黄冈地区干热岩赋存条件及远景分析

中国对能源的需求有增无减，尤其是在“双碳”政策影响下，新型可再生能源的勘查与开发变得更加迫切。地热能具备在中国能源体系中占据重要地位的资源基础,而在中国地热资源中，干热岩占较大比重。干热岩一般指埋深3～10 km、温度150～650℃、不含或含有极少量水或水蒸汽并具有开发经济价值的致密热岩体。干热岩的主要用途是应用人造循环系统装置，收集非渗透或极低渗透率的干热岩体内的热能进行发电。

近年来，湖北省大力开展中深层地热资源勘查工作，取得了丰硕成果。对全省地热资源综合研究表明，东大别黄冈地区深部可能存在具经济价值的干热岩体。本文参照国内外干热岩主流研究方法，结合区域地质背景，总结区内水热型地热资源“补、径、排”条件，分析地热赋存条件及干热岩资源潜力，初步圈定干热岩找矿远景区，为下步干热岩资源勘查开发提供依据。

1 研究区地热背景条件

研究区位于湖北省黄冈市北东部(图1),西侧以麻城—浠水—大冶为界，南侧以大冶—黄梅为界，北侧和东侧以省界为界，总面积约9 500 km2。区内海拔自北向南逐渐降低，东北部与豫皖交界的大别山山脉呈NW-SE走向，举水、巴水等水系由北向南汇入长江。

1.1 地表地热显示

区内地表地热显示主要为温泉，黄冈市已发现的14处温泉中，有12处分布于研究区内(图1,表1)。这些温泉的空间分布与构造及岩浆岩密切相关，均分布在近平行产出的NE向构造带上，并与燕山期大规模侵入的中酸性岩浆岩伴生。

1.2 大地热流

大地热流是地球内部热能传输至地表的一种现象，大地热流值可反映地壳浅部热状态。通过对区内典型钻孔的地温梯度和岩石热导率进行测量，发现地热异常区(地热田)的大地热流值介于78.6～222.6 mW/m2,明显高于中国大陆地区大地热流平均值61.5 mW/m2。综合周边地区大地热流数据,按照钻孔地温梯度2.5℃/100 m、岩石热导率2.68 W/(m·℃)计算，区内大地热流平均值约65.7 mW/m2,亦显示较好的大地热流条件。

图1 研究区断裂、燕山期中酸性岩体与温泉分布简图

1.3 地温梯度及热储温度估算

研究区内广泛分布深变质岩及岩浆岩，岩石致密且导热性能较好，但几乎没有被低热导率的岩层所覆盖，“盖层”条件较差，因而本区整体地温梯度较低。据已有钻孔资料显示，无地热异常区域的地温梯度一般为15～25℃/km, 但局部区域受构造、岩浆及地热流体热对流作用的影响，地温梯度可达80℃/km以上。

本次工作收集了区内温泉和地热井地热流体的水化学分析数据30余份，取其中的代表性数据绘制了Na-K-Mg平衡三角图。图2显示，地热流体中所含Na、K、Mg矿物多数未达到平衡状态，因此可采用SiO2温标估算热储温度(TSi)。估算结果表明，英山—罗田地区地热田普遍具有>100℃以上的热储温度，其中三里畈地热田热储温度为149.91℃,英山北汤河地热田热储温度为123.05℃,暗示本区深部可能存在高温岩体。

2 干热岩形成机理

认清地热的成因模式是开发地热能的重要前提,其关键问题包括热源、热传导通道、储盖条件等。

2.1 热源条件

研究区地热能的热源主要来源于岩石圈地幔和地壳中放射性元素的衰变。中生代以来，具备高热导率、高放射性特征的中酸性岩浆大规模侵入，不仅有利于深部热量向浅部传导，其本身亦具有一定放射性生热能力，加之居里面埋深较浅和中—新生代晚造山—热窿伸展事件的影响，使区内具备较好的热源条件。

2.1.1 幔热源

在中—新生代晚造山—热窿伸展事件的影响下，湖北省陆壳呈现西厚东薄的特征。由湖北省莫霍面等深图(图3)可见，研究区所处的东大别居里面隆起区的莫霍面(温度约1 100℃)埋深为30～35 km, 有利于地幔热流向浅部传导。

区内岩浆活动和地壳深部热传导等热构造活动十分活跃，使得居里面隆起。由湖北省居里面等深图(图4)可见，研究区所处的东大别居里面隆起区的居里面(温度约580℃)埋深为湖北省最浅，其埋深为22.5～24.5 km。居里面埋深最浅处位于大别山主峰——天堂寨附近，该区也是英山—罗田地区地热资源(温泉)的地热流体补给区,由此可推断研究区处于较高的地热活动状态，地幔热占大地热流值比例较高。

研究区平均大地热流值约65.7 mW/m2,地幔热流值约30～35 mW/m2,地幔热流值占大地热流值的49.5%左右。以本区常年恒温层平均温度16.4℃及前述莫霍面与居里面的温度、深度来推算，本区平均地温梯度为31.0～36.1℃/km(深度0～35 km)和23.0～25.1℃/km(深度0～25 km)。结合东大别地区非地热异常区的钻孔地温梯度(15～25℃/km, 孔深200～2 000 m)来判断，地壳浅部的地温梯度低于平均地温梯度，由此推测区内地温梯度会随深度的增加而增加。

2.1.2 放射性热源

地壳岩石中含有多种放射性元素，其衰变释放出的热能是地球内热的主要热源之一。U、Th、K因具有丰度足够、生热量大、半衰期长等特征，对地球内热具有显著贡献。根据研究区16件中—新生代中酸性岩体样品的测试分析结果,可采用Rybach L等修正后的公式计算岩石放射性生热率。计算公式为：

A=10-2ρ·(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

式中：A为岩石放射性生热率，μW/m3;ρ为岩石密度，g/cm3;CU、CTh、CK分别为岩石中U、Th、K的含量，单位依次为×10-6、×10-6、%。

计算结果表明，东大别居里面隆起区中—新生代中酸性岩浆岩(地表)放射性生热率为2.77～3.68 μW/m3,平均值为3.2 μW/m3,表明本区具有较好的放射性生热条件。

大别造山带根部已被剥蚀，东大别地区地壳厚度约30～35 km, 上地壳以长英质岩为主，并含有0～20%的榴辉岩；中地壳以长英质片麻岩和花岗岩为主；下地壳上部含80%的镁铁质麻粒岩和20%的长英质麻粒岩，下部基本为镁铁质麻粒岩。按照理想化的东大别地区地壳模型，上、中、下地壳厚度分别为10 km、15 km和10 km, 生热率分别为1.2 μW/m3、0.9 μW/m3和0.3 μW/m3,依此计算出地壳热流的贡献约28.5 μW/m3,约占大地热流的43.4%;上地壳约占整个地壳厚度的28.6%,热流贡献却占整个地壳热流的42.1%,因此放射性元素呈现向浅地表富集的特征。综上所述，东大别干热岩资源属高放射性产热型。

2.1.3 岩浆余热及其他热源

研究区自中生代以来(150～80 Ma)岩浆活动十分强烈，中酸性岩体广布，其出露面积达2.8×103 km2,约占本区面积的30%。根据理论计算，直径为4 km、2 km、1 km的圆柱状岩浆岩体冷却到其初始温度的10%,所需要的时间分别为0.52 Ma、0.13 Ma、0.032 Ma。根据区内岩浆岩体的规模及成岩时代分析，本区浅表岩浆岩已完全冷却，仅深部隐伏的岩体可能存在少量的余热。另外从前文的分析可知，研究区内地幔热流和地壳热流合计占大地热流值的 92.9%左右，因此其他热源对干热岩的形成贡献很小。

2.2 热传导通道条件

研究区干热岩中的热能主要以热传导和热对流形式从深部传递而来，热传导作用普遍存在。在局部岩石圈断裂、壳断裂及基底断层发育处，可形成热对流的良好通道。本区历经漫长的地质演化过程，地质构造十分复杂，区内已查明的构造按展布方向分为NNE、NE、NEE、NWW、NNW、NW向及SN向7组，其中NE、NNE、NW向断裂最为发育。区内出露的12处地热田均由NE向断裂控制，由此可见NE向断裂是区内最主要的导水导热构造。

区内NE向断裂(系)早期主要表现为韧性剪切带，在后期热窿作用下发生伸展，形成了构造延伸长、影响带宽、切割深度大的张性构造。大别山区的地表水多汇聚于NNE向断裂带中，不仅形成了巴河、浠水等地表水系，同时给予地热流体深循环足够的补给，形成了英山—罗田地区的一系列温泉。同时，团麻断裂、襄广断裂、竹瓦—总路咀断裂和郯庐断裂是区域上的深大断裂，具有足够大的延伸长度、切割深度和影响宽度，其导水性能在本区虽显不足，但有利于深部的热向浅部传播，虽然尚未在区内发现由其控制的地热田，但其可能具有较好的潜力。

2.3 储盖条件

区内主要发育以片麻岩为主的深变质岩及岩浆岩体，其中中酸性岩浆岩体的热导率相对较高，可作为干热岩体；而热导率稍低的变质岩可视作区域上相对的盖层。本区中酸性岩浆岩的出露面积约占本区总面积的30%(图1),其主要集中分布于居里面埋深相对较浅的英山—罗田地区北部。通过同位素及构造分析得出，罗田三里畈、浠水曹畈、英山温泉镇的地热流体补给区均位于地热田北东方向的麻城张家畈—英山县城北一线，补给距离为10～50 km。麻城张家畈—英山县城北一线主要出露变质岩，对深部干热岩体热量的保存具有积极作用。

3 干热岩远景区

综合研究区地表地热显示、大地热流值、地温梯度、地热田热储温度、热源条件、莫霍面及居里面埋深、热传导通道和干热岩储盖等赋存条件来看，本区具有一定的干热岩勘查开发前景，并初步圈定了一处干热岩远景区——罗田河铺—英山杨柳远景区(图1)。

罗田河铺—英山杨柳远景区位于罗田县河铺镇—大河岸镇—英山县杨柳镇一带，区内及周边地区地热资源丰富，温泉多表现出温度高、单井流量大、沿NE向断裂分布等特征。远景区以南由西至东出露有三里畈、曹畈、西汤河和北汤河温泉，出水温度为60～76℃,经SiO2温标法估算其热储温度为100～150℃,其中三里畈温泉出水温度为湖北省最高(76℃),热储温度达149.91℃;西汤河温泉出水温度为69℃,热储温度达123.05℃,说明本区的地热活动强烈，具较高的温度场特征。经H-O同位素和地热田构造特征分析，认为地热流体补给源区均位于北东方向的罗田河铺—英山杨柳一线。基于地热田热储应位于地热流体补给区和温泉出露点之间这一原则，认为罗田河铺—英山杨柳一带深部很可能存在干热岩资源。根据区域航磁异常、剩余重力资料反演显示，该远景区莫霍面埋深为33 km左右，居里面埋深为23 km左右，幔热源传导距离较短。中生代以来(150～80 Ma)区内构造、岩浆活动强烈，不仅造成了早期NE向韧性剪切带的活化，亦让中酸性岩浆沿着断裂通道侵位并分布在NE向断裂周边，如今部分岩体因剥蚀作用已出露地表。本区具有明显的航磁正异常，表明结晶岩基底规模较大，可能存在大量的隐伏岩浆岩体。已经出露地表的岩浆岩放射性生热率多在3.0～3.6 μW/m3,而隐伏岩体一般具有更高放射性生热率，估计放射性热流贡献率可达40%～50%。远景区内出露地表的地层主要为早元古代大别群片麻岩(厚度700～1 500 m),可作为相对的盖层，对深部岩体的热量起到一定的保存作用。

综上所述，罗田河铺—英山杨柳远景区在干热岩资源的“源、储、盖”等方面均具有较好的条件，具备干热岩资源成藏潜力。

4 结论及建议

(1) 结合区域地质背景，总结了研究区地表地热显示、大地热流、地热源、导热通道及干热岩储盖条件等特征，认为东大别黄冈地区具备较好的干热岩赋存条件。

(2) 综合分析研究区地热地质条件，圈定了罗田河铺—英山杨柳干热岩资源找矿远景区。

(3) 目前东大别地区干热岩研究程度较低，深度超过1 000 m的钻孔仅一处，且位于研究区西部边界附近。建议在后续的干热岩勘查工作中，重点采用重力、电磁法及地震等深部地球物理勘查方法，查明远景区及其周边地区的结晶基底起伏、隐伏岩体分布及断裂构造三维空间展布特征，为区内干热岩资源勘查深部钻探提供科学依据。