2020, Vol. 39
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
3. 自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心, 河北 石家庄 050061;
4. 江西省地质矿产勘查开发局赣南地质调查大队, 江西 赣州 341000;
5. 深圳市市政设计研究院有限公司, 广东 深圳 518000
2. China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
3. Technological Innovation Center of Geothermal&Hot Dry Rock Exploration and Development, MNR, Shijiazhuang 050061, Hebei, China;
4. South Jiangxi Geological SurveyingParty, Jiangxi Bureau of Exploration and Development of Geology and Minerals, Ganzhou 341000, Jiangxi, China;
5. Shenzhen Municipal Design and Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong, China
区域大地热流值特征是地热场特征的综合表征[1-2]，是地球内部热动力过程的地表显示[3-4]。放射性元素衰变是地球内热的重要来源，也是地热资源的主要热源之一[5-6]。研究区域大地热流特征及主要岩性放射性，对于研究区域地热资源成因及开发利用潜力具有重要意义[7]。截至目前，江西省境内实测热流点21个(图 1)，北部较多，南部较少[8]。宁都县位于江西省中部，地热资源丰富，尤其县城以北地区近年来发现多处地热田[9]，地热开发潜力较大，但区内大地热流测量工作仍为空白，地热研究程度较低，制约着区域地热资源的研究与可持续发展。因此，本文选定宁都县北部为典型区，结合钻孔测温、钻孔温度监测、岩心热物性参数测试等方法，计算该地区大地热流值与主要岩性放射性生热率，分析区域地热资源成因机制，可为该地区地热地质研究提供基础数据，为区域地热资源开发利用提供技术指导。
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图 1 研究区位置及地热地质条件略图(据参考文献[9]修改) Fig.1 Location of the study area and schematic map of geothermal geology |
宁都县位于江西省中部，县城以北约2000 km2的范围内发育小布镇、龙归山、石上镇、罗陂等地热田(图 1)，分布较密集。该区域位于鹰潭-安远深断裂带与大余-南城断裂带之间，属东南造山带的赣南隆起带。鹰潭-安远深断裂带呈北北东向延伸，切割深度达20 km，断裂受多期次构造活动影响，形成大量相互平行的次级断裂。大余-南城断裂带呈北东向延伸，在宁都县以北与鹰潭-安远深断裂带相交，该断裂由一系列数十千米到百千米的冲断层或斜冲断层排列组成[10]。2条大断裂带及其次级断裂切割了基底变质岩及不同期次的岩浆岩，为地热资源的形成提供了良好的导热导水通道。区内广泛发育多期次的岩浆岩，侵入体接触带多发育混合岩。这些岩层受断裂切割，为区域地热资源的赋存提供了良好的赋存空间。部分地区出露第四纪、白垩纪形成的红层，厚度较薄，是较好的热储盖层。
研究区现有地热田均位于两大断裂带周边。其中小布镇地热田位于大余-南城断裂带以西，天然温泉水温26℃，并由中国地质科学院水文地质环境地质研究所2019年首次钻获水温45℃的地热井。石上镇、罗陂地热田均位于鹰潭-安远深断裂带以东，石上镇地热钻孔出水温度约78℃，罗陂地热钻孔水温约40℃。龙归山地热田位于2条断裂带交汇处，地热钻孔出水温度为25~48.5℃。
2 钻孔地温测量在研究区的4个地热田开展了钻孔地温测井、孔底测温、地温监测与资料收集工作，随钻孔底测温采用TH212型深井测温仪，测量范围为0~350℃，精度0.01℃。地温测井采用SKD-3000B测井车进行，测量范围为-50~100℃，分辨率为0.05℃，精度为0.2℃。地温监测采用TD-016C型地温监测系统，测量范围0~90℃，分辨率为0.05℃，精度为0.2℃，监测时间间隔1 min。孔底测温为随钻测温，地温测井工作为钻探完成48 h后进行，满足水文测井工作规范(DZT 0181—1997)，ZK1钻孔地温监测工作为完井180 d后进行，持续时间30 d，监测数据为监测开始后15~30 d的平均值。综上，孔底测温与地温监测所测井温基本恢复达到稳态或似稳态状态[11]。各钻孔测温数据如图 2所示，其中小布镇ZK1、龙归山ZK002钻孔井口温度小于30℃，在大部分深度范围内温度变化较均匀，井温-深度关系呈现明显的线性特征，地温梯度变化较小。而龙归山ZK001、ZK201、石上镇ZK2井口温度大于50℃，随深度增加井温基本没有变化，井温受地下水影响明显。石上镇ZK2井在450 m深度附近甚至出现地温梯度为负值的情况，应为在该深度周边岩层中大量冷水汇入所致。
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图 2 宁都县北部主要地热钻孔测温曲线 Fig.2 Temperature curve of main geothermal wells innorthern Ningdu County |
综合岩性特征与抽水试验成果分析，小布镇ZK1井主要热储为断裂切割岩浆岩层形成的多层小型裂隙带，主要在154~158 m、292~293 m、339~340 m、461~469 m、587~589 m五个深度段发育，累计厚度16.10 m。龙归山的多口地热井热储呈带状分布，赋存于混合岩断裂裂隙中，热储段在303~661 m深度多层发育，不同层位渗透性不均。石上镇ZK2钻孔主要在82~210 m、372~602 m发育裂隙，其中在400~500 m深度范围内有冷水混入，使水温降低，形成负地温梯度(图 2)。
基于以上钻孔温度特征与钻孔含水层特征，选取小布镇ZK1、龙归山ZK002两口井中温度-深度曲线较平直、受地下水影响较小的深度段进行地温梯度的计算，结合该深度段内的地层热导率测试数据，求得当地代表性大地热流值。收集到的资料中，龙归山地热田4口钻孔在钻探过程中进行了定深孔底测温，因为孔底温度相较于其他部位更接近于原始岩温[12]。同时，龙归山地热田地热井系统测温受裂隙导热影响较大，因此龙归山ZK002井采用孔底温度变化曲线参与计算。
综上，分别选取小布镇ZK1井的200~420 m深度段(图 3)系统测温数据与龙归山ZK002井的230~320 m段孔底测温数据(图 4)为温度计算数据，结合岩心热导率测试结果，进行大地热流值计算。
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图 3 小布镇ZK1钻孔大地热流计算段地温梯度-深度剖面 Fig.3 Geothermal gradient-depth profile of well ZK1 for heat flow calculation in Xiaobu County |
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图 4 龙归山ZK002钻孔系统测温及孔底测温曲线对比 Fig.4 Comparison for systematic temperature measurement and temperature-sensing curves of bottom well ZK002 in Longgui Mountain |
本次共取得小布镇ZK1钻孔热导率测试岩样8组，取样深度为80~610 m。小布镇ZK1钻孔，0~29 m深度为花岗岩风化层，29~284 m为粗粒花岗岩，280~350 m为中细粒花岗岩，350~386 m、386~434 m为上述2类花岗岩互层，434~590 m为中细粒花岗岩，590 m以下又变为粗粒花岗岩。龙归山ZK002孔共取岩样6组，以混合岩为主，其中17 m以上为沉积层与风化层，17~422 m大部分为浅灰色-浅肉红色条带状混合岩，其间夹杂多层厚度较小的硅化破碎带、墨绿色混合岩、浅灰色细晶岩等岩层，厚度一般不超过15 m。
岩石热导率测试由东华理工大学完成，使用仪器为德国生产的TCS(Thermal Conductivity Scannng)热导率自动扫描仪，测量范围为0.2~25 W/(m·K)，测量精度为3%。如表 1所示，本区主要岩心热导率变化范围为2.46~4.35 W/(m·K)，平均值为3.32 W/(m·K)，岩层导热效果较好，利于地层热量的传播。粗粒花岗岩与中细粒花岗岩热导率无明确差别，但受裂隙带及破碎程度影响，热导率差别较大。混合岩热导率变化较小，介于3.11~3.57 W/(m·K)之间。
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表 1 宁都县北部主要钻孔岩性热导率与放射性参数 Table 1 Lithologic heat conductivity and radioactive parameters for main wells innorthern Ningdu County |
根据所选取的测温段与该段岩层热导率，对研究区2口地热井的大地热流进行分段加权平均，即:
| $ Q = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{Q_i}{L_i}}}{L}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{\Delta {T_i}{K_i}}}{{{L_i}}}} \frac{{{L_i}}}{L} $ | (1) |
式中：Q为该井计算所得的大地热流值；Qi为其中某一测温段Li的大地热流值，由该测温段的地温梯度ΔTi/Li与该段的热导率Ki相乘得来；L为所有测温段长度Li的总和。所得结果如表 2所示。
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表 2 宁都县北部大地热流值计算成果 Table 2 Terrestrial heat flows calculation results innorthern Ningdu County |
其中，ZK1的200~420 m测温段根据岩性不同(图 3)分为4段，分别为200~300 m、300~340 m、340~400 m、400~420 m；ZK002的230~320 m测温段根据岩性不同(图 5)分为5段，分别为230~243 m、243~251 m、251~284 m、284~301 m、301~320 m。
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图 5 龙归山ZK002钻孔大地热流计算段地温梯度-深度剖面 Fig.5 Geothermal gradient-depth profile of well ZK002 for heat flow calculation in Longgui Mountain |
同时，由于岩石的热导率受温度的影响，为获取精确的大地热流值数据，需对不同温度下岩层热导率进行校正，校正公式为：
| $ \begin{array}{l} K\left( 0 \right) = K\left( {25} \right)\left\{ {1.007 + 25\left[ {0.0037 - 0.0074/K\left( {25} \right)} \right]} \right\}\\ \lambda \left( 0 \right) = \lambda \left( {25} \right)\left\{ {1.007 + 25\left[ {0.0037 - 0.0074/\lambda \left( {25} \right)} \right]} \right\} \end{array} $ | (2) |
| $ K\left( T \right) = K\left( 0 \right)\left\{ {1.007 + T\left[ {0.0036 - 0.0072/K\left( 0 \right)} \right]} \right\} $ | (3) |
式中：T为钻孔岩心原位温度(℃)，K(0)和K(25)分别为岩石在0℃和25℃时的热导率值，单位W/(m·K)。前人研究表明，该公式对中国大陆地区几千米内的地层较适用[11, 13]。
宁都县北部代表钻孔大地热流测量值与校正值如表 2所示。其中小布镇ZK1钻孔测温段长度、测温段数据质量、热导率测试样品数均达到了大地热流值测量的A类(最高级别)标准[14-16]，为新增A类数据点。龙归山ZK002钻孔测温曲线平直段较短，地温梯度变化较大，保守起见列为B类数据。小布镇ZK1钻孔大地热流值由4个岩性段所测得的热流值利用厚度加权平均而来。如图 3所示，根据各段热导率与地温梯度综合计算，最终标准偏差为5 mW/m2。同理，龙归山ZK002钻孔大地热流值标准偏差为12 mW/m2。
通过以上研究可知，宁都县北部大地热流值约为81~106 mW/m2，平均为93.6 mW/m2，略高于周边兴国县(79.7 mW/m2)、万安县(74.1 mW/m2)的实测数据[8, 17]，远大于全球大陆大地热流平均值65 mW/m2 [4]与中国陆区平均值62.5 mW/m2 [18-19]。实测数据说明赣南地区均属于高热流值区域，而宁都县北部的热流值尤其高。大地热流是最能确切反映一个地区地温场的参数[20-23]。研究区极高的大地热流值，表明该区域具有较高的区域热背景值，具备发育地热田的良好地热地质条件。研究区发育4处地热田(图 1)，在整个江西省属地热资源较丰富的地区，地热赋存条件与大地热流值较吻合。
5 区域岩层放射性特征研究区大量发育岩浆岩与混合岩(图 1)，其中花岗岩大面积分布，不同期次均有出露，混合岩类则多在断裂活动处发育，2类岩体放射性元素含量均较高[24]。在岩石的放射性元素中，U、Th、K元素丰度高、产热率大、半衰期长，具备热源条件[25]。岩石放射性生热率通过测量岩石中U、Th、K三种元素的含量计算得出。对于岩石生热率的计算，学者们提出了很多方法，目前应用较多的方法是Rybach[26]提出的计算公式，其计算公式如下：
| $ A = 0.01\rho \left( {9.52{C_u} + 2.56{C_{Th}} + 3.48{C_k}} \right) $ | (4) |
式中：A为岩石放射性生热率(μW/m3)；ρ为岩石密度(g/cm3)；Cu、CTh、CK分别为岩石中U(10-6)、Th(10-6)、K(%)。岩石U、Th、K含量及密度测试由核工业二三○研究所分析测试中心完成，U、Th使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定，不确定度为1%~10%，K元素由X射线荧光光谱仪(XRF)测定，不确定度为1%~2%。
宁都县北部主要岩性的U、Th、K含量及放射性生热率如表 1所示。主要岩性放射性生热率平均值为6.47 μW/m3。按岩性统计，花岗岩类平均值为5.67 μW/m3，混合岩类平均值为7.92 μW/m3；均大于5 μW/m3，属于高产热岩体[27-28]；按区域统计，小布镇岩体放射性生热率平均值为5.32 μW/m3，龙归山平均值为8.01 μW/m3，与小布镇主要出露花岗岩，龙归山地区主要出露混合岩类有关。前人研究表明，漳州、共和等地热田花岗岩类岩体平均生热率分别为4.13 μW/m3和3.2 μW/m3，广东热水岩体最高为7.60 μW/m3，法国中央高原岩最高为5.25 μW/m3 [29-33]。研究区主要岩体生热率高于以上知名地热田。由原地矿部实施的新疆阿尔泰-四川黑水-台湾地学断面穿过宁都县北部地区，沿线地质区带图及地壳速度剖面显示，宁都县北部沉积层仅几十米厚，下部为花岗岩基底，厚5~7 km，花岗岩基底之下为上地壳[34]。宁都县北部实测花岗岩生热率平均值为5.67 μW/m3，230 m深度以下实测值均大于平均值。因此，研究区花岗岩放射性衰变的热流贡献为28.35~39.69 mW/m2，占研究区域地表大地热流值的30%~42%，大于1/3，说明这些高产热岩体的放射性衰变产热可为研究区地热资源的形成提供热源[35-36]。
6 讨论基于以上研究，计算得出的宁都县北部大地热流值有2个，其代表性可从以下几方面说明。
(1) 宁都县北部共发育地热田4处，其中已开展地热钻探工作的有3处，共钻探地热井5口。本次收集了研究区现有全部地热钻孔的测温曲线(图 2)，并优选出小布镇ZK1、龙归山ZK002两口井中较平直的测温曲线作为基础测温数据，数据可用性较强，测点分布较均匀。
(2) 2个大地热流值的计算与校正严格按照历次中国陆区大地热流汇编的方法[8, 14-16]进行，连续测温段均超过50 m，计算热流值所用的岩石热导率为钻孔内对应深度岩心实测结果，均达到A类点的标准[12]，数据精确性较强。
综上，本次全面收集并分析了宁都县北部的地温测井、岩心热导率、放射性特征及基础地质条件，在研究区增加高质量大地热流值测点2个，有效填补了该区域大地热流值测量点的空白，在现有研究程度下具有较好的代表性。
7 结论与建议本次在宁都县北部开展的地热地质调查及主要钻孔地温测井、岩心热导率、放射性测试等工作基础上，分析了研究区的构造控热条件、大地热流特征及地热成因机制。基于以上研究，得出如下结论。
(1) 根据实测资料计算，宁都县北部大地热流值平均值为93.6 mW/m2，远高于中国陆区平均值与全球陆区平均值，表明该区域热背景值较高，地壳、地幔均向地表散发大量热量，在较好的水热连通条件下易形成地热田。
(2) 宁都县北部地区主要岩体花岗岩及混合岩放射性生热率平均值高达6.47 μW/m3，在全球范围内属于较高水平，说明该区域大面积分布的花岗岩是区域热流值较高的重要因素之一，为区域地热的发育提供部分热源。
(3) 宁都县北部地热显示较多，且均发育于北东向展布的大余-南城断裂与鹰潭-安远深断裂沿线或其分支断裂上，地热水主要赋存于断裂形成的裂隙及破碎带中，表明两大断裂及其分支断裂为研究区的温泉、地热井提供了传热与导水的通道，区域地热资源发育主要受两大断裂控制。
综上，推测宁都县北部的地热资源成因机制为“高热流与高产热花岗岩体生热+多级次断裂控热导水”。该成因机制与区域地热资源分布规律及以上研究成果较吻合，对当地及赣南地区的地热资源勘查具有一定借鉴意义。同时，由于赣南地区地热基础研究程度较低，该模式在更大区域尺度上的适宜性仍有待进一步分析。建议在赣南地区继续开展大地热流值测量及构造控热研究工作，为赣南地区地热找矿提供更为有效的理论指导。
致谢: 感谢审稿专家对本文提出了宝贵意见，大地热流校正得到中国科学院地质与地球物理研究所胡圣标、姜光政老师的大力帮助，热导率测试得到东华理工大学王安东老师的帮助，在此一并致谢。
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