遼寧省干熱巖資源賦存條件分析及靶區初選

于小磊，張曉輝，劉振偉，蔡新明，楊 慧，孫 磊，陳軍典，慕鈞浩

1.遼寧省礦產勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110031；2.遼寧省物測勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110031

0 引言

地球深部蘊藏著巨大的能量，地核溫度可高達4 000～6 800 ℃.地球內部的熱量主要來源于3 個部分，分別為地球形成時的余熱、地球與其他星體之間的潮汐摩擦加熱及放射性元素的衰變產生的熱量.地球通過火山、地震、地熱等方式源源不斷地釋放著內部能量.干熱巖是地球熱量釋放過程中產生的，是地熱資源的一種.自1973 年美國科學家提出干熱巖概念以來，由于其具有溫度高、穩定性好、能量大等特點，許多發達國家相繼開展了干熱巖的試驗研究.2018 年，國家能源局將干熱巖定義為不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當前技術經濟條件下可以利用的巖體［1］.

我國干熱巖研究起步較晚，但在世界干熱巖利用技術發展的帶動下，呈現出快速發展的態勢，并取得了許多重要的進展，為現階段開展干熱巖勘探開發奠定了良好的基礎.我國從1993 年開始開展干熱巖的試驗，但并未成功實施.直至2010 年，原國土資源部啟動了公益性科研項目“中國干熱巖勘查關鍵技術研究”，主要開展干熱巖高溫鉆探技術方面的研究.2012年，我國啟動了“863 計劃”項目“干熱巖靶區工程測試及人工壓裂工藝技術研究”及“干熱巖熱能開發與綜合利用關鍵技術研究”，開啟了國內專門針對干熱巖工程的研究，計算出中國大陸（3～10 km 深度）干熱巖資源總量為20.9×106EJ，合714.9×1012t 標準煤，若按2%的可采資源量計算，相當于中國2010 年能源消耗總量的4 400 倍［2］.2013 年，中國地質調查局承擔項目“全國干熱巖資源潛力評價與示范靶區研究”，系統研究了干熱巖賦存特征和成因機制，評價了我國干熱巖資源潛力，為我國實現干熱巖開發利用提供科學依據，國內干熱巖資源調查評價與開發研究進入實質性階段［3］.

此后，近20 個省份相繼開展了本省的干熱巖勘查工作.其中，2014 年至今，青海地勘人員在青海共和盆地成功施工5 眼干熱巖勘探孔，孔深在3 000～3 705 m，井底溫度達180 ℃以上，5 眼勘探孔均鉆獲干熱巖體.其中GR1 干熱巖勘探孔孔深3 705 m，鉆獲了溫度超過200 ℃的高溫巖體，實現我國干熱巖資源勘探的重大突破［4］.恒泰艾普（海南）清潔能源公司在李德威教授團隊指導下，在海南瓊北盆地成功鉆獲古近紀碎屑沉積巖干熱巖儲層，孔深4 387 m，溫度185 ℃［5］.

2020 年，是中國“碳中和”元年，地熱作為五大非碳基能源之一，得到了進一步的重視.2021 年，在中國科學院重大咨詢項目“中國碳中和框架路線圖研究”中，干熱巖的開發為專題內容之一［6］.遼寧省作為典型的能源輸入省份，是以能源消耗為主的工業大省.在“碳達峰、碳中和”進程中，遼寧省仍處于高投入、高排放的階段，因此有序開發干熱巖資源是順應時代發展的要求，也是解決自身能源結構的重要途徑［7］.本文對遼寧省大地熱流值、居里面埋深、酸性巖體分布及構造應力特征等干熱巖資源賦存指標進行分析，以期為干熱巖進一步的勘查工作提供參考.

1 干熱巖資源賦存指標分析

由于干熱巖為深埋于地下3 000 m 以深的巖石體，除鉆探外無法直接通過現有的技術手段獲取其溫度，因此只能通過大地熱流值、居里面埋深、酸性巖體分布、殼內低速高導體埋深及構造應力場等指標間接反映地下的熱異常［8-9］.

1.1 大地熱流值特征

大地熱流值為單位時間內地球內部的熱能通過巖層傳導和地熱流體對流作用向地表的散失量.大地熱流值是表征地殼淺部熱狀態的一個非常重要的綜合性參數，也是深部溫度計算的最重要參數，比其他地熱參數更能反映某個地區地溫場的特點［10］.遼寧省已有的89 個熱流數據中，有44 個集中分布于下遼河盆地，42個分布于遼東地區，遼西地區數據較少，僅3 個（圖1）.熱流值介于32.1～105 mW/m2，均值為63.23 mW/m2，平均地溫梯度為35.1 ℃/km，高于全國平均水平的大地熱流值（61.5 mW/m2）和地溫梯度值（24.1 ℃/km）［11］，顯示出遼寧省具有較好的地熱資源開發潛力.其中，遼陽-海城-蓋州一帶熱流值大于（90 mW/m2）的點有4個，呈條帶狀分布于郯廬斷裂以東的遼東山地丘陵區與遼河平原區的過渡帶，最高值為105 mW/m2；下遼河拗陷西部熱流值介于70～90 mW/m2之間的點有11個，平均熱流值為77 mW/m2.

圖1 遼寧省大地熱流值分布圖（據文獻［11-14］修改）Fig.1 Distribution map of terrestrial heat flow values in Liaoning Province（Modified from References［11-14］）

1.2 居里面特征

居里溫度是使位于地殼深部的侵入巖、火山巖及變質巖等各類地質體中鐵磁性礦物失去磁性的溫度，純鐵磁礦的消磁溫度約578 ℃.地殼深部各類地質體失去磁性的埋深面則為居里面.居里面是一個磁性界面，可以利用航磁資料計算居里面的埋深，當地質體的鐵磁性礦物組成相似時，居里面也可以近似看作是一個溫度界面.居里面埋深較淺的地區，地球內部熱量向地表傳輸的距離較短，有利于產生高溫的干熱巖孕育環境，同時有利于干熱巖的勘查開發［5］.

從遼寧省居里面等深圖（圖2）上可以看出，遼寧省居里面總體上呈現拗隆相間的格局，深度在16～40 km之間變化，平均深度約28 km.根據遼寧省居里面隆起和拗陷的特點，可劃分為遼東隆起區、遼南拗陷區、遼西隆起區和遼北拗陷區4 個區域.其中在遼北拗陷區的鐵嶺市橫道河子鎮附近分布著一個較深的極值點，深度約40 km，顯示該區地殼具有“冷殼”的特點.5 個隆起中心分別位于阜新市、彰武縣、盤錦市、鳳城市及桓仁縣，繞遼北拗陷區呈環狀分布，隆起中心居里面埋深均在小于18 km.遼南拗陷區主要分布于岫巖-營口以南地區，居里面等深線長軸呈近南北走向，居里面深度從海上向陸地過渡具有明顯變深的趨勢，居里面深度普遍大于30 km.位于遼西隆起區的朝陽以東、盤錦以西地區呈現隆中拗的特點，居里面埋深超過28 km.

圖2 遼寧及其鄰區居里面等深圖（據文獻［15］）Fig.2 Curie surface contour map of Liaoning and adjacent areas（From Reference［15］）

1.3 酸性巖體分布特征

地表觀測到的熱流值主要由兩部分組成，一是地核和地幔中的熱量通過地殼散失于地表的熱量，二是地殼中的放射性元素U、Th 和K 通過衰變產生的熱量.酸性巖體由于相對富含放射性生熱元素U、Th 和K，因此可作為干熱巖資源賦存的重要指標條件［16］.在各類酸性巖體中，具有最高的平均單位體積生熱率的巖體為燕山期花崗巖，其平均單位體積生熱率要顯著高于印支期、華力西期及加里東期花崗巖［17］.

花崗巖是遼寧省中生代酸性侵入巖中最主要的巖類，總出露面積達16 041.2 km2，主要分布于遼南莊河-蓋州-普蘭店及遼東鳳城-海城-桓仁一帶（圖3）.其中，早—中三疊世花崗巖不發育，集中分布于遼北西豐地區及遼東寬甸地區，主要受NE 向斷裂控制，呈現NE 向長條狀或似圓狀.晚三疊世侵入的花崗巖類均出露于古元古代及以前的隆起帶上，受E-W 向復式褶皺和NE 向、E-W 向、近S-N 向斷裂控制.早侏羅世巖體以巖株為主，部分為巖基，多成NE 向及近E-W向展布.中侏羅世巖體發育程度不及早侏羅世，巖體從小巖株到巖基均有產出.晚侏羅世巖體多呈橢圓狀、長條狀的巖株產出，多呈E-W 向或NE 向展布.早白堊世巖漿侵入活動十分強烈，巖體出露面積占燕山期侵入巖面積的53.4%.晚白堊世巖漿侵入活動較早白堊世明顯減弱［18］.

圖3 遼寧省中生代酸性巖分布圖（據文獻［18］修改）Fig.3 Distribution map of Mesozoic acid rocks in Liaoning Province（Modified from Reference［18］）

遼東地區酸性侵入巖中U、Th、K 的平均含量分別為4.25×10-6、27.84×10-6、4.62×10-6，均高于全球平均值（U≈3.5×10-6，Th≈18.0×10-6，K≈3.13×10-6）［19］.其中，三疊紀及侏羅紀花崗巖中放射性元素含量均遠低于整體平均值.白堊紀花崗巖中放射性元素遠高于整體平均值，U、Th、K 的平均含量分別為7.55×10-6、49.97×10-6、4.29×10-6.巖石中放射性元素含量波動區間較大，例如老黑山-寬甸巖體中U 含量介于2.35×10-6～10.89×10-6之間，Th 含量介于6.82×10-6～67.28×10-6之間，K 含量介于1.95×10-6～5.77×10-6之間.鞍山湯崗子及千山溫泉、丹東五龍背及東湯溫泉、本溪湯池溝溫泉、熊岳溫泉均發育在早白堊世花崗巖之中［20］，這幾處溫泉也是遼寧省內超過70 ℃的主要溫泉資源.各時代巖體放射性元素含量及生熱率見表1［20］.

表1 遼東地區中生代侵入巖放射性元素含量表Table 1 Content of radioactive elements in Mesozoic intrusive rocks in eastern Liaoning Province

1.4 殼內低速高導體埋深

低速高導層是位于地殼或地幔中的具有異常低的S 波波速、較強的地震波衰減和較高的導電性的巖層.殼內低速高導層的成因機制比較復雜.韌性剪切帶中的巖石在變形過程中，由于礦物的定向排列，可使巖石的波速、電性產生各向異性，從而導致低速高導體的產生；深部巖石中含水礦物的脫水作用可導致殼內低速高導層的形成；在一定的溫度區間，地殼內的巖石達到熔融溫度而發生相態的轉變，也可導致低速高導層的產生；深部巖石在高溫高壓的作用下含水礦物發生脫水，可導致殼內巖石的物理性質發生改變，也會形成低速高導層［21］.上地幔中低速高導層可能是水和熔體共同作用的結果［22］.無論低速高導層的成因機制如何，低速高導層的出現多伴隨著異常的高溫，所以低速高導層的出現及埋深對干熱巖的尋找有一定的指示作用.

內蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧東溝斷面（GGT-13）是我國地學斷面部署中的11 條斷面之一，在遼寧省內自西北向東南穿過北票、義縣、盤山、古城子、海城、岫巖等地直至黃海之濱的丹東市大孤山鎮［23］.從圖4 可以看出，位于下遼河拗陷的盤山、古城子一帶出現明顯的莫霍面及軟流圈的上隆，下遼河拗陷新近紀以來幔源玄武巖噴發，就是在軟流圈上隆的背景下出現地幔剪切和上地幔部分熔融的結果［24］.位于郯廬斷裂帶以東的海城兩側深度在10～20 km 范圍內出現明顯的殼內高導層，寬度約40 km，其電阻率值為4～6 Ωm，與殼內低速層的位置大致相當.海城地區的地震震源集中分布于該低速高導層上界面，結合上述殼內低速高導層的成因，推測該層為高溫高壓下含水礦物的脫水所致.脫水作用導致殼內巖石物理性質發生改變，巖石相變成低強度的軟弱體，使區域應力集中分布于上覆的脆性巖石中導致地震的孕育和發生.同時由于郯廬斷裂帶僅為古板塊邊界而非控熱構造［25］，推測海城地區的高熱流值可能與低速高導層存在一定的聯系.

圖4 GGT-13 地球物理解譯剖面（據文獻［23］）Fig.4 Geophysical interpretation profile of GGT-13（From Reference［23］）

1.5 構造應力場特征

遼寧省處于總體走向呈NE 向的華北斷塊北部，中部有巨型斷裂構造帶郯廬斷裂帶呈NE 向貫穿全省，是中強地震較活躍的地區，地震的發生正是構造應力突然釋放的后果.張先澤等［26］利用宏觀和微觀地震資料及遼河油田的計算成果，詳細分析了遼寧省構造應力場的特征，認為遼寧省構造應力場主張應力為NW 向形成NE 向斷裂，主壓應力為NEE 向形成近NW 向斷裂.戴盈磊等［27］通過1971—2020 年遼寧及周邊地區震源機制解資料，利用區域尺度應力場反演方法（SATSI）對遼寧省構造應力場進行了分析，認為遼寧省內最大主應力方向以NEE 向為主，最小主應力方向以NNW 向為主，以走滑正斷裂為主，整體上處于拉張的應力環境.從區域地質構造背景來看，西太平洋板塊對遼寧省NWW 向的高速俯沖是遼寧省地震發生及一系列NE—NNE 向隆起和拗陷形成的主要動力來源，并使地殼淺部形成一系列的NE—NEE 向張性斷裂［28］.

張性的巖石圈斷裂及深殼斷裂可以更好地將地球深部熱量傳遞到中、上地殼并為熱量的循環提供通道.貫穿遼寧省的郯廬斷裂帶為巖石圈斷裂，在延伸入下遼河盆地后，線性斷裂帶變為多條，主要有二界溝活動斷裂帶、威遠堡-盤山活動斷裂帶及遼中-大洼活動斷裂帶等，呈帚狀斷裂束.NE—NEE 向深殼斷裂主要有東風-沈旦堡斷裂、長灘-東陵區斷裂、李石-英額門斷裂、虎莊-下肥地斷裂、歸州-丹東斷裂、金州斷裂、鴨綠江斷裂等，在沈陽、鞍山、本溪地區深殼斷裂分布較集中，且NE 向與NEE 向斷裂互相交匯.

2 初選靶區討論

前人在分析我國大陸地區大地熱流值、居里面埋深、酸性巖體分布和控熱構造的基礎上，通過對國內外已發現的干熱巖資源的成因模式進行研究，將中國干熱巖資源劃分為高放射性產熱型、沉積盆地型、近代火山型及強烈構造活動帶型4 種類型［3］.

2.1 高放射性產熱型

遼寧省中生代酸性巖中白堊紀巖體具有最高的放射性元素含量和生熱率，其生熱率介于3.14～8.64 μW/m3之間，接近中國東南沿海地區的中生代酸性花崗巖的平均放射性生熱率（4.2 μW/m3）［3］.同時早白堊世的花崗巖體數量多，面積大于100 km2的巖基有11 個，具備較好的生熱條件.但是要尋找到高放射性產熱型干熱巖，不僅需要合適的干熱巖體，為了防止大氣降水入滲而使巖體冷卻，在基底之上還需要具有一定厚度的導熱性較差的蓋層以保存基底熱量.結合遼寧省干熱巖資源賦存條件，初選出鞍山-海城一帶、蓋縣-許屯一帶、草河城鎮-八河川鎮一帶及五龍背地區為高放射性產熱型干熱巖資源勘查靶區.然而，考慮到高放射性產熱型干熱巖開發工作至今還沒有成功的案例，其溫度僅靠巖體放射性很難達到要求，放射性花崗巖放熱的效率并不高且溫度衰減較快等原因，高放射性產熱型干熱巖靶區僅保留具備高大地熱流值和殼內低速高導體的鞍山-海城一帶.

2.2 沉積盆地型

下遼河盆地是遼寧省內最大的盆地，是一個在前古生代基底上發育起來的呈北東向展布的中、新生代拗陷盆地，屬于渤海裂谷系的組成部分，東臨遼東褶皺帶，西接燕山沉陷帶，由東向西呈現出“三凹三凸”的構造格局.下遼河盆地具有高的地溫梯度和大地熱流值，居里面埋深淺，深部存在上地幔低速高導體，東西兩側為郯廬斷裂帶，基底之上巨厚的低熱導率新生代沉積蓋層提供了很好的保溫效果.通過對以上干熱巖資源賦存條件的分析，初選出下遼河盆地為遼寧省沉積盆地型干熱巖資源勘查靶區.

2.3 近代火山型

近代火山型干熱巖資源的主要熱源為火山活動中未噴發出地表而殘存于深部以巖漿囊形式存在的巖漿，深淺不一，通常可在較淺的位置獲得較高的溫度.我國近代火山主要分布在騰沖、雷瓊、長白山、五大連池等地區［29］.東北地區有5 個火山和火山巖帶，分別為下遼河-雙遼、佳木斯-伊通、撫順-密山、長白山和大興安嶺.其中下遼河-雙遼火山帶火山活動時間為63～25 Ma，撫順-密山火山帶活動時間為44.9 Ma，而長白山天池火山晚期火山活動時間為1489～704 a，五大連池火山群火山活動時間為0.563 Ma—現代［30］.一般認為，100 ka 以來的巖漿活動對溫度場有很大的影響［8］，而遼寧省內巖漿活動發生在第四紀之前，長時間的冷卻已使巖漿熱量散失殆盡，對區域地溫場基本無影響.

2.4 強烈構造活動帶型

深大活動斷裂作為活動構造中最活躍的因素往往切割地殼較深而使深部酸性巖漿易于侵入，同時在巖漿侵入過程中會打破斷裂原有的空間結構而加劇侵入巖體的上隆.中國活動地塊可劃分為青藏、西域、南華、滇緬、華北和東北亞等6 個Ⅰ級活動地塊區，還可以進一步劃分為22 個Ⅱ級活動地塊［31］.遼寧省處于東北亞活動地塊區，相較于我國西藏、滇西、川西及臺灣地區，本地塊區是一個構造活動相對穩定的地區，構造活動不強烈，不具備形成強烈構造活動帶型干熱巖的構造條件和熱背景.

3 結論

通過對遼寧省大地熱流、居里面等指標進行分析，認為遼寧省可能存在的主要干熱巖類型為沉積盆地型和高放射性產熱型.其中，沉積盆地型干熱巖靶區為下遼河盆地，應作為下一步遼寧省干熱巖資源勘查開發的重點地區；高放射性產熱型干熱巖靶區為鞍山-海城一帶，可作為遼寧省干熱巖資源勘查開發的次重點地區.