青海省干熱巖資源類型及典型地熱模式

雷玉德+童玨+楊占梅+楊紹康+劉毅+李小林

摘要：新生代以來，受印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓作用，青藏高原發生強烈的隆升，青海省地質構造發生巨大變化。在這一特殊的地質作用下，印支—燕山期以來巖漿巖廣泛分布于全省，并造就了挽近期活動構造的展布變化及青海省特有的地熱地質條件。本文根據國內外已發現干熱巖資源類型成因模式分析，結合青海省地熱地質背景、干熱巖資源類型、分布規律等，簡要分析了不同類型干熱巖資源特征，重點分析討論強烈構造活動帶型和沉積盆地型干熱巖資源，并在此基礎上研究不同類型干熱巖資源地熱模式，比較不同干熱巖資源形成機制之間的差異，為進一步勘查、開發青海省干熱巖資源提供依據。

關鍵詞：青藏高原隆升；地熱資源；干熱巖；地熱模式

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0117-06

Abstract：Since the Cenozoic，affected by the collision and compression of the Indian plate and Eurasian plate，the Tibetan Plateau had a strong uplift，and the geological structure of Qinghai changed dramatically.As a result of this special geological process，magmatic rocks are widely distributed all over the province since the Indo-Yanshanian period，the distribution of active structures has changed since the late Cenozoic，and the unique geothermal and geological conditions of Qinghai have been formed.In this paper，according to the analysis of the geothermal models of HDR resources discovered at home and abroad，considering the geothermal and geological background of Qinghai and the HDR resource types and distribution patterns，we conducted a brief analysis on the features of different types of HDR resources in Qinghai.We focused on the intraplate active tectonic zone type HDR resources and the sedimentary basin type HDR resources.On this basis，we studied the different geothermal models of HDR resources，and compared the formation mechanisms of different types of HDR resources.This research provides a basis for further exploration and development of HDR resources in Qinghai.

Key words：Qinghai-Tibet Plateau uplift；geothermal resources；hot dry rock；geothermal model

隨著全球社會經濟的快速發展，常規油氣資源不斷被消耗，由此產生的能源緊缺和環境問題日趨嚴峻。地熱資源是一種清潔、可再生的能源，相比于其他能源具有零排放、持續性好等顯著優勢[1]。地熱資源主要分為水熱型和干熱巖型，目前全球仍以水熱型地熱資源的開發利用為主[2]。干熱巖型地熱資源是指普遍埋藏于距地表3～10 km的深處、內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體，其溫度通常在150～650 ℃之間。30多年來西方國家投入巨資研究干熱巖，其中主要以美國、英國、法國、德國、瑞士、日本、澳大利亞等國家為代表。我國大陸3 500～7 500 m深度之間、溫度介于150 ℃到250 ℃的干熱巖儲量巨大，約為6.3×106 EJ，相當于2010年我國能源消費總量（32.5 億t標準煤）的1 320 倍[2]。干熱巖資源作為地熱資源的重要組成部分，勢必將引領未來中高溫地熱資源開發利用方向。青海省賦存有豐富多樣的地熱資源，除廣泛分布的水熱型地熱資源外，干熱巖型地熱資源以共和恰卜恰地區和貴德扎倉溝地區最具代表性。近年來，相關單位開展了諸多干熱巖資源勘查開發利用研究工作，但青海省干熱巖資源地熱模式研究鮮見報道。綜上，開發利用干熱巖資源對青海省經濟社會可持續發展、三江源保護及生態文明建設具有重要戰略意義，進行干熱巖資源地熱模式研究也更為必要。

1 干熱巖形成的地質背景

作為青藏高原的重要組成部分，青海省處于全球地質構造最復雜、隆升速度最快、隆起最新的青藏高原北部，幾大構造域在此結合，構造活動強烈，應力狀態復雜，地殼結構不均[4]。全省地質地貌屬于青藏高原的一部分，具有高原山地多、平原盆地少的特征。海拔普遍在2 000 m以上，從祁連山至昆侖山一帶，受斷裂構造的切割，山地隆起與平原盆地相間分布。昆侖山與唐古拉山之間為4 000～5 000 m的高原，地勢呈丘陵狀。無論是山地隆起，還是平原盆地都嚴格地受斷裂構造控制，這些斷裂構造大部分屬全新世以來活動構造。

新生代以來地殼收縮抬升，新構造活動強烈。自45 Ma BP前后青藏高原隆升開始，青海大地構造具有突出的構造旋回特點，自北向南存在三個一級大地構造單元：秦祁昆加里東地槽及褶皺系、巴彥喀拉華里西-印支地槽及印支褶皺系、藏北-唐古拉準臺地及臺緣拗褶帶，且前兩個褶皺系是省區的主要構造單元[4]（圖1）。

新近紀以來開始強烈隆升的青藏高原，不僅以其獨特的地勢高度、地貌、地質和自然環境等特征舉世無雙，而且還是地球陸內地震活動最為頻繁而強烈的地區之一。這是由于印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓下使青藏高原發生強烈的隆升，從而導致了高原本體和周邊地區產生強烈的構造性變和現代活動構造等一系列的地質作用效應的結果。這一變化特征從高原的垂直形變速率[5]、GPS觀測結果、高原區各山系剖面褶皺隆起形態、南北兩個磨拉石剖面隆升階段對比結果[6]、高原內大斷裂南北傾角變化、巖石圈平面上整體性和垂向上分層性特征[7]，及高原內數條規模宏大而連續的山體平面和地貌形態特征等方面均有表現[4]，上述基本事實，基本反映了青藏高原隆升機制及動力驅動效應的表現形式。

高原隆升過程中強烈的[HJ2.08mm]擠壓在造就了一系列褶皺和斷裂構造的同時，也使區內活動強烈斷裂密集分布[8]。歐亞板塊與印度板塊于新生代碰撞形成的喜馬拉雅造山帶，這也是我國大陸高溫水熱和干熱巖系統主要分布區域，而在板塊內部地殼隆起區和沉降區分別形成了隆起斷裂型及沉降盆地型中低溫地熱資源[9]。青海東部的中新生代斷陷盆地中，貴德盆地和共和盆地基底由中生界三疊系地層及印支期花崗巖組成，西寧盆地基底由古生界、元古界變質巖及加里東期花崗巖組成，中新生界堆積物巨厚[10]，這為地下熱水和干熱巖提供了良好的形成和賦存條件。

2 不同干熱巖資源特征

按照地熱地質條件，結合全省地質構造格局，全省干熱巖資源大致可分為近代火山型、強烈構造活動帶型和沉積盆地型[11]，本文重點討論強烈構造活動帶型和沉積盆地型干熱巖資源。

2.1 近代火山型干熱巖資源

近代火山型干熱巖資源是指受新生代以來火山活動影響，底部有未冷卻熔融巖漿，發育巖墻、巖株、巖床、巖盤等，地表也有明顯的水熱活動，且淺層就能獲取較高溫度。青海省此類干熱巖資源主要分布于青藏高原腹地的可可西里地區。據已有資料[12]，大陸火山活動于新生代以來曾廣泛發生，通過對目前取得的22 組火山巖樣品進行同位素分析，顯示該區火山活動的高峰期發生于中新世[13]。受新近紀火山活動或現代幔源巖漿侵入的影響，深部地熱流體得以釋放，因而在可可西里地區賦存有典型的近代火山型干熱巖資源，但目前尚未進行過系統研究分析。通過分析熱源或氣體組分的物質來源與近代火山噴發活動或現代巖漿侵入活動的關系，對研究這一類型干熱巖資源有重要指示意義。通常采取氣體He樣品[14]，分析3He與4He的比值來判斷是否屬于火山區地熱流體活動[15]。國外已有針對該類型干熱巖研究中，美國Fenton Hill干熱巖研究中心最早開展過相關研究，該中心在200 ℃的花崗巖上通過流水循環試驗激勵形成一系列人工裂隙，利用加壓后的常溫水回灌及回收井抽取超臨界熱水，提高了回收率，同時也證實了干熱巖利用的可行性。

2.2 強烈構造活動帶型干熱巖資源

強烈構造活動帶型干熱巖資源是指受歐亞板塊和印度洋板塊擠壓作用，新生代以來青藏高原多次隆升，局部地區發生巖漿底侵[16]，深部高溫熱源通過深大斷裂對流傳熱到淺部的一類干熱巖資源。高原隆升不僅造就了全省地質構造格局的巨大變化，同時為此類干熱巖資源形成提供了條件良好。隨著青藏高原地質應力的不斷變化，發育了一系列北西、北北西走向的走滑斷裂及近南北向的張性、張扭性活動斷裂，這些活動斷裂帶內發生了強烈的現代地熱活動，其中最具代表性的屬錯那、古堆、日多、沃卡等諸多中——高溫地熱顯示區。青海省境內則以瓦里貢山斷裂帶內的貴德扎倉溝地熱田最為典型。

青藏高原由南向北遞進式隆升并向東滑移擠出過程中，古共和拉分盆地形成，同時也造就了一系列NNW向展布的斷裂構造（見圖2），這些斷裂構造多為張性-壓扭性深大控熱斷裂，斷裂活動時間長，通過深大斷裂對流傳熱，使得近期火山活動產生的熱量和巖漿侵入活動余熱得以傳向地表，為區內地熱資源形成提供了良好的通道。扎倉溝地熱區地處西秦嶺地塊與祁連地塊縫合邊界南側，處于共和古湖盆東部邊界帶，出露地層以中三疊統（T2）砂板巖和燕山期花崗閃長巖（γδ25）為主，花崗閃長巖裂隙及構造破碎帶為構造含水熱儲系統，其頂部被新近系砂巖、泥巖覆蓋構成隔溫蓋層，NNW向斷裂稱熱光斷裂（F1）為壓扭性隔水斷層，近東西向斷裂稱扎倉斷層，為張扭性導水斷層。大氣降水通過近東西向張裂帶入滲后，在深部1 000～1 500 m處受熱光熱源加熱，流經扎倉斷層遇熱光斷裂下盤泥巖阻隔，出露地表形成扎倉溝溫泉，其熱儲概念模型見圖3[17]。

通過分析區域熱異常遙感、區域地形與重力、區域磁航、MT探測、可控源電磁測深和音頻大地電磁測深等資料，顯示扎倉溝地區發育呈NNW向展布的區域深大斷裂，屬高熱異常區，其與東西向斷裂帶交匯，說明沿NNE向存在一條巨大的熱源通道，重力顯示該斷裂深達軟流層，區內侵入巖分布特征可以證實[17]（圖4）。2013 年干熱巖勘查工作中，青海省環境地質勘查局在貴德扎倉溝實施的干熱巖鉆孔，在3 050.68 m深度探獲地溫為151.34 ℃的干熱巖資源。

2.3 沉積盆地型干熱巖資源

沉積盆地型干熱巖資源是指深部熱源通過對流、傳導到達淺部，并受淺部熱導率小的沉積覆蓋層阻隔，形成的基巖覆蓋層厚、表層地溫梯度大及增溫穩定的一類干熱巖資源，文中主要以共和-貴德盆地為代表論述。共和-貴德盆地處于昆侖-秦嶺緯向構造帶與河西系構造復合部位，為“秦昆岔口”的新生代斷陷盆地，四周被斷褶帶隆起山地圍限，中間被瓦里貢山構造巖漿巖隆起帶分隔為共和、貴德兩盆地。該盆地具有良好的沉積盆地傳導型地熱地質背景，其東、西兩側分布有構造巖漿帶斷裂型地熱[18]，中高溫熱水、干熱巖主要分布在秦昆結合部造山帶地區。

2007年由青海省環境地質勘查局在共和盆地施工完成了R1鉆孔（1 203 m，孔底溫度83 ℃）和QR1鉆孔（969 m，孔底溫度70 ℃），計算得到地溫梯度高達6～7 ℃/100 m，推測3 000 m溫度可達200 ℃，并在QR1孔底見36 m花崗巖[19]。根據以往地質、地球物理、石油地震和重力資料綜合分析推斷基底斜坡界面對應重力低異常，可認為重力低異常是花崗巖引起，作為盆地熱源可能存在干熱巖。

2013年-2014年，青海省國土資源廳組織實施共和盆地干熱巖勘查，實施的兩眼干熱巖勘探孔在1 300～1 400 m深度內均揭露到花崗巖基底，揭露厚度達2 000 m以上，3 000 m溫度達180 ℃以上（圖5），地溫梯度6.1～6.7 ℃/100 m，巖體溫度普遍高，增溫梯度異常明顯，表明恰卜恰地區有干熱巖分布，初步圈定干熱巖面積約790 km2[20]。

2000年-2012年先后在貴德盆地開展了高溫熱水及干熱巖勘探工作，孔深在1 000 m至2 700 m不等，測得井底溫度在71 ℃～107 ℃左右，古近系熱儲埋深1 450 m，以深為花崗巖體，部分地段發育破碎帶，深部熱儲有熱無水，據地球物理勘探資料顯示深部有賦存干熱巖資源的可能[21]。

3 典型干熱巖類型地熱模式

筆者簡述了不同干熱巖類型的地熱模式，在此主要對強烈構造活動帶型和沉積盆地型干熱巖資源作論述。

3.1 強烈構造活動帶型干熱巖資源地熱模式

青藏高原隆升過程引發青海省地質構造變化，對青海構造產生強烈影響，并影響著印支-燕山期以來巖漿巖分布，及挽近期活動構造的展布，造就了青海省特有的地熱地質條件。這些斷裂多為張性-壓扭性深大控熱斷裂，斷裂活動時間長，能將近期火山活動產生的熱量、巖漿侵入活動產生的余熱傳向地表，為區內地熱資源形成提供了良好的通道。此類干熱巖資源熱源為高溫熔融體，熱儲為花崗巖，深大活動斷裂為通道，蓋層厚度較小，主要以隔水隔熱的三疊系砂板巖或新近系泥巖為主，其地熱模式見圖6。

3.2 沉積盆地型干熱巖資源地熱模式

挽近期以來受強烈構造活動控制，山體隆升，形成新生代斷陷盆地，造就了共和-貴德盆地良好的地熱地質背景環境，也沉積了較厚的沖洪積、河湖相及湖相堆積物，為沉積盆地傳導型干熱巖資源形成提供了條件。借助于隱伏斷裂對流、傳導作用，深部熱源得以向淺部傳導，同時受制于上覆沉積覆蓋層阻隔，熱量損耗明顯較少，干熱巖巖體為印支期花崗巖。此類型干熱巖資源熱源為高溫熔融體熱儲為完整巖體與裂隙較發育巖體互層，部分地段還有斷裂帶分布，巨厚的沖洪積、河湖相、湖相堆積物及花崗巖均可作為熱儲層，隱伏斷裂提供通道，熱量以對流、傳導形式上傳，具備良好的蓋層條件，其地熱模式見圖7。

3.3 不同地熱模式對比分析

對比青海省兩類主要干熱巖資源地熱模式，發現兩種干熱巖資源均在中深部地層中賦存有高溫熔融體，并由此提供熱源向淺部傳熱，青藏高原隆升引發青海省地質構造格局變化，進而對構造產生強烈影響，以此形成的深大斷裂作為導熱通道，均屬高溫地熱資源。不同之處在于強烈構造活動帶型干熱巖資源主要受控于板塊間構造活動影響下的減壓熔融[16]，深大斷裂影響較為明顯，且為主要驅動力；而沉積盆地型干熱巖資源儲熱方式明顯不同，良好的蓋層優勢有效地防止了熱量散失，形成了淺部熱儲較高的地溫梯度和明顯的熱異常，同時具有基巖覆蓋層厚及增溫穩定等特點。因此，兩種干熱巖類型具有“同源、似儲”，但前者熱源通道貢獻較大，后者蓋層作用尤為顯著。

4 結論

（1）青藏高原隆升過程引發青海省地質構造變化，對青海構造產生強烈影響，并影響著印支—燕山期以來巖漿巖分布，及挽近期活動構造的展布，造就了青海省特有的地熱地質條件和潛力巨大的干熱巖資源；

（2）通過對比分析國內已有干熱巖資源類型，提出青海省干熱巖資源類型主要有近代火山型、強烈構造活動帶型和沉積盆地型，不同類型干熱巖資源具有各異的地熱地質條件特征；

（3）針對已有干熱巖資源地熱模式，深入分析研究了強烈構造活動帶型和沉積盆地型干熱巖資源地熱模式，指出前者主要以深大斷裂為主要驅動力，后者則得利于良好的蓋層條件。

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