卢予北^1，3，侯怀仁^2,3，王攀科^1,3，刘亚南^2,3，吴  烨⁴

(1.河南省深部探矿工程技术研究中心，河南 郑州 450053；2.河南省地热能开发工程技术研究中心，河南 郑州 450053；3.河南省地矿局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053；4.河南工程学院，河南 郑州 451191)

 

 

摘要

 

 

 

 

干热岩属于特种固体矿产资源，是一种特殊的地热资源。通过深部钻探、地球物理与化学勘查和岩矿测试等方法，对河南省伏牛山北麓、内黄隆起、息县隆起、新野隆起和洛阳龙门山、济源五龙口等区块干热岩资源进行了调查评价。结合国内干热岩资源钻探成果对目前学术界公认的4种干热岩资源成因模式提出了不同看法和认识。研究认为：干热岩形成条件主要是来自地球深部高温高压熔岩向低温低压区域的热能交换，同时，岩体必须具备致密、稳定、高导热系数和热扩散率，盖层应具备较大厚度、低导热率岩层。

 

 

 

 

 

关键词

 

 

 

 

河南；干热岩；成因模式；科学问题

 

 

0 引言

干热岩(HDR)，也称增强型地热系统(EGS)，或称工程型地热系统。目前技术经济条件下，埋深3000～6000m，岩体内部不存在流体或仅有少量地下流体，且温度大于180℃，则可称为经济型干热岩。干热岩赋存的地质特征主要有：合适的干热岩体、岩体稳定区域（地震不

活动区域）、合适的应力条件、高的地热异常和低导热率盖层。其岩体成分有中生代以来的中酸性侵入岩、中新生代变质岩和巨厚块状沉积岩。

我国干热岩资源分布广泛，并且资源量巨大，青藏高原、东南沿海地区、华北平原和松辽平原干热岩资源均有显示。据中国地质调查局调查表明：中国陆地干热岩资源量为856万亿吨标准煤，按国际标准2%作为可开采资源，可开采干热岩资源量高达17万亿吨标准煤。按照2016年全国能源消耗指标，干热岩可开采资源量可供使用3900年。

《地热能开发利用“十三五”规划》提出：开展万米以浅地热资源勘查开发工作，积极开展干热岩发电试验。干热岩与中深层水热型地热资源相比，热能主要来源于地球深部，其资源量巨大、温度更高，不会造成资源枯竭和环境问题。所以，大力推进干热岩资源勘查开发，对能源结构调整、减少雾霾和助力大气污染攻坚具有重要的意义，也是新时代地质工作转型发展的新机遇。

 

1 国内外干热岩资源钻探概况

最早对干热岩进行调查研究的国家是美国。1974年美国洛斯·阿尔莫斯（LosAlamos）国家实验室在芬顿山钻了第一眼3000m约200℃深井，1979年4月又组织实施了4400m干热岩钻探，其热储温度高达327℃。英国、法国、德国和日本紧随其后在各自国家先后开展了干热岩项目^[1,2]。1993〜1995年期间，中国国家地震局和日本中央电力研究所开展合作，在北京西南房山区进行了干热岩发电研究试验工作。2010年，中国地质调查局勘探技术研究所等单位建议对沉积盆地区、近代火山地区、高热流花岗岩地区展开干热岩资源潜力评估，倡导从国家层面加强对我国干热岩资源的研究。2012年国家“863”计划支持“干热岩热能开发与综合利用技术”，开启了我国专门针对干热岩的实质性研究工作^[3-5]。2014年，中国地质调查局与青海省共同组织开展了青海德贵—共和盆地干热岩勘查，在共和盆地3000m钻孔中地层温度达181℃。2017年8月在共和盆地GR1钻孔中（3705m）探获236℃以上干热岩^[6]，这是我国首次发现温度达到200 ℃以上的大规模可利用干热岩资源。2017年12月28日，中国地质大学（武汉）李德威教授主导的我国第一口干热岩开发实验井在海南琼北地区开钻，历时66d在沉积砂砾岩热储层中获得185 ℃的高温优质干热岩（4387m），对我国干热岩成因理论突破具有重大意义，表1是全球代表性干热岩岩体主要特征。

表1 全球代表性干热岩岩体主要特征

国家	中国	美国	英国	法国	德国	日本	瑞士	瑞典	澳大 利亚
位置	青海 贵德	芬顿山	康沃尔	舒尔茨	法尔肯 贝格	肘折	巴塞尔	法尔 巴卡	库珀
开始 年份	2013	1973	1977	1985	1975	1984	1996	1984	2003
热储层	花岗闪长岩	花岗岩+片麻岩	花岗岩	二长花岗岩	云母二长花岗岩	花岗岩+花岗闪长岩	花岗岩+花岗片麻岩	黑云母二长花岗岩	二云母花岗岩
盖层	沉积岩	火山岩+沉积岩	粘土沉积物	沉积岩	沉积岩	火山岩	沉积物	显生宙盖层沉积物	沉积物
热流值 mW/m2	50～60	92～247	120	82～176	82～85	～184	～75	30～65	92
干热岩体温度梯度 ℃/ 100m	4.78	4.5～6.5	3.5	2.8	2.9	5.0			3.0
形成 时代	三叠纪 侏罗纪	元古界	二叠纪 三叠纪	二叠纪 石炭纪	二叠纪 石炭纪	白垩纪	二叠纪	元古界	二叠纪 石炭纪

 

从表1可以看出这些干热岩体主要特征：上部均有盖层，热岩体主要为花岗岩，或者以花岗岩为主并有一定量的片麻岩；除美国芬顿山干热岩体和瑞典法尔巴卡干热岩形成于前寒武纪外，其它岩体均为显生宙时期形成。

目前，国内从事干热岩资源调查主要以自然资源部中国地质调查局为主，在省级财政支持下，青海省和河南省相继开展了该项工作。特别是青海省在共和—贵德盆地干热岩资源勘查研究取得了重大突破。河南省地矿局从2015年开始对“河南省干热岩资源潜力调查评价”进行可行性研究，于2016年底正式立项申请并获批为河南省地勘基金项目。通过近2年的野外调查和钻探，取得了初步研究成果。

 

2 河南省干热岩资源调查情况

通过区域地质构造特征、航磁解析、专项水文地质调查、地球物理勘查、地球化学勘查和测试等方法，在内黄隆起、伏牛山北麓、新野隆起和息县隆起4大区块开展调查和评价工作，具体工作区布置见图1。新野和息县隆起区块由于花岗岩面积小，变质岩热储层埋深大，且无地热异常显示，故不赘述。

 图1 河南省干热岩资源调查工作区位置示意图

 

2.1 伏牛山北麓干热岩资源

伏牛山北麓分布大面积的元古界火山岩和燕山期岩浆岩，巨大的岩浆岩体形成崇山峻岭。新生界、中生界、古生界基本全部缺失。元古界火山岩导热率2.6～3.5W/m·k，为中等的导热岩层；燕山期岩浆岩热导率6.0～7.0W/m·k，是最强导热岩石。马超营断裂、黑沟-车村断裂二断裂切割深、延伸长，及其伴随它们的断裂束，构成庞大的断裂网。沿这些断裂出露多个温泉，是河南省温泉分布众多的区域。其中，车村一鲁山断裂是近东西向的区域活动性断裂，其延伸长度在100km以上，深度大于15km。沿车村一鲁山断裂一线分布上汤、下汤、中汤、碱场四个温泉群，温度63～71℃。一般认为，断裂构造，尤其是近期活动的深大断裂是载热流体的良好通道，是形成热异常的原因，显然较浅层的断裂是不能构成这种通道的。据航磁解释，地下埋深4 km以下主要仅存在车村一鲁山断裂，故其它任何断裂都不可能是地热异常流的控制因素，如图2所示。

 图2 伏牛山北麓构造及主要温泉分布图

 

该区域有大面积花岗岩出露，地热异常明显，酸性花岗岩体为良好的热储层，参考国外项目经验，在车村断裂带中汤温泉附近圈定为有利靶区。由于没有阻热盖层及地下水的作用，热量无法成片集聚，热量主要集中在深大断裂带附近，深部地热沿断裂带对流上移输送明显。按地下水运移极端深度4000m考虑，推测在断裂带4000～5000m存在温度150～200℃的干热岩，水文地质专家认为属于隆起山地断裂带对流型干热岩资源。

2.2 内黄隆起干热岩资源

内黄隆起属华北地层大区，主要发育地层由老至新有太古界～元古界的前震旦系、下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系上统、二叠系，中生界三叠系和新生界新近系、第四系。汤阴断陷为北北东向新生代断陷盆地，展布于安阳-汤阴-新乡一带，长约100km，东西宽10～15km。东、西、南三面分别与内黄隆起、太行山隆起和济源-开封凹陷相邻，其边界分别被汤东断裂、青羊口断裂、焦作-商丘深断裂以及北端的安阳白壁断裂所围陷，这些断裂控制着汤阴断陷的发生和发展，使汤阴断陷呈现南深北浅、向东微倾的地堑式断陷。上述各围限断裂均为活动性深大断裂，断裂主要活动期为燕山期和喜山期，尤其是喜山期侵入和喷发的基性、超基性岩极为发育，具有多期活动性，现今仍有活动，如图3所示。汤阴断陷-内黄隆起大地热流值在65～80mW/m²间^[7]，并且显示在太行山前向东至黄河一带，大地热流值普遍较高，高于全球平均值的63mW/m²，地温梯度为3.5℃/100 m，所以，具有良好的热流背景。

 

图3 汤阴断陷横剖面图

汤阴断陷带西部边界有青羊口断裂控制，东部边界有汤东断裂控制，两断裂均为深大断裂，有明显重力异常和地热异常显示，热储层埋深适宜。研究认为，本区块岩浆岩形成时代较早，岩浆热已经散失殆尽；上地壳主要有沉积岩、变质岩、岩浆岩组成，岩浆岩主要为超基性的玄武岩，地壳中所含放射性元素（U、Th、K）微少，几乎不产生衰变热，因此，此区块热源主要为地幔热源。资料表明此带地壳厚度平均在35 km，地幔热源的埋深大于35km。地幔热量主要通过地壳岩石导热和深大断裂形成热通道对流向上地壳传输，结合鹤热2井（深度3276m，热储层为奥陶系灰岩）井底温度122℃和水热型地热显示异常，按地温梯度推测在3800～5000m存在温度150～200℃的干热岩，属于沉积盆地型干热岩资源。

2.3 太行山-嵩山干热岩资源

太行山与嵩山之间分布有洛阳盆地和济源盆地，山体与盆地的错落是地质构造运动的必然。按地幔软流圈底劈理论，受太行山与嵩山山体的巨大压力，地幔软流圈将向洛阳盆地和济源盆地运动上凸，在盆地带形成浅地幔柱，如图4所示。地幔柱的形成将使地壳变薄，热量上移，而地幔柱的两侧存在深大断裂，通过深大断裂构造释热，在地表形成热异常显示。

 图4 两山夹一盆干热岩资源形成理论示意图

 

通过地热钻探可知：嵩山和太行山两山夹一盆地中，靠近山前盆地边缘水热型地热埋深浅，且温度较高，在洛阳盆地和济源盆地中覆盖着1000～3000m泥岩和砂岩。按照地幔软流圈底劈理论，这里是河南省地热资源最具潜力的地区，从洛阳龙门山和济源五龙口地热井资料证明，这里的地热资源埋藏浅、温度高、资源量丰富。

洛阳龙门山地热钻孔深度380～1800m，热储层主要为奥陶系灰岩、寒武系灰岩和二长花岗岩，出口温度高达68～106℃，且单井出水量120m³/h。根据地质环境分析，龙门山处在北西向断裂新安-伊川半坡镇断裂和北东向断裂宜阳-回郭镇大断裂交汇处，两断裂控制着嵩山隆起与洛阳盆地南部和西部的边界，嵩山隆起使元古界、太古界变质岩埋深上抬。下部存在元古界变质岩或花岗岩侵入体，上部有厚度适宜的盖层，并且地层破碎，裂隙发育。东部灰岩分布区接受大气降水补给，向西南方向径流，受龙门山西部的二叠系、三叠系地层阻隔，在龙门山一带形成泉群排泄区。两大断裂倾角大、断裂深，形成热通道，地下水经断裂带深部循环后形成热水。根据推算，该区域地温梯度为±7℃/100m左右。

五龙口位于太行山最南部，属于河南省济源市。该区地层以第四系、奥陶系中统、寒武系、太古界为主，次为古近系、二叠系、石炭系。地热水的主要来源为大气降水，北部山区接受大气降水和地表水补给，沿深大断层带在静水压力作用下进行深部径流，在运移过程中遇到热源或受热源影响的围岩而加热升温，具备深循环加热条件，地热区具有较厚的第四系保温层，地热流体在径流中不断获得热能而不致散失，径流到地质环境条件适宜的地段形成地热异常区。其热储层为太古界变质岩，顶面埋深约300余米，上有第四系、二叠系、奥陶-寒武系等沉积岩覆盖层，水热型地热显示明显，340m测井温度高达101℃，是河南省同深度地温指标最高的地区。有利的大地构造单元和盘古寺断层区域活动性深大断裂等释热构造的存在，同样属于以对流为主的干热岩。属于强烈构造活动带型干热岩，如图5所示。

 图5 洛阳龙门山干热岩资源成因模式

 

 

3 科学问题

目前，干热岩资源成因模式有不同的理论和学说，也是困扰干热岩资源调查勘查的关键问题之一。近年来国内干热岩资源钻探成果足以佐证了这些理论和学说的片面性，为此也付出了较大精力和代价。我国关于干热岩资源成因类型在学术界主要有高放射性花岗岩、近代火山型、强烈构造活动带型和沉积盆地型干热岩资源^[8]。

3.1 高放射性花岗岩型干热岩资源模式

该学术观点认为：干热岩热源来源就是岩体中自身的放射性元素在衰变时产生的热，花岗岩浆冷却从几万年～几百万年，是个缓慢的过程。花岗岩浆的温度至少在800 °C 以上，有些更高些（超过1000°C)。高温岩浆侵入围岩使之增温形成热场，并引起它的热变质作用，形成以岩浆熔体为中心的热场，并由内向外逐渐降低的温度梯度。福建省能源研究会庄庆祥提出，福建漳州地区分布着1.26×10⁴km²花岗岩，其热流值为135mW/m²、热导率3mW/m²、地温梯度平均值为4.5℃/m。东华理工大学孙占学对300 件以上花岗岩样品进行测试，结果显示漳州花岗岩杂岩体放射性平均生热率为λ=3.7μW/m³，是世界范围内花岗岩放射性生热率平均值的1.5 倍。

2015年中国地质调查局水环所在福建漳州龙海市东泗乡清泉林场居里面隆起且酸性岩体分布广泛高热流花岗岩区组织实施的“干热岩科学钻探工程”（4000m）显示，在该地区未获得理想的干热岩资源。

伏牛山北麓干热岩资源工作区的鲁山县上汤、中汤、下汤和栾川县九龙山分布着大量的花岗岩和火山岩（安山岩），地热钻探结果表明：在鲁山一带只有在断裂构造附近才可能找到水热型地热资源（花岗岩），在栾川九龙山（安山岩、构造发育）最深钻孔1800m，孔底温度不足70℃、出口温度63℃，而历史上自流温泉温度则高达70℃。

3.2 近代火山型干热岩资源模式

当地球深部能量聚集足够大于上覆岩层压力时，熔岩将向上运移并快速喷发，这个过程一部分熔岩侵入浅部低压力区岩层或破碎带，另一部分喷发出地表形成新的火山地貌。熔岩侵入体就成为重要的热源，认为岩浆侵入围岩会形成以岩浆熔体为中心的热场。为热场提供热能的主要途径有大地热流、花岗岩侵入体冷却释放热和放射热，如腾冲火山群、五大连池火山群等。

2012年国家深部探测专项“云南腾冲火山地热构造带科学钻探工程”和2014年中国地质调查局水环中心“东北典型地区深部水文地质调查项目”分别在腾冲大空山（上部气孔状玄武岩和致密玄武岩互层，700m以深为花岗岩）及黑龙江五大连池火山地区（主要以玄武岩为主，中间夹杂粘土或砂砾石）组织实施了钻探工程，均未发现经济型干热岩资源。

汤阴断陷工作区（鹤壁市）先后完成了5个地热钻探项目，深度在1200～3300m，其中，奥陶系灰岩热储层钻探孔深大于2200m 4个，距浮山火山喷发口（黑山）10km外的地热井温度均≥70℃，并且有间歇性井喷现象（主要成分CH₄和CO₂）。2018年在黑山火山喷发口不足1 km处新近完成的鹤热5井（深度2302m，热储层为奥陶系灰岩）显示，井底温度仅有45℃，出口温度47 ℃，并且无井喷现象。

3.3 强烈构造活动带型干热岩资源模式

中国地质大学教授李德威提出的大陆下地壳非均匀韧性流动模式理论，认为干热岩热源不是流行的高放射性花岗岩，也与高温温泉、火山无关，与构造地震有关。干热岩热能大部分来自地心与地幔岩浆的传导热和通过深大断裂的对流热，是地球内部形成的地热场对致密岩石的加热^[9]。所以说，干热岩热储层不只是花岗岩，变质岩及沉积岩均可为干热岩的热储层^[10-13]，图6是强烈构造活动带干热岩资源成因模式示意图。

 图6 强烈构造活动带干热岩资源成因模式

 

3.4 沉积盆地型干热岩资源模式

该类型干热岩资源储存的主要特点是：上部有较大厚度的泥岩、砂岩、页岩等导热系数较低的岩层，下部有相对稳定的高导热性的岩体，如花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩、大理岩等，这种模式下岩体长期可以保持相对高的温度，可作为干热岩资源进行可持续开发利用。其主要问题是干热岩体埋深较大，在青藏高原地区可能在3000m以深，在中东部地区华北平原则可能埋深5000m以深，如图7所示。

 图7 沉积盆地巨厚岩体干热岩资源成因模式

 

 

3.5 对上述4种模式的认识

腾冲地处亚欧板块与印度板块相撞交接的地方，地质史年代发生过激烈的火山运动。正是由于两个大陆的漂移碰撞，使腾冲成为世界罕见并且是最典型的火山地热并存区。方圆1000km²，有99座火山，88处温泉，温泉自流温度高达95℃。福建漳州温泉数多达82 处，温泉温度大多超过55 ℃，最高温度是漳州五中地热井（200m），出口温度高达122℃，孔底温度约140℃，是目前为止我国大陆东部、东南部、中部与北部温度最高的地热异常区。区内中生代、新生代火山口众多，火山岩与各期次侵入岩大面积分布着，是大地震、中强地震、小地震与微地震的频发地区。腾冲、漳州和五大连池均为新近火山，并且在腾冲和漳州分布着大量高温温泉，按照上述4种干热岩成因模式和理论，这些地区干热岩资源应该最具潜力，为什么没有发现经济型干热岩资源？而在青海共和—贵德盆地同样也分布着大量高温温泉，如图8所示，为什么这里却蕴藏丰富的干热岩资源？从地形地貌上来看，五大连池、腾冲均为火山喷发形成的地貌。从历史地震记载来看，青海共和—贵德盆地历史上没有发生过较大地震，仅在1990年4月26日，共和县与兴海县交界处发生6.9级地震。其它3个地区历史地震记载显示频发，且强度较大。

 

图8 青海共和—贵德盆地地热地质条件

众所周知，地震和火山喷发是地球深部能量快速释放的一个过程，在这个过程中，深部热能带出地面或近地面以下构造破碎带中储存，并形成水热型地热资源。在没有盖层保温条件下，随着时间的推移深部热岩体的温度逐渐下降，则达不到干热岩温度指标。青海共和—贵德盆地上部新近系泥岩和砂岩盖层达900～1400 m，形成了天然的保温隔层，确保下部岩体散热缓慢。基底主要是印支期花岗岩，通过岩样测试分析花岗岩中铀质量分数为1.9×10^-6～5.9×10^-6μg/g，钍质量分数为6.6×10^-6～9.8×10^-6μg/g，钾质量分数为1.4×10^-2%～1.6×10^-2%，总照射亮率DR为64.2nGy·h^-1，与背景值相近，表明热源并非来自岩体的放射性^[14，15]，是深部热源传导型干热岩资源。

由此可以证明：上述干热岩资源成因的4种模式都缺少充分的理论和实践依据。

科学问题是在特定时期和专业背景下科学家或专业技术人员提出的关于科学理论与学说需要解决而尚未解决的问题。目前有关干热岩资源成因的几种理论和学说存在着众多争议，就是把它当做了水文地质范畴，工作方法和找矿思路受到了限制。上述干热岩资源不同的成因类型实际上把它作为水热型地热资源来划分。

作者认为干热岩就是一种客观存在的热岩体，它的形成模式很简单，就是一个埋藏在地下一个巨大的热掩体，只是埋深不同，干热岩的热物性指标和资源量与其周边的地质环境密切相关（构造、盖层、地下水等）。干热岩资源是寻找热的岩体，尽管是地热资源的一种形式，但是，它不同于水热型地热资源，属于岩体蕴含固热能而形成的固体矿产范畴。

 

4  结论

通过国内外干热岩资源调查实践和深部钻探成果研究，得出以下结论：

（1）从国内干热岩资源钻探成果来看，绝对按照高放射性花岗岩型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带等类型来划分干热岩资源成因缺少理论和实践依据。

（2）干热岩体必须具备较高的导热系数和热扩散率、地下岩体分布空间大且稳定。花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩、大理岩等具有较高导热系数和热扩散率，是理想的干热岩体。

（3）地温梯度和地热水温度异常区、地层岩性和地质构造活动带是干热岩找矿的标志。

（4）干热岩资源的形成条件与周围地质构造、低导热性盖层和埋深等地质环境密切相关。如果热岩体周边有足够的散热空间和通道，则不能保证干热岩资源开发的可持续性，干热岩的热物性随时间过程而变化。所以，沉积盆地型干热岩资源勘查是未来的方向。

（5）干热岩资源属于深部特种固体矿产资源，研究其赋存条件和深部快速勘探技术涉及多门学科，并且任重而道远。

（6）河南嵩山和太行山“两山夹一盆地”型可能是最有利的干热岩资源靶区。

 

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