河北省干热岩地热资源赋存分布研究

齐晓飞，张国斌，上官拴通，苏 野，田兰兰，李 翔，乔永超，刘 旭

(河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054000)

干热岩是指地下高温但由于低孔隙度和渗透性而缺少流体的高温(>150℃)岩石(体)。相关研究表明，干热岩热储载体主要是各种变质岩或结晶岩体，变质岩系主要包括黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩等；结晶岩体主要包括花岗质片麻岩、花岗岩和花岗闪长岩等中酸性岩体[1-5]。

干热岩的勘探、开发研究可以追溯到上个世纪70年代，1972年，美国在墨西哥州北部打了约4 000m深的斜井，拉开了干热岩研究的序幕[6]；随后法国、日本、德国等一些发达国家相继开展了关于干热岩发电方面的研究。在过去的30年各国通过合作和不断的努力，干热岩发电技术已逐步成熟[7]。我国干热岩目前尚未开发利用，相关技术滞后于发达国家。2011年，中国地质调查局开展了中国陆区干热岩资源潜力评估[8]；2012年，旺集暘等通过新版热流图和更为全面的岩石热物理性数据完成了中国大陆地区干热岩资源再评价工作；个别学者[9-13]完成了江苏、江西、河北乐亭、柏乡、共和盆地等区域尺度评价。

干热岩地热资源开发受到地质条件复杂、地下探测难度大、投资费用高，钻探风险大等不利条件阻碍。为加快中国干热岩与增强型地热系统研究及工程应用，首先要进行地层测温资料收集、野外地热地质调查、大地热流分析等工作，以“摸清家底，科学规划”。本研究依托2017—2018年度河北省科学技术厅重点研发计划项目，对河北省进行了干热岩地热资源赋存分布和开发潜力研究。

1 区域地热地质背景

1.1 地层

研究区太古界主要为深成变质岩，岩性为浅粒岩、变粒岩、长石石英岩和角闪片岩等，隐伏分布在柏乡，乐亭马头营(图1)以及张承山湾子、后郝窑以及七家镇一带，据已有资料分析，深成变质岩系中岩石的孔隙率、渗透率极低，无流体存在[2,4-5]，据此推断研究区深部太古界同样具有低孔隙、低渗透的特征，符合干热岩开发利用的基本条件。据相关勘查资料分析，研究区新生界因导热性差、热导率低，具有隔热保温的作用，使来自地球深部或隐伏岩浆岩体放射产生的热量不会迅速消失，在热容量较大区域保存下来形成了高温地热田[14]，如马头营地热田，牛驼镇地热田等。

1.2 大地构造

据《河北省区域地质志》[15]显示，河北省地质构造相对较复杂，自太古代以来，经历了多次构造运动，并伴有强烈的岩浆活动，在太行山和燕山地区，上地幔熔融物质上涌，形成了酸性侵入体和玄武岩浆喷出。新生代以来，由于受强烈的拉张作用，平原区形成了一系列的断陷和断隆，拗陷区和隆起区内部由于受断裂的控制,又有众多的次级构造,即凸起和凹陷,从而表现为多凸多凹多沉降中心和凸凹相间的构造格局[16]。这种凹中凸构造区和岩浆岩活动区，形成了我省热流高值、水热活动异常区(图1)。

1.3 断裂

河北省大断裂9条，深断裂10条，且均为正断层。深断裂切穿硅铝层，深入硅镁层或上地幔，空间延伸上百公里。大断裂为深断裂次一级断裂。一般未深入硅镁层，在平面上可延伸上百公里，深部的幔源高热物质沿巨大断裂上涌，形成了较高地温梯度。通常两条断裂的交汇带共用上盘有利于高温地热田的形成。此外构造断裂本身也可以产生一些构造热[10]。因此区内的断裂构造特征致使河北省大断裂分布区成为省内乃至全国地温梯度和热流值较高的地区[16]。

2 干热岩相关指标分析

参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T-11615-2010)，干热岩资源深度按4 000m评价。由于大多数钻探工作所揭露的深度较浅，除钻孔测温参数外还需通过一些指标来间接反映地下岩体的热异常。这些指标包括：酸性岩体分布、大地热流值和浅部地温场分布。

2.1 酸性岩体分布

河北平原区，新生代火山多沿沧州隆起、埕宁隆起和黄骅坳陷的边界断裂活动分布(图1)。大量钻井资料证实，河北平原区新生代火山岩活动较频繁，剧烈的岩浆活动是深部热活动的直接证据。岩浆活动尤以燕山期较为强烈，岩石类型复杂，超基性、中性、中酸性、酸性岩类均有不同程度的产出。隐伏岩体主要分布在昌黎、乐亭等地(图1)。该类岩体具有较高的放射性产热特征，在壳源产热和幔源产热均理想的情况下大地热流值可超过100uW/m2。在覆盖层理想的地区，可以作为干热岩资源潜力区。

据《河北省石家庄以北地热资源调查报告》[17]和《河北省太行山东麓经济区地下热水资源开发评价》[18]显示，张承地区及太行山东麓地区，深大断裂构造带中有大量的中酸性岩浆岩，岩浆活动比较强烈，炽热的岩浆为水温升高提供了热源，如围场热水汤温泉(82℃)、怀来后郝窑温泉(88℃)、隆化矛荆坝温泉(98℃)其水中皆含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。在覆盖层理想的地区，亦可作为干热岩资源潜力区。

2.2 大地热流值

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。一般而言，地层中热流值较高区域，往往形成高温地质背景环境。

据华北平原北部地温场及地热资源研究报告分析，省内大地热流场严格受区域性壳-幔隆起带、坳陷带及过渡带展布的控制[20]。盆地深部壳-幔隆起区大地热流值为65～80mW/m2，高于全国大陆平均值。随着岩石圈增厚，外围及邻区的大地热流由65mW/m2下降到30mW/m2，热流值分布规律性不显著，大地热流最高值主要分布在唐山地区、保定地区与沧州地区之间，介于70～100mW/m2，平均值约80mW/m2。盆地其他地区热流值为40～50mW/m2[20]。

2.3 地温场特征

2.3.1 山区地温场特征

(1)温泉分布特征。我省山区地热区分布多受深大断裂和岩浆岩体控制，一般规模较小，以单泉或群泉的形式放热，在地形有利的山间盆地形成小型地热田。太行山区，温度较低，一般小于40℃；燕山地区温度较高，一般大于50℃，如围场山湾子温泉82℃， 怀来后郝窑温泉88.6℃， 隆化县七家镇温泉最高达92℃。

图1 河北省岩浆岩分布图(据参考文献[15][16][19]，有删改)Figure 1 Hebei Province magmatic rock distribution map (after references [15], [16] and [19], revised)

图2 河北省大地热流图(据参考文献[20])Figure 2 Hebei Province telluric heat flow map (after reference [20])

图3 河北省山区地下热水Na-K-Mg平衡三角图Figure 3 Na-K-Mg balanced triangular plot of Hebei Province mountainous area underground hot water

(2)地球化学温标及热储温度估算。本次共收集到省内山区50份温泉及地热井水化学资料，据统计分析，地球化学资料总体上涵盖整个山区，具有很好的代表性。样品测试皆为具有国家计量认证合格资质的实验室，化验数据质量可靠，达到本次评价的要求。

将山区热水点所对应的坐标值投射到Na-K-Mg三角图中(图3)，结果显示，区内大部分的水样点均落在了该图的部分成熟或混合区，特别是冀北山区中隆化矛荆坝、怀来后郝窑及温泉山湾子等温泉出露较高的山间盆地区较接近完全平衡线，体现了水岩接近平衡，体系受地表冷水的影响较小，选择合适的阳离子地温计可以较准确的估算热储层热储温度，而其他地区温度相对较低地区的热水样点，大部分属于未成熟热水，体现了热水中大部分水-岩作用尚未达到平衡，或者是不成熟的地表水混入比例大，地下热水循环较快，利用阳离子地温计估算该部分地热水存在一定的偏差，可作为多种方法的参考方法。图3还体现了省内山区热储温度的大致范围，K-Na温标指示温度不超过140℃，K-Mg温标指示地下温度小于150℃，属于中低温地热田。

本次采样阳离子温标、二氧化硅地温计对各个温泉进行了统计分析，结果见表1。根据各地温计的适用条件、热水体系矿物水一岩平衡状态、及省内山区地热田的特殊性，经计算验证，阳离子地温和二氧化硅地温计算可用于区内地下热储温度的估算。需要说明的是，当利用各地温计算误差超过100%时，平均值和平均误差将不参与计算。当平均误差超过50%，为水-岩作用尚未达到平衡水化学样品，不作为最终计算结果。

从表2中可以看出，隆化七家镇、怀来后郝窑及温泉山湾子平均误差小于50%，且温度均超过110℃，为此以上地区深部可能赋存高温岩体(干热岩)，有待进一步勘查验证。

表1 河北省山区地下热水热储温度

续表

注：T井口为采样井口温度；其中误差(%)=100×(T估算-T井口)/T井口。

2.3.2 平原区地温场特征

(1)浅部地温场分布特征。浅部地温梯度主要依据本次收集的区内水文地质钻孔勘查资料及野外调查工农业用水抽水水温、地热井及石油井[21]测温数据，采用下列公式计算新生界地温梯度：

△T=(T-T0)/(H-H0)×100

(2)

式中：△T—浅部地温梯度(℃/100m)

T—井口(或水下)观测的最高温度(℃)

T0—恒温层温度(℃)

H—成井段中部深度或测温处深度(m)

H0—当地恒温层深度(m)

根据地温梯度数据，结合本区地质构造条件和其它控温因素，编制了河北平原区地温梯度图(图4)，该图基本反映了河北省平原区浅层地温场分布特征及地热异常分布，也反映地质构造控温的规律。山前地带因受冷水强径流的影响，盖层地温梯度值一般<2.0℃/100m；在平原区内地温异常区主要分布在断隆或断陷中的凸起构造部位，盖层地温梯度>3.5℃/100m，柏乡背斜构造区、献县凸起区、牛驼镇凸起区和马头营凸起区，地温梯度超过5℃/100m，而断陷构造分区中地温梯度相对较低，盖层一般为3℃/100m。总体而言，河北平原地带，地温异常呈高低相间带状分布，地温展布的主体方向为北东向，与区域构造展布基本一致。

(2)深部地温场分布特征。根据以上述公式，结合各井新生界地温梯度及深度，计算出其-4 000m地温，其公式如下：

T(-4000)=qAr(4000-Z(k))/K-

AAr(4000-Z(k))2/2K+T(k)

(3)

qAr=q大地-Ak·△Zk

(4)

式中qAr为太古界热流值，Z(k)为新生界底界深度，K为太古界热导率，AAr为太古界生热率，T(k)为新生界底界地温，q平为本区平均大地热流值。

根据各井-4 000m地温，编制了河北省平原区-4 000m深度地温等值线图(图5)。在4 000m深度上，全区温度介于110～170℃。柏乡背斜构造区的温度超过150℃；乐亭马头营凸起区温度也超过150℃；牛驼镇凸起区，温度高达170℃以上。这些地区大多位于基岩凸起构造区或隐伏中酸性花岗岩分布区。因此，以上地区是河北平原区潜力巨大的干热岩矿带(区)。

图4 河北省平原区浅部地温梯度图Figure 4 Shallow part geothermal gradient map of Hebei Province plain area

图5 -4 000m深度界面温度分布图Figure 5 Elevation -4000 depth interface temperature distribution

3 干热岩资源潜力区分布

基于浅部地温估算深部地温分布规律，结合区域地质背景、大地热流值、中酸性岩体分布特征，初步认为研究区具备赋存干热岩资源潜力，其形成是以沉积盆地型、沉积盆地型叠加高温放射型、近代火山型和板块构造俯冲型四大成因类型为主，主要分布在河北平原一带基岩构造凸起区或山间盆地板块构造活动深大断裂附近，干热岩岩性为太古界变质岩系或花岗岩体，底界(深度：4 000m)地温>150℃，其中，在柏乡背斜构造区、牛驼镇凸起区、马头营凸起区、怀来后郝窑区、围场山湾子区和隆化茅荆坝区可能分布有干热岩资源(图1)，具有埋藏相对较浅、温度相对较高之特点，详见表2。

表2 河北省干热岩地热资源评价区(预测)

4 干热岩成矿模式初析

河北省尚未开展过干热岩资源研究工作，但根据目前国内外学者对干热岩成因机制的研究，可以初步确定河北地区主要可分为沉积盆地型、沉积盆地型叠加高温放射型、近代火山型和板块俯冲型干热岩成矿干热岩资源，各区块解释如下：

4.1 柏乡区干热岩成矿模式

从构造上分析，该区主要受燕山运动及新构造运动的影响，形成了柏乡背斜的同时，居里面在也区内呈凸起状，上地幔高热流传热和较薄的岩石圈厚度及花岗岩、片麻岩放射性元素衰变产热，使得区内背斜轴部大地热流值呈高值异常特征。从区内地下水HCO3/Cl比值、地下水年龄及水化学相关性分析表明，柏乡背斜轴部区地下水表现为深部循环特征，均来自深部古大气降水补给，侧向补给极少，可视为静水，表明浅层地温异常主要来自基岩辐射传热，属于热传导型地热资源。从热转移方式分析，来自地壳深部的热流不断流向背斜轴部。在温度梯度的推动下，地球内部热通过岩石圈热流向趋于热平衡的背斜隆起区传热，使得区内地热资源传热整体以无物质参与循环的热传导为主即地壳和上地幔岩石热传导加热地壳及基岩，基岩太古界热储层被加热，温度升高。由于新生界沉积盖层热导率低，热阻高，热传导受阻，且由前文深部地温分析，埋藏于新生界之下的太古界变质岩温度可以超过150℃(图4)，因此本区轴部区域具备形成干热岩地热资源潜力。

综上，该区所形成的干热岩矿藏属沉积盆地成因类型，其成矿模式见图6。

图6 柏乡背斜构造区干热岩成矿模式图Figure 6 Baixiang anticline structural area hot and dry rock mineralization mode

4.2 牛驼镇、马头营干热岩成矿模式

牛驼镇、马头营地温场的热源主要为幔源热和地壳岩石中放射性元素衰变生成的热。研究表明，地温状况受基底形态及邻区构造特征影响，一般来说，来自地球内部的热流在向上传导的过程中，局部由负构造区向正构造区集中，地壳深部的热流量，于基岩凸起即埋藏比较浅的地方相对局部集中，在基岩凸起区的浅部形成高地温梯度[16]。因此该区具有形成高地温梯度的潜力。另外，根据相关研究成果，酸性花岗岩体具有较高的放射性产热特征，酸性花岗岩体的存在，对区域地温场的形成有很大促进作用，相关资料表明该区有燕山期花岗岩侵入体的分布，这构成了该区地温场的附加热源。而且由于该区基岩之上分布良好的热储盖层，来自地壳深部的热流以传导方式在凸起区积聚而得以保存，由此使研究区地温场呈现高异常分布之特征。

综上，该区所形成的干热岩矿藏属沉积盆地并叠加了高温花岗岩体成因类型，其成矿模式见图7。

图7 沉积盆地型叠加高温放射型干热岩成矿模式图(据参考文献[22]，有删改)Figure 7 Sedimentary basin superimposed high temperature radiation type hot and dry rock mineralization mode (after reference [22], revised)

4.3 后郝窑区和茅荆坝干热岩成矿模式

该区构造带中有大量的中酸性岩浆岩，炙热的岩浆为地温的升高提供了热源。据本次野外调查取样结果分析，地下热水中含有较高的氟离子和可溶性的偏硅酸，氟离子的出现是岩浆或热液对热水影响所致，可溶性的偏硅酸可能与岩浆中二氧化硅迁移有关，因此可以初步推断热源与岩浆源所造成的热液活动有着密切的关系。同时在地表出露岩石中也具有明显的岩石蚀变现象。如在怀来后郝窑区温泉附近有明显的绢云母化、高岭土化和碳酸盐化，这些蚀变的矿物一般认为与火山活动的残余热有关。因此该区的地热能来源以岩浆活动为主。

该区-4 000m深度处为深成变质岩，地温超过150℃，且新生界盖层厚度一般在300～500m，符合干热岩地热资源开发利用条件。

综上，该区所形成的干热岩矿藏属近代火山型成因类型，其成矿模式见图8。

4.4 围场山湾子干热岩成矿模式

图8 火山型干热岩成因模式(据参考文献[22]，有删改)Figure 8 Volcanic hot and dry rock genetic mode (after reference [22], revised)

图9 围场山湾子区次流纹岩典型野外照片Figure 9 Typical field photos of sub-rhyolite in Shanwanzi area, Weichang

该区位于华北克拉通北缘，据前人的研究成果[23]，该区中-晚三叠世的流纹岩(图9)形成于华北陆块与蒙古弧陆块碰撞拼合之后， 可能为岩石圈拆沉和减薄之后的板内伸展构造背景下软流圈上涌导致地幔溶融，幔源玄武质溶体上升底侵古老下地壳,造成下地壳部分溶融,进而加热上地壳岩石，上地壳温度升高，在断裂交汇处，地下水循环加热涌出地表形成高温温泉。因此该区基底地温也较高，据热传导公式估算埋深4 000m，地温超过170℃，且区内4 000m处岩性为深成变质岩，新生界盖层厚度较厚，符合干热岩的“热、储、盖”条件，因此该区也可能为干热岩资源成矿区。综上，该区所形成的干热岩矿藏属板块俯冲型干热岩成因模式，其成矿模式见图10。

图10 板块俯冲型干热岩成因模式Figure 10 Plate subduction type hot and dry rock genetic mode

综上分析，在柏乡背斜构造区、牛驼镇凸起区、马头营凸起区、怀来后郝窑区、赤城东万口区、丰宁三道河区、和隆化矛荆坝和围场山湾子区具备干热岩形成的热、储、盖成矿条件，是寻找干热岩地热资源的理想区域。

5 结论与建议

(1)初步选出柏乡背斜构造区、牛驼镇凸起区、马头营凸起区、怀来后郝窑区、隆化矛荆坝和围场山湾子区6块干热岩地热资源潜力区。

(2)干热岩地热资源勘查远景区4 000m水平岩性为低孔隙度和渗透性而缺少流体的高温深成变质岩系；热储盖层为低传导率、高热阻率的新生界松散沉积地层；热源以地幔热流、地壳放射性产热或岩浆源产热形式通过深大断裂或热传导方式加热于基岩构造凸起区或山间盆地构造活动区变质岩系；各区块具备干热岩形成的生、储、盖地质条件。

(3)干热岩潜力区成矿模式可分为沉积盆地型干热岩成因模式(柏乡背斜构造区)；沉积盆地型叠加高温放射型干热岩成因模式(牛驼镇和马头营凸起区)；近代火山型干热岩成因模式(怀来后郝窑和隆化矛荆坝)以及板块俯冲型干热岩成因模式(围场山湾子)。

(4)河北省干热岩地热资源勘查开发前景较好，具有较好的干热岩勘查开发前景，且潜力巨大，尚需开展更详细的勘查，为区内干热岩资源勘查、开发利用提供地质依据。