漳州岩体放射性生热率特征及干热岩资源潜力*

杨立中　刘金辉　孙占学, 　王安东　万建军　周　毅

(1.东华理工大学水资源与环境工程学院；2.省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地)



漳州岩体放射性生热率特征及干热岩资源潜力*

杨立中1刘金辉1孙占学1,2王安东2万建军2周毅1

(1.东华理工大学水资源与环境工程学院；2.省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地)

摘要分析了漳州岩体地表钻孔岩石样品的密度以及铀、钍、钾含量，并进行了放射性生热率计算及生热率特征分析。在此基础上，对漳州岩体放射性生热率进行比较、干热岩地热地质特征分析和干热岩资源量估算，结果表明：漳州岩体具有较高的放射性生热率、良好的干热岩地热地质背景、较大的干热岩资源储量，总热能为3.244×10(21)J，折合标准煤约110.71亿t，提取2%折合2.21亿t标准煤，提取20%折合22.14亿t标准煤，提取40%折合44.28亿t标准煤，且主要以高温形式存在，占总资源量的91.37%，干热岩资源潜力较大。上述研究成果可为福建地区干热岩资源勘查评价及开发利用提供依据。

关键词放射性生热率干热岩资源潜力储量估算资源勘查评价

在地壳岩石中含有多种放射性元素，该类放射性元素衰变释放出的热能是地球内热的主要热源之一[1]。对地球内热有明显贡献的放射性元素须具备足够丰度、生热量大、半衰期长等3个条件，U、Th、K等放射性元素具备上述条件，属于放射性生热元素。我国东南沿海地区花岗岩类分布广泛，大面积出露，并与多种金属矿床(如铀矿床等)和地热异常(如温泉等)关系密切[2-3]，表明该区花岗岩体有重要的放射性地热地球化学研究价值。我国东南沿海地区花岗岩放射性生热率分布以粤中—赣南为核心，向外扩展呈下降趋势，其中福建、江西花岗岩放射性生热率均值为3.3 μW/m3，浙江为3.4 μW/m3，安徽为2.1 μW/m3，广东高达5.7 μW/m3，可见该区花岗岩的放射性生热率普遍较高[4]。总体来讲，我国东南沿海地区花岗岩放射性生热率研究程度较高，但就福建省而言，仅有89个岩石放射性生热率数据(其中花岗岩55个、非花岗岩34个，花岗岩放射性生热率数据中钻孔数据38个，地表露头数17个[5-6])，可见福建岩石放射性生热率数据资料较少，无法满足干热岩勘查工作要求。为进一步完善福建地区岩石放射性生热率资料，本研究对漳州岩体采集16块具代表性的地表露头样品和38块钻孔岩芯样品进行放射性生热率特征研究，为该区干热岩勘查提供参考。

1漳州岩体地质概况与样品采集

1.1漳州岩体地质概况

漳州岩体位于福建东南沿海漳州—长泰一带，出露面积达900 km2，为由燕山晚期辉长苏长岩、石英二长闪长岩、花岗闪长岩、更长环斑二长花岗岩、细粒花岗岩、晶洞碱长花岗岩和碱长花斑岩等7次侵入体组成的复式岩基，岩体位于福安—南靖和仙游—云霄NE向断裂与厦门—漳州EW向断裂交汇处北侧，同时受汤川—钟魏NE向隐伏背斜控制，为一等轴状岩基(图1)，围岩主要由上侏罗统南园组英安质-流纹质晶屑凝灰熔岩和晶屑凝灰岩、下侏罗统梨山组和上三叠统文宾山组含长石石英砂岩、粉砂岩等组成[7]。

1.2漳州岩体地热异常

岩体地热异常主要以热泉、温泉形式显示，漳州地热田是目前我国东南沿海地区(除台湾地区以外)已发现的中—低温地热田中温度最高的，钻孔揭露的热水温度：孔口106 ℃，孔底90 m 121.5 ℃[8]。可见，漳州岩体具有良好的地热背景。

1.3岩体样品采集

图1　漳州岩体构造位置[7]

图2　漳州岩体取样点布置

图3　漳州岩体

2漳州岩体放射性生热率特征

2.1密度

将采集的样品进行适当处理后，用电子天平蜡封法测量所有样品的密度(误差±5%以内)，结果表明：地表样品密度2.36～2.84 g/cm3，钻孔样品密度2.18～2.78 g/cm3，平均2.60 g/cm3。

2.2U、Th、K含量

U、Th、K含量均在广州澳实测试中心完成，U、 Th含量测定采用ICP-MS溶液法，数据精度在 ±10%以内，检测下限4×10-6，上限1 000×10-6；K2O含量采用X射线荧光光谱法(XRF)测定，检测下限0.01%，上限50%，测试精度误差在±5%以内。测试结果均在检查范围内，无异常值，见表1。由表1可知，w(U)平均7.57×10-6，w(Th)平均30.41×10-6，w(K)平均4.16%，漳州岩体U、Th、K含量分布具不均一性。

表1　漳州岩体U、Th、K含量

2.3放射性生热率计算

放射性生热率是指单位体积岩石中所含放射性元素在单位时间内经放射性衰变所产生的能量。本研究采用Rybach 根据修正后的天然放射性核素计算公式进行计算：

(1)

式中，A为岩石放射性生热率，μW/m3；ρ为岩石密度，g/cm3；CU、CTh分别为岩石中U、Th含量，(×10-6)；CK为岩石中K含量，%。

表2　漳州岩体放射性生热率

2.4放射性生热率分布特征

放射性生热率在花岗岩体中的分布主要由水平分布和垂向分布组成。区内花岗岩体放射性生热率水平分布呈多样性，不存在统一规律(图4)[9]。在垂向上，因岩石放射性生热率以酸性岩类最高，超基性岩类最低，随深度的增加岩石越来越偏基性，理论上讲，放射性生热率应随深度的增加而递减[10]，但地壳浅部岩石的放射性生热率并未随着深度的增加而成指数衰减，多呈锯齿状变化(图5、图6)[9]。

图4　漳州岩体放射性生热率水平分布(单位：μW/m3)

图孔放射性生热率随深度变化

图孔放射性生热率随深度变化

2.5漳州岩体放射性热流贡献率

地壳岩石放射性热流是影响地表热流大小的因素之一，尤其是花岗岩体大面积分布的地区，地表热流中的放射性热流占相当大的比例。中国东南地区放射性热流占地表热流的40%以上[11]，若漳州地区背景热流(73.2 mW/m2)的40%由放射性生热提供,则需厚5 km厚的花岗岩体，若全部由放射性热流提供，则需13 km厚的花岗岩体[5]，福建地区由地壳放射性生热产生的平均热流值为71.81 mW/m2，占地表热流的51.17%[12]。

漳州地区深成岩体一般厚7±2 km，最厚不超过12.0 km，区内地壳分为上地壳和下地壳，上地壳厚16.5～18.8 km，下地壳厚12.0～13.0 km，上地壳分为上下2部分，在上地壳下部有1个低速层，速度约6.0 km/s，低速层顶部深约12.0 km，厚约5.0 km[13]，总体上，漳州岩体厚度在12 km以内。本研究漳州岩体实测生热率为4.22 μW/m3，对于厚度不超过5 km的岩体，放射性生热率取值为4.22 μW/m3；对于厚5～12 km的岩体，放射性生热率取值为3.11 μW/m3，背景异常热流值取95.0 mW/m2，漳州岩体放射性热流贡献率计算结果见表3。由表3可知：漳州岩体放射性热流和放射性热流贡献率随厚度的增大而增大，放射性热流平均值为26.71 mW/m2，放射性热流贡献率平均值为28.12%，可见，漳州岩体放射性热流是该区地表热流异常值的重要组成部分。

表3　漳州岩体放射性热流及热流贡献率

3漳州岩体干热岩资源潜力评价

干热岩是温度一般大于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。该定义是基于商业开发目的得出的，即埋深在钻探范围内温度大于200 ℃的高温岩体具有商业开发价值。我国干热岩资源开发利用仍处于起步阶段，国内尚无干热岩试验电站，从我国实际情况出发，可将4 km深度内且岩体温度不低于150 ℃的地区作为干热岩发电试验的重点靶区和干热岩资源远景区。我国大陆3～10 km深度段干热岩地热资源总量相当于715～860万亿t标准煤，按2%的可开采资源量计算，为我国大陆2010年能源消耗总量的 4 400～5 200倍[14-16]，其中福建是我国干热岩资源较丰富的省份之一，据初步估算，10 km以内深度的资源储量超过50万亿t标准煤，而漳州市干热岩储量占福建省的40%，相当于20万亿t标准煤[17]。表明我国干热岩资源总体丰富，福建省漳州市干热岩开发前景较好。

3.1岩体放射性产热能力评价

为综合评价漳州岩体产热能力，将其放射性生热率与国内外其他花岗岩体进行对比，部分花岗岩体放射性生热率见表4。由表4可知：岩体平均放射性生热率为4.13 μW/m3。本研究得出的漳州岩体放射性生热率为4.22 μW/m3，尽管目前尚无具体根据花岗岩体放射性生热率判断岩体产热高低的具体标准，但从比较结果看，漳州岩体应属中等偏高的放射性产热岩体。

表4部分花岗岩体放射性生热率[6]

μW/m3

3.2岩体干热岩地热地质特征

通常将1个潜在的适合干热岩开发的区域划分为2个部分，即埋藏于地下一定深度的变质岩或结晶岩体(基底)以及上覆于基底之上的盖层。可见，只有基底和盖层具备一定条件时才适合作为干热岩体进行开发。目前，世界上关于干热岩体的评价尚无具体的地热地质学标准，但从理论上讲，具备干热岩体开发的岩体应具有一些必要的地热地质学特征。为此，分别从地质、地球物理、地热地质等角度总结了漳州岩体的地热地质学特征，见表5。由表5可知：漳州岩体基本具备了良好的干热岩地热地质特征。

3.3漳州岩体干热岩资源量估算

干热岩资源量(Q)主要采取体积法进行估算，公式[15-16]如下：

(2)

式中，ρ为岩石密度，g/cm3；Cp为岩石比热容，J/(kg·℃)；V为岩体体积，m3；T(z)为计算深度的岩体温度，℃；z为岩体深度，m；T0为地表温度，℃。

在稳态热流状态下的深部温度计算公式[15-16]为：

(3)

式中，q0为地表热流值，mW/m2；K为岩石热导率，w/(m·K)。

本研究漳州岩体各参数取值见表6。

表5　漳州岩体干热岩地热地质学指标[5,7,18-21]

表6　漳州岩体干热岩资源量估算参数[6-7,10,14-15]

注：D为放射性元素富集层厚度，S为岩体面积，T0取漳州地区多年平均温度。

本研究干热岩的评价深度为3～10 km[15]，据表6及式(2)、式(3)，分别计算了漳州岩体3～10 km深度内各段的干热岩资源潜力，结果见表7。由表7可知：漳州岩体3～10 km深处干热岩热能总量为3.244×1021J，折合标准煤约110.71亿t，干热岩能量提取上限为40%，按下限2%提取折合2.21亿t 标准煤，按中值提取20%折合22.14亿t标准煤，按上限提取40%折合44.28亿t标准煤，其中≥150 ℃的干热岩热能为2.964×1021J，约占热能总量的91.37%，可见，漳州岩体干热岩资源以高温资源为主，且干热岩资源总量超过100.0亿t标准煤。为此，该区不仅有利于干热岩开发，而且应成为我国深层地热资源开发的首选地区[22-23]。从放射性产热能力、放射性热流贡献率、干热岩地热地质背景和干热岩资源总量等方面看，漳州岩体干热岩开发潜力较大。

表7　漳州岩体3～10 km深处干热岩资源估算结果

4结语

通过对漳州地区岩体进行系统的地表和钻孔取样，并对样品进行密度以及U、Th、K含量测试，经相关计算获得了漳州岩体样品放射性生热率值，据此对岩体分别从放射性生热率特征、放射性热流贡献率、放射性产热能力、干热岩资源潜力等方面进行了详细分析。研究成果可在一定程度上完善福建地区岩石放射性生热率数据，对于该区干热岩资源勘查及开发有一定的参考价值。

参考文献

[1]汪集旸，孙占学.神奇的地热[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2]张祖还，章邦桐.华南产铀花岗岩及有关铀矿床研究[M].北京：原子能出版社，1991.

[3]胡郁乐，张惠.深部地热钻井与成井技术[M].北京：中国地质大学出版社，2013.

[4]赵平，汪集旸，汪缉安，等.中国东南地区岩石生热率分布特征[J].岩石学报，1995，11(3)：292-305.

[5]庞忠和.漳州盆地地热系统成因模式、热能潜力与热水分布规律[D].北京：中国科学院地质与地球物理研究所，1987.

[6]赵平.中国东南地区岩石生热率研究[D].北京：中国科学院地质与地球物理研究所，1993.

[7]周珣若，吴克隆.漳州I-A型花岗岩[M].北京：科学出版社，1994.

[8]熊亮萍，汪集旸，庞忠和.漳州热田的对流热流和传导热流的研究[J].地球物理学报，1990(6)：702-711.

[9]赵平，汪集旸，汪缉安.热流和岩石生热率关系的研究[J].地质科学，1996，31(3)：297-305.

[10]卡普迈耶，海涅尔.地热学及其应用[M].北京：科学出版社，1981.

[11]胡圣标，汪集旸.中国东南地区地壳生热率与地慢热流[J].中国科学，1994，24(2)：185-193.

[12]周江羽，吴冲龙，庄新国.浙闽粤东部地热场研究及其意义[J].地质科技情报，1997，16(2)：7-12.

[13]朱金芳，方盛明，张先康，等.漳州盆地及其邻区地壳深部结构的探测与研究[J].中国地震，2006，22(4):405-417.

[14]袁玉松，马永生，胡圣标，等.中国南方现今地热特征[J].地球物理学报，2006，49(4)：1118-1126.

[15]汪集旸，胡圣标，庞忠和，等.中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J].科技导报，2012，30(32)：25-31.

[16]蔺文静，刘志明，马峰，等.我国陆区干热岩资源潜力估算[J].地质学报，2012(5)：807-811.

[17]庄庆祥.福建省干热岩研究第I期工程项目中地热发电内容的探讨[J].能源与环境，2012(2)：53-54.

[18]熊绍柏，金东敏，孙克忠，等.福建漳州地热田及其邻近地区的地壳深部构造特征[J].地球物理学报，1991，34(1)：55-63.

[19]林锦华.漳州断陷盆地及发震构造[J].地壳形变与地震，2001，21(1)：85-89.

[20]陈宗基.福建地热地球物理研究[J].北京：中国科学技术出版社，1992.

[21]万天丰，褚明记，陈明佑.福建省岩石圈的热状态与地热资源的远景评价[J].地质学报，1988(2)：178-198.

[22]廖志杰，万天丰，张振国.增强型地热系统：潜力大、开发难[J].地学前缘，2015，22(1)：335-343.

[23]黄少鹏.中国地热能源开发的机遇与挑战[J].地热能，2015(1)：11-16.

Study of the Characteristics of Radioactive Heat Production Rate and Hot Dry Rock Resources Potential in Zhangzhou City

Yang Lizhong1Liu Jinhui1Sun Zhanxue1,2Wang Andong2Wan Jianjun2Zhou Yi1

(1.School of Water Resources & Environmental Engineering,East China Institute of Technology;2.State Key Laboratory Breeding Based of Nuclear Resources and Environment)

AbstractThe contents of U, Th, K of the rock samples collected in Zhangzhou city are tested and analyzed, besides that, the radioactive heat production rate is computed and the radioactive heat production rate characteristics is discussed.Based on the above analysis results, the radioactive heat production rate of the rock samples is conducted contrastive analysis, the geological characteristics of the hot dry rock resources is analyzed and the hot dry rock resources is estimated. The results show that the rock mass in Zhangzhou city with high radioactive heat production rate, good geothermal geological background and large reserves of hot dry rock resources,the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhangzhou city is 3.244×10(21)J, which is equivalent to the heat energy provided by 11.071 billion ton standard coal, the 2% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 221 million ton standard coal, the 20% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 2.214 billion ton standard coal, the 40% of the total heat energy of the hot dry rock resources in Zhanghzou city is equivalent to the heat energy provided by 4.428 billion ton standard coal,the heat energy of the hot dry rock resources in Zhangzhou city is existed mainly in the form of high temperature, which is the 91.37% of the total resources reserves, the hot dry rock resources potential of the area is large. The above research result can provide reference for the exploration,evaluation, development and utilization of the hot dry rock resources in this area.

KeywordsRadioactive heat production rate, Hot dry rock, Resources potential, Reserves estimation

(收稿日期2016-01-03)

*中国地质调查局计划项目(编号：[2011]01-17-31)。

杨立中(1989—)，男，硕士研究生，330013 江西省南昌市昌北经济开发区广兰大道418号。