漳州巖體放射性生熱率特征及干熱巖資源潛力*

楊立中　劉金輝　孫占學, 　王安東　萬建軍　周　毅

(1.東華理工大學水資源與環境工程學院；2.省部共建核資源與環境國家重點實驗室培育基地)

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漳州巖體放射性生熱率特征及干熱巖資源潛力*

楊立中1劉金輝1孫占學1,2王安東2萬建軍2周毅1

(1.東華理工大學水資源與環境工程學院；2.省部共建核資源與環境國家重點實驗室培育基地)

摘要分析了漳州巖體地表鉆孔巖石樣品的密度以及鈾、釷、鉀含量，并進行了放射性生熱率計算及生熱率特征分析。在此基礎上，對漳州巖體放射性生熱率進行比較、干熱巖地熱地質特征分析和干熱巖資源量估算，結果表明：漳州巖體具有較高的放射性生熱率、良好的干熱巖地熱地質背景、較大的干熱巖資源儲量，總熱能為3.244×10(21)J，折合標準煤約110.71億t，提取2%折合2.21億t標準煤，提取20%折合22.14億t標準煤，提取40%折合44.28億t標準煤，且主要以高溫形式存在，占總資源量的91.37%，干熱巖資源潛力較大。上述研究成果可為福建地區干熱巖資源勘查評價及開發利用提供依據。

關鍵詞放射性生熱率干熱巖資源潛力儲量估算資源勘查評價

在地殼巖石中含有多種放射性元素，該類放射性元素衰變釋放出的熱能是地球內熱的主要熱源之一[1]。對地球內熱有明顯貢獻的放射性元素須具備足夠豐度、生熱量大、半衰期長等3個條件，U、Th、K等放射性元素具備上述條件，屬于放射性生熱元素。我國東南沿海地區花崗巖類分布廣泛，大面積出露，并與多種金屬礦床(如鈾礦床等)和地熱異常(如溫泉等)關系密切[2-3]，表明該區花崗巖體有重要的放射性地熱地球化學研究價值。我國東南沿海地區花崗巖放射性生熱率分布以粵中—贛南為核心，向外擴展呈下降趨勢，其中福建、江西花崗巖放射性生熱率均值為3.3 μW/m3，浙江為3.4 μW/m3，安徽為2.1 μW/m3，廣東高達5.7 μW/m3，可見該區花崗巖的放射性生熱率普遍較高[4]。總體來講，我國東南沿海地區花崗巖放射性生熱率研究程度較高，但就福建省而言，僅有89個巖石放射性生熱率數據(其中花崗巖55個、非花崗巖34個，花崗巖放射性生熱率數據中鉆孔數據38個，地表露頭數17個[5-6])，可見福建巖石放射性生熱率數據資料較少，無法滿足干熱巖勘查工作要求。為進一步完善福建地區巖石放射性生熱率資料，本研究對漳州巖體采集16塊具代表性的地表露頭樣品和38塊鉆孔巖芯樣品進行放射性生熱率特征研究，為該區干熱巖勘查提供參考。

1漳州巖體地質概況與樣品采集

1.1漳州巖體地質概況

漳州巖體位于福建東南沿海漳州—長泰一帶，出露面積達900 km2，為由燕山晚期輝長蘇長巖、石英二長閃長巖、花崗閃長巖、更長環斑二長花崗巖、細粒花崗巖、晶洞堿長花崗巖和堿長花斑巖等7次侵入體組成的復式巖基，巖體位于福安—南靖和仙游—云霄NE向斷裂與廈門—漳州EW向斷裂交匯處北側，同時受湯川—鐘魏NE向隱伏背斜控制，為一等軸狀巖基(圖1)，圍巖主要由上侏羅統南園組英安質-流紋質晶屑凝灰熔巖和晶屑凝灰巖、下侏羅統梨山組和上三疊統文賓山組含長石石英砂巖、粉砂巖等組成[7]。

1.2漳州巖體地熱異常

巖體地熱異常主要以熱泉、溫泉形式顯示，漳州地熱田是目前我國東南沿海地區(除臺灣地區以外)已發現的中—低溫地熱田中溫度最高的，鉆孔揭露的熱水溫度：孔口106 ℃，孔底90 m 121.5 ℃[8]。可見，漳州巖體具有良好的地熱背景。

1.3巖體樣品采集

圖1　漳州巖體構造位置[7]

圖2　漳州巖體取樣點布置

圖3　漳州巖體

2漳州巖體放射性生熱率特征

2.1密度

將采集的樣品進行適當處理后，用電子天平蠟封法測量所有樣品的密度(誤差±5%以內)，結果表明：地表樣品密度2.36～2.84 g/cm3，鉆孔樣品密度2.18～2.78 g/cm3，平均2.60 g/cm3。

2.2U、Th、K含量

U、Th、K含量均在廣州澳實測試中心完成，U、 Th含量測定采用ICP-MS溶液法，數據精度在 ±10%以內，檢測下限4×10-6，上限1 000×10-6；K2O含量采用X射線熒光光譜法(XRF)測定，檢測下限0.01%，上限50%，測試精度誤差在±5%以內。測試結果均在檢查范圍內，無異常值，見表1。由表1可知，w(U)平均7.57×10-6，w(Th)平均30.41×10-6，w(K)平均4.16%，漳州巖體U、Th、K含量分布具不均一性。

表1　漳州巖體U、Th、K含量

2.3放射性生熱率計算

放射性生熱率是指單位體積巖石中所含放射性元素在單位時間內經放射性衰變所產生的能量。本研究采用Rybach 根據修正后的天然放射性核素計算公式進行計算：

(1)

式中，A為巖石放射性生熱率，μW/m3；ρ為巖石密度，g/cm3；CU、CTh分別為巖石中U、Th含量，(×10-6)；CK為巖石中K含量，%。

表2　漳州巖體放射性生熱率

2.4放射性生熱率分布特征

放射性生熱率在花崗巖體中的分布主要由水平分布和垂向分布組成。區內花崗巖體放射性生熱率水平分布呈多樣性，不存在統一規律(圖4)[9]。在垂向上，因巖石放射性生熱率以酸性巖類最高，超基性巖類最低，隨深度的增加巖石越來越偏基性，理論上講，放射性生熱率應隨深度的增加而遞減[10]，但地殼淺部巖石的放射性生熱率并未隨著深度的增加而成指數衰減，多呈鋸齒狀變化(圖5、圖6)[9]。

圖4　漳州巖體放射性生熱率水平分布(單位：μW/m3)

圖孔放射性生熱率隨深度變化

圖孔放射性生熱率隨深度變化

2.5漳州巖體放射性熱流貢獻率

地殼巖石放射性熱流是影響地表熱流大小的因素之一，尤其是花崗巖體大面積分布的地區，地表熱流中的放射性熱流占相當大的比例。中國東南地區放射性熱流占地表熱流的40%以上[11]，若漳州地區背景熱流(73.2 mW/m2)的40%由放射性生熱提供,則需厚5 km厚的花崗巖體，若全部由放射性熱流提供，則需13 km厚的花崗巖體[5]，福建地區由地殼放射性生熱產生的平均熱流值為71.81 mW/m2，占地表熱流的51.17%[12]。

漳州地區深成巖體一般厚7±2 km，最厚不超過12.0 km，區內地殼分為上地殼和下地殼，上地殼厚16.5～18.8 km，下地殼厚12.0～13.0 km，上地殼分為上下2部分，在上地殼下部有1個低速層，速度約6.0 km/s，低速層頂部深約12.0 km，厚約5.0 km[13]，總體上，漳州巖體厚度在12 km以內。本研究漳州巖體實測生熱率為4.22 μW/m3，對于厚度不超過5 km的巖體，放射性生熱率取值為4.22 μW/m3；對于厚5～12 km的巖體，放射性生熱率取值為3.11 μW/m3，背景異常熱流值取95.0 mW/m2，漳州巖體放射性熱流貢獻率計算結果見表3。由表3可知：漳州巖體放射性熱流和放射性熱流貢獻率隨厚度的增大而增大，放射性熱流平均值為26.71 mW/m2，放射性熱流貢獻率平均值為28.12%，可見，漳州巖體放射性熱流是該區地表熱流異常值的重要組成部分。

表3　漳州巖體放射性熱流及熱流貢獻率

3漳州巖體干熱巖資源潛力評價

干熱巖是溫度一般大于200 ℃、埋深數千米、內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。該定義是基于商業開發目的得出的，即埋深在鉆探范圍內溫度大于200 ℃的高溫巖體具有商業開發價值。我國干熱巖資源開發利用仍處于起步階段，國內尚無干熱巖試驗電站，從我國實際情況出發，可將4 km深度內且巖體溫度不低于150 ℃的地區作為干熱巖發電試驗的重點靶區和干熱巖資源遠景區。我國大陸3～10 km深度段干熱巖地熱資源總量相當于715～860萬億t標準煤，按2%的可開采資源量計算，為我國大陸2010年能源消耗總量的 4 400～5 200倍[14-16]，其中福建是我國干熱巖資源較豐富的省份之一，據初步估算，10 km以內深度的資源儲量超過50萬億t標準煤，而漳州市干熱巖儲量占福建省的40%，相當于20萬億t標準煤[17]。表明我國干熱巖資源總體豐富，福建省漳州市干熱巖開發前景較好。

3.1巖體放射性產熱能力評價

為綜合評價漳州巖體產熱能力，將其放射性生熱率與國內外其他花崗巖體進行對比，部分花崗巖體放射性生熱率見表4。由表4可知：巖體平均放射性生熱率為4.13 μW/m3。本研究得出的漳州巖體放射性生熱率為4.22 μW/m3，盡管目前尚無具體根據花崗巖體放射性生熱率判斷巖體產熱高低的具體標準，但從比較結果看，漳州巖體應屬中等偏高的放射性產熱巖體。

表4部分花崗巖體放射性生熱率[6]

μW/m3

3.2巖體干熱巖地熱地質特征

通常將1個潛在的適合干熱巖開發的區域劃分為2個部分，即埋藏于地下一定深度的變質巖或結晶巖體(基底)以及上覆于基底之上的蓋層。可見，只有基底和蓋層具備一定條件時才適合作為干熱巖體進行開發。目前，世界上關于干熱巖體的評價尚無具體的地熱地質學標準，但從理論上講，具備干熱巖體開發的巖體應具有一些必要的地熱地質學特征。為此，分別從地質、地球物理、地熱地質等角度總結了漳州巖體的地熱地質學特征，見表5。由表5可知：漳州巖體基本具備了良好的干熱巖地熱地質特征。

3.3漳州巖體干熱巖資源量估算

干熱巖資源量(Q)主要采取體積法進行估算，公式[15-16]如下：

(2)

式中，ρ為巖石密度，g/cm3；Cp為巖石比熱容，J/(kg·℃)；V為巖體體積，m3；T(z)為計算深度的巖體溫度，℃；z為巖體深度，m；T0為地表溫度，℃。

在穩態熱流狀態下的深部溫度計算公式[15-16]為：

(3)

式中，q0為地表熱流值，mW/m2；K為巖石熱導率，w/(m·K)。

本研究漳州巖體各參數取值見表6。

表5　漳州巖體干熱巖地熱地質學指標[5,7,18-21]

表6　漳州巖體干熱巖資源量估算參數[6-7,10,14-15]

注：D為放射性元素富集層厚度，S為巖體面積，T0取漳州地區多年平均溫度。

本研究干熱巖的評價深度為3～10 km[15]，據表6及式(2)、式(3)，分別計算了漳州巖體3～10 km深度內各段的干熱巖資源潛力，結果見表7。由表7可知：漳州巖體3～10 km深處干熱巖熱能總量為3.244×1021J，折合標準煤約110.71億t，干熱巖能量提取上限為40%，按下限2%提取折合2.21億t 標準煤，按中值提取20%折合22.14億t標準煤，按上限提取40%折合44.28億t標準煤，其中≥150 ℃的干熱巖熱能為2.964×1021J，約占熱能總量的91.37%，可見，漳州巖體干熱巖資源以高溫資源為主，且干熱巖資源總量超過100.0億t標準煤。為此，該區不僅有利于干熱巖開發，而且應成為我國深層地熱資源開發的首選地區[22-23]。從放射性產熱能力、放射性熱流貢獻率、干熱巖地熱地質背景和干熱巖資源總量等方面看，漳州巖體干熱巖開發潛力較大。

表7　漳州巖體3～10 km深處干熱巖資源估算結果

4結語

通過對漳州地區巖體進行系統的地表和鉆孔取樣，并對樣品進行密度以及U、Th、K含量測試，經相關計算獲得了漳州巖體樣品放射性生熱率值，據此對巖體分別從放射性生熱率特征、放射性熱流貢獻率、放射性產熱能力、干熱巖資源潛力等方面進行了詳細分析。研究成果可在一定程度上完善福建地區巖石放射性生熱率數據，對于該區干熱巖資源勘查及開發有一定的參考價值。

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Study of the Characteristics of Radioactive Heat Production Rate and Hot Dry Rock Resources Potential in Zhangzhou City

Yang Lizhong1Liu Jinhui1Sun Zhanxue1,2Wang Andong2Wan Jianjun2Zhou Yi1

(1.School of Water Resources & Environmental Engineering,East China Institute of Technology;2.State Key Laboratory Breeding Based of Nuclear Resources and Environment)

AbstractThe contents of U, Th, K of the rock samples collected in Zhangzhou city are tested and analyzed, besides that, the radioactive heat production rate is computed and the radioactive heat production rate characteristics is discussed.Based on the above analysis results, the radioactive heat production rate of the rock samples is conducted contrastive analysis, the geological characteristics of the hot dry rock resources is analyzed and the hot dry rock resources is estimated. The results show that the rock mass in Zhangzhou city with high radioactive heat production rate, good geothermal geological background and large reserves of hot dry rock resources,the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhangzhou city is 3.244×10(21)J, which is equivalent to the heat energy provided by 11.071 billion ton standard coal, the 2% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 221 million ton standard coal, the 20% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 2.214 billion ton standard coal, the 40% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 4.428 billion ton standard coal,the heat energy of the hot dry rock resources in Zhangzhou city is existed mainly in the form of high temperature, which is the 91.37% of the total resources reserves, the hot dry rock resources potential of the area is large. The above research result can provide reference for the exploration,evaluation, development and utilization of the hot dry rock resources in this area.

KeywordsRadioactive heat production rate, Hot dry rock, Resources potential, Reserves estimation

(收稿日期2016-01-03)

*中國地質調查局計劃項目(編號：[2011]01-17-31)。

楊立中(1989—)，男，碩士研究生，330013 江西省南昌市昌北經濟開發區廣蘭大道418號。