬善鹬鲗?dǎo)作用。
1.2 蘆溪縣南部地區(qū)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征
研究區(qū)主要位于蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū),地處揚(yáng)子與華夏板塊之間的新元古代欽杭縫合帶南側(cè)(Shu et al.,1996; Guo et al.,1996),華南加里東褶皺帶中段北緣(樓法生等,2005),亦屬于江南造山帶南延于贛西部分的南側(cè),并且坐落在武功山復(fù)式花崗巖穹隆的山間,構(gòu)造演化歷史十分復(fù)雜。
北東向溫湯—萬龍山斷裂穿過了新泉地區(qū),該斷裂是本研究區(qū)一條重要的控?zé)峥厮當(dāng)嗔?這條斷裂向北延伸穿切了揚(yáng)子與華夏板塊之間的欽杭縫合帶的南側(cè)邊界。石溪麻田地區(qū)緊鄰F1、F3兩條北東向斷裂和F2北北東向斷裂(圖1),其中F1(黃竹塘—焦沖斷裂)規(guī)模較大,區(qū)域延伸大于10 km,呈密集平行的北東向節(jié)理裂隙發(fā)育,F2斷裂較F1斷裂規(guī)模小。研究區(qū)地質(zhì)剖面圖見圖2。研究區(qū)主要巖層為早古生代變質(zhì)巖和花崗巖,透水性較差。然而在研究區(qū)構(gòu)造斷裂發(fā)育,裂隙、節(jié)理發(fā)育,巖石破碎,往往形成具有一定埋藏深度和厚度的斷裂破碎帶,是地?zé)崃黧w的儲存場所,同時(shí)由于深大斷裂發(fā)育,溝通地殼深部熱量,為深部的熱水循環(huán)提供了良好的通道和儲存場所。同時(shí)由于深大斷裂發(fā)育,溝通地殼深部熱量,為深部熱水循環(huán)提供了良好通道和儲存場所,使深部熱水可以沿?cái)嗔淹ǖ郎仙?形成地?zé)岙惓?對地?zé)嵝纬善鹬鲗?dǎo)作用。
圖2 蘆溪縣南部地區(qū)地質(zhì)剖面圖(剖面位置見圖1中剖面AB)Fig.2 Geological profile of the southern region of Luxi County (located in the section AB of Fig.1)
2 分析測試和計(jì)算結(jié)果
2.1 巖石熱導(dǎo)率參數(shù)測試
巖石熱導(dǎo)率是計(jì)算大地?zé)崃骱蜕畈繙囟鹊闹匾獏?shù),本次采集武功山地區(qū)1口鉆孔(石溪ZK01)鉆孔巖心樣品12件,取樣深度范圍為205～1 637 m不等(表1),采樣點(diǎn)位如圖1所示。新泉地區(qū)引用前人的鉆孔巖心采樣數(shù)據(jù)包括新泉ZK11,新泉ZK12,新泉ZK13,3個(gè)鉆孔的巖心樣品數(shù)據(jù)16個(gè)(Liu et al.,2023)。本次總共采集樣品數(shù)量28件進(jìn)行巖石熱物性和大地?zé)崃髦档姆治龊陀?jì)算。本文選取的4口鉆孔均位于斷裂構(gòu)造帶附近,區(qū)域地層、構(gòu)造分布較好,鉆孔的巖心樣品涵蓋研究區(qū)大部分的巖層。
表1 蘆溪縣南部地區(qū)巖石熱導(dǎo)率及放射性生熱率參數(shù)Table 1 Thermal conductivity and radioactive heat generation rate parameters of rocks in the south of Luxi County
熱導(dǎo)率測試是通過瑞典生產(chǎn)的Hot Disk熱常數(shù)分析儀。可對多種巖石樣品的熱導(dǎo)率、比熱容等巖石熱物性進(jìn)行高精度的測量。該儀器的工作原理為基于瞬變平面熱源(Transient Plane Source,TPS)方法,該儀器的核心元件是一個(gè)由10 μm厚的金屬鎳刻蝕而成具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片探頭,探頭邊緣為4～100 μm的絕緣薄膜,通常將探頭置于兩個(gè)樣品中間進(jìn)行測試(Sizov et al.,2016)。Hot Disk探頭既是熱源又是溫度傳感器,在測試過程中,通過輸出恒定電流,電流通過探頭產(chǎn)生一定升溫,使探頭電阻發(fā)生變化,從而產(chǎn)生一定的電壓降(雷曉東等,2018b),探頭的熱容量可忽略不計(jì)。通過記錄一段時(shí)間內(nèi)電壓變化,可以得到探頭的溫度變化,通過相對應(yīng)的溫度函數(shù)模型,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果瞬態(tài)曲線分析,進(jìn)而得出被測樣品導(dǎo)熱系數(shù)。
按照巖石巖性不同,蘆溪縣南部地區(qū)巖石可分為3類。熱導(dǎo)率均值最大的為硅質(zhì)石英巖6.176 W/(m·K),其次為侵入巖2.647 W/(m·K),變質(zhì)巖熱導(dǎo)率均值最小為2.314 W/(m·K),繪制不同巖性巖石熱導(dǎo)率的直方圖和箱圖(圖3,圖4)。江西省現(xiàn)今實(shí)測熱流值點(diǎn)43個(gè),熱流值范圍介于55～93.6 mW/m2,平均熱流值為71.5 mW/m2(李學(xué)禮等,1992; 胡圣標(biāo)等,2001; 劉峰等,2020),研究區(qū)大地?zé)崃髦翟诮鞯貐^(qū)位于中上等,熱流值較高。寧都縣北部侵入巖熱導(dǎo)率介于2.45～4.35 W/(m·K),平均熱導(dǎo)率為2.59 W/(m·K) (劉峰等,2020)。贛縣地區(qū)侵入巖熱導(dǎo)率介于2.4～2.68 W/(m·K),平均熱導(dǎo)率為2.52 W/(m·K) (閆曉雪等,2023)。研究區(qū)侵入巖平均熱導(dǎo)率為2.65 W/(m·K)。研究區(qū)侵入巖的熱導(dǎo)率與鄰區(qū)侵入巖熱導(dǎo)率較為接近。
圖3 不同巖性熱導(dǎo)率直方圖Fig.3 Histograms of thermal conductivity for different lithologies
圖4 不同巖性熱導(dǎo)率參數(shù)箱線圖(分位符代表: 最大值、75%、中位數(shù)、25%、最小值)Fig.4 The boxplot of thermal conductivities (division character means: maximum,75%,the median,25% and the minimum value)
2.2 鉆孔測溫及地溫梯度
鉆孔測溫是了解地溫場最直接的方式,是地?zé)嵫芯康幕痉椒ㄖ?主要的溫度數(shù)據(jù)一般包括系統(tǒng)測溫溫度、孔底測溫溫度(bottom hole temperature,BHT)、試油溫度(drill stem temperature,DST)等(唐曉音等,2016; 雷曉東等,2018a)。孔底測溫為隨鉆測溫,每鉆進(jìn)100 m,定深測溫一次,孔底測溫井溫基本恢復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)或似穩(wěn)態(tài)狀態(tài)(He et al.,2008),本次測溫主要為孔底測溫,各鉆孔孔底測溫?cái)?shù)據(jù)如圖5所示。4個(gè)鉆孔50—100 m深的測溫溫度均小于30 ℃。其中,新泉ZK11和新泉ZK12溫度隨深度變化較為均勻(圖5)。而石溪ZK01和新泉ZK13分別在1150—1300 m、800—900 m處溫度曲線出現(xiàn)較大波動,溫度曲線出現(xiàn)下凹,可能與該處導(dǎo)熱裂隙或破碎帶發(fā)育有關(guān),有地下冷水通過裂隙或破碎帶混入,導(dǎo)致該深度段溫度隨深度增加增溫較小。故在進(jìn)行大地?zé)崃饔?jì)算時(shí)可以跳過該深度段進(jìn)行計(jì)算。
圖5 鉆孔測溫溫度-深度曲線圖Fig.5 Wells temperature-depth curve
4個(gè)鉆孔所選取的深度范圍包含了鉆孔內(nèi)的所有巖性,可滿足大地?zé)崃鳒y量的要求,利用上述4個(gè)鉆孔的孔底測溫?cái)?shù)據(jù),結(jié)合所測的巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),進(jìn)行大地?zé)崃髦涤?jì)算。
2.3 區(qū)域大地?zé)崃魈卣?/h3>
大地?zé)崃?是指單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由地球內(nèi)部傳輸至地表,而后散發(fā)到太空中去的熱量。大地?zé)崃魇且粋€(gè)綜合參數(shù),是地球內(nèi)熱在地表可直接測得的唯一物理量(徐明等,2011),大地?zé)崃鞅绕渌A(chǔ)的地?zé)釁?shù)(如溫度、地溫梯度)更能確切地反映一個(gè)地區(qū)地?zé)釄龅奶卣?Furlong et al.,1987;Pollack et al.,1993; 左銀輝等,2013),例如高熱導(dǎo)率巖石分布區(qū),其地溫梯度可能不高,但熱流值卻可能比較高。熱流的測定和分析屬于地?zé)嵫芯康囊豁?xiàng)基礎(chǔ)工作。在理論上,它對地殼的熱狀態(tài)與活動性、地殼與上地幔的熱結(jié)構(gòu)及其與某些地球物理場的關(guān)系等理論問題的研究具有重要意義; 在應(yīng)用上,是區(qū)域熱狀況及地殼穩(wěn)定性評價(jià)、地?zé)豳Y源潛力與資源量評價(jià)、油氣生成能力與生油過程分析等應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性參數(shù)(Osipova et al.,2015)。
陸地大地?zé)崃髦档挠?jì)算方法具體為該區(qū)域地溫梯度和巖石熱導(dǎo)率兩個(gè)參數(shù)的乘積(王良書等,1995)。對研究區(qū)4個(gè)鉆孔的地溫梯度進(jìn)行計(jì)算,地溫梯度根據(jù)實(shí)測鉆孔溫度數(shù)據(jù)和測溫段長度相除(△T/△h)求得(肖衛(wèi)勇等,2001; 李衛(wèi)衛(wèi)等,2014),根據(jù)測井溫度結(jié)果和鉆孔巖性資料來分析地下水對測溫曲線的影響,選擇測溫曲線較平直,受地下水對流影響較小的測溫段進(jìn)行地溫梯度計(jì)算(劉峰等,2020)。由于不同巖層地溫梯度可能相差較大(閆佰忠等,2018),因此要結(jié)合相應(yīng)測溫段的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),對不同層段的熱流值進(jìn)行分段疊加得到該鉆孔大地?zé)崃髦?即:
式中,Q為該井的分段疊加計(jì)算的實(shí)測大熱流值,Qi為其中某一測溫段△Hi的大地?zé)崃髦?由該測溫段的地溫梯度△Ti/△Hi與該段的熱導(dǎo)率Ki相乘得來,H為所有測溫段長度Hi的總和。
研究區(qū)的地溫梯度范圍為10～65 ℃/km,其中石溪地區(qū)平均地溫梯度為35.3 ℃/km,新泉地區(qū)平均地溫梯度為25.6 ℃/km(圖6)。蘆溪縣南部地區(qū)地溫梯度平均值為28.1 ℃/km。大地?zé)崃髦涤?jì)算過程中選取的測溫段均為較平滑,受地下水影響較小的區(qū)段。其中,石溪ZK01選取的溫度計(jì)算深度段為300—1 150 m,新泉ZK11選取的溫度計(jì)算深度段為300—950 m(圖5),新泉ZK12選取的溫度計(jì)算深度段為1 100—1 550 m,新泉ZK13選取的溫度計(jì)算深度段為100—800 m(圖5)。結(jié)合巖心熱導(dǎo)率測試結(jié)果,進(jìn)行大地?zé)崃髦涤?jì)算。
圖6 石溪ZK01、新泉ZK11、新泉ZK12、新泉ZK13鉆孔地溫梯度曲線圖Fig.6 Geothermal gradient curves of Shixi ZK01,Xinquan ZK11,Xinquan ZK12 and Xinquan ZK13 boreholes
由于巖石的熱導(dǎo)率受溫度的影響,會隨著溫度的升高而降低(趙永信等,1995),其中熱導(dǎo)率測試是在25 ℃環(huán)境下進(jìn)行的,與鉆孔中實(shí)際地溫相差較大,為獲取精確的大地?zé)崃髦禂?shù)據(jù),對于有實(shí)測原位溫度的鉆孔巖心,要根據(jù)其原位溫度進(jìn)行熱導(dǎo)率的校正(Anand et al.,1973)。熱導(dǎo)率和溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式見式(2)、式(3)(Sass et al.,1992),前人研究發(fā)現(xiàn)該經(jīng)驗(yàn)公式在中國大陸地區(qū)幾千米內(nèi)的地層都較為適用(He et al.,2008),故對于實(shí)測的巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)可采用以下兩個(gè)公式(2)、(3)進(jìn)行巖心熱導(dǎo)率的校正:
上兩式中,T為鉆孔巖心的原位溫度(℃),K(0)和K(25)分別為巖石在0 ℃和25 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率值(W/(m·K)),因?yàn)榻魇?5 ℃等溫面平均埋深為172 m,大部分介于150～200 m 之間,故對于一些鉆孔巖心無25 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率值的用150～200 m的巖心熱導(dǎo)率值代替(表2)。
表2 蘆溪縣南部大地?zé)崃髦涤?jì)算結(jié)果Table 2 Terrestrial heat flows calculation results for southern Luxi County
新泉ZK12鉆孔由于其鉆井取芯的深度是從1 133.07 m開始的,該深度的孔底溫度為48.8 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25 ℃,而孔深150 m處的孔底溫度為25 ℃但無巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),因此該鉆井無法進(jìn)行準(zhǔn)確的巖石熱導(dǎo)率校正,故該孔只有大地?zé)崃髦捣侄委B加的計(jì)算值,無校正大地?zé)崃髦怠?/p>
蘆溪縣南部大地?zé)崃髦捣秶s為65～84 mW/m2,平均大地?zé)崃髦禐?6.39 mW/m2,遠(yuǎn)大于全球大陸大地?zé)崃髌骄?5 mW/m2(Pollack et al.,1993)和中國大陸大地?zé)崃髌骄?1.5 mW/m2(姜光政等,2016)。
2.4 巖層放射性生熱特征
放射性元素的衰變生熱是地球內(nèi)部驅(qū)動眾多深部構(gòu)造熱過程的重要動力來源(Morgan,1984; 王安東等,2015),也是地?zé)豳Y源的主要熱源之一,開展巖石放射性生熱元素分布規(guī)律研究,對查明放射性衰變熱對地表熱流值的貢獻(xiàn)率以及理清巖石圈熱結(jié)構(gòu)都具有十分重要的意義(趙平等,1995; 邱楠生,2002)。研究區(qū)大量發(fā)育花崗巖和少量花崗片麻巖,花崗巖所占比例在80%以上,其中以志留紀(jì)時(shí)期黑云母花崗巖和片麻狀花崗巖為主要巖性。巖石的放射性生熱率主要是由一定豐度的長半衰期放射性元素U、Th和K在衰變過程中所釋放的放射性衰變熱產(chǎn)生。巖石的放射性生熱率通過測量巖石中U、Th、K三種元素的含量進(jìn)而計(jì)算得出,對于巖石放射性生熱率的計(jì)算,學(xué)者們提出了一些計(jì)算方法(Rybach,1976; Wollenberg and Smith,1987),采用Rybach(1976)提出的計(jì)算公式:
式中,A為巖石放射性生熱率(μW/m3),ρ為巖石密度(g/cm3),CU、CTh、CK分別為巖石中鈾(μg/g)、釷(μg/g)、鉀(%)的含量。U、Th使用電感耦合等離子體質(zhì)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%(表1)。
3 討論
通過以上的研究,計(jì)算得出蘆溪縣南部大地?zé)崃髦倒?個(gè),其中進(jìn)行大地?zé)崃髦敌Ｕ挠?個(gè),蘆溪縣南部地區(qū)巖石熱導(dǎo)率、地溫場和熱源機(jī)制特征主要有以下幾個(gè)方面。
3.1 巖石熱導(dǎo)率特征
巖石的熱導(dǎo)率是指沿?zé)醾鬟f方向單位長度上溫度降低1 ℃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量,熱導(dǎo)率的大小決定了巖石導(dǎo)熱能力的大小(Farouki,1981)。
研究區(qū)三種巖性巖石熱導(dǎo)率隨深度增加總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(圖7),但變化程度略有不同。硅質(zhì)石英巖、侵入巖和變質(zhì)巖的相關(guān)系數(shù)分別為-0.88、-0.4和-0.04,硅質(zhì)石英巖熱導(dǎo)率與深度呈明顯負(fù)相關(guān),熱導(dǎo)率從6.96 W/(m·K)減小至5.22 W/(m·K),侵入巖和變質(zhì)巖負(fù)相關(guān)程度較差。侵入巖和變質(zhì)巖的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.6和0.2(表3),表明變質(zhì)巖的熱導(dǎo)率隨深度增加其波動較小,主要在2.06～2.5 W/(m·K)之間。
表3 巖石熱導(dǎo)率均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Standard deviation and mean values of rock thermal conductivity
圖7 不同巖性巖石熱導(dǎo)率-深度關(guān)系Fig.7 Thermal conductivity-depth relationship of rocks with different lithologies
研究區(qū)巖石熱導(dǎo)率變化范圍為2.06～6.176 W/(m·K),平均值為2.74 W/(m·K),其中70%的巖石熱導(dǎo)率介于2.5～4.0 W/(m·K)之間,高于上地殼的平均熱導(dǎo)率2.5W/(m·K)(Rybach,1976),劉峰等(2020)研究得出江西寧都縣北部巖石熱導(dǎo)率介于2.46～4.35 W/(m·K)之間,平均值為3.32 W/(m·K),熱導(dǎo)率值略大于蘆溪縣南部地區(qū),但相差不大,巖層導(dǎo)熱能力比研究區(qū)略強(qiáng)。研究區(qū)硅質(zhì)石英巖的平均熱導(dǎo)率高達(dá)6.176 W/(m·K)(表3),侵入巖的平均熱導(dǎo)率為2.647 W/(m·K),變質(zhì)巖的平均熱導(dǎo)率為2.314 W/(m·K)。硅質(zhì)石英巖的熱導(dǎo)率是上地殼熱導(dǎo)率的2.5倍,是侵入巖的2.2倍,變質(zhì)巖的2.3倍,表明硅質(zhì)石英巖具有良好的導(dǎo)熱能力,是良好的導(dǎo)熱巖體。同時(shí),硅質(zhì)石英巖主要分布于斷裂破碎帶中,其較高的熱導(dǎo)率使研究區(qū)的斷裂帶具有較好的導(dǎo)熱能力,區(qū)內(nèi)的深大斷裂和次級斷裂成為良好的導(dǎo)熱通道。
3.2 地溫場特征
地溫場是指地球內(nèi)部的熱量通過不同熱導(dǎo)率的巖石在地殼上的表現(xiàn),是地球物理場的重要組成部分,地溫的分布形態(tài)和差異主要取決于區(qū)域地質(zhì)、深部構(gòu)造結(jié)構(gòu)、巖漿作用等。地溫場的研究對于一個(gè)地區(qū)的地?zé)岙惓３梢颉⒖責(zé)針?gòu)造和地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有重要意義,其主要研究方法是結(jié)合鉆孔地溫測量和巖石的熱物性參數(shù),來分析現(xiàn)今的地溫梯度和大地?zé)崃魈卣鳌?/p>
地溫梯度是指地球內(nèi)部恒溫帶以下地溫隨深度的變化率,是地溫場研究的基本物理參數(shù)(℃/km),在一定程度上反映了研究區(qū)的熱狀態(tài)。通過對蘆溪縣南部地區(qū)4個(gè)鉆孔的實(shí)測鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,得到了鉆孔的測溫溫度-深度曲線圖和地溫梯度-深度剖面圖(圖4,圖5,圖6)。在進(jìn)行地溫梯度的計(jì)算中,選擇較平直的測溫曲線作為基礎(chǔ)的測溫?cái)?shù)據(jù),選取每隔100 m的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較均勻,所選取的數(shù)據(jù)段較合理,可用性較強(qiáng)。計(jì)算得到石溪地區(qū)的平均地溫梯度為35.3 ℃/km,新泉地區(qū)的平均地溫梯度在22～31 ℃/km之間,研究區(qū)的平均地溫梯度為28.1 ℃/km,中國的平均地溫梯度為25～30 ℃/km,表明研究區(qū)的地溫梯度總的來看在我國屬于中上等水平,其中石溪地區(qū)的平均地溫梯度＞35 ℃/km,按照中國的劃分標(biāo)準(zhǔn)來看(雷曉東等,2018a),石溪地區(qū)屬于地?zé)岙惓^(qū),研究區(qū)目前只有新泉一個(gè)地?zé)崽?石溪地區(qū)的地?zé)岙惓１砻髟摰貐^(qū)具有較大的地?zé)峥碧介_發(fā)潛力。江西省的地溫研究開始于20世紀(jì)70年代,通過對測溫資料研究發(fā)現(xiàn),江西省平均地溫梯度介于19.7～24.7 ℃/km之間,贛北地區(qū)平均地溫梯度為19.7 ℃/km,萍樂坳陷帶平均地溫梯度為22.2 ℃/km,贛南地區(qū)平均地溫梯度為24.7 ℃/km,呈現(xiàn)出從北到南地溫梯度不斷增加的趨勢。從區(qū)域上來看研究區(qū)的平均地溫梯度為28.1 ℃/km,遠(yuǎn)高于中西部地區(qū)的塔里木盆地20 ℃/km和準(zhǔn)格爾盆地21.2～22.6 ℃/km等克拉通盆地(唐曉音等,2016),但遠(yuǎn)小于珠江口盆地37.9 ℃/km(唐曉音等,2016)。表明地溫梯度分布與地殼厚度具有密切關(guān)系,從大陸內(nèi)部到沿海地區(qū),地殼厚度不斷減薄(姚伯初,1998),地溫梯度呈增加趨勢。
大地?zé)崃魇亲钅艽_切反應(yīng)一個(gè)地區(qū)地?zé)釄鎏卣鞯膮?shù)(藺文靜等,2012)。研究區(qū)大地?zé)崃髦档挠?jì)算和校正均嚴(yán)格按照歷次中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編(共四版)的方法來進(jìn)行,連續(xù)測溫段均超過50 m,計(jì)算熱流值所用的巖石熱導(dǎo)率均為鉆孔內(nèi)對應(yīng)深度的巖心實(shí)測值。其中石溪ZK01鉆孔、新泉ZK11鉆孔和新泉ZK13鉆孔的測溫段長度、測溫段數(shù)據(jù)質(zhì)量、熱導(dǎo)率測試樣品數(shù)均達(dá)到了大地?zé)崃髦禍y量的A類(最高級別)標(biāo)準(zhǔn)(汪集旸等,1988; 汪集旸等,1990; 胡圣標(biāo)等,2001; 姜光政等,2016)。新泉ZK12鉆孔由于其巖心的取芯深度較深,缺少25 ℃時(shí)熱導(dǎo)率值,其熱導(dǎo)率無法進(jìn)行校正,故該孔的大地?zé)崃髦档臄?shù)據(jù)質(zhì)量為C類。其他三個(gè)鉆孔的大地?zé)崃髦稻_性較高。
蘆溪縣南部地區(qū)平均大地?zé)崃髦蹈哌_(dá)76.39 mW/m2,其中華南造山帶熱流值范圍為61.1～101 mW/m2,平均值為75.3 mW/m2,研究區(qū)的熱流值在華南造山帶中屬中上等水平,研究區(qū)北部的江南造山帶熱流值范圍為35.6～69.2 mW/m2,平均值為55.3 mW/m2(胡圣標(biāo)等,1994),研究區(qū)的大地?zé)崃髦颠h(yuǎn)高于北部的江南造山帶和中國大陸地區(qū)的大地?zé)崃髌骄?表明蘆溪縣南部地區(qū)屬于大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。
蘆溪縣南部地區(qū)較高的大地?zé)崃髦当砻髟摰貐^(qū)具有較高的區(qū)域熱背景,目前蘆溪縣南部地區(qū)雖然僅發(fā)現(xiàn)了新泉地?zé)崽?但是該地區(qū)的地?zé)豳Y源有較大的開發(fā)利用潛力,在麻田鎮(zhèn)石溪地區(qū)的石溪1號溫泉勘探井,最大涌水量每日681.55 m3,實(shí)測最高水溫達(dá)63 ℃,表明了該地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)潛力大,地?zé)豳Y源儲量豐富可利用價(jià)值較高。但是研究區(qū)的地?zé)峥碧焦ぷ鬟M(jìn)展的并不順利存在很多的勘探困難。大地?zé)崃鳟惓^(qū)地?zé)峥碧揭琅f相對困難主要有以下幾個(gè)原因,前期的地質(zhì)勘查程度較低,導(dǎo)致后期勘查進(jìn)展緩慢。勘探開發(fā)資源投入不足,導(dǎo)致地?zé)豳Y源開發(fā)活力有限。勘探開發(fā)過程中對于相關(guān)的基礎(chǔ)資料缺乏整理與全面收集,限制了工作效率與質(zhì)量。在勘探開發(fā)過程中由于鉆井工藝大多采用正循環(huán)泥漿鉆井,會導(dǎo)致鉆井液污染和堵塞地層,影響鉆井工程質(zhì)量、單井出水量及地下?lián)Q熱效率。新泉和石溪地區(qū)鉆取地?zé)豳Y源不容易存在以下原因,前期沒有進(jìn)行詳細(xì)的物探定井,主要依靠地面表層的巖層的產(chǎn)狀和巖性來尋找斷裂帶,但露頭情況與地下深部構(gòu)造存在一定差異,導(dǎo)致鉆取地?zé)豳Y源較為困難。
3.3 熱源機(jī)制
大地?zé)崃鞯臒嵩粗饕獮榈貧r石中元素放射性生熱和地幔熱,一般認(rèn)為,巖石中富含U、Th、K等元素的礦物,放射性生熱會釋放大量的熱,在適宜的部位可以聚集形成較高的地?zé)岙惓?Mareschal et al.,2013)。中國東南地區(qū),江西寧都燕山期混合巖放射性生熱率平均值為7.9 μW/m3,安徽省九華山花崗巖平均值為6.8 μW/m3,廣東諸廣山燕山期花崗巖平均值為5.9 μW/m3,均大于5 μW/m3(趙平等,1995; 劉峰等,2020),均屬于高產(chǎn)熱巖體(Siégel et al.,2014)。研究區(qū)巖石生熱率無較高值出現(xiàn),總體上偏小,巖石放射性生熱率變化范圍為0.02～3.42 μW/m3。花崗巖的放射性生熱率最大,其均值為2.31 μW/m3(表4),其次為變質(zhì)巖,放射性生熱率均值為1.84 μW/m3,硅質(zhì)石英巖的放射性生熱率最小,其均值為0.3 μW/m3。
表4 巖石放射性生熱率均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Standard deviation and mean values of rock radioactive heat generation rate
研究區(qū)不同巖性巖石生熱率隨深度變化各不相同(圖8)。變質(zhì)巖生熱率與深度相關(guān)系數(shù)為-0.65,生熱率隨深度增加呈現(xiàn)減小的趨勢,生熱率從3.42 μW/m3減小到0.09 μW/m3。侵入巖和硅質(zhì)石英巖的相關(guān)系數(shù)分別為0.1和0.73,生熱率與深度呈正相關(guān),硅質(zhì)石英巖的生熱率與深度正相關(guān)程度較高,其生熱率從0.02 μW/m3增大到0.8 μW/m3,侵入巖的生熱率與深度正相關(guān)程度較低。變質(zhì)巖生熱率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.9(表4),其生熱率隨深度增加波動較大,硅質(zhì)石英巖和侵入巖的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.7和0.5,侵入巖的生熱率隨深度增加波動較小,主要在1.95～2.85 μW/m3之間。
圖8 不同巖性巖石生熱率-深度關(guān)系Fig.8 Heat generation rate-depth relationship of rocks with different lithologies
硅質(zhì)石英巖的高熱導(dǎo)率,低放射性生熱率,為其成為良好導(dǎo)熱巖體奠定了基礎(chǔ)。全球花崗巖放射性生熱率平均值為2.1～2.5 μW/m3(McLaren et al.,2003),相比典型的放射性生熱率主導(dǎo)的地?zé)崽锒?蘆溪縣南部地區(qū)的花崗巖并未表現(xiàn)出較高的放射性生熱異常,并不是高產(chǎn)熱花崗巖,盡管元素的放射性生熱對大地?zé)崃饔幸欢ǖ呢暙I(xiàn),但并非是該區(qū)域的主要熱源。
武功山地區(qū)的地殼厚度在32.4～33.8 km之間(張永謙等,2019),遠(yuǎn)小于我國大陸地殼厚度的平均值47.6 km,也小于世界地殼平均厚度35 km。武功山地區(qū)屬于地殼厚度較薄區(qū),該地區(qū)的地殼厚度減薄與上地幔軟流圈上涌有關(guān),晚中生代時(shí)期發(fā)生了一次構(gòu)造轉(zhuǎn)折事件,受古太平洋板塊俯沖作用的影響,華南地區(qū)經(jīng)歷了由擠壓向拉張的轉(zhuǎn)化,軟流圈物質(zhì)上涌,華南地塊地殼被明顯減薄(Faure et al.,2009)。武功山地區(qū)深大斷裂發(fā)育,熱量可沿?cái)嗔褌鲗?dǎo),形成了武功山地區(qū)大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。
為查明研究區(qū)的熱源是否來自于地幔,在此引入氦同位素的研究,地殼中巖石礦物放射性元素如鈾、鐳、氡衰變可產(chǎn)生熱量,并使地?zé)崴挟a(chǎn)生水溶氦氣,同時(shí)氦同位素可以判別深部是否有含高熱量的幔源物質(zhì)的上涌(Hilton et al.,1993)。氦元素有兩種穩(wěn)定同位素,即3He和4He,其中3He主要是地球形成時(shí)捕獲的原始氦,可代表地幔來源,4He主要是放射性元素(鈾、鐳、氡等)衰變產(chǎn)生,可代表地殼來源。其中3He/4He與4He/20Ne的關(guān)系可用來判別地下熱水受大氣氦、殼源氦以及幔源氦影響的程度,為研究地下熱水的成因提供依據(jù)(Ma et al.,2015)。氦氣根據(jù)其來源分為殼源氦、幔源氦和大氣源氦。其中,大氣氦3He/4He值為一個(gè)常數(shù),常用Ra來表示,Ra=1.4×10-6; 殼源氦3He/4He的典型值為2.0×10-8; 幔源氦3He/4He的典型值為1.1×10-5(李修成等,2016)。用R/Ra來表示氦同位素的特征,R表示樣品的3He/4He比值,Ra表示大氣的3He/4He比值,若R/Ra＜1則是殼源氦的特征,若R/Ra＞1則說明有幔源氦的加入。研究區(qū)地下熱水氦同位素R/Ra=0.08遠(yuǎn)小于1,表明熱水中氦氣有明顯的殼源成因,基本沒有深部或有少量的高溫幔源物質(zhì)來源。巖漿活動對現(xiàn)今地溫場的影響取決于巖漿活動的年代和巖漿體規(guī)模,研究區(qū)巖漿巖的形成時(shí)代為志留紀(jì)時(shí)期,花崗巖的冷卻時(shí)間5～8 Ma,由于研究區(qū)的巖漿活動較久遠(yuǎn),且埋藏深度較淺,其內(nèi)熱已基本散失,無法提供熱量。故研究區(qū)的地下熱水是在深循環(huán)過程中,在較大的大地?zé)崃鞅尘爸抵?被地殼深部地?zé)峒訜岫纬傻摹Ｒ虼搜芯繀^(qū)地表熱流的主要熱源來自于地殼深部地?zé)?地殼深部熱源主要為深部巖層巖石放射性生熱提供熱量。
綜上,本次通過實(shí)測數(shù)據(jù)和前人的測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了蘆溪縣南部地區(qū)的巖石熱導(dǎo)率特征、地溫場特征、熱源機(jī)制及基礎(chǔ)地質(zhì)條件,在研究區(qū)內(nèi)增加了3個(gè)高質(zhì)量的大地?zé)崃髦禍y點(diǎn)。蘆溪縣南部地區(qū)的熱源主要來自于地殼深部地?zé)?與前人對武功山地區(qū)的熱源研究基本一致(張垚垚等,2024),研究區(qū)深大斷裂和次級斷裂發(fā)育,巖體熱導(dǎo)率較高,導(dǎo)熱性較好,地殼深部的熱量和熱流會沿著斷裂帶上升,大氣降水和地表水因重力作用會沿著節(jié)理裂隙帶下滲,逐漸接受增溫,形成高于常溫的溫?zé)崴?由于溫度升高,水的密度逐漸減小,地?zé)崴拿芏缺葴責(zé)崴?因此地?zé)崴畷细《鴾責(zé)崴畷聺B繼續(xù)接受加熱,此外由于補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)存在水頭差,形成地下水對流,產(chǎn)生局部熱擾動,使得大氣降水及地表水入滲地下接受加熱,地下熱水上升出露地表。深大斷裂為深部熱水的循環(huán)提供了良好的通道和儲存場所,使地下深部熱水和熱量可以沿?cái)嗔淹ǖ郎仙?在地表形成水熱型地?zé)豳Y源和地?zé)岙惓！５責(zé)崮茉跀嗔褞Ц浇幕◢弾r和硅質(zhì)石英巖中聚熱和傳熱,溫湯—萬龍山深大斷裂和F1斷裂(黃竹塘—焦沖斷裂)為研究區(qū)重要的控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造。
4 結(jié)論
本文以蘆溪縣南部的新泉和石溪地區(qū)為典型區(qū),結(jié)合地溫測井、巖石熱物性測試分析等工作,對研究區(qū)的熱導(dǎo)率特征、地溫場特征、熱源機(jī)制進(jìn)行了研究。基于以上研究,得到如下結(jié)論:
(1)研究區(qū)巖石熱導(dǎo)率均值為2.74 W/(m·K),其中70%的巖石熱導(dǎo)率介于2.5～4.0 W/(m·K)之間,高于上地殼的平均熱導(dǎo)率2.5 W/(m·K)。硅質(zhì)石英巖的平均熱導(dǎo)率高達(dá)6.176 W/(m·K),是上地殼平均熱導(dǎo)率的2.5倍,圍巖的2.3倍。分布于斷裂帶中的硅質(zhì)石英巖因其高熱導(dǎo)率,低放射性生熱率的特性,是研究區(qū)斷裂帶中的主要熱導(dǎo)體。
(2)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算,研究區(qū)大地?zé)崃髌骄禐?6.39 mW/m2,遠(yuǎn)高于中國大陸大地?zé)崃髌骄岛腿驘崃鞯钠骄怠１砻餮芯繀^(qū)具有較高的熱背景值,在水熱條件連通較好的情況下易形成地?zé)崽铩?/p>
(3)研究區(qū)花崗巖放射性生熱率均值為2.16 μW/m3,低于全球花崗巖放射性生熱率。花崗巖放射性生熱不是地表熱流的主要熱源。
(4)研究區(qū)地?zé)豳Y源主發(fā)育于北東向溫湯—萬龍山深大斷裂和F1斷裂(黃竹塘—焦沖斷裂)沿線,研究區(qū)熱源主要為地殼深部供熱,深大斷裂和次級斷裂發(fā)育為地下熱水的深部循環(huán)提供了良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)水通道。
致謝: 感謝江西省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)高級工程師李蔚、漆琳以及中國地質(zhì)大學(xué)(北京)孫軍亮、余廷溪和中國地質(zhì)科學(xué)院王路瑤等在野外工作中提供的幫助。特別感謝評審專家給予本文的建設(shè)性修改意見。
Acknowledgements:
This study was supported by China Geological Survey (No.DD20221677-2),Fundamental Research Funds of Central Finance (No.JKY202004),Key Research and Development Project of Jiangxi Province(No.20203BBG72W011),and Science and Technology Research Project of Jiangxi Geological Bureau(No.2021AA07).
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