中国深层地热能开采的地质条件评价.pdf
中国深层地热能开采的地质条件评价.pdf
第27卷 第1期 2020年1月 地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学) Ea r t hS c i en c eFr on t i e r s( Ch i naUn i ve r s i t fGeo s c i en c e s( Be i i ng);Pek i ngUn i ve r s i t yo j y) Vo l. 27No. 1 J an.2020 DOI: 10. 13745/ e s f. 2020. 1. 15 j. 中国深层地热能开采的地质条件评价 庞忠和1,2,3, 罗 霁1,2,3, 程远志1,2,3, 段忠丰4, 天 娇1,2,3, 孔彦龙1,2,3, 李义曼1,2,3, 胡圣标1,2,3, 汪集旸1,2,3 1.中国科学院 地质与地球物理研究所;中国科学院页岩气与地质工程重点实验室,北京 100029 2.中国科学院 地球科学研究院,北京 100029 3.中国科学院大学,北京 100049 4.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580 ,, ,, ,, ,, PANG Zhonghe123, LUOJ i123, CHENG Yuanzh i123, DUAN Zhong f eng4, TIANJ i ao123, ,, ,, ,, 1, 2, 3 KONG Yanl ong123, LIYiman123, HUShengb i ao123, WANGJ i yang 1.I n s t i t u t eo o l o ophy s i c s,Ch i n e s eAc ad emyo c i e n c e s;Ke r a t o r l eGa sandGe o e n i n e e r i n i n e s eAc ad emy fGe g yandGe fS yLabo yo fSha g g,Ch o c i e n c e,Be i i n i na fS j g100029,Ch , 2.I n s t i t u t i on so E a r t h S c i e n c e C h i n e s eAc ad emyo c i e n c e s,Be i i n i na f fS j g100029,Ch 3.Un i v e r s i t i n e s eAc ad emyo c i e n c e s,Be i i n i na yo fCh fS j g100049,Ch 4.S c hoo lo o s c i e n c e s,Ch i naUn i v e r s i t t r o l eum ( Ea s tCh i na),Qi n dao266580,Ch i na fGe yo fPe g PANG Zho n e,LUOJ i,CHENG Yuan zh i,e ta l.Eva l ua t i o no fg e o l o i c a lc o nd i t i o n sf o rt h ed e v e l o n to fd e e e o t h e r gh g pme pg , , ( ) : ma le n e r nCh i na.Ea r t hS c i e nc eFr on t i e r s 2020 271 134 151 g yi Ab s t r a c t:De epg eo t he rma lene r e f e r st og eo t he rma lene r ha tl i e sd e epe rt han3000 me t e r sb e l ow gyr gyt , Ea r t h ss u r f a c e.Ch i nai sr i chi nd e epg eo t he rma lene r thowf a vo r ab l ea r et hee xp l o i t a t i onc ond i t i on s? gy bu Ba s edont hep r i n c i l eo fg eo t he rma lg eo l ogy,i na s s o c i a t i on wi t hr o ck me chan i c s,we pu tf o rwa r d an p i nd i c a t o rs s t emf o re v a l u a t i ngt hec ond i t i on so fd e epg eo t he rma lene r xp l o i t a t i on.Wef i r s ta s s i a l u e s y gye gnv t oe a chi nd i c a t o ru s i ngt hee xpe r ts c o r i ng me t hod;t hen weapp l hep r i n c i l eo ff u z z t hema t i c st o yt p y ma ob t a i nas i ng l ev a l u es oa st oa s s e s st hee xp l o i t a t i onf e a s i b i l i t i sme t hodc on s i d e r st hes a f e t s c to f y.Th ya pe ( ) enhan c edg eo t he rma ls s t em EGS t e chno l ogyi nt hed e v e l opmen to fd e epg eo t he rma lene r tadvo c a t e s y gy.I adop t i ngt hec on c ep to f“ s o f ts t imu l a t i on”,d i f f e r en tf r om t he “ r i i ds t imu l a t i on”wh i ch ma ndu c e g yi e a r t hqu ake sando t he rke a c t o r sno tc ondu c i v et ot hehe a l t hyd e v e l opmen to fg eo t he rma lene r ndu s t r yf gyi y. I ta l s oempha s i z e st her e s e r vo i rp r ope r t i e sandg eophy s i c a lf i e l d s,e xpand i ngands upp l emen t i ngt hep r e v i ou s e v a l u a t i onr e s u l t s.The e s t ab l i s hed new me t hodi s mo r es u i t ab l ef o rt he a c t u a lg eo t he rma lg eo l og i c a l , , , c ond i t i on s i. e. t e c t on i c sdomi nan tg eo t he rma ld i s t r i bu t i oni nCh i na.I no t he rwo r d sg eo t he rma lene r gy d i s t r i bu t i oni sc l o s e l e l a t edt ot e c t on i ca c t i v i t i e s,t hes t r e s si sr e l a t i v e l i hec r u s ti sg ene r a l l c t i v e yr yh gh,t ya wi t hf r equ en te a r t hqu akee v en t s.Th i sme t hod make sf u l lu s eo fe xpe r tknowl edg e,add st her o l eo ff u z z y ma t hema t i c a lc omp r ehen s i v ee v a l u a t i on,and make st he qu an t i t a t i v er e s u l t se a s oc ompa r e and u s e. yt , The r e f o r et h i sme t hodi se xpe c t edt ob e t t e rs uppo r td e c i s i on -mak i ng.Ba s edont henewa s s e s smen tme t hod ande x i s t i ng d e ep g eo t he rma lr e s e a r ch and g eo t he rma le xp l o r a t i on r e s u l t s, we a t t emp t ed t o make a r e l imi na r s s e s smen to ft heg eo l og i c a lc ond i t i on so fd e epg eo t he rma lene r e v e l opmen ti nn i ner e i on s p ya gyd g o fma i n l andCh i na,i n c l ud i ngt heno r t h s ou t hg eo t he rma lz one si nT i b e t,t hevo l c an i cg eo t he rma lr e i on si n g we s t e r nYunnanP r ov i n c e, t hec en t r a lande a s t e r nr e i on so fQi ngha iP r ov i n c e,No r t he a s tandNo r t hCh i na, g ando t he rr e i on s.Wer e v e a l edqu an t i t a t i v ed i f f e r en c e so fr e i ona lg eo l og i c a lc ond i t i on sf o rg eo t he rma l g g 收稿日期: 2019 03 29;修回日期: 2019 10 09 基金项目:中国科学院战略性先导科技专项资助项目( XDA21050500);国家自然科学基金项目( 41430319, 41877209) —) , : 作者简介:庞忠和( 男,研究员,博士生导师,主要从事地热地质与热储工程学研究。E 1961 -ma i lz. ang@ma i l. i c a s. a c. c n p gg //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 庞忠和,罗 e xp l o i t a t i on,s howi ngt ha tc on t i nen t a lCh i naha sc omp l e xg eo l og i c a lc ond i t i on s,o f t enun f a vo r ab l et od e ep 135 eo t he rma lene r e v e l opmen t. g gyd : ; Ke r d s ho td r o ck d e epg eo t he rma lene r eo l og i c a lc ond i t i on s;e v a l u a t i oni nd i c a t o rs s t em;f u z z ywo yr gy;g y y ma t hema t i c s;c on t i nen t a lCh i na 摘 要:深层地热能是指深度大于 3000 m 的地热能。我国深层地热能资源丰富,但是开采条件怎么样呢? 本文基于地热地质学原理,结合岩石力学等相关学科的理论,提出一种对深层地热能开采条件进行评价的指 标体系,对各单一指标采用专家打分的方法赋值,继而采用模糊数学定量计算和评估深层地热能资源开发的 难易程度。该方法考虑了深层地热能开发利用中的增强地热系统( EGS)的环境安全问题,即传统的“刚性造 储”可能带来的诱发地震等不利于地热能行业健康发展的因素,倡导“柔性造储”和广义 EGS 理念,强调储层 属性和地物理场的整合,针对我国地热能分布与构造活动关系密切、地壳总体上活动性强、地应力高、地震频 发等构造型地热特点,是对以往评价方法的补充和拓展。该方法充分利用了专家知识,发挥了模糊数学综合 评估作用,给出的量化结果易于对比和使用,可以更好地支持决策。本文基于新的评估方法,利用现有的深部 地热研究及勘探成果,评估了中国大陆地区九个区域深层地热能开发的难易程度,评价区包括西藏南北地堑 系、云南西部火山型地热区、青海东部共和盆地以及东北、华北等。从本文的结果可以看出,我国深层地热能 开采的地质条件复杂,开采难度较大。 关键词:干热岩;深层地热能;开采条件;评价方法;模糊数学;中国大陆 中图分类号: P314; TM616 文献标志码: A 文章编号: 1005 2321 ( 2020)01 0134 18 术经过发达国家数十年的研发,迄今在作业的流程 0 引言 和工艺上,特别是压裂造储技术和流体循环换热技 术等方面已经取得了很大进展。在德国与法国边境 地热能根据埋藏深度分为三类: 2 0 0 m 以浅的叫 的舒尔茨( Sou l t z)地区的项目,按照 EGS 技术开采 浅层地热能; 2 0 0 m 至 30 0 0 m 的叫中深层地热能; 地热能的技术路线已经打通了,发电能力也达到了 “ 干热 兆瓦级。 30 0 0m 以下的叫深层地热能。由于历史渊源, 岩” 这个词常被人们用来代表深层地热能。事实上, EGS技术在发展的过程中,出现了一些困难和 4 0年来的实践表明,这两个说法涵义差别比较大。 障碍,包括如何降低成本,如何解决多次出现的诱发 特别需要强调的是, 勘探深层地热能与寻找干热岩不 地震的问题。2006年,瑞士的巴塞尔( Ba s e l)干热岩 国家能源局发布的国家能源行业地热能标准 试验项目因为诱发地震而被迫关停。2010 年,国际 地热协会前主席 Ryba c h 在印度尼西亚巴厘岛举行 这个定义的积极意义在于,在有限定的前提下确认 规模化开采和市场化利用表达了深深的忧虑,也凸 了这个术语的具体内涵,承认这种类型地热能的存 显了深入研究深层地热能开采条件的必要性。 可同日而语, 否则是不全面的。 [] NB/T10097—2018 《地热能术语》1 中把干热岩定 的世界地热大会上的主旨报告中提出一个问题,即: 义为:一种不含或者仅含 少 量 流 体、温 度 高 于 180 如果说地热能的未来是 EGS,那么 EGS 的未来是 ℃,其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。 什么? 对于 EGS 发展的瓶颈问题和长期没有实现 [] 2012 年,汪 集 旸 等 2 计 算 了 中 国 大 陆 3~ 上, 与美国的标准( 1 7 5~2 0 0 ℃)相当,也符合中国的 10km 深度的温度分布,认为深层地热能潜力巨大。 地热地质条件。显然,按照这个定义,干热岩只是深 那么,在全国地热背景的大格局和资源潜力基本查 在,同时限定了其涵盖范围,即要求温度在1 8 0 ℃以 层地热能中的一部分,而不是全部。 明的基础上,如何评价深层地热能的开采条件,以及 深层地热能与浅层地热能以及中深层地热能相 利用增强地热系统的优势和困难如何定量评价的问 比,特点是开采难度大。经过 40 年的研究,深层地 题,都是需要进一步明确的。因此,我们提出了深层 热能开采已经基本形成技术体系。这个技术体系被 地热能开采条件定量化评价方法及指标体系,采用 取义是综合性的,是广义的增强地热系统。EGS 技 深层地热能勘查和开发的成败,很大程度上取 统称为增强地热系统( EGS)技术。不同作者在用 层次分析法 专家打分法 模糊综合评判法优选深 EGS这个词的时候,涵义有一些差别。本文的 EGS 层地热能勘探开发区。 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 136 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 精确和体现区别,指标根据评价等级分为 5 级, R1 颈,国际 EGS 技术研发方向正在从“刚性造储”向 R5 分别为“好”“较好”“中”“较差”“差”,相应赋值为 “柔性造储”发展。后者的涵义是,采用灵活的压裂 10、 8、 6、 4和2(式( 1))。以下分别论述各项指标的 决于地热地质条件。其中,为了克服诱发地震的瓶 和化学等造储技术和工艺,避免纯粹靠提高压力造 储,但它对储层要求更高。 设立和评价等级划分的依据。 R ={ R1(好),…, Rj,…, R5(差)}= ( ( 10,…, 2) 1) j,…, 强地热系统“柔性造储”的新发展,需要先对现有的 1. 1 大地热流值 深层地热能开采条件评价原则和方法进行优化,本 大地热流值是一个直接的热参数,可以定量反 为了适应深层地热能开发利用的社会需求和增 文提出切合实际的方法并且尽可能做到定量化。 映一个地区的地热背景,是评价地热资源潜力的一 个基础参数[3]。美国芬登山( Fen t onHi l l)深层地热 1 评价指标及其分级设置 能试验场大地热流为92~247mW·m-2[4];韩国浦 项( Pohang)深层地热能试验场大地热流最高达 80 地热资源赋存和开采条件是一个包含地质、 地球 mW·m-2[5];法国舒尔茨( Sou l t z)深层地热能试验 [ 物理、 地球化学、 水文地质和岩石力学等方面的特征组 场大地热流为 82 mW · m-26-7];美国犹他州米福 合。对于水热型地热系统而言, 热源、 渗透性和流体是 ( Mi l f o r d)深层地热能试验场大地热流为( 120±20) 三个必备因素;而对于增强地热系统,热源是首要因 表1 深层地热能开采条件评价指标体系 Ta b l e1 Th ei nd i c a t o rs s t emf o re v a l u a t i ng y d e e e o t h e rma le n e r n i ngc ond i t i on s pg gymi 素, 天然的渗透性和流体含量可以较低。但是, 增强地 热系统进入运行阶段之后, 与水热型地热系统十分类 似, 只不过是人造水热系统而已。因此,从宏观上判 因素集 C 断, 在高温水热系统发育处, 有利于开展 EGS项目。 C1 为确定深层地热能的有利开采区,选择与深层 地热能赋存密切相关的地质学、地球物理学、地球化 学和地热学指标,建立深层地热能勘探评价区选址 评价指标体系(因素集 C),归纳起来共8个指标(表 所代表的指标 大地热流值/( mW·m-2) 地温梯度/(℃·km-1) C2 C3 热储岩性 居里面埋深/km C4 1)。其中与热源密切相关的包括大地热流值、地温 梯度、居里面埋深、壳内低速高导层埋深、火山岩浆 C5 壳内低速高导层埋深/km C6 火山岩浆活动 活动、放射性生热率等;热储岩性、活动构造与渗透 C7 -3 放射性生热率/( μW·m ) 性、流体则与地热能开发利用的难易程度密切相关。 各指标的评价等级(评语集 R)如表2所示。为保证 C8 构造应力场 表2 开采条件各指标的评价等级设置 Ta b l e2 L i s to fe v a l u a t i onl e v e l sa s s i e dt omi n i ngc ond i t i oni nd i c e s gn 评价等级 指 标 大地热流值/( mW·m-2) 地温梯度/(℃·km-1) 热储岩性 居里面埋深/km 壳内低速高导层埋深/km 构造应力 火山岩浆活动 -3 放射性生热率/( μW·m ) R1(好) R2(较好) R3(中) R4(较差) R5(差) 90 80 70 60 50 碳酸盐岩 花岗闪长岩 花岗岩 石英砂岩 片麻岩和石英岩 5 15 25 35 45 张扭性 张性 扭性 压扭性 压性 酸性岩基或大型岩浆囊 酸性-中性岩株 基性岩株 基性岩墙 基性岩脉 3 2 1 70 5 5 60 10 4 50 15 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 40 20 30 25 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) [ ] mW·m-28-9 。中、新生代板块间的相对运动决定 了中国陆地和海域的大地热流分布格局(图 1),表 现为东部(平均热流值为 65 mW ·m-2)和西南部 137 [ ] 地温梯度高于5 井底温度为2 0℃·km-1, 5 0 ℃ 15-16 ; 法国舒尔茨( 深层地热能钻孔的目标储层地温 S o u l t z) (平均热流值为 90 mW ·m-2)高,中部(平均热流 值为 55 mW · m-2 )和 西 北 部 (平 均 热 流 值 为 [ ] 梯度接近4 0 ℃·km-1,井底温度约2 0 0 ℃ 17 ;美国 犹他州米福( Mi l f o r d)深层地热能钻孔的目标地温梯 [ ] -1 度为7 井底深度温度达2 0 ℃·km , 0 0~2 5 0 ℃ 18 。 依据大陆地区大地热流分布与现有深层地热能 钻孔测温曲线如图2所示。 我国东部以江苏省东海县的大陆深钻为标杆, 50 mW·m-2)与全球平均值相比,属于正常偏低的 热流值。 我国不同地区的地温梯度取值差异较大,代表性地热 试验区大地热流特征,我们将大地热流值划分为 5 华北和东北略高于此,真正高的在青藏高原。结合 级,各级代表值为: 90 mW · m-2 为 好; 80 mW · 世界现有深层地热能开发场地的地温梯度特征,将 各级代表值为: m-2 为较好; 70 mW·m-2 为中; 60 mW·m-2 为 地温梯度值划分为5级, 7 0 ℃·km-1 较差; 50 mW·m-2 为差。 1. 2 地温梯度 为好; 6 0 ℃ ·km-1 为 较 好; 5 0 ℃ ·km-1 为 中; 4 0 ℃·km-1 为较差; 3 0 ℃·km-1 为差。 一般情 况 下,目 标 深 度 的 平 均 地 温 梯 度 超 过 1. 3 热储岩性 -1 人工建造储层的 EGS 技术是开发深层地热能 3 0 ℃·km 即视为地热异常区。在美国西部,发电 级 别 地 热 资 源 的 特 征 之 一 为 地 温 梯 度 高 于 的关键,人工造储效果的好坏直接关系到流体循环 [ ] 5 0 ℃·km-111-12 。美 国 芬 登 山 (Fe n t on Hi l l) 和换热效率,也决定着地热开发的经济成本。目前, 深层地热能 钻 孔 目 标 储 层 的 地 温 梯 度 高 于 [ ] 60 ℃ ·km-1 13 ,井底温度在 2 0 0 ℃ 以上,最高达 储层改造技术主要包括:( 1)水力压裂技术,是以高 压水注入一段封闭的井孔使孔壁附近产生大量裂 韩国浦项( 深层地热能钻孔目标储层 纹,致使岩体中原有裂纹张开和扩展,经多次向井中 3 2 3 ℃; Po h a ng) [ ] -1 的地温梯度为4 0 ℃·km ,井底温度为1 8 0 ℃ 14 ; 高压注水使两井间由裂纹系构成的破裂带连通,形 澳大利亚库珀( Co o e r)深层地热能钻孔目标储层的 成人造储层;( 2)化学溶蚀技术,是向储层中注入酸 p 图1 中国大陆地区热流分布图 (据文献[ 10]) Fi 1 Hea tf l ow mapo fma i n l andCh i na.Adapt edf rom [ 10]. g. //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 138 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 闪长岩、混合花岗岩)和变质岩(含片麻岩)的储层为 主[19-23]。大部分岩体硬度大,结构致密,渗透率极 低。例如,位于美国新墨西哥州的芬登山 ( Fen t on Hi l l)深 层 地 热 能 试 验 场,储 层 岩 性 为 花 岗 闪 长 [ 岩 24],法国舒尔茨( Sou l t z)的 EGS 项目储层是花岗 [ ] 岩 25 ,其他 EGS 项目的储层岩性见表 3[26]。EGS 的技术难点主要在于提高热岩体的渗透性,实现造 储目标。岩石越坚硬,造储越困难。具体问题有:在 钻井工艺方面,硬度大的岩石对钻头磨损严重,频繁 替换钻头导致施工效率降低,且增加了钻井成本;在 热储改造方面,花岗岩、变质岩、砂岩等岩体中的天 然空隙通道较少,水力压裂与酸化溶蚀等工艺对其 改造效果差,使得储层改造的能耗成本提高,且形成 的裂隙网络渗透性低,热能提取率低;在系统稳定性 和安全性方面,坚硬岩石的脆性较强,注入压力高, 图2 我国代表性地热钻孔测温曲线 F i 2 Rep r e s en t a t i vegeo the rma lg r ad i en t si ne i td r i l l i ngr eg i ons g. gh 性流体,使其与岩石中可溶解的矿物组分发生化学 反应,从而扩大孔隙空间。由此可见,热储层岩石是 否容易被改造也是影响深层地热能开采效果的重要 因素,深层地热能项目选址阶段应对此加以充分考 虑。这两类技术模式还有多种亚类。致裂压力较低 容易诱发地震,影响工程安全及系统稳定性,增加环 境风险[27-29]。 随着 EGS技术的不断发展,通过人工造储提取 深部地热能的工程技术可以推广到更易于改造的岩 体中。高热背景条件下的中厚层碳酸盐岩可以成为 优选储层[30-32]。图3显示我国大陆地区 3. 5km 深 度处的地温和碳酸盐岩热储分布。更深的分布情况 的“柔性造储”技术作为一个更加安全的选择,逐渐 和温度情况可以基于勘查资料类推。这类热储的优 受到青睐。 势主要体现在以下几个方面:一是碳酸盐岩属于沉 已有增强地热系统以开采砂岩、花岗岩(含花岗 积岩,一般呈层状分布且具有明显层理,可为溶蚀、 图3 中国大陆地区3. 5km 深度温度及岩溶热储分布示意图 (据文献[ 33]修改) Fi 3 Schema t i cd i agr amo fthe3. 5kmdeptht empe r a tur eandKar s tgeo the rma l g. r esour ced i s t r i but i oni nma i n l andCh i na.Mod i f i edf rom [ 33]. //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 水力压裂等提供优势通道;二是石灰岩、白云岩、大 理岩等碳酸盐岩均为可溶岩,且高热背景地区常有 高浓度 CO2、H2S 等深源酸性气体,可以促进深部 139 比如在20~25km 之间,表明这些地区构造活动性 大、岩浆活动剧烈或较剧烈。居里面深度与大地热 流值的对比分析结果显示热流值及地温梯度与居里 岩溶过程的发生;三是碳酸盐岩在注水或酸化过程 面深度值呈弱的负相关,但是不具有简单的线性关 中容易发生溶蚀,增加岩石孔隙度和渗透性;四是中 系,随着居里面深度增加,一般地温梯度和热流值都 薄层至中厚层的碳酸盐岩构造裂隙密集短小且分布 发生了显著的降低。 均匀,有利于形成比较均匀的裂隙网络;五是酸化压 因此,将居里面埋深划分为5级,各级的代表值 裂的加压范围有限,属于典型的“柔性造储”技术。 为: 5km 为好; 15km 为较好; 25km 为中等; 35km 因此,碳酸盐岩热储层以更低的压力实现人工造储, 为较差; 45km 为差。 且随着流体换热持续进行,循环流体将继续溶蚀围 1. 5 壳内低速高导层埋深 岩矿物,可以进一步增强储层渗透性,提高生产效 地壳岩石的导电性与多种因素有关,如岩石成 率。以上几个特点使得碳酸盐岩热储成为继中深层 分、结构、温度、湿度和压力等。在地壳深部、剧烈的 水热系统之后,深层地热能开采的重点目标储层。 地质构造活动区,岩石会因构造导致的温压改变而 因此,深层地热能热储岩性评价指标 5 级划分 发生熔融、流变等现象,这对岩石的导电性有极大的 方案为:碳酸盐岩为好;花岗岩闪长岩为较好;花岗 岩为中等;石英砂岩为较差;变质的石英岩或者片麻 岩为差。 囊或部分熔融。人工地震法探测出地热田深部存在 1. 4 居里面埋深 居里面是地球岩石圈上部磁性壳层的底界面 (图4 )。一般稳定的地块都以居里面下坳为特 [ 34] 影响。大 地 电 磁 测 深 得 出 上 地 壳 底 部 或 中 地 壳 ( 15~20km 处)存在低速高导层,可以解释为岩浆 低速层,可解释为岩浆侵入体。 因此,将壳内低速高导层埋深划分为5级,各级 的代表值为: 5km 为好; 10km 为较好; 15km 为中 征,居里面埋深为30~45km。居里面埋藏深度小, 等; 20km 为较差; 25km 为差。 图4 中国大陆地区居里面深度分布图 (据文献[ 34]) Fi 4 Depthmapo ftheCur i ei nt e r f aceo fma i n l andCh i na.Adapt edf rom [ 34]. g. //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 140 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 花岗岩生热率均值为 3. 1. 6 火山岩浆活动 3μW · m-3,浙 江 为 3. 4 -3 -3 新生代火山 岩浆活动在地热异常形成中所起 μW·m ,安徽为 2. 1μW· m ,广 东 高 达 5. 7 -3 的作用取决于岩浆的属性和侵入的时代和规模。侵 μW·m 。喜马拉雅和冈底斯地块露头、钻孔岩 入体规模越大,时代越新,所保留的余热就越多。吉 石 标 本 的 平 均 生 热 率 为 1. 7~4. 7 μW · m-3、 林长白山火山活动于早更新世—全新世,云南腾冲 1. 0~4. 2μW·m-3。 最近期火山活动为全新世。美国 Fen 因此, 将放射性生热率划分为5级, 各级的代表值 t on Hi l l深层 -3 -3 地热能试验场位于 J eme z火山区,最近的火山活动 为: 5μW·m 为好; 4μW·m 为较好; 3μW·m-3 为中等; 2μW·m-3 为较差; 1μW·m-3 为差。 新世火山喷发中心的控制,该火山区大地热通量较 1. 8 构造应力场 发生于10万年前,受到地下浅部岩浆囊与中 晚更 高温地热资源与板块边界密切相关[12]。但是, 高,并具备温泉、喷气孔等地表热显示特征和高温水 热系统;美国 Newbe r r y 深层地热能试验场地邻近 在这样的板块边界地质条件下,地壳应力较高。此 1300年前,地质和地球化学证据表明,地下可能有 中小型的岩浆囊存在[35-36]。一般认为, 10 万年以来 成地热评价区,在这样的地区活跃的构造活动可将 年轻 的 Newbe r r y 火 山,该 火 山 最 新 一 次 喷 发 为 外,以高拉伸应变速率为特征的非火山区也可能形 热量传递到中、上地壳并为地热流体的循环提供通 的岩浆活动对温度场有很大的影响,而第四纪以前 道。以美国为例,美国境内的所有发电级别的地热 发生的岩浆活动由于长时间的冷却,对地温场影响 资源均赋存于具有相对较高变形速率的构造活跃 区,美国西部发电级别地热资源以张性/张扭性构造 很小。 因此,将新生代火山岩浆活动划分为5级,各级 环境为特征。 因此,将构造应力场划分为5级,从好到差的各 别的代表值为:酸性岩基或大型岩浆囊为好;酸性 中性岩株为较好;基性岩株为中等;基性岩墙为较 级代表值为:张扭性为好;张性为较好;扭性为中等; 差;基性岩脉为差。 压扭性为较差;压性为差。 1. 7 放射性生热率 地壳上部放射性元素 U, Th, K 衰变所释放的热 2 深层地热能评价中各指标的权重 量是地表所观测到的热流的主要组成部分之一。在 地球总的热平衡中, 放射性衰变生热在地表大地热流 本次研究中,按照重要性从高到低排序分别为 中所占份额大约在 5 0%。在地壳的各类岩石中, U 大地热流值、地温梯度、热储岩性、居里面埋深、壳内 和 Th组分的分布很不均匀,总体来说,岩石圈中的 低速高导层埋深、构造应力、火山岩浆活动、放射性 酸性岩富集 U 和 Th,基性岩亏损 U 和 Th[3]。澳大 生热率。其中居里面埋深与壳内低速高导层埋深同 利亚 Ha b a n e r o深层地热能试验场的目标储层为高放 等重要。 射性生热率的石炭纪花岗岩,年龄为 3 依据建立的指标体系,采用层次分析法构建指 0 0~3 2 0 Ma, [ ] 生热率最高达1 0μW·m-315 。中国大陆酸性岩的 平均生热率为 1. 8 7μW·m-3。东南地区花岗岩的 标权重判断矩阵(式( 2)、表 3)。采用 1~7 标度对 其进行赋值,标度1表示前者与后者同等重要,标度 铀、 钍含量波动范围最大, 平均生热率高, 福建和江西 7表示前者比后者极端重要,随数字增大前者相比 表3 指标权重判断矩阵 Ta b l e3 I nd e xwe i t e de v a l u a t i onma t r i x gh C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C2 1/2 1 2 3 3 4 5 6 C4 1/4 指标 C1 C3 C5 C6 C7 C8 1 2 1/3 1/2 1/4 1/3 1/5 1/6 1/7 3 1 4 2 4 2 1/3 1/2 1/4 1/3 1/2 1/2 1/5 1/4 1/4 1/5 1/6 1/2 1/4 1 1 1/3 1 1 1/3 5 3 2 2 1 1/2 1/3 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 6 4 3 3 2 1 1/2 7 5 4 4 3 2 1 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 后者的重要性逐渐提高。 141 长白山天池是一个火山型中 高温地热系统, 通过求解指标权重矩阵的最大特征根和相应的 其岩浆房的埋深较大,地热水温度不够高,但长白山 特征向量,得到每个指标对应的权重,进行归一化处 理后,得到权重向量 W : 仍是东北地区开发高温地热资源的最有利区域之 一。其地热地质条件可以概括为:火山喷发残留在 W=( 0. 321, 0. 222, 0. 147, 0. 093, 0.093, 地壳内的岩浆房深度一般从几十公里至几公里,构 0. 059, 0. 039, 0. 027)。 成了长白山地区的深部热源;区内断裂发育,成为大 … C1/C1 C1/C2 C1/Cn 气降水补给和地下热水上升的良好通道。 … C2/C1 C2/C2 C2/Cn 3. 2 松辽盆地 ︙ ︙ ︙ 松辽盆地位于华北板块北缘、西伯利亚板块东 Ci/Cj … Cn/C1 Cn/C2 Cn/Cnn×n 南缘和 佳 木 斯 布 列 雅 地 块 西 侧 的 褶 皱 增 生 带 [ 49] ( 2) 上 ,是一个中新生代形成的大型叠置陆相含油气 D =[ dij]= 3 中国典型地区深层地热能开采条件 分析 盆地。基底结构复杂,地壳破碎,刚性弱,塑性强。 侏罗纪晚期—白垩纪早期的北北西、北北东向左旋 张扭作用和渐新世以来的北西、北西西向挤压作用 强烈,前者是松辽盆地断陷期盆地发育的地球动力 根据中国大陆地区地热测量所获得的钻井温度、 学背景,后 者 是 盆 地 反 转 期 构 造 发 育 的 应 力 场 特 大地热流分布及中国大陆地区深部温度场, 并结合新 生代火山、温泉温度及其分布以及现有地热勘探成 果, 并借鉴国外深层地热能勘探靶区选择的原则,初 点[50-51]。 现今松辽盆地的大地热流分布在2 6~1 0 4mW·m-2 间, 平均值为71. 3 mW·m-2,高于全球大陆平均值 66 mW·m-2,呈现裂谷盆地的热流特征,现今平均 别为东北长白山地区、 松辽盆地、华北汾渭地堑、东南 地温梯度为 [ ] 37 ℃ ·km-142 ,在中国大型盆地中地 沿海广东阳江盆地、 西藏南北地堑系、青海共和盆地、 温梯度较高,具有良好的地热资源前景。松辽盆地 海南雷琼火山区、 滇西火山区和华北中东部区。以下 地壳厚度较薄,莫霍面埋深在 29~33km 之间,要 分别详述各评价区的深层地热地质条件。 小于全球平均值33km[52]。莫霍面深度中间小,向 吉林长白山 3. 1 盆地周边逐渐变大,在大庆和双城分别形成两个地 吉林长白山地区位于亚欧大陆东部华北板块北 幔隆起区,这可能是由于上地幔的隆升引起地壳拉 东缘与新生代北东向滨太平洋火山造山带交接处,是 张减薄,而地温场受莫霍面深浅的控制,故地壳减薄 中国大陆内部东西向构造与北东向构造叠加转换最 区是造成盆地地温场高的重要因素[53]。 具代表性的地区,火山和地震活动频繁,奠定了该区 松辽盆地的基底分布大面积的加里东期、华力 地热能产生与聚集的基本构造背景[37-38]。区内断裂 西期、燕山期花岗岩,约有 31000km2,占整个基底 构造发育: 既有深达地幔的超深断裂,也有地壳表层 面积的1/3以上。地球的内热主要来自岩石中的放 的浅部断裂; 既有剪切形成的韧性剪切带,也有脆性 40 射性元素 U, Th, K 所产生的热,在各类岩石中花 张裂构造; 断裂规模不等, 方向各异, 性质不同[39-41]。 [] 岗岩内这三种元素含量最多,生热率最高,故大片花 长白火山区平均大地热流高于8 0 mW·m-242 。 测温曲线显示:在长白山天池火山区存在具有明显 岗岩基底是造成盆地地温场偏高(正异常)的另一个 步对我国若干地区深层地热能开采条件进行评价,分 的传导 对流复合型地热系统,而在长白山外围的 沉积盆地是以传导为主的地热系统[43-45];长白山外 重要因素[42]。 由于盆地内地下水体系属于封闭类型,没有泄 1 mm·a-1, 围地区浅 部 存 在 较 强 的 热 异 常,平 均 地 温 梯 度 为 水区,地下水流动缓慢,平均流速仅 6. 32 ℃·km-1, 2000 m 深度的温度约80 ℃。但是, 大量的热量不易散失,特别是由于快速湖侵形成的 这与其他火山型高温地热系统,比如云南腾冲地区, 大面积低渗透性的厚层泥岩,它具有良好的聚热和 相差 甚 远,可 能 原 因 是 岩 浆 囊 埋 深 大 (约 9~ [ ] 10km)46-48 ,且呈管状通道喷发,没有在浅部产生 大面积的热异常。 隔 热 性 能,故 使 来 自 深 部 的 热 能 较 好 地 保 存 下 来[54-55]。盆地内活动断裂发育,为地热的运移、聚集 提供了良好的通道。 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 142 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 新洲地热田区内地温梯度为3 3. 3 汾渭地堑 9~4 5 ℃·km-1。 渭河盆地地处青藏块体东北缘、华北克拉通和 2 0 1 3年在新洲地热田原 ZK1 号孔南侧 5 m 处实施 扬子克拉通的交界处,夹持于鄂尔多斯盆地与秦岭 10 0 0m 地热钻探工程,钻进深度 1002. 3 m。钻孔 [ 56] 造山带之间,呈近东西向展布 。受秦岭山前断裂 0~31. 95 m 为第四系松散物, 31. 95~737 m 以中 和华山山前断裂等边界断裂强烈正断活动的控制, 粗粒斑状黑云母二长花岗岩为主,部分段发育破碎 渭河盆地具有边断、边陷、边填的演化特征,是中国 中粗粒斑状黑云母二长花岗岩(破碎带)、绿泥石化 第四纪以来沉降幅度和沉积厚度最大的地区之一, 中粒黑云母花岗岩、绢云母化斑状黑云母二长岩、绿 也是第四纪时期垂直差异运动和历史地震十分强烈 泥 石 化 黄 铁 矿 化 斑 状 黑 云 母 二 长 花 岗 岩, 的新构造运动区[57-58]。 737~1002 m 以中细粒黑云母花岗岩为主,并含有 渭河盆地具有典型的双层结构,盆地基底组成 花岗 岩 破 碎 带[64]。新 洲 地 热 田 大 地 热 流 分 布 在 复杂,其中渭河断裂以北,盆地基底主要为鄂尔多斯 70~80 mW·m-2 间,与中国大陆东南地区大地热 盆地南缘出露的下古生界碳酸盐岩地层,局部有上 古生界煤系地层,渭河断裂以南的盆地基底大致以 [ ] 流平均值( 70±19)mW·m-2 相当 42 ,位于新洲地 热田范围的 RL1及 RL2 测点位置测得的大地热流 值分别为100. 6mW·m-2 和122. 4mW·m-2,高 长安—临潼断裂为界,东部主要为燕山期花岗岩和 前寒武系变质岩,西部以前寒武系变质岩为主[56]。 于正常平均值[67],反映了该部位可能属于高热流值 在盆地东南边缘及骊山断隆处,出露有太古宇古老 片麻岩及花岗岩,其中也有燕山期花岗岩及岩脉侵 入[57]。 的地热异常区。 大地电磁测深结果显示:新洲地热田东侧软流 圈隆起区的规模较大,软流圈地幔物质沿深大断裂 渭河盆 地 现 今 大 地 热 流 值 介 于 62. 5~80. 2 上涌,将深部热流直接带至地壳上部,并形成与下部 -2 -2 mW·m 之间,平均为( 70. 8±4. 8)mW·m 。 软流圈相连接的通道,导致软流圈上隆。新洲地区 由于热流测点集中分布在西安坳陷和咸礼凸起,因 此渭河盆地平均大地热流值应该低于此值[59]。区 域上,渭河盆地现今大地热流西部明显高于东部,西 普遍存在的软流圈隆起现象产生的相对较高地幔热 流和深大断裂联通的水体热对流相互叠加作用,对 新洲热田成为华南地区温度最高的地热田之一具有 重要意义[64]。 安坳陷的大地热流背景高于咸礼凸起,相比于盆地 其他构造单元则更高[59]。 3. 5 西藏南北地堑带 [ 60 62] 多种地球物理探测资料 表明,渭河盆地坳 西藏的地热显示分布广泛,已发现温泉沸泉、间 陷区沉积盖层较厚,结晶基底埋藏深,达 6~8km, 歇喷泉、热水河、热水湖和水热爆炸等各种显示区 沉积盖层和中、上地壳速度低,下地壳速度高,莫霍 600多处[68-69]。藏南的水热活动在空间上与该区的 面剧烈上隆,并与结晶基底大致呈镜像关系,与鄂尔 构造、高大地热流背景关系密切,在喜马拉雅弧形构 多斯台地相比,上隆幅度达 10km 左右,形成莫霍 造带的内侧至少有 7 条总体上 NS 的活动构造带, 界面突变带,与秦岭褶皱带相比,上隆幅度约 4km, 它们由一系列隆起带、断陷带及断裂带组成[70]。这 莫霍界面为渐变带。 些活动构造有的首尾相接,呈雁列排列特点。而活 3. 4 广东阳江盆地 新洲地热田位于广东阳江盆地,其水热异常赋 动构造带中的断陷带,则由一系列的第四纪小型断 存于燕山期花岗岩裂隙中,并以热泉、热地、硅华的 正是位于这些断陷盆地中,当雄—羊八井—尼木间 的地热田即是典型的例子之一[68,71]。其中北段当 形式显示于地表,分布于长形洼地中,并大体上呈线 状排列,连续分布长约 650 m,宽 20~100 m,共出 露8个热泉,泉水最高温度97 ℃ 。 [ 63 64] 新洲地热田内存在的侵入岩体为燕山期侵入的 新洲岩 体,以 酸 性、中 酸 性 岩 为 主,岩 体 年 龄 为 [ ] 120~140 Ma65 。新洲地热田热储岩性为燕山期中 粗粒黑云母花岗岩、中粒斑状黑云母花岗岩,平均单 [ ] 位体积生热率可达5. 75μW·m-366 。 陷盆地组成,许多水热区尤其是高温水热区的展布 雄—羊八井裂谷系大部分温泉群都发育于两组以上 活动断裂的交叉复合部位,控制温泉的活动断裂为 盆 山边界主要活动断裂和盆地内部不同方向的次 级活动断层[72]。如羊八井地热田发育于念青唐古 拉山东南麓盆 山边界活动断裂带。北东向活动断 裂与北西向活动断裂既复合控制现代温泉分布,又 切割、错断 热 田 区 古 泉 华 台 地[73]。宁 中 地 热 田 北 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 西—北北西向活动断层与北东向活动断层不仅控制 宁中高温温泉的水热活动,而且活动断层切割、错断 143 仑与西秦岭造山带的交接转换部位[81]。区内多发 育火成岩,侵入岩有加里东、华力西、印支等多期,以 古泉华台地,在地表形成显著的断层破碎带。谷露 印支期为最新且规模较大。钻孔岩心或物探资料发 温泉与那曲温泉受北东向、东西向和近南北向三组 现:新生代盆地构造活动强烈,山体隆升,盆地大幅 活动断裂的交叉复合控制,活动断层显著控制现代 泉眼的线性展布[74]。那曲—羊八井裂谷地带的大 度下降,沉积了较厚的第四系覆盖层。盆地东部边 能反映地壳中部普遍存在的区域性局部熔融层,从 而代表裂谷带深部背景热状态[75]。 共和盆地受山前深大断裂的控制,盆缘断裂活 动,岩浆岩发育,水热活动强烈,温泉密集,已发现水 分布与板块陆 陆碰撞有关的岩浆岩,年龄为 12~ 25 Ma,表明新近纪以来该区岩浆活动强烈,新近纪 其中超过60 ℃的温泉有 6 处,温泉沿断裂带分布, [ ] 最高可达93. 5 ℃(扎仓寺温泉),超过当地沸点 83 。 缘还有白垩纪基性火山熔岩沿多禾茂断裂呈南北向 地热流 值 相 对 较 高,其 中 羊 八 井 地 区 为 83~108 分布。盆地的基底是由三叠系地层和印支—燕山期 [ ] mW·m-2,伦坡拉盆地为 100~140 mW·m-2,可 花岗岩类组成 82 。 狮泉河—玛旁雍和雅鲁藏布江大拐弯地区大量 温在15 ℃之上的热水或地热异常点达 84 处之多, 2011年以来,中国地质调查局和青海省国土资 碰撞岩浆岩较发育,南部岩浆岩活动时间约为 18 源厅在恰卜恰地区相继开展了“青海省共和县恰卜 Ma,北部以白垩纪花岗岩类为主;地热活动南强北 恰镇地下热水资源勘查”“青海省共和县恰卜恰镇中 弱,表现出既受控于构造又与岩浆活动密切相关的 深层地热能勘查”项目,布置了 DR1、 DR2、 DR3 和 岩浆活动为该区地热提供了充足的热量。措勤地区 特点,新生代岩浆活动是该区地热活动的热源。在 DR4等多眼 1500 m 以上深钻孔。随钻测温显示 当雄—羊八井—定日一带,南部分布新近纪岩浆岩, DR3、 DR4和 GR1钻孔在2700 m 深度左右地层温 年龄以12~18 Ma为主,其热源主要为与碰撞有关 度均超过 150 ℃。GR1 孔测温结果表明: 2500 m 的岩浆活动,北部出露与拆沉作用相关的古近纪岩 浆岩,热源则过渡为与 NE 向走滑断裂有关的岩浆 活动[71]。 前人在青藏高原做过大量的地球物理勘探工 作[76-79]。藏南地区受印度板块向欧亚大陆俯冲的影 响,沿俯冲带发生了广泛的熔融,构成一个低速低阻 深处温度为150 ℃,2500~3705 m 井段平均地温 梯度为45 ℃ ·km-1,显示出巨大的深层地热能资 源潜力[82,84-85]。 2 0 1 5年以来, DR3、 GR2和 GR1三口深井温度均 随深度呈线性增加, 表明其热量传递主要以热传导为 [ 8 6] 主 。共和盆地恰卜恰地热异常区大地热流值为 [] 带;上覆的中生代地层形成高阻带,高阻带在横向剪 9 平均值为1 3. 3~1 1 1. 0mW·m-2, 0 2. 2mW·m-2 86 , 切作用下,发生碎块化,呈断续状分布,并受俯冲影 远高于青海省大地热流平均值5 5. 8mW·m-2 和中国 [] 响向北倾斜;青藏高原地热活动集中发生在区域性 大陆地区大地热流平均值6 0. 4mW·m-242 。共和盆 EW 向深大断裂与 SN 向深大断裂的交汇部位,断 裂活动为深部热量的上移提供了通道,部分熔融的 低阻体是热量的来源[69]。 活动断裂不仅在平面上显著控制西藏南北地堑 系温泉分布与泉眼展布,而且在剖面上明显控制温 度分布与水热活动,是地下热水的主要运移通道和 地属于典型的高热流异常区,反映了青藏高原构造 活动强烈的特性。因此,共和盆地表现出强大的深 层地热能地热资源勘探开发潜力。 青藏高原北部深部地球物理探测结果揭示出在 中 上地壳范围内存在低速 高导层[87-89],推测青藏 高原北部的低速高导层是地壳岩石发生部分熔融后 良好储集场所。据青藏高原腹地温泉地质资料,活 在岩石物理性质上的表现,反映了局部异常高温,甚 动断裂切割、影响深度对温泉温度和化学成分尚具 至熔融体的存在。因此共和盆地高温热异常最有可 能是深部异常热源体(岩浆囊)导致[90-91],而由岩浆 一定的控制效应;随活动断裂影响深度加深,温泉温 度趋于增高,深源组分含量随之增大[74,80]。 囊引起的局部高温和高热流现象也同样存在 Fen [ 92] t on Hi l l增强地热系统实验场地 。 3. 6 青海共和盆地 共和盆地位于青海省东部,与青海湖盆地和柴 3. 7 雷琼火山区 达木盆地毗邻,总体呈北西西向展布的菱形新生代 雷琼火山区位于雷州半岛以及海南岛定安大断 断陷盆地。在大地构造部位上,共和盆地位于东昆 裂以北,是中国新生代以来火山活动最强烈、最频繁 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 144 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 和持续时间最长的地区之一[93]。在地质构造上,该 腾冲地区岩浆活动频繁,火成岩分布广泛。从 盆地为北部湾盆地的陆上部分,是在不同性质的古 燕山期至喜山期,持续不断地发生着强烈的岩浆活 生界基底和燕山期花岗岩之上发育起来的断陷盆 地[67]。据重磁测量和钻探揭露[94-95],酸性岩浆岩体 动,形成由深层—中深层—浅层侵入直至喷出的岩 浆活动旋回。燕山期—喜山早期,有大量的酸性岩 及规模侵入岩地表主要出露于北部一带, 隐伏侵入岩 浆侵入,构成腾冲地区的花岗岩基底;喜山晚期则有 成片见于雷州半岛东北角的坡头、塘基至南三一带, 持续强烈的基性、中酸性火山喷发[103-105]。 埋深1 纪家、 客路、 南兴、 雷高等地,分 腾冲火山区内分布有68座火山,其中火山机构 8. 7 3~12 0 0m; 布隐伏的燕山期花岗岩体。雷州半岛北部出露的花岗 保存完整的有25座,从最北大黑山到腾冲附近的来 岩体岩石放射性生热率介于 2. 8~4. 9μW·m-3 之 凤山,总体呈南北向分布,熔岩分布面积 792km2。 间[96]。 樊祺诚等[103]把腾冲火山分为老期火山(上新世— 雷州半岛地区地温梯度集中在3 5~5 5 ℃·km-1 中更新世)和新期火山(中更新世—全新世),腾冲火 之间, 并在企水港地区得到7 7. 3 ℃·km-1的极高地温 山岩属高钾钙碱性火山岩,老期火山岩经历了玄武 梯度[67]。海口市以西的福山凹陷内的石油钻孔, 井深 岩—粗面玄武岩—玄武质粗安岩—粗安岩的演化过 井底温度达1 据相关资料, 福山凹陷上 程,新期岩浆成分从中更新世粗面玄武岩演化到晚 31 0 0m, 6 0 ℃, 部地层的地温梯度值介于 2 7. 7~3 0. 7 ℃ ·km-1 之 更新世—全新世粗安岩。 间, 下部地层的地温梯度介于 3 地球物理探测[106-110]发现:腾冲地区深部存在低 8~5 1 ℃ ·km-1 之 间[97]。雷州半岛大地热流值为6 主要集中在1 2. 6~7 1. 3mW·m-2 速低阻体, 0~2 0km 的深度,不存在向 高于大陆平均热流值,远高于东南大陆热流平均值 [ ] 59 mW·m-267 。 雷琼火山区作为华南沿海新生代火山岩分布面 下连通延伸的区域, 推测与岩浆囊或部分熔融物质有 关, 高速带可解释为地壳岩浆通道内剩留岩浆逐渐冷 却固化形成的超铁镁堆积岩火山核, 岩浆囊的存在主 积最大的区域,新生代玄武岩分布总面积为( 8006 要控制了腾冲火山区的地热活动及微小构造破裂。 [ ] 雷州半岛38 ±327)km2,其中琼北地区41 0 9km2, 9 8 碳同位素研究结果 111-112 表明,腾冲火山区下方的岩 最高达10 平均 km2。琼北新生代火山岩从早到晚可分为6期:蓬莱 浆囊的现今温度最低为2 9 6℃, 6 3℃, 期、金牛岭期、多文岭期、东英期、道堂期、雷虎岭期。 为 5 4 7 ℃,岩浆囊中心的现今温度已达到流纹岩浆 、安山岩( 多文岭期火山岩是琼北火山岩分布规模最大的火山 ( 6 0 0~9 0 0 ℃) 8 0 0~11 0 0 ℃)和玄武岩浆 ( 的形成温度。 10 0 0~12 5 0 ℃) 腾冲地区 的 大 地 热 流 值 分 布 在 73. 7~120. 5 -2 -2 雷琼火山区地球物理探测揭示其地壳比南北两 mW·m 之间,平均大地热流值为9 1 mW·m , 侧地壳减薄了 5~7km,并在其深部存在低速低阻 远高于中国大陆地区大地热流平均值,平均地温梯 岩之一,主要分布在琼西北的临高多文及琼东北的 琼山云龙、文昌东路等地[93]。 体, 推测为正在上升的岩浆热源,即岩浆囊, 整个火山 区地下浅部的低阻层可能为高温岩体, 地壳构造体现 了该区域至新生代以来, 特别是第四系的多期岩浆喷 发使地壳还未冷却, 仍处于相对温热状态[98-99]。 度为56 ℃·km-1[113]。腾冲火山区为云南全省热 流最高的区,异常活跃的近代火山活动是高热流形 成的直接原因,该区10~20km 深度上低速低阻层 为潜在的岩浆热源。 3. 8 滇西腾冲火山区 3. 9 华北中东部 滇西腾冲地区总共有90余处水热活动区,且活 京津冀地区位于华北平原北部,为新生界断陷 动强度高, 40%的水热活动区的温度高于 45 ℃,其 盆地。华北平原基岩包括太古宇变质岩,元古宇、下 中存在3个沸泉群[100]。近代火山机构以及火山岩 古生界海相及上古生界海陆过渡相到陆相的碳酸盐 流的内部只出现低温碳酸泉,或者低温大流量温泉, 岩[114]。华北平原经历过多期构造运动后,发育一 而高温水热活动出现在火山岩流的周边或非火山 系列 NE、 NWW 和近 EW 向的张性大断裂,古近纪 区[101]。腾冲地热区自东而西分布有龙陵断裂带、 又经受强烈的断裂拉张作用,发生大规模的断陷活 大盈江断裂带和槟榔江断裂带,是水热活动集中分 动,形成了一系列的坳陷和隆起[115]。 布 的 地 带,为 地 热 流 体 提 供 了 良 好 的 上 升 通 道[100,102]。 新生界火山岩大致可分为两期: 一期是古近系火 山岩, 由砂岩、 泥岩夹玄武岩组成,分布面积较广,但 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 庞忠和,罗 145 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) 不连续,总体展布为 NNE 向;另一期是新近系火山 牛驼镇地热田处于华北盆地的冀中坳陷中央基 岩, 该期火山岩分布范围及厚度均较小,表明新近纪 岩浆活动有所减弱[116-117]。从新近系馆陶组到第四系 岩凸起带上,由牛驼镇凸起和容城凸起等组成,呈北 东向展布;地层层序由新至老为新生界第四系、第三 平原组岩浆活动明显由强变弱, 仅在少数地区发现火 山岩, 表明第四纪岩浆活动较弱[118]。新生界火山岩 系,中生界白垩系、侏罗系,古生界二叠系、石炭系、 奥陶系、寒武系,中新元古界青白口系、蓟县系、长城 分布总体呈北多南少的特点, 集中于冀中坳陷北部地 [ 1 1 9] 。 区, 受断裂影响明显 系以及太古宇地层;热田区断裂构造发育均为正断 层,主要有牛东断裂、牛南断裂、容城断裂、大兴断裂 [ ] 凸起区的大地热流值大于6 0 mW·m-2,属于较 和徐水断裂 123-124 。 ,局 部 为 高 热 流 (> 高热 流 ( 区内未发现岩浆岩侵入体,但新生代早、中期弱 6 0~7 5 mW · m-2 ) ; 凹陷区的大地热流值<6 8 0mW·m-2) 0mW·m-2, 的玄武岩喷发频繁,沿牛东断裂有大量玄武岩在层 属于低热流, 其中牛驼镇凸起为大地热流高值异常区, 间呈串珠状分布,而且愈近断裂玄武岩层数愈多,龙 [, ] 最大值为1 6 4mW·m-242120 。该区大地热流值的分 虎庄 附 近 钻 井 揭 露 玄 武 岩 达 32 层,累 计 厚 度 布和变化特征总体反映了基底的构造形态和凹凸相 112 m,反 映 牛 东 断 裂 在 该 时 期 火 山 活 动 十 分 间的构造格局,显示了京津冀地区具有较高的热流 强烈[125]。 背景[121]。 牛驼镇热田区地温场[123-124]揭示:牛驼镇凸起 地温梯度集中在3 0~4 0 ℃·km-1,平均地温梯 与容城凸起部位具有较高的温度梯度, 500~2000 -1 度为3 其中隆起区地温梯度平均值高于 m 深度以上钻孔平均地温梯为 3. 5 ℃·km , 5~12. 6 ℃/100 -1 坳陷区: 沧县隆起平均地温梯度为 4 0 ℃ ·km ,冀 m,有容城、雄县和永清县龙虎庄三个突出的异常高 中坳陷平均地温梯度为3 3. 5 ℃·km-1,黄骅坳陷平 点,地温梯度分别为 5. 2 ℃/100 m、 12. 6 ℃/100 m [ ] 均地温梯度为3 3. 6 ℃·km-1122 。牛驼镇凸起区地 和10. 3 ℃/100 m。牛驼镇凸起南段测得热流值为 -1 温梯度较高,达 3 2~7 0 ℃ ·km ,是冀中坳陷主体 80. 61~164 mW·m-2,北段测得热流值为 82. 7~ [ 1 2 3 1 2 4] -2[ 42, 120] 。 。 高地温异常带 164. 3 mW·m 京津冀地区地温场分布[120,122]显示:相对高温 区与基岩隆起区一致,如牛驼镇—容城凸起区、大 4 城—献县凸 起 区, 3000 m 深 处 温 度 为 105~150 ℃;相对低温区与凹陷区相对应,如廊固凹陷区、武 清—霸州凹陷区、沧东—岐口凹陷区, 3000 m 深处 温度为80~100 ℃;牛驼镇凸起区为地温高异常区, 最高温度超过150 ℃。 中国深层地热能开采条件分区评价 基于上述中国深层地热能评价区的分析,统计 了各靶区评价指标的实际值,见表4。 依据设置的各评价等级(表 2),应用隶属度函 数(式( 3)、图5)计算各指标的等级隶属度。 表4 中国典型地区深层地热能开采条件评价指标分布 Ta b l e4 Ev a l u a t i oni nd i c e so fd e e e o t h e rma le n e r xp l o i t a t i onc ond i t i on si nt i c a la r e a so fCh i n a pg gye yp 深层地热能初选评价区 评价指标 吉林 长白山 汾渭 地堑 广东 阳江盆地 大地热流值/( mW·m-2) 75 70 75 107 花岗岩 变质岩 花岗岩 20 20 张扭性 地温梯度/(℃·km-1) 热储岩性 居里面埋深/km 壳内低速高导层埋深/km 构造应力 火山岩浆活动 -3) 放射性生热率/( μW·m 雷琼 火山区 松辽 盆地 滇西腾冲 火山区 华北 中东部 102 67 70 91 70 花岗岩 花岗岩 花岗岩 花岗岩 花岗岩 碳酸盐岩 25 20 22 20 17 18 19 张性 张扭性 张性 压扭性 张性 张扭性 张扭性 张扭性 全新世 前第四纪 前第四纪 中新世 新生代 全新世 白垩纪 全新世 中新世 2. 5~3. 0 1. 5 5. 8 3. 5~5. 4 3. 0 2. 8~4. 9 1. 1 28 10 32 20 42 25 西藏 青海 南北地堑系 共和盆地 45 5 41 10 45 15 //www. h t t e a r t h s c i enc e f r on t i e r s. ne t. cn 地学前缘, 2020, 27( 1) p: 37 17 45 10 35 20 1. 1~1. 7 0. 6~4. 2 146 庞忠和,罗 霁,程远志,等/ 地学前缘 (Ea r t hS c i e n c eFr on t i e r s)2020, 27 (1) … g1m … g2m g21 g22 ︙ ︙ gij gn1 gn2 图5 隶属度函数示意图 0 1 a2 -x μ1 x = a2 -a1 0 aj+1 -x aj+1 -aj 0 x -am-1 μm x = am -am-1 集合 C1 C2 C3 aj-1