江西省第一口干热岩参数井地质特征研究

胡秋祥，宋炉生，陈姗姗

(江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌 330001)

干热岩是指地下由于低孔隙度和渗透性而缺少流体的高温岩体(汪集旸等，2012)。因其分布普遍和热储温度高的特点，具有较好的开发潜力与前景。国内专家学者相继开展了干热岩的相关研究工作，将中国干热岩资源赋存类型分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型(赵平等，1995；甘浩男等，2015；Zhang et al.，2018；江海洋等，2019；孙明行等，2020)。

江西省是典型的一次性能源匮乏地区，缺煤、少水(能)、无油、乏气，而作为高热流花岗岩地区(冉恒谦等，2010)，具有较好的高放射性产热型干热岩勘查开发前景。为进一步破解能源瓶颈约束，强化能源的支撑保障作用，笔者开展了江西省干热岩资源调查评价，发现江西省遂川—万安—古县—东乡断裂、东乡—德兴断裂以东存在放射性热保存较好的高产热隐伏岩体，优选干热岩有利区11个(伯慧等，2015；宋炉生等，2020)。在其中干热岩资源前景较好的龙南南有利区施工了江西省第一口干热岩参数井——热参1井，开展了地表采样、钻孔取芯、测井以及岩矿分析测试等工作。根据蔺文静等(2016)对我国东南沿海干热岩靶区选址研究确定的干热岩赋存的9个地热地质学指标，认为单位体积生热率、岩体规模是赋存干热岩资源的前提和基础，适合干热岩开发的区域应为热异常区域。因此全面对龙南南有利区的岩体、盖层热物理性质以及温度等重要参数进行分析研究，为进一步开展江西省干热岩资源评价提供依据。

1 地质背景

热参1井位于龙南县汶龙镇原汶龙镇煤矿范围内，地处龙南县火山碎屑岩盆地的东北边缘，出露的地层由老至新为寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及第四系(图1)。其中寒武系岩性主要为灰色变余细砂岩、粉砂岩、绢云母(炭质)板岩夹灰岩透镜体，底部见高炭质板岩或石煤层。泥盆系岩性主要为深灰色千枚岩、中细粒石英砂岩和页岩。石炭系岩性主要为灰白色灰岩、含钙白云岩、石英砂岩、炭质页岩等。二叠系岩性主要为灰黑色灰岩、泥岩、粉砂岩、石英砂岩、煤层等。三叠系岩性主要为灰黄色钙质页岩、粉砂岩。侏罗系岩性主要为灰黑色玄武岩、英安玢岩、流纹斑岩、凝灰岩等。白垩系岩性主要为紫红色砂砾岩、绢云母钙质中细粒长石砂岩。第四系主要为浅黄、灰白色砂质黏土、亚黏土、砂砾石等。

图1 龙南县南部地质简图Fig.1 Geological sketch of the south of Longnan county1.第四系;2.白垩系;3.侏罗系;4.三叠系;5.二叠系；6.石炭系;7.泥盆系;8.寒武系;9.燕山期辉长岩;10.燕山期花岗岩;11.温泉点;12.热参1井钻孔位置

区域上岩浆活动频繁，分布广泛，岩体主要为寨背岩体，属于铝质A型花岗岩，呈岩基状产出，出露面积约400 km2。岩体位于南岭东西向构造带东段，受三南—寻乌东西向断裂与鹰潭—安远断裂的复合部位控制，岩体呈反“L”型展布(陈培荣等，1998)。岩体侵入寒武系变质岩及志留纪、三叠纪岩体，并被早白垩世花岗岩及火山岩侵入。根据岩体中的锆石SHRMP U-Pb年龄测试为(171.6±5) Ma(Li et al., 2003)，其形成时代属中侏罗世。岩性主要为粗中粒黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、细粒斑状黑云母花岗岩、细粒二长花岗岩、花岗闪长岩。

本区处于南岭东西向隆褶带东段与于山北北东构造带复合部位，构造极为复杂，发育东西向、北北东向、北东向和北北西向构造带，以北东向构造为主，其中F1为北东走向的压扭性断裂，倾向南东，倾角40°～70°，宽2～10 m。主断面一般光滑平整，具擦痕及糜棱岩化，多硅化破碎。断裂蚀变主要为硅化、绿泥石化和叶腊石化。该断裂的次生断层出露有温度较高的汤湖温泉。

2 样品采集及测试

样品采集分为地表采样、钻孔取样。地表采样是在公路、采石场等人工开挖处采取新鲜岩石样品。钻孔取样时避开破碎岩芯，选择较完整的岩芯，取样长度20 cm左右，并尽量保证50 m深度范围内至少采样一件。本次共采集样品48件，其中地球化学测试样品28件(地表样品8件，岩芯样品20件)，热导率测试样品15件(地表样品2件，岩芯样品13件)，岩矿鉴定样品5件。

(1)岩矿鉴定。将岩石磨制成薄片，在偏光显微镜下进行综合分析，鉴定其矿物成分、含量等，根据国家标准GB/T17412.1—1998《火成岩岩石分类和命名方案》(中华人民共和国地质矿产部，1998)进行定名。本工作由中国冶金地质总局一局测试中心完成。

(2)地球化学分析。地球化学样品测试是将样品进行无污染碎样至200目，其中主量元素采用X荧光光谱仪全岩分析法分析，主要氧化物检测下限为0.01%；微量元素采用等离子质谱含铀钍矿物分析，铀钍等元素检测下限为0.05×10-6。本工作由澳实分析检测(广州)有限公司完成。

(3)热导率及密度测试。热物性样品测试是将样品加工成宽≥3 cm，长≥4 cm的光滑面，利用TCS热导仪测量出热导率(表1)。

表1 热导率测试仪器及精度Table 1 Instrument and accuracy of thermal conductivity test

密度采用排水法测得，先利用电子天平(精度0.000 1 g)测出样品质量，再用量筒测出相应样品排出水的体积，两者相除即为密度，每一块样品测量3次求其平均值作为该样的测试密度。本工作由西安交通大学地热与环境研究实验室完成。

3 岩性特征

热参1井位于龙南南有利区东北，原汶龙镇煤矿西侧，出露地层为侏罗系下统佘田群、三叠系下统大冶组、二叠系乐平组及第四系。本次钻探开孔地层为三叠系下统大冶组，穿过二叠系上统乐平组后进入寨背岩体，于深度1 000.35 m处终孔(图2)。三叠系下统大冶组为青灰色钙质粉砂岩，粉砂质结构，水平层理发育，岩石裂隙较发育，见有白色方解石脉、零星黄铁矿充填。二叠系上统乐平组以粉砂岩、细砂岩为主，局部见炭质泥岩。层理发育，裂隙较发育，充填黄铁矿及少量绿泥石。

图2 热参1井地质剖面简图Fig.2 Geological profile of the No.1 well 1.侏罗系下统佘田群;2.三叠系下统大冶组;3.二叠系上统大隆组;4.二叠系乐平组上段;5.二叠系乐平组中段；6.燕山期花岗岩;7.断层

寨背岩体以中细粒—中粗粒花岗岩为主(图3)，蚀变较强，见绿泥石化、水云母化，裂隙发育，局部硅化。常见碎裂蚀变花岗岩(图4)，具碎裂化结构，花岗结构，无定向构造。岩石在动力作用下，具碎裂、破碎特征，晶粒常有网格状裂纹，构造裂隙发育。斜长石含量为5%～10%，半自形板状，长0.55～2.50 mm，具较强的绢云母化，在应力作用下，晶粒网格状裂纹发育，裂隙中被绢云母或隐晶状石英充填。钾长石含量为55%～60%，半自形板状，长为0.3～2.0 mm，主要为条纹长石和正长石，次为微斜长石，在应力作用下，晶粒网格状裂纹发育，顺裂隙被绢云母或隐晶状石英交代。石英含量为25%～30%，半自形—他形粒状，大小为0.25～2.80 mm，不规则状消光，部分具裂纹。黑云母含量为2%～3%，片状，片径大小为0.2～1.3 mm，晶粒有弯折变形现象，局部呈集合体状，零星可见。次生石英含量为7%～8%，微晶—隐晶状，粒径为0.02～0.08 mm，充填于岩石裂隙。碳酸盐矿物含量较少，不规则状，粒径为0.05～0.20 mm，零星见于岩石裂隙中。

图3 粗粒花岗岩野外照片Fig.3 Field picture of coarse grained granite

图4 碎裂蚀变花岗岩显微镜照片(×50，+)Fig.4 Micrograph of cataclastic altered granite

4 岩石热物理性质特征

4.1 生热率

生热率估算采用公式(Rybach，1988):

H=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

式中，H为生热率(μW/m3)，ρ为密度(g/cm3)，CU，CTh，CK分别为铀(10-6)、钍(10-6)、钾(10-2)的丰度值。

本次在龙南南有利区的地表公路边、采石场等人工揭露处采取新鲜花岗岩样品8件，估算寨背岩体地表放射性生热率为3.96～9.74 μW/m3，平均为5.20 μW/m3(表2)。本区放射性生热率平均值(5.20 μW/m3)高于青海共和盆地花岗岩放射性生热率平均值(2.70 μW/m3，Zhang et al.，2018)、福建漳州花岗岩放射性生热率平均值(4.22 μW/m3，杨立中等，2016)。

为研究花岗岩岩体垂向上的生热率规律，在热参1井孔内采取花岗岩岩芯样20件测试其铀钍钾含量，估算生热率(表2)。

表2 龙南南有利区岩体生热率一览表Table 2 Heat generation rate of rock mass in Longnannan favorable area

热参1井岩体样品U含量为4.65×10-6～30.10×10-6，平均16.42×10-6。在0～700 m处U含量随深度增加而增加，之后趋于减小(图5)。

图5 热参1井U含量随深度变化关系图Fig.5 Relationship between U content and depth of the No.1 well

热参1井岩体样品Th含量为6.31×10-6～65.50×10-6，平均35.04×10-6,在0～1 000 m处Th含量随深度增加而增加，之后趋于稳定(图6)。

图6 热参1井Th含量随深度变化关系图Fig.6 Relationship between Th content and depth of the No.1 well

热参1井岩体样品生热率为2.61 ～11.37 μW·m-3，平均为7.08 μW·m-3，孔内平均生热率高于地表样平均值。在0～800 m处生热率随深度增加而增加，之后趋于稳定且略减小(图7)。

图7 热参1井生热率随深度变化关系图Fig.7 Relationship between heat generation rate and depth of the No.1 well

4.2 导热系数

地表实测花岗岩热导率为3.090 W/(m·K)，龙南火山碎屑岩盆地的主要盖层——侏罗系下统佘田群玄武岩，热导率为2.610 W/(m·K)。而在热参1井共采取了13个样品进行热导率测试(表3)，样品中泥岩热导率最低，为1.655 W/(m·K)，粉砂岩次之。因此花岗岩上覆盖层起到了较好的隔热作用，其放射性生热可较好地保存。

表3 热参1井岩石热导率Table 3 Thermal conductivity of the rock of the No.1 well

5 测井曲线特征

5.1 自然伽马

通过自然伽马测井测量热参1井岩层的天然放射性核元素的伽马射线强度。热参1井自然伽马值为0.30～5.72 PA/kg，其中花岗岩段为0.88～5.72 PA/kg。花岗岩段自然伽马值大于沉积岩层，且在花岗岩段自然伽马值总体随深度的增加而增加，之后趋于稳定，这与井内岩体铀钍含量及生热率变化规律相对应(图8)。

图8 热参1井自然伽马测井曲线图Fig.8 Natural gamma logging curve of the No.1 well

热参1井存在2处天然放射性异常，其中一处在钻井深度为185.9～188.9 m处，最大值达45.47 PA/kg，最大值深度为187.55 m；另一处在钻井深度为691.85～695.35 m处，最大值为30.11 PA/kg，最大值深度为692.7 m处。这2处天然放射性异常与断裂破碎带对应，其异常成因为断裂带处富集的U、Th等放射性元素引起的。根据岩芯及测井结果显示，本区深部断裂比浅部较少、规模较小。

5.2 温度

热参1井按照近稳态测温要求共进行了5次测温(图9)，井内每隔20 m一个测温点，由于未起钻时水位约为221.10 m，起钻后水位约为211.35 m，水位之上的温度因受大气影响，无实际意义，因此从220 m开始起计算地温梯度。用第5次的测量结果(表4)进行地温梯度的计算，1 000 m为46.8 ℃，220 m为24.3 ℃。计算地温梯度为(46.8-24.3) ℃/7.8 hm=2.88 ℃/hm。

表4 热参1井第5次测温成果表Table 4 Results of the 5th temperature measurement of the No.1 well

图9 热参1井温度曲线图Fig.9 Temperature curve of the No.1 well

6 干热岩资源前景分析

龙南南有利区火山碎屑岩盆地下隐伏有较大规模的高生热率花岗岩体，上覆有低热导率盖层(火山碎屑岩以及沉积地层中的泥岩、泥质粉砂岩等)，区内地热异常，在有利区西部有地表出露46.5 ℃的豆头温泉(1)江西省地质矿产局908探矿工程大队，1994.中华人民共和国区域水文地质普查报告1∶200 000龙南幅[R].，中部有孔口水温39～72 ℃的汤湖温泉(尹祝等，2011)。热参1井附近的原汶龙镇煤矿井下温度较高，煤矿主井西翼-83 m 水平曾发生突水，水温经测定长期保持 37 ℃，热参1井温度测井地温梯度为2.88 ℃/hm，高于江西省平均地温梯度2.01～2.50 ℃/hm(孙占学，2010)，为地热异常区。龙南南有利区深部断裂少于浅部且规模较小，有利于干热岩热量的保存。按热参1井地温梯度估算5 000 m深度温度为161.96 ℃，干热岩资源前景良好。

7 结论

(1)热参1井所在的龙南南有利区火山碎屑岩盆地下存在隐伏岩体(寨背岩体的深部延伸部分)，岩体生热率高；地表和钻孔花岗岩样品平均生热率分别为5.20 μW/m3和7.08 μW/m3。

(2)龙南南有利区盖层泥岩和玄武岩热导率分别为1.655 W/(m·K)和2.610 W/(m·K)，低于岩体热导率3.090 W/(m·K)，说明花岗岩产生的热量可较好的保存。

(3)在0～700 m处热参1井内岩体铀含量随深度增加而增加，之后趋于减小；在0～800 m处钍含量、自然伽马值及生热率总体随深度增加而增加，之后趋于稳定。

(4)龙南南有利区岩体生热率高，盖层热导率低，地温异常，深部断裂较少、规模较小，干热岩资源前景较好。