黄昌旗 林锋杰 叶冰斐

(1.福建省煤田地质局，福州，350000；2.福建省121地质大队，龙岩，364021)

1 福建大地热流概况

福建境内大地热流值普遍较高，是全国大地热流高值区之一[1]。总体上大地热流值沿海高，内陆低，最低为武夷山—建宁往西北一线，大地热流值50 mW/m2以下；最高为福州—漳州沿海一线，大地热流值超过70 mW/m2，此外，三明和龙岩部分地区也有较高的大地热流值，均高于65 mW/m2(图1)。理论研究和生产实践均表明，适合干热岩开发的区域均为热异常区域，最明显的标志是大地热流值、地温梯度是否偏高，通常认为热流值在63～105 mW/m2区域才有干热岩开发价值[2]。因此，福建沿海一带是开发干热岩的有利地区。

图1 福建大地热流等值线及高值区燕山期主要岩体分布图(其中大地热流等值线据中国科学院地球物理研究所，福建省地质矿产局，1992)Fig.1 Distribution of main Yanshanian granitic rocks in high-value areas and isoline of geodetic heat flow, Fujian province

2 福建侵入岩概况

福建侵入岩分布广泛，出露面积4.23万km2，约占陆地面积34.87%，规模居华南诸省前列。侵入活动时期有吕梁期、晋宁期、加里东期、印支期、燕山期和喜马拉雅期。其中燕山期侵入岩规模最大，占全省侵入岩面积77%，其次为加里东期侵入岩，约占13%，其他均规模较小约占10%，依次为印支期、晋宁期、喜马拉雅期与吕梁期，其中喜马拉雅期与吕梁期侵入岩，省内仅见数个岩瘤[3]。全省燕山期侵入岩面积共3.26万km2，进一步划分为燕山早、中、晚3个亚期，其中又以燕山中期侵入岩出露面积最大，约1.88万km2，占燕山期侵入岩的57.8%；燕山晚期侵入岩面积约1.14万km2，占燕山期侵入岩的35.1%，燕山早期侵入岩面积约0.24万km2，占燕山期侵入岩的7.1%。

3 适合干热岩岩体的条件及岩体岩性、岩石化学特征

3.1 合适干热岩岩体的选择

干热岩是指温度一般超过150℃，埋深超过2 000 m，无裂隙，很少有地下流体存在的高温岩体。干热岩可以作为热能资源加以利用[4]，理论上只要掘井到足够深度就能达到满足发电要求的地热温度。由于在实践过程考虑到投资和商业化生产等因素，一般要求干热岩体温度超过200℃[5]。因此，选择适合的干热岩岩体进行干热岩资源开发，一般要满足以下3个条件[6]。

(1)岩体应具有相对高的放射性生热元素。根据地壳结构和成因机制，中国干热岩资源主要分为高放射性产热型、近代火山型、沉积盆地型及强烈构造活动带型[7]。福建发育不同活动时期的侵入岩，燕山期岩浆活动尤其强烈，地表及地壳浅部发育许多大型的中生代酸性花岗岩类岩体，该类岩体具有较高的放射性产热特征，是高放射性产热型地区(福建、广东、江西)所在的3个省份之一[8，9]。一般认为岩石单位体积生热≥5.0 μW/m3时具有干热岩意义；在省内中酸性侵入岩生热率最高，峰值区为4.5～5.0 μW/m3，平均值为4.61 μW/m3；各期次岩体生热率上，燕山期的生热率最高，峰值区为3.65～4.53 μW/m3。

(2)花岗岩体的规模应至少大于100 km2，规模太小的花岗岩体不适合用于干热岩能量开发，福建燕山期岩体以酸性和中酸性岩类占绝对优势，岩体规模较大，多以大岩株或岩基形式产出，面积一般从几十平方千米到几百平方千米，具有较好的干热岩岩体规模条件。

(3)岩体要完整性好。对于传统水热型地热资源，热能的载体——孔隙水开采后的补给和加热率很慢，其资源量概算一般基于留存水层的最大允许沉降量，故要有断裂通过裂隙水的循环将热量带上来，干热岩发电要求热源稳定持续，所以要完整性好且破坏性小的岩体，才能提供源源不断的热能[10]。

3.2 各岩体岩性及岩石化学特征

此次在大热流高值区中选择面积均大于100 km2的燕山期热储条件最好的酸性类和中酸性岩类[11]的9个岩体作为研究对象，如福州地区的丹阳岩体和魁歧岩体，漳州地区的漳浦复式岩体、长泰岩体、金山复式岩体和大坪岩体，安溪地区的长坑岩体，龙岩—三明地区的古田—小陶复式岩体和胡坊复式岩体。各岩体规模、岩性和岩石化学主要特征见表1，岩性主要为正长花岗岩和二长花岗岩。构造上，除漳浦复式岩体东部受区域构造影响[12，13]部分变质变形外，各岩体岩石结构构造基本完整。据各岩体岩石主量元素含量的TAS、AFM图解投影，均为富碱、高钾钙碱性、弱过铝质岩石，其中大坪、长坑、丹阳和漳浦复式岩体在SiO2-K2O图解中属钾玄岩系列；J.P.Puin锆石类型趋势图中，魁歧岩体为幔源或幔源为主的花岗岩，其余岩体为壳幔混合型花岗岩，与华南燕山运动时空演化和岩浆侵入活动特点是一致的[14-16]。

表1 各岩体岩性和岩石化学主要特征(%)

4 岩石放射性生热率特征

4.1 分析测试原理及方法

研究认为，岩石圈内热主要来源之一是放射性元素衰变生热，只有具有一定丰度、生热量高和半衰期长的元素，才具有地热研究意义，Th、U、K元素具备了这些条件[17-19]。其含量的高低直接决定了干热岩体的温度，目前多采用单位体积生热率来评价干热岩体的生热能力。选定的9个岩体共采样测试样品399个。分析测试由广东澳实矿物实验室(198个样品)和福建省121地质大队化验测试中心(201个样品)完成，Th、U含量采用电感耦合等离子体质谱法测定(ICP-MS)，数据分析精度±10%，K含量采用X荧光光谱法测定(XRF)，分析精度±2%。

4.2 分析测试结果

根据9个岩体采集399个样品分析测试，岩石中放射性元素含量及生热率分析测试数据(表2)可以看出，放射性元素U、Th和K的含量平均值分别是7.48×10-6、32.35×10-6和3.89×10-2。综合前人资料[20-22]看出，这些燕山期的酸性岩体放射性元素U、Th的含量远高于东南沿海花岗岩的平均值(4.05×10-6、23.67×10-6)，最高的是长坑岩体，其次为大坪岩体和胡坊岩体；而放射性K的含量3.89×10-2则低于东南沿海花岗岩的平均值4.24×10-2，只有3个岩体大于4.0×10-2，最高为古田—小陶复式岩体。

表2 岩石放射性元素含量及生热率①

注：①福建省非常规能源调查研究院，福建省干热岩资源有利区调查评价报告，2016。

4.3 岩石放射性生热率特征

根据岩石放射性元素中U、Th和K测试数据计算岩石放射性生热率公式求得[23]：

A0=0.26×Cu+0.071×CTh+0.096×CK

式中：Ao为岩石放射性生热率(μW/m3) ，CU为铀浓度(×10-6)，CTh为Th浓度(×10-6)，CK为K浓度(×10-2)。

经计算，放射性生热率在3.91～5.65 μW/m3，平均值为4.62 μW/m3，整体均高于全球花岗岩放射性生热率平均值2.5 μW/m3，更高于东南沿海花岗岩放射性生热率平均值3.01 μW/m3[24]。放射性生热率大于5.0 μW/m3的有2个岩体，为大坪岩体和长坑岩体，最高的为长坑岩体，达到5.65 μW/m3，胡坊复式岩体放射性生热率也接近5.0 μW/m3。

根据U、Th和K的数据曲线(图2)，可以明显看出各元素对放射性生热率的贡献，放射性生热率A0曲线的变化与Th、U含量曲线变化基本一致，说明产热主要来源于Th、U的放射性衰变热。研究也表明，岩石放射性生热率K贡献相对较小，一般在10%左右[25]，但也会因元素半衰期的不同，贡献率随时间发生变化，半衰期较长的生热元素如232Th，其热贡献的相对比例在逐渐增大，半衰期较短的235U和40K则相反[26]。

图2 岩石放射性元素(K、Th、U)含量及生热率(A0)曲线图Fig.2 Curve diagram of the content and heat production rate (A0) of radioactive elements (K, Th, U) in rocks

4.4 岩石古放射性生热率校正

采样分析测试计算得出的是当今的岩石放射性生热率，在研究花岗岩体放射性成因的热对古水热系统的热能贡献等问题时, 需要根据岩体形成的时间(地质年龄 t) 对现今测得的放射性生热率进行校正, 才能得到古放射性生热率 ,使计算更符合地质实际，其校正根据公式为[27]：

N=eλt

式中：N为校正系数，λ为放射性元素衰变常数，t为距今时间(单位Ma)。

研究认为，地质年龄小于100 Ma的地质体，古放射性生热率的变化小于2%，可以不进行古放射性生热率的校正。9个岩体中，地质年龄最老的为古田—小陶复式岩体(Rb-Sr等时线年龄为180 Ma[28])，地质年龄最新的为魁歧岩体(K-Ar同位素年龄为82 Ma)。因此，t区间选定为100～180 Ma，根据以下公式求得(其中U有2种放射性同素，为238U和235U)：

Nu=0.9928×e1.55×10-10×t+0.0072×e9.85×10-10×t

NTh=e0.495×10-10×t

Nk=e5.54×10-10×t

经计算，U、Th 和K 的古放射性生热率校正系数分别为NU=1.016～1.029，NTh=1.005～1.009，NK=1.057～1.105。从结果可以看出，U的古放射性生热率变化在1.6%～2.9%，Th的古放射性生热率变化在0.5%～0.9%，对表2中岩石放射性生热率结果基本无影响，而K的古放射性生热率变化在5.7%～10.5%，但K对岩石放射性生热率贡献相对较小，一般只在10%左右，因此，此次对岩石放射性生热率计算结果未进行古放射性生热率的具体校正。

5 与干热岩有关的指标评价

5.1 评价方法及评价指标选择

笔者参照马峰等[29]对中国EGS靶区选址示范研究的指标评价法选取相关指标进行干热岩指标评价，有些指标数据大致相同的(如热储岩性、地温梯度和覆盖层厚度等)省略不列入参评；对于活动性构造的影响方面，9个岩体均有不同的活动性构造经过，但没有充分证据或具体数据支持无法比较，也不列入参评；此外考虑到热流失量过多不利于干热岩的保存，增加了热流失量指标。最终确定选取大地热流值、放射性生热率、居里面埋深、年热流失量和岩体规模5项指标对9个岩体进行干热岩指标评价(表3)。在确定指标权重时，采用投影寻踪法并综合考虑各指标重要性和收集资料的详细程度进行赋值，其中高放射性产热型干热岩的热量主要来自岩体的放射性生热，热流失量对干热岩的保存影响较大，权重均为2；和热量相关的大地热流值指标权重为1.5；岩体面积和居里面深度指标权重均为0.8；各指标根据内部在分值分配上，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分。

表3 干热岩指标评价标准

(据马峰等(2015)有修改)

5.2 评价指标数据统计

根据干热岩岩体评价指标各项数据统计(表4)，其中岩体具体边界范围确定有结合地质构造和岩体的完整性适当修改，岩体面积在MapGIS矢量化地质图上计算求得,其中规模最大为古田—小陶复式岩体，面积为2 801 km2，其次为漳浦复式岩体，面积为1 497 km2；据省内大地热流值等值线图读取，其中长泰岩体大地热流值最高，热流值为80～105 mW/m2，其次为漳浦复式岩体；热流值为70～100 mW/m2，居里面埋深采用福建地区磁测资料计算分析结果[30]，居里面埋深最浅的为长坑岩体11～14 km，其次为大坪岩体，最深的为丹阳岩体(图3)；放射性生热率，最高的为长坑岩体，其次为大坪岩体；热流失量以计算温泉形式的年热量流失总量，根据各岩体的温泉出露个数、水温、流量、开采量等数据，计算各岩体年热流失量，再换算成标准煤作为指标评价数据，经计算，长泰岩体年热流失量最大，相当13.92万t标准煤，其次为漳浦复式岩体，年热流失量相当11.85万t标准煤，胡坊复式岩体年热流失量也较小，年热流失量相当于2 067 t标准煤。丹阳岩体地表目前未发现温泉，年热流失量按零赋值。

表4 干热岩岩体评价指标数据统计①

注：①福建省非常规能源调查研究院，据福建省干热岩资源有利区调查评价报告，2016。

图3 福建省燕山期主要岩体所处居里面位置图(居里面等值线据叶仪西等，2017)Fig.3 Location of Yanshanian granitic rocks in Curie interface, Fujian province

5.3 评价结果

对9个岩体进行干热岩指标评价结果(表5)，并绘制3条热结构剖面(图4-a、b、c)。从各项指标得分和热结构剖面上看，胡坊复式岩体、长坑岩体和大坪岩体居里面埋深相对较浅的位置，说明这一带可能存在地幔上隆，与幔源产热有关，其放射性生热率和大地热流值相对高，具有干热岩靶区选址的有利条件；金山、漳浦复式岩体和长泰岩体大地热流值也相对高，岩石放射性生热率一般，长泰岩体岩石放射性生热率仅为4.15 μW/m3，福州地区丹阳岩体、魁歧岩体居里面较深，高放射性生热率又低，但大地热流值却高，可能是由于覆盖层较厚，深部热源向上传导，在导热率变小的覆盖层形成热流汇集的结果，也有认为是存在高导低速半熔融的塑性高温岩浆体的原因[31-34]；漳浦复式岩体和长泰岩体热流失量较大，胡坊复式岩体和丹阳岩体热流失量小。评价结果，综合分值达20分以上为胡坊复式岩体、长坑岩体和大坪岩体。

表5 主要岩体(燕山期)干热岩评价指标结果

图4 岩体热结构剖面图Fig.4 Thermal structural profile of granitic rocks

6 结语

(1)根据大地热流值数据，结合各地质时期岩体的岩石生热率岩体规模和完整性，选定了胡坊复式、大坪、长坑、古田—小陶复式、漳浦复式、丹阳、金山复式、长泰和魁歧岩体等9个燕山期的岩体作为与干热岩有关指标评价的岩体，通过399件样品分析测试，获得岩石放射性生热率数据，发现其岩石放射性生热率均高于东南沿海花岗岩放射性生热率平均值，远高于全球花岗岩放射性生热率平均值。其中，放射性生热率平均值大于5.00 μW/m3的有2个岩体，为长坑岩体和大坪岩体。

(2)从高放射性产热型干热岩角度，采用指标法评价，选取大地热流值、放射性生热率、居里面埋深、年热流失量和岩体规模5个指标对9个岩体进行干热岩有关指标进行评价，认为胡坊复式岩体、长坑岩体和大坪岩体的综合分值高，可为省内干热岩靶区勘查选择方面提供参考。

(3)福建境内大地热流值高，燕山期大面积侵入的酸性岩体完整性、岩石放射性生热率等指标值也较好，但普遍存在覆盖层厚度小或基岩裸露地表，不利于热能蓄积，因此，寻找较厚覆盖层之下的燕山期高放射性酸性岩体是干热岩靶区选址的关键。如德化—仙游及永春、永泰一带，大地热流值较高，又处于居里面的相对上隆区，可结合1∶5万高精度磁测成果资料，如果深部推测有隐伏岩体，又是高放射性的燕山期岩体，应该是干热岩勘查的首选地区。

7 讨论

(1)采集样品未按燕山期次分类，不利于了解燕山各时期岩体放射性生热率的具体情况，同时也未能对岩石古放射性生热率进行准确具体地校正。

(2)在干热岩指标评价权重参数选择时，如热储岩性、地温梯度和覆盖层厚度等指标数据因大致相同的原因忽略，但落实到具体岩体时，仍然会略有差异；对于新构造活动性构造的影响，则因为没有充分或具体数据支持无法比较。

本文据福建省财政厅、福建省国土厅公益性地质调查及战略性矿产勘查资金项目“福建省干热岩资源有利区调查评价”成果报告资料整理，是项目集体劳动成果，在此对项目组成员表示感谢,同时感谢审稿专家对文章提供的宝贵修改意见。