广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示.pdf
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1、DOI:10.16030/ki.issn.1000-3665.202302054甘浩男,蔺文静,王贵玲,等.广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示 J.水文地质工程地质,2023,50(4):26-38.GAN Haonan,LIN Wenjing,WANG Guiling,et al.Lithospheric thermo-rheological structure of the Huangshadong geothermal field inHuizhou of Guangdong and its heat-sources implicationsJ.Hydrogeology&E
2、ngineering Geology,2023,50(4):26-38.广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示甘浩男1,2,蔺文静1,2,王贵玲1,2,闫晓雪1,2,岳高凡1,2,翁炜2,3,张德龙2,3(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄050061;2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心,河北 石家庄050061;3.中国地质调查局北京探矿工程研究所,北京100083)摘要:岩石圈热-流变结构研究是揭示岩石圈范围内热状态的有效手段,开展地热异常区的岩石圈热-流变结构研究可以对热源贡献进行有效约束。东南沿海地区是我国地热资源重要分布区,地表出露大量天然温
3、泉,地热钻探揭露深部具有较高的地温梯度,然而关于其热源机制尚未有定论,且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象,分析岩石圈尺度温度分布和流变强度,探讨黄沙洞地热田的热源构成,分析浅部水热系统的热影响,并对干热岩资源前景进行分析。结果表明:(1)黄沙洞地热田水热活动影响下地表热通量为 130.3 mW/m2,地壳热流与地幔热流值相近,表现为温壳温幔型岩石圈热结构,此外,构造活动相关热流达到了 30.560.3 mW/m2;(2)岩石圈流变结构显示中地壳存在韧性流变层,上地壳与下地壳以脆性破裂为主,下地壳与地幔表现出流变结构耦合,为相对稳固的地壳底界;(3)黄沙洞地热田的
4、热源以地壳构造活动产生的热源为主,地幔热源和放射性生热是主要的热源组成部分,构造热作用的主要方式包括区域深断裂的热聚敛和水热系统循环换热,两者可能通过“接力式”热传递携带热量至浅表;(4)区域深断裂的热聚敛在构造热作用中的占比是影响干热岩资源前景的关键因素。本项研究可为后续东南沿海同类型地区的干热岩资源勘查与靶区选址提供参考。关键词:热-流变结构;热源;黄沙洞;干热岩;大地热流中图分类号:P314 文献标志码:A 文章编号:1000-3665(2023)04-0026-13Lithospheric thermo-rheological structure of the Huangshadong
5、geothermal field in Huizhou of Guangdong and itsheat-sources implicationsGAN Haonan1,2,LIN Wenjing1,2,WANG Guiling1,2,YAN Xiaoxue1,2,YUE Gaofan1,2,WENG Wei2,3,ZHANG Delong2,3(1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China;2
6、.Technology Innovation Center for Geothermal&Hot Dry RockExploration and Development,Ministry of Natural Resources,Shijiazhuang,Hebei050061,China;3.BeijingInstitute of Exploration Engineering,China Geological Survey,Beijing100083,China)Abstract:The thermo-rheological structure of the lithosphere is
7、an effective method to reveal the thermal state 收稿日期:2023-02-21;修订日期:2023-05-18投稿网址:基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB1507401)第一作者:甘浩男(1988-),男,硕士,副研究员,主要从事岩石圈热-流变结构研究工作。E-mail:通讯作者:王贵玲(1964-),男,博士,研究员,主要从事地热资源赋存理论及勘查开发研究工作。E-mail: Vol.50 No.4水文地质工程地质第 50 卷 第 4 期Jul.,2023HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGY2023 年
8、7 月within the lithosphere.Studies of the thermo-rheological structure of the lithosphere in geothermal anomaly areascan effectively constrain the contribution of heat sources.The southeastern China is an important distributionregion for geothermal resources,with a large number of natural hot springs
9、 emerging on the land surface.Boreholes in this region have identified high geothermal gradients at depth.However,the mechanism of the heatsources is still controversial,and whether the hot dry rock resources exists is not clear.In this study,we take theHuangshadong geothermal field in Huizhou of Gu
10、angdong as the research target.We analyze the temperaturedistribution and rheological strength of the lithosphere,discuss the heat sources of the Huangshadong geothermalfield,examine the thermal influence of shallow hydrothermal systems,and predict the prospects of dry hot rockresources.The results
11、show that the heat flux under the influence of hydrothermal systems in the Huangshadonggeothermal field is 130.3 mW/m2,and the crustal heat flow is similar to the mantle heat flow,showing a warm-crust-warm-mantle lithospheric thermal structure.In addition,the structural heat flux reaches 30.560.3 mW
12、/m2.The rheological structure of the lithosphere shows that the middle crust has a ductile rheological layer,the uppercrust and the lower crust are mainly controlled by brittle failure,and the lower crust and the lithosphere mantleshow coupling in the rheological structure,which indicates a relative
13、ly stable crustal bottom boundary.The heatsources of the Huangshadong geothermal field is dominated by the tectonic heat source,and the mantle heat sourceand radiogenic heat production are the main heat source components.The main parts of tectonic heat sourceinclude the heat accumulation in regional
14、 deep faults and cyclic heat transfer in hydrothermal systems,both ofwhich may carry heat to the surface through“relay”heat transfer.The proportion of heat accumulation of regionaldeep faults in the tectonic heat source is the key factor affecting the prospects of dry hot rock resources.Keywords:the
15、rmal-rheological structure;heat source;Huangshadong;hot dry rock;heat flow 大陆岩石圈的强度受其热-流变结构控制,而热-流变结构是研究造山带隆升、大陆边缘汇聚等地球动力学演化的重要参考依据1 3,同时也是了解表层地热异常的热源构成的有效途径。研究岩石圈热结构的主要手段是利用一维稳态热传导方程计算不同深度的温度和热流情况,并得到岩石圈的热结构特征4 8。利用岩石圈流变结构可以分析壳内低速体所在深度的脆韧性特征,判断其流变强度条件。随着深度增加与温度升高,中、下地壳逐渐演变为以位错蠕变的韧性流动为主9 12。我国东南沿海位于
16、亚洲大陆东部边缘南段,是濒太平洋地区构造-岩浆带的重要组成部分。地热、地震、火山以及断裂的分布,都严格受控于大地构造特征13 14。东南沿海是我国典型地热异常区,也是中低温地热资源的重要分布地区15 16,出露有近 500 处天然温泉17,整体的热储温度大致为 100150 C,少量地热田(如漳州、惠州)热储温度可以达到 140150 C18 19。广东省已发现超过 300 处天然热泉,大部分都分布在区域性断裂及隐伏花岗岩体附近20,预计可开采量高达 23.8104 m3/d21。学者曾报道东南沿海地区在浅层水热活动影响下,地温梯度可达到40 C/km,在中高温热田中(如漳州、福州)可达到 7
17、085 C/km15,22。然而,在不受水热活动影响的地区,如漳州盆地内钻孔揭露的热传导地温梯度仅为 18.421.8 C/km23 25,与水热活动影响区的地温梯度具有显著差异。广东惠州黄沙洞地热田是东南沿海的典型地热异常区,天然温泉的水温在 56.063.7 C22。其中深度为 591.5 m 的 ZK8 钻孔钻获了井口 98.2 C、井底118.2 C 的中高温热水20。黄沙洞 HSD-ZK001 钻孔揭示在孔底 820 m 处温度为 90 C,地温梯度达到 88.3 C/km26。黄沙洞惠热 1 井施工深度为 3 009 m,根据钻井测温曲线,井底最高温度达到 127.5 C18。然而
18、黄沙洞地热田的浅部水热资源的热源仍不明确,且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。Xi 等27通过重力方法研究认为广东地区的热成因主要来自于伸展作用引起的软流圈上涌。岩石学和气体同位素研究认为岩石圈伸展可以引起新生代玄武质岩浆侵位,地幔上涌叠加了高放射性花岗岩生热,可能是区域主要的热源28 30。祝小辉31则认为岩浆余热和放射性生热是地热田主要热源,断裂活动摩擦生热是次要热源。范艳霞等26认为中新生代以来构造作用形成的深部结构可能是深层地热形成的主要因素。前人学者对惠州地区干热岩的资源潜力普遍看好18,22,32 33,但并未2023 年甘浩男,等:广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示
19、27 实际探获干热岩资源。因此,本文以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象,依托地热科学钻探惠热 1 井获取的地温曲线和岩心矿物学及热物性数据,通过岩石圈热-流变结构定量研究深部岩石圈结构的温度和流变强度,探讨黄沙洞地热田的热源来源,分析了水热系统的热影响,并对区域干热岩资源前景进行分析。1 地质背景惠州黄沙洞地热田大地构造位置属于华夏板块南部,北侧为江南造山带,东侧为太平洋构造域(图 1)。新元古代以来经历了复杂的多期次构造演化34 35。晚中生代以来,经历了由特提斯构造域向太平洋构造域的转变,古太平洋俯冲造成了包括研究区在内的整个华南地区发生广泛的岩浆-构造活动13,36 37。黄沙洞地热田处于
20、 NE 向河源断裂带和莲花山断裂带之间。莲花山断裂带为地壳尺度的、近 NE 向的板内线性断裂,控制了侏罗白垩纪时期的局部变形及岩浆作用37。河源深断裂带是邵武河源断裂的一部分,也是新生代河源盆地与中生代地层的天然分界38。黄沙洞地热田主要出露于前寒武系地层中,包括震旦系上统乐昌峡群老虎塘组(Z2lh)、寒武系下统八村群牛角河组(1n)。岩浆岩主要位于黄沙洞地热田西北侧,为大点顶单元(J1D)侵入体,呈岩株状产出,面积约 28.83 km2 28。惠热 1 井钻探位于黄沙洞地热田,钻孔揭露地层 1 550 m 以浅为前寒武系沉积盖层,1 5503 009 m 为隐伏花岗岩体。J1DC1cD1-2
21、lZ2lh黄沙洞村Zk8温 泉 区 1 km 0惠热 1井D1-2l261n1n37Zk8 8华南华北板块南中国海研究区N5J1DC1c1C1c4Z2lh图 1 黄沙洞地热田地质构造简图(大地构造位置简图修改自文献 39)Fig.1 Simplified geological map of the study area(Simplified tectonic map of South China is modified after Ref.39)1石炭系下统测水组石英砂岩、粉砂岩;2泥盆系中下统老虎头组石英质砾岩、含砾砂岩、粉砂岩;3寒武系下统牛角河组变余结构砂岩与板岩、碳质板岩;4震旦系上统
22、老虎塘组变质粉砂岩、砂岩、千枚状页岩;5早侏罗世大点顶单元细粒黑云母二长花岗岩;6整合岩层界线;7断层;8地热井 2 数据及研究方法 2.1 数据来源本文获取了惠州及周边区域不同岩性的放射性生热率数据作为背景值(表 1)。同时收集了惠州黄沙洞地区惠热 1 井测温曲线,以及不同深度岩心热导率、密度、放射性生热率等数据,用于同区域背景值进行对比分析(表 2)。获取了惠热 1 井岩心及周边地层的矿物组成,用于分析矿物组成与岩石放射性生热率之间的联系(表 3)。热导率、放射性元素及矿物组成相关数据的测试方法详见文献 28。岩石放射性生热率由实测的岩石中 U、Th、K 等3 种放射性元素含量计算获得:A
23、=102(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)(1)式中:A岩石生热率/(Wm3);CU、CTh岩石中 U、Th 的质量分数/(gg1);CKK 的质量分数/%;岩石密度/(kgm3)。2.2 岩石圈热结构分析方法大陆热流数据主要基于钻井测温数据和岩石热导率测量结果获得,已知钻井的地温梯度和相应井段的岩石热导率,就可计算得到大地热流40。计算公式如下:q=kdTdz(2)式中:k岩石热导率/(Wm1K1);dT/dz地温梯度/(Ckm1)。qa从热源构成上来看,地表热通量可表述为:qa=qc+qm+qt(3)式中:qc地壳总热流/(mWm2);28 水文地质工程地质第 4 期qm地幔热
24、流/(mWm2);qt构造活动相关热流/(mWm2)。q=qc+qm大地热流,属于地表热通量的一部分。获取地表热通量后,根据地球物理获取的研究区的分 表 1 惠州及周边区域不同岩性放射性生热率统计表Table 1 Radiogenic heat production of different rock types inHuizhou and surrounding area 编号岩性CK/%CTh/(gg1)CU/(gg1)/(kgm3)A/(Wm3)CHA026D砂岩1.9728.004.952.493.13CHA036D3.2213.803.012.431.83CHA058D6.0824.
25、405.342.263.04CHA038D0.221.270.472.440.21CHA040D5.5819.453.562.482.56CHB092D4.3418.903.092.532.35CHB156D5.6422.104.142.242.59CHA044D2.4128.601.392.472.34CHB107D1.607.912.242.411.14CHB114D4.5717.704.682.052.17CHA049D3.2733.803.192.483.18CHB185D1.2811.452.132.551.38HZB05D*2.9210.802.142.391.39HZB056D*
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