江苏地区中新生代干热岩的成因及应用

江苏地区中新生代干热岩的成因及应用

1江苏热能资源研究区岩石干热岩是一种特殊的可再生材料。其温度一般大于200℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体(Grantetal.,2011)。干热岩主要为变质岩或结晶岩类岩体,普遍埋藏于距地表2~6km深处,其温度范围在150~650℃之间(于长生,2008)。干热岩的热能赋存于岩石中,较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。这种地热能系统不要求岩石具有孔渗条件和含有流体,因而在目前钻探技术可达到的勘探深度范围以上分布十分广泛,几乎是一种无限的能源类型。资源分布范围从低于正常地温梯度的地区到高于正常地温梯度的地区均有分布。干热岩技术,简称HDR技术或称增强型地热系统(EGS,EnhancedGeothermalSystems),其含义是在干热岩生成地区,通过深孔钻进获得对井,并压裂使之贯通形成储层,然后从一钻孔加压注水,当遇到地下高温岩体后,这些水会被加热为沸腾状态,并从另一钻孔中喷出地面(赵阳升等,2004)。喷出的热气将被注入到一个热交换器中,用来驱动蒸汽涡轮机以产生电能。江苏省处于中国东部沿海高热流地热异常区,其成因与太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用有关,被认为是与俯冲带有关的软流圈上拱的结果(陈沪生等,1999)。区内中、新生代岩浆活动源于大规模的岩石圈减薄和软流圈物质上涌。多期中酸性花岗岩侵入和多期碱性玄武岩喷溢,表征了陆块区软流圈层的热流穿越距地表沿深大断裂上涌,在浅表地壳形成幔壳混溶的高温岩体,即干热岩。江苏是能源资源消耗量最大的省份,对于能源的需求处于持续强劲增长状态。开发利用本区干热岩资源可以增强包括江苏在内的长三角地区能源供应保障能力(杜建国等,2012),打造可持续发展的绿色低碳能源。2岩石圈相伸和玄武岩浆喷发江苏是一个地质构造相当复杂的地区,处于环太平洋地热异常带,新生代受太平洋板块向西北俯冲作用的影响,弧后岩石圈伸展形成裂谷型断陷盆地,苏北盆地也是新生代在弧后伸展背景形成的断陷盆地,盆地形成过程中,上地幔熔融物质上涌,形成玄武岩浆喷出。盆地西侧的郯庐断裂带新生代期间也发生岩石圈伸展和玄武岩浆喷发。这种弧后岩石圈伸展,形成我国东部热流高值地区,以及水热活动特别异常。苏北盆地中的坳中隆地带,地热梯度约30℃/km(王良书,1989),经石油钻探证实在2~4km深部普遍分布新生代多期碱性玄武岩溢流,物探磁测分析深部疑似有中酸性岩体的埋藏分布。快速沉积的盆地具有高CO2气压和地温异常显示,反映出油气盆地共生的特点和深部有高温岩体的可能。南京汤山温泉出露在中生代花岗岩带的断裂附近,溢出泉水温65℃,虽未见90℃以上水温或沸泉出现,但水中含CO2,H2S,H2,CH4和C2H6等气体,说明热水与深部上地幔物质组分有关,上地幔熔融物质在浅地壳形成岩浆囊向上传导热流(蔡鸿珠,2013)。根据大地构造背景,综合江苏地区热流、火山活动、热源传导、地温水温、地下热水活动等特征,表明江苏地区具有良好的干热岩资源赋存背景。3地表热岩温度在不具备实测计算参数的前提下,采取体积法估算江苏地区干热岩资源储量。体积法又称热储法或储存热量法。该评价方法将热储层岩体以及孔隙介质中赋存的地热流体作为整体,计算相当于当地基准温度(当地平均气温)而言,整个热储体积所蕴含的全部热能量。体积法公式如下:式中,Q:干热岩资源储量;ρ:岩石密度;CP:岩石比热容;S:热储层或岩体面积;h:热储层或岩体厚度;Ti:所计算深度的岩体温度;T0:基准温度(地表温度)。地表一定深度下的热岩体温度不能直接进行测量时,温度Ti就只能用间接的方法推算出来。本文借鉴国家地调局采用贡献率叠加法,估算得到的是区域条件下的平均值。需要注意的是此法没有考虑地热异常区的具体情况和干热岩体呈局部团块状分布等特点。贡献率叠加法公式如下:式中Ts:为沉积岩贡献率;Tb:为基底贡献率;s:沉积岩;b:基底。式中,Q0:热流实测值;Qm:地幔热流值;K:热传导率;A:放射性生热率;r:放射性深度变化量;X:层厚;b:基底;s:沉积岩,其中Ab=(Qb-Qm)r。本次研究利用贡献率叠加法主要估算苏北和苏南地区深3km,4km,5km处温度。由于目前一般钻孔深度小于5km,岩石样品缺失,故5km深度往下热导率、生热率数据很少,所以本文对深5~8km的温度计算采取两种方法对比分析。(1)根据生热率随深度指数衰减的生热率模型推算深部生热率,继续按照贡献率叠加法计算深部温度;(2)在5km温度计算基础上利用统一的温度梯度再往深部进行温度推算,最后用体积法估算苏北与苏南地区3~8km不同深处段的干热岩所蕴含的热量。4岩石生热率根据前人所作的相关研究,以及本文采用的研究方法,开展江苏省干热岩资源的估算主要需要以下数据资料:大地热流值,岩石热导率,岩石生热率等。本次研究主要数据来源于两个方面:(1)前人资料积累,江苏地区的苏北盆地石油钻探资料较为丰富,南京大学王良书教授等对江苏地区岩石圈热结构做了较详细的研究,积累了大量数据;(2)依托江苏省地质矿产勘查局项目“江苏干热岩资源地质调查及开发利用预研究”,委托国土资源部南京矿产资源监督检测中心做了岩心热导率、生热率测试作为部分数据补充。研究采用的数据及来源分述如下。4.1地下温度调查和测定大地热流是研究地壳上地幔热结构和地热地质背景的最基本要素。大地热流值是一个综合性参数,是地球内热在地表唯一可以直接测到的物理量。在一维稳定条件下,热流量是岩石热导率和垂直地温梯度的乘积。一般通过钻孔测温取得垂直地温梯度,再通过相应层段的岩样热导率测试数据,两者的乘积即为大地热流值。然而,实际深孔温度测井受钻井泥浆的平衡和地下水流动的影响,岩石样品的热导率测试受岩心扰动、岩石固结程度、孔隙率、饱和度等影响,其热流值精准度偏差较大。江苏处于我国东部高热流区内,本次工作有关苏北盆地的大地热流值数据主要根据苏北34口油井的资料,该区平均大地热流值68mW/m2(王良书,1989);苏南地区采用苏南3口井的资料,平均60mW/m2(王良书,1989)。4.2热导率随立地的变化表示岩石导热能力的大小,即沿热流传递的方向单位长度上温度降低一度时单位时间内通过单位面积的热量。热导率是岩石热物性参数,一般采用岩石样品测试分析来获取。岩石的热导率取决于岩石的成分、结构、形成条件、含水状况、温度和压力等因素。一般情况下,岩石的热导率随压力、密度和湿度的加大而增高,随温度的增高而减小。地壳上部的温度和压力对岩石热导率的影响极小。江苏地区钻孔、油井数量较多,浅部的岩石热导率可根据钻井测温等数据获取,因此本研究对苏北苏南地区沉积贡献部分的热导率,主要是收集前人对江苏地区实测岩石热导率数据。其中苏北盆地热导率数据主要参考宋宁博士的122块岩心样品的测试数据,主要为砂岩(范围1.214~4.188W/mK)和泥岩(范围0.556~3.519W/mK),分布在E2—K2的各地层,埋深在786.9~3919.4m之间,具有很好的代表性,平均为2.102W/mK;苏南地区则主要参考王良书教授对苏南5口井的热导率测试结果。苏北苏南地区基底贡献部分的岩石热导率数据根据相关研究取宏观上的定值2.5W/mK(汪集旸等,1986)。4.3生热率估算方法单位体积的岩石在单位时间内由其所含的放射性元素衰变而产生的热量即为岩石放射性生热率,简称岩石生热率。放射性元素的衰变生热是地球内部驱动众多深部构造热过程的重要动力来源,也是岩石圈内温度场分布的主要控制因素。岩石中放射性物质取决于U,Th和K的含量,通过测定样品中这些放射性物质含量和样品密度,按下式Birch(1954)给出的经验公式计算出样品的生热率为:式中,A为岩石放射性生热率,ρ为岩石密度,U和Th为实际测定值(×10-6);K采用K/U的比值计算代入(%)(龚育龄等,2005)。5km深度以下,受限于岩石样品大量缺失、资料较少等条件,无法用上述方法求得岩石生热率。本文采用Pollack等人给出的生热率随深度指数衰减的生热率模型推算5~8km的生热率。这种方法虽颇有争议,但在地质学界已得到大部分学者认可,在无法准确获得岩石生热率的情况下仍不失为一种较好估算生热率的方法:式中A0为地表的生热率,D代表特征深度。苏北盆地生热率数据主要参考前人收集整理的中国大陆科学钻探(江苏东海县)实验数据。中国大陆科学钻探主孔CCSD-MH的数据提供了上地壳5km范围的放射性生热率的垂向分布:690m以上,生热率0.54μW/m3;690~1090m生热率1.09μW/m3;1090~1650m生热率1.56μW/m3;1650~2000m生热率0.49μW/m3;2000~3000m生热率1.25μW/m3;3000~4000m生热率1.48μW/m3;4~5km生热率1.73μW/m3(何丽娟等,2006)。苏北盆地贡献率叠加法计算中,沉积层厚度取值3km,为方便计算沉积贡献,部分生热率取上述深度算术平均值0.99uW/m3;基底贡献部分的生热率,根据不同埋深厚度,按照上述上地壳5km范围的放射性生热率的垂向分布取值,5km往下生热率取值按照深度指数衰减的生热率模型推算(表1)。苏南地区计算中的沉积(厚度取1.8km)贡献部分生热率数据,采用课题组对苏南善安浜钽矿善ZK101钻孔(终孔深度519.93m)不同深度岩芯的取样试验数据(表2),计算中沉积贡献部分生热率取平均值1.06μW/m3。而基底贡献部分,由于缺乏苏南地区基底贡献部分的生热率数据(因为苏南属于下扬子构造区),故采用前人有关下扬子构造区的生热率测试数据(1.67μW/m3;汪集旸等,1986),更深部则参考深度指数衰减的生热率模型(表1)推算。4.4标准温度即地表温度,本文以江苏地区年平均气温15℃近似代替地表温度。5江苏地区不同深度的温度估算根据上述方法,苏北盆地和苏南地区5km处的推算温度分别为198.3℃和127.3℃。对于5~8km的温度估算,本文采取了两种方法:A,利用统一的温度梯度24.9℃/km(吴耀,2005)推算深部温度;B,利用查找、推演深部基本参数(采用放射性产热随深度指数衰减建议公式),运用叠加法计算6~8km处温度,两种方法温度估算结果见表3。5~8km的温度估算,方法A的温度计算值相对方法B偏大,因为地温梯度随深度增加具有减小的趋势,推算可靠性一定程度上降低。而方法B在查找、推演深部基本参数的基础上,继续利用叠加法,相对准确,但计算更复杂。中国陆区5.5km和8.5km深度的温度分布图显示(图1),5.5km处苏北盆地温度属于150~200℃区间,苏南地区在100~150℃区间;8.5km处苏北盆地温度范围250~300℃,苏南地区范围200~250℃。故本文贡献率叠加法所估算的江苏地区不同深度的温度值很有参考价值。此外,根据国外干热岩开采利用的经验,从长远经济、效能出发,200℃以上的干热岩更值得开采,故江苏省的干热岩资源利用,苏北盆地5km、苏南盆地8km深处以下都非常值得期待。根据所计算的苏南和苏北盆地不同深度的温度结果,采取体积法,深度以1km为单位,分别计算江苏地区3~8km深度各段的干热岩资源潜力(表4,图2)。江苏地区3~8km深处干热岩资源总计为2.18×1021J,合74.9×108t标准煤,按2%的可开采资源量计算,即合1.5×108t标准煤,约相当于江苏省一年能源消耗总量的一半(2012年江苏省能源消耗总量约合2.9×108t标准煤)。6