地球因其独特的海陆分布格局和合适的气候环境为我们人类提供了适宜的生存条件，是全球人类赖以生存的唯一的绿色家园。但随着人类对地球资源的疯狂掠夺，不可再生的化石能源逐渐短缺且其燃烧气体大规模排放，雾霾、沙尘等严重影响了人类的安居生活，绿色的家园开始不再是绿色的。因而，人类开始面临一个巨大的挑战，就是寻找到可以取代化石能源的一种新的可再生能源，解决人类日益增长的能源需求和人类对绿色家园的渴望的矛盾。 地热能因其储量大、分布广、无污染、来源可靠而被认为是最有可能取代化石能源的可再生能源之一，在国内外新能源勘测与评价中受到极高的关注。人类历史中有两次重要的工业革命，这两次工业革命都是在新的能源取代旧能源基础上产生的；人类是否会发生第三次工业革命，而这第三次工业革命是否是以干热岩为代表的清洁的、可再生的地热能取代现有的污染较大、不可再生的能源呢？我国地热资源极为丰富，据专家估算，浅层地热资源量相当于90多亿吨标准煤，而深层（埋深3~10 km）地热资源量是浅层地热的7 500倍。因此，研究与开发地热资源，尤其是深层地热资源，必定是有效解决我国能源结构，实现取热减灾减排，达到经济发展与家园保护共赢的最终途径。 位于地球深部的干热岩型地热能由于温度高、稳定性好、能量巨大而得到全世界的密切关注。但是，地球深部的这种地热资源的形成机制是什么，在地球内部有何分布特点及规律，控热构造是什么，评价有何标准，开发技术如何突破等在国内外研究中还很薄弱；尤其是我国，这方面的研究才刚刚起步，这极大地制约了后续的高效开发利用。目前，全球对于深层地热能梯级开发利用的一个首要目的就是发电，而发电必备条件是要有高温的热能，在现代技术条件能达到的地球深部何处存在这种高温的热能，如何高效取出这种高温的热能是必须首先解决的科学问题。因此对其开发利用的地热理论基础和勘探技术显得举足轻重。 李德威教授和《地学前缘》编委会在2018年5月份决心以专辑的形式刊发干热岩勘探、选区与评价方面的论文。可是，李德威教授由于积劳成疾，于2018年9月14日不幸去世，他在病逝前还挂念着出版干热岩专辑的事。为了继承他的遗愿，为了促进我国干热岩事业的发展，编辑部决定由我们代任特约主编，继续完成本专辑的出版工作。根据收录上来的论文内容，我们将该专辑改为深部地热资源专辑。 针对深部地热资源，本专辑共收录了20篇论文，分别从深部地热资源的形成机制与分布规律、干热岩成因与分类、干热岩勘查方法与选区评价、控热构造、地热流体地球化学、深部地热资源模拟开发与利用技术等方面进行了探讨。相信这些文章的发表能让读者们对深层地热资源（干热岩）有更深入的了解，能够引起大家共鸣，让更多的人理解、支持并能齐心携力进行深层地热资源的勘探与开发利用研究，为绿色家园的未来和可持续发展而努力奋斗。 感谢所有作者（包括论文没有在本专辑刊登的论文作者）、审稿专家和编辑部所有成员为本专辑的出版所付出的艰辛劳动。
中国地热资源禀赋良好,分布广泛且具有明显的规律性和地带性。本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。阐明了有代表性的水热型地热资源成因机制和干热岩资源成藏模式。地热开发利用技术发展迅速,浅层地热能和水热型地热资源利用量逐年攀升,但在地热资源成藏模式研究、勘查开发及管理利用等方面仍有亟须突破的技术瓶颈和需要改进的环节。文章分析了存在问题并提出了我国地热发展战略路线,下一步应加强热源机理与控热构造研究,推进地热探测技术和开发利用示范,开展重点地区浅层地热能、水热型地热资源勘查评价,完善干热岩勘查开发技术体系,推动地热产业健康有序发展。
本文在对前人地热成因认识归纳检验的基础上,通过演绎推理的方法,从几条基本的物理定律和基本假设组成的第一性原理出发,推理“地球内部热能从深部向浅表传输”的动力学过程,探讨深层地热能热源机制。热源机制问题从物理学的角度看,本质上就是热能从地球内部向近地表传输的问题。可以根据第一性原理,通过演绎法推理其可能的传输过程。深层热能传输的第一性原理由“温度的定义、热胀冷缩原理、阿基米德原理、热力学第二定律以及辐射、传导和对流三种热量传输方式的效率对比”5条基本的概念和定理组成。结合地球已知的圈层结构,通过演绎推理可知,在固态内核偏移驱动下,液态外核开始流动,在局部聚集导致地幔中形成上升的地幔柱;地幔柱在另一个地球圈层界面发生顶托作用,使得界面上凸,并产生烘烤加热作用,被烘烤的上层物质流变性增强发生侧向流动,于是物质垂直运动转换为水平运动。水平流动的热物质聚集到一定程度又会上浮产生垂直运动。如此垂直运动和水平运动不断转换,最终将地球深部地核中的热能传输到了地壳浅层。地球深部热能向浅表传输的过程会导致海底增生扩张、板块运动、盆山耦合等,同时也形成不同级别的控热构造系统。地球尺度的控热构造系统为:地球内核为生热构造,液态外核为储热构造,各级地幔柱和流动的高温物质为导热构造,地表的火山、温泉、地震为释热构造子系统。大陆地壳准固态流变物质的侧向流动是干热岩形成的主控因子,对于干热岩地热能勘查具有重要意义。
深层含水层储热是一种利用深度>500 m的深层含水层作为储热介质的储热技术,储热对象通常为50~150 ℃的热水。它通过地下水井从深层含水层中抽取和灌入地下水,实现热能储存和回收。深层含水层储热技术是弥补能源供需时空分布的不平衡,综合利用多种可再生能源,实现节能减排的有效途径,是国内外研究的前沿和热点。文中首先阐述了深层含水层储热系统在世界范围内的历史发展,归纳储热系统的热工性能,在总结前人研究工作的基础上分析影响其热回收效率的关键参数,并对各个参数对热回收效率的敏感性做了综述。在此基础上,本文还讨论了限制深层含水层储热系统发展的技术瓶颈,并针对系统的经济效益和市场潜力做了预测和展望。
区域地热特征及深部温度估算对于油气勘探和地热能资源评价和开发利用具有重要意义,长江下游地区是我国东部经济社会高度发达的地区,其能源需求大,区域热状态研究能为该区地热资源评价提供关键约束。通过整合长江下游地区已有的温度数据和实测岩石物性参数,勾勒出该区的现今地温场特征,并进一步估算其1 000~5 000 m埋深处的地层温度。研究表明,长江下游地区现今地温梯度为16~41 ℃/km,且以18~25 ℃/km居多,苏北盆地区呈现高地温梯度。大地热流值为48~80 mW/m2,其均值为60 mW/m2,表现为中等的地热状态,有利于油气和地热能形成。此外,长江下游地区深部地温估算表明,1 000 m埋深处的温度范围为30~54 ℃,2 000 m时温度范围为50~95 ℃,3 000 m时温度范围为65~130 ℃,4 000 m时温度范围为80~170 ℃,5 000 m时温度范围为100~210 ℃。区域深部地温的展布趋势呈NE向,高温区域集中在安徽南部和江苏东北部。结合60 ℃和120 ℃等温线的埋深分布及区域地质、地球化学和地热特征,初步探讨了该区油气与地热资源的有利区带及其相应的开发利用类型。
渤海湾盆地是我国华北油气开发的主战场,多年的油气勘探开发积累了大量钻井、测录井及测温数据。通过对区内深钻井测温数据的分析研究,发现中南部的冀中坳陷、黄骅坳陷、临清坳陷和济阳坳陷是干热岩地热资源的主要富集区,温度≥180 ℃的热储主要发育在基岩潜山或斜坡区,埋深适宜,温度较高,有一定的天然孔渗条件。4个主要坳陷区4 000 m以深钻井平均地温梯度范围为3.07~3.32 ℃/100 m,5 000 m以深钻井平均地温梯度范围为2.96~3.27 ℃/100 m,埋深越大,地温梯度越低。坳陷区埋深在4 309~6 261 m时相继达到180 ℃温度,为干热岩目标埋深范围。不同坳陷、区块和井区达到180 ℃干热岩温度界限的深度相差较大。下古生界、中元古界和太古宇三套热储是渤海湾盆地中南部最具开发利用潜力的干热岩热储类型。冀中坳陷主要发育奥陶系灰岩、寒武系白云岩和中元古界白云岩热储,黄骅坳陷以奥陶系灰岩热储为主,济阳坳陷发育寒武系-奥陶系灰岩和太古宇变质岩热储,临清坳陷主要为奥陶系灰岩热储。坳陷区的凹中和凹边凸起区,顶面埋深3 000~5 000 m的前中生界潜山是主要的勘探方向,冀中坳陷河西务、长洋淀等潜山,黄骅坳陷南大港、千米桥等潜山,济阳坳陷桩西孤北等潜山,临清坳陷马场、文留等潜山是干热岩勘探开发有利区。干热岩勘探可与深层油气勘探开发相结合,进行不同类型资源的兼探和综合开发利用。
苏北盆地属于中、新生代“断陷型”盆地,发育前震旦系变质基底及古生代海相台地沉积,经历燕山期大规模岩浆-火山-构造活动,之后连续断陷沉降并沉积了厚度巨大的新生代地层;新生代苏北盆地处于持续活跃的洋陆构造带内,其特殊的构造位置使区内拥有相对高的大地热流值和较大的地温梯度,具有巨大的地热资源潜力。基于区域地热地质综合研究,本文针对苏北盆地地质构造特征、地温数据、地球物理信息等系统分析,初步证实了盆地内不仅存在浅部中低温地热资源,而且推断出盆地深部拥有温度较高的干热岩资源,其热源主要来源于深部的地幔,是本地区新生代区域伸展裂陷、地幔上涌、岩石圈减薄等作用的结果。根据干热岩选区的科学准则,盆地内优势前景区拥有丰富的动态热源、导热效果极佳的热通道、规模巨大的优势热储、良好保温作用的热盖层,并依据此初步建立成因模型,为进一步勘探与开发提供参考依据。
基于以往的认识,广西属于“缺煤、少油、乏气”的能源资源匮乏区,绝大部分能源靠进口或外省输送,能源结构极不合理。但是,广西地处亚欧板块、印度板块与太平洋板块的交接地带,地壳厚度较薄,断裂构造发育,岩浆岩大面积出露且放射性元素含量较高,具有较好的生热、储热条件。基于EGM2008全球超高阶地球重力场模型对广西地壳结构和深部界面重新计算,综合前期基础地质调查资料、元素地球化学资料、地热地质资料,对广西干热岩的成生条件和保存条件进行分析,认为北部湾盆地、玉林凹陷、郁江凹陷等构造单元具有干热岩成藏条件,可作为广西干热岩远景调查区进行下一步勘查。
博罗—大亚湾断陷区位于广东省惠州市西南部,处在我国东南沿海构造活动带,自新生代以来,受太平洋板块和欧亚大陆板块俯冲作用的影响,洋陆系统相互作用导致构造活动活跃,岩浆侵入、火山喷发频繁,地震活动强烈,地表热流值较全国而言比较高,沿着北西走向的博罗—大亚湾线性断陷系统内发育厚层的陆相碎屑沉积,众多的高温热泉出露在裂陷边界,显示出良好的地热资源潜力。通过研究分析深部重磁电震等地球物理资料,发现区域内不仅拥有丰富的浅层次水热型地热热源,深部层位可能存在优质的干热岩储层,初步推断其热源来自新生代南海地幔底辟作用,其导致壳幔物质非均匀流动,在陆壳地区底部发生熔融,向浅部不断传导形成线性热隆伸展构造,控制着整个断陷内的地热系统。
干热岩作为地热资源的重要组成部分,被视为未来的清洁能源,极具开发前景和研究价值。文章以桂东南潜在的干热岩为研究对象,通过基础地质、地球物理和地球化学资料的二次开发和实地考察,对区域构造-岩浆-沉积建造系统、岩石圈结构、现今地热场特征和地震、温泉分布规律等进行综合分析,旨在初步探讨桂东南地区干热型地热资源的潜力。结果表明:桂东南地区岩石圈较薄,分别在25 km之上和6~8 km处存在厚约6 km和2 km的双层低速层/带,指示滑脱型韧性剪切和高温地质体的存在;印支期花岗岩提供稳定的放射性生热物质基础(U含量均值5.41×10-6,Th含量均值18.38×10-6,K2O含量均值4.43%),新生代火山活动(OIB)在补给大量地热能的同时,为深部热物质上涌提供通道;桂东南地区现今地热存在明显异常,大地热流值介于80~100 mW/m2,北海-南宁地温梯度值高于30 ℃/km,钦州、合浦中-新生代断陷盆地因沉积盖层裂隙度、孔隙度和导热率低且圈闭性好而属于干热岩地热资源丰富区。对桂东南干热型地热资源潜力的研究,将为广西能源结构调整、生态环境优化和产业转型升级助力。
干热岩(HDR)是指不含或仅含少量流体,温度高于180 ℃,其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。作为一种重要的非常规地热资源,干热岩的开发利用可以借鉴页岩油气的成功经验,采用相似的技术发展路径,找到“地热甜点”,开发出低成本且高效的钻完井技术,逐步形成和完善技术体系,建立与对象相适应的生产运行模式,以期实现对这种巨大资源的有效开发利用。增强型地热系统(EGS)被认为是干热岩资源开采的一种重要方式。EGS最初被称为工程型地热系统,后来才统称为增强型地热系统,是指通过实施特殊的工程工艺,改善地层储集性能或(和)向地层中注入流体,以实现对地热资源的有效开发。其基本方法原理为在干热岩体内钻两口或多口井,将低温流体通过注入井注入干热岩体的天然裂缝系统,或注入通过压裂技术在钻井之间建立的具有水力联系的人工裂缝中加热,通过吸收干热岩内所蕴含的热能,将流体温度提高到一定程度后从生产井采出至地表或近地表进行利用,形成人工热交换系统,用于发电或取暖等。采用EGS技术开发干热岩地热资源,选区选址恰当与否是能否取得成功的最关键环节之一。中深层地热资源可分为水热型和干热岩型两大类、五亚类。其中,干热岩根据其热储孔渗条件差异又可分为无水优储、无水差储和无水无储三亚类,适合作为EGS开发对象的干热岩资源为其中的无水优储和无水差储两种类型。五类地热资源规模呈金字塔形,开发技术难度逐渐增加。基于由热储埋深、热储温度、热储岩性、热储物性、盖层厚度、盖层断裂发育条件等组成的地质资源条件,由钻探成井技术、储层改造技术、管理运营技术组成的工程技术条件,以及由地热需求和资源经济性组成的经济市场条件三个因素,本文建立了三因素分析与多层次指标分解法相结合的干热岩EGS选区评价方法和关键指标,在国内干热岩资源条件较好的17个候选区中,优选出西藏羊八井高温地热区和渤海湾盆地济阳坳陷潜山分布带作为EGS试验有利区。
干热岩作为重要资源的组成部分,以其清洁、稳定、可再生的资源优势及巨大的高温发电潜力,越来越受到关注。我国干热岩研究尚处于起步阶段。在分析研究国内外干热岩开发利用工程的基础上,初步建立了干热岩区块评价指标,分析了马头营区干热岩开发潜力。以马头营凸起区干热岩科学钻探为例,从热、储、盖等方面分析了区内干热岩钻探选址的原则,建立了孔位地区干热岩系统概念模型。
汞是环境中典型有害组分,深部地热系统可能是环境中汞的重要来源之一,但当前地热成因汞的研究程度很低。本文以腾冲火山带热海水热区为研究区,开展了热泉中汞的水文地球化学研究。热海水热区内排泄的中性热泉含有异常高浓度的汞,但酸性热泉则绝大多数未检出汞。热海热泉中的汞与典型的岩浆来源组分氯相同,均主要来源于岩浆流体的混合。在中性热泉中,Hg(II)是汞的占优势地位的价态,Hg2+与不同形态硫化物的配合则是决定Hg(II)的形态分布的直接因素,但pH可通过控制水中硫化物的形态分布来影响Hg(II)的形态分布。Hg(II)不易挥发,故中性热泉中汞含量普遍较高;但酸性热泉中的汞受泉口氧化还原电位较高的影响,以Hg(0)为主要价态,且因Hg(0)易挥发而导致总汞含量极低。就中性热泉而言,其汞含量对水热区断裂分布有重要指示作用,原因为沿不同断裂上升的中性地热水经历的冷却方式不同,最终导致热泉汞含量也表现出显著差异。热泉汞含量对水热系统结构研究有借鉴意义。
增强地热系统(EGS)是开采低渗透率热岩体中热能的技术,属于广义的地热储工程。其中,作为换热介质被注入岩体并在换热后返回地表的返排液,不仅是岩体地球化学特征的信息载体,而且其物理化学行为直接影响着EGS系统的运行效果。FixAl化学热力学模拟和水同位素十三线图解在天然水热系统评价中得到了广泛应用,对返排液研究的实用性则是文章的核心问题。文中收集了全球主要EGS项目的返排液资料,基于FixAl方法分析矿物与返排液的化学平衡状态,并计算了流体在深部的热交换温度,用同位素模型验证了EGS系统中原生卤水的驱替过程。研究结果表明,上述方法在EGS返排液研究中是适用的。此外,返排液的化学特征对EGS的指示意义还包括厘定原生卤水在返排液中所占比例,识别岩浆挥发分溶解及储层改造时的添加剂残留,预测结垢趋势和流体腐蚀性等。未来需要通过更多的实验和模拟方法深入研究返排液的化学特征,建立EGS的热-水-力-化学(THMC)耦合模型,为科学开发深层地热能提供依据。
地热流体地球化学组成及其运移规律和成因机制研究对地热资源勘查和开发利用具有重要意义。当前,青海省地热资源开发利用程度低,更缺乏针对地热流体地球化学特征进行深入研究的系统性工作。青海共和盆地是青藏高原北缘的一个断陷盆地,盆地内地热资源丰富。本文以共和盆地及周围部分山区的地热系统为研究对象,基于系统地球化学采样和测试开展了地热流体地球化学组成及热储水-岩相互作用过程分析,认为:从共和下更新统热储、新近系热储到鄂拉山构造岩浆带再到瓦里贡山构造岩浆带,地热水中SiO2含量依次升高,反映热储温度依次升高;上述地热地区热储中原生铝硅酸盐矿物的溶解和蚀变矿物的形成是控制地热水中阳离子含量的最重要的水文地球化学过程,而补给水下渗和地热水径流及升流过程中盐类矿物的溶滤则是水中阴离子(特别是 SO 4 2 -和Cl-)的主要来源。
深层地热能是指深度大于3 000 m的地热能。我国深层地热能资源丰富,但是开采条件怎么样呢?本文基于地热地质学原理,结合岩石力学等相关学科的理论,提出一种对深层地热能开采条件进行评价的指标体系,对各单一指标采用专家打分的方法赋值,继而采用模糊数学定量计算和评估深层地热能资源开发的难易程度。该方法考虑了深层地热能开发利用中的增强地热系统(EGS)的环境安全问题,即传统的“刚性造储”可能带来的诱发地震等不利于地热能行业健康发展的因素,倡导“柔性造储”和广义EGS理念,强调储层属性和地物理场的整合,针对我国地热能分布与构造活动关系密切、地壳总体上活动性强、地应力高、地震频发等构造型地热特点,是对以往评价方法的补充和拓展。该方法充分利用了专家知识,发挥了模糊数学综合评估作用,给出的量化结果易于对比和使用,可以更好地支持决策。本文基于新的评估方法,利用现有的深部地热研究及勘探成果,评估了中国大陆地区九个区域深层地热能开发的难易程度,评价区包括西藏南北地堑系、云南西部火山型地热区、青海东部共和盆地以及东北、华北等。从本文的结果可以看出,我国深层地热能开采的地质条件复杂,开采难度较大。
地热回灌过程中开采井热突破预测等理论模型方面的研究尚不完善。本文在献县地热田开展了对井回灌示踪试验,并运用Comsol Multiphysics建模软件进行了参数反演,应用该理论框架进行了示踪试验数据的定量解释及开采井热突破预测。结果表明,示踪剂回收率偏低,为0.022 5%,采灌井存在1条优势通道,通道长度约为513.7m,总体表现为采灌井之间的水力联系较差。本文应用模型进行了参数反分析,计算得到拟合优度R2=0.790 7>0.6,说明此优化结果与测量值有较强的相关性,拟合程度好。连续开采100 a,不会发生热突破现象。
增强型地热系统(EGS)用于通过人工形成地热储层的方法从深部低渗透性岩体中开采地热能;国际上常采用水力压裂辅以化学刺激的方法改造EGS 储层以提高其渗透率。本文以采自青海共和盆地的花岗闪长岩样品为对象,选用3种不同化学刺激剂(氢氧化钠、盐酸和土酸),在3组不同注入流速条件下开展了系统化学刺激实验。结果表明:注入盐酸和土酸后样品渗透率均有提高,且采用土酸时渗透率提高幅度明显大于盐酸;但注入氢氧化钠后,样品渗透率反而降低。在3类化学刺激剂中,土酸对长石类矿物的溶蚀能力最强,而氢氧化钠溶液对石英的溶蚀能力最强,但氢氧化钠溶液在溶解岩石样品裂隙表面矿物后极易形成非定形态二氧化硅或非定形态铝硅酸盐蚀变矿物并阻塞裂隙,反而对化学刺激效果造成负面影响。总体来看,土酸是青海共和盆地干热岩体的最佳化学刺激剂。在中等注入速度(3 mL·min-1)条件下,土酸对岩石样品的溶蚀程度就可达到最高;在此基础上进一步降低流速,则可能使溶解组分更易从液相中沉淀而充填于样品裂隙,导致样品渗透率有所下降。
地热能规模化利用的可持续开发,通常需要建立数学模型,以实现定量管理和预测。文章评述OpenGeoSys(OGS)数值模拟软件及其在地热资源开发利用过程中的应用算例。OGS是一款基于有限元的免费开源软件,它可处理与地热能开发相关的水流场-温度场-力学场-化学场等多场耦合过程。OGS已应用在国内外多个地热场地,文中着重介绍它在浅层地热能的流体温度变化预测、水热型地热能开发过程中的采灌井距优化、结垢机理和干热岩开发过程中的渗透性演化等方面的应用算例,为地热能的开发提供计算手段和参考。
岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600 ℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600 ℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400 ℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400 ℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。
地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。
开合构造是一种全球构造假说,该假说基础为地球上的一切物质和地质体都存在开合表现;可以用开合构造观解释一些板块构造理论登陆后不能合理解释的地质现象。文章在结合前人基础地质资料基础上,分析藏南地区基本的构造单元划分;强调动态构造单元划分,提出了被重力拆离断层改造叠加的逆断层区以及被拆离断层改造的正断层区。在主流观点提出碰撞挤压造山形成青藏高原时,野外科学考察发现了绒布寺伸展正断层的存在。文章认为绒布寺伸展正断层与主中央逆冲断层形成时间比藏南拆离系要早,两者构成了藏南挤出构造的两个边界;而藏南拆离系是晚期形成的,局部叠加在主中央逆冲断层之上,并且珠峰北追踪了早期绒布寺正断层呈相对高角度产出。3条断裂构造系统是不同时期、不同构造背景下的产物。藏南由前人所划分的飞来峰、构造窗等逆冲推覆构造系统中的构造单元,往往挤压逆冲特征表现不明显,却表现出由新的地层覆盖在老地层之上而显示地层柱缺失的特征。文章认为这些是滑覆构造的表现,是藏南地区晚期重力滑覆作用的产物。用开合构造理论将该地区新生代构造演化划分为由开转换为合;然后由合转换为开,构成一个完整开合演化历史,在这多阶段构造演化过程中,地球深部的热能、地球内部的重力势能以及构造引起的附加应力能起到关键作用。
地球上一切物质都是做开合运动的。以热力(热能)驱动物质上浮运动定义为开;以重力(势能)驱动物质下沉的运动定义为合。开合运动具有垂直开合与水平开合的同步统一性和开合相互依存、相互对立、相互转化两个重要特性。因而在旋转运动的统领和调剂下,将所有地球物质、构造、能量等从无序状态转化到有序状态,最后建成了动态稳定平衡的开合旋构造体系。所以,动态稳定平衡体系的形成、破坏、修复不断旋回式演化就是研究地球内部运行的基础和有效方法。为此,我们在垂向上划分了8个开合构造旋回和地壳(球面)开合构造体系,组成了地球四维运行系统。动态稳定平衡体系的建立是遵循重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何优选方位(垂直地心)生长和横向物质均匀化4条自然规律的长期作用而实现的,其中重力均衡是主导的。大约40亿年时,地幔岩石圈形成,它像一个球形锅盖盖住热地球,初步建成了稳定的开合旋构造体系,使地球长期进入动态稳定平衡发展阶段。尔后,每次重大地质事件(失衡运动)就是把岩石圈地幔捅个窟窿或撕开一条裂缝,破坏该地区的开合平衡。旋转运动和开合运动迅速将其恢复达到新的平衡,从而构成一个开合旋回,目前地球已经历了8个大旋回。板块构造仅研究最新4个旋回的岩石圈地幔是如何被捅破及被修复的规律并总结相关的理论,因而它在时间上和空间上都有局限性,不属于全球构造。地球类比为一个生命体,其运行系统中的内部结构和功能比较齐全:包含有开合运动、旋转运动和失衡运动组成的运动系统;起“血液”作用的地质流体、贮存和制造“血液”的“心脏”——地核和联系各种“血液”的地幔柱组成的“血液”系统;以重力均衡为准则,由四个重力均衡面、四个开合转换带和球面两条质量均衡线构成的地球平衡系统。由于开与合的转换具有自发形成和自我调剂的功能,所以开与合相互依存、相互对立、相互转化,是地球内部运行体系基本的动力机制和主要的动因。开合转换的本质是热能和势能的转换,驱动失衡运动的主要内因是高温、高压流体超临界爆裂;主要外因是陨击作用。
印度大陆板块是一个活化的克拉通板块,其向北漂移并与欧亚板块碰撞过程得到了广泛研究,但其北漂的动力机制则很少被关注。传统上认为是海底扩张造成了印度大陆板块的北漂,但最新的地球物理观测结果却与此相悖。基于地磁场异常特征、古地磁测量和地震勘探剖面等诸多证据的系统分析研究,结果表明印度大陆板块厚度大约40 km,其北漂的动力机制与印度板块南侧深部的岩浆上涌密切相关,大陆板块的漂移是自发驱动的。通过新建立的大陆漂移模型可以合理解释印度大陆板块漂移的动力来源,并合理地解释了印度大陆板块北漂中伴随左旋的深层次动力机制。最后探讨了印度大陆板块在80~40 Ma期间异常高速漂移的根源和东非大裂谷的成因。本研究为大陆漂移模式提供了一个新的动力机制。
地壳运动的驱动力一直存在争议。目前虽然提出了很多假说,但这些假说所描述的驱动力数量级均较小,不足以推动地壳运动;另外,大量实际地应力测量表明,水平主压应力在三个地应力分量中最大,被看作地壳“异常”压力,其机理也没有统一的认识。因此,有必要弄清楚地壳运动的动力来源是什么及为什么会出现这种水平应力占主导的现象。受背斜构造或石拱桥的侧向支撑的启发,通过地球模型受力分析得出,地壳作为球壳在自重下会相互挤压,在圆周方向产生很强的周向应力。周向应力大于重力,且由重力派生,和实测的地应力特征是一致的。推测该应力在20 km深处约为900 MPa,足以驱动板块运动(>500 MPa)。因软流圈是可流动的,其上面的岩石圈只要存在薄弱带,该应力就会释放,板块之间从而产生相对运动。整个洋壳和拱桥类似,在该力的作用下,会在俯冲带处下插至陆壳深部,俯冲带就是岩石圈的薄弱区,它因此会承担部分甚至全部洋壳的重量。最后提出,没有独立于重力的、可独立起作用的构造力或碰撞力,周向应力是地壳运动的唯一具有足够数量级的驱动力。
通过大量的地震现象总结和地震过程的热力学分析,得知地震的共性主要有:具分带性及与断裂相关性,有多震层,震区深部常有高导低速层,与水关系密切,主震时短具突变性,部分动植物生长异常,地形地貌变化,出现地球化学、地球物理、气象等异常。这些特征总体又分为两方面:一是与断裂相关,断裂的形成又是岩石性质与力两个因素作用的结果;二是与水相关。主要从断裂降压与水相变两个方面研究,进一步完善岩石圈中断裂降压与水二级相变时临界奇性耦合触发地震的机制,在此基础上提出了水的临界奇异性致震说。(1)由于脆、韧性断裂(或带)降压和聚水,致使地壳和上地幔局部区域的压力下降和温度上升,使温度和压力同时达到水的临界值,从而引发水的二级相变。(2)在临界点处的水二级相变时,物理化学性质发生奇异性突变,特别是水对固相溶解行为的奇异突变行为,使得地壳和上地幔局部的力学性质突变减弱;同时,二级相变时水CV的突变趋于无穷大,据Mie-Grüneisen公式热压(即热应力)趋于无穷大。断裂降压,造成岩石圈局部温压同时达到水的临界值,水发生二级相变,从而至少在以上两方面的作用下,引发局部水热爆炸而触发地震。(3)地震震级与水发生二级相变时的断裂局部聚水量呈正相关。(4)水临界奇异性会导致许多物理化学性质突变,是地震时各种地球化学、地球物理、动植物生长、气象等异常的根源,也是地震监测的主要指标。(5)初步讨论了地震与热液成矿、油气形成等地质作用之间的关联。(6)这个地震成因理论主要用于壳内强震机制解释。
日本列岛是位于欧亚东缘和西太平洋过渡带上的大陆板块,其来源和成因机制得到了广泛研究,传统上认为其成因是由太平洋俯冲形成的沟弧盆体系的一部分,但仍存在诸多争议。基于地形地貌、地震勘探剖面和盆地构造演化史恢复、古地磁测量和古生物等诸多证据,将南海北部的珠江口盆地、台西南盆地和东海盆地及冲绳海槽的构造迁移进行统一的系统分析,研究结果表明日本大陆板块在新生代由两个区域分别漂移而来。北海道来自赤道附近,而本州、四国和九州来自华南大陆边缘。其成因动力机制与欧亚板块从北大西洋的裂解东漂和印度与欧亚碰撞密切相关,在这个过程中,位于欧亚板块东缘的日本三岛首先发生了裂解,之后发生了漂移。新的大陆漂移模型合理地解释了沟弧盆体系的形成机制和过程,说明了弧状岛弧的成因机制,也给出了所形成的盆地内油气富集的规律。本研究为大陆漂移模式提供了一个新的动力机制。
开合构造是研究地球开合运动及其构造特征,分析开合构造体系的形成机制,探索地球成因和演化的一种新假说。不同时空尺度的开合构造在地学上存在不同的表现,需要从不同角度开展研究。以亚欧非邻区巨型开合构造区、地中海大型开合构造区、东大别中型开合构造区为例,研究了开合构造理论在大地构造分区、地震活动以及现代大地测量结果解释等方面的应用。研究表明:(1)依据开合构造观点可将亚欧非邻区巨型开合构造划分为俄罗斯构造集群、非洲构造集群、北亚构造集群、中亚构造集群、南亚构造集群及东亚构造集群;(2)亚欧非邻区的强地震活动与构造集群间的新生代开合构造转换带关系密切;(3)地中海大型开合构造区内的地震剖面及震源机制揭示了地中海—土耳其—伊朗—阿富汗构造转换带现今构造运动主要以合为主;(4)东大别中型开合构造周边的狮子山、黄梅、麻城等台站的地倾斜和地应变、周边GNSS和流动重力观测结果揭示了该区周边存在时间尺度较短、量级较弱的由“合”向“开”的趋势转变,开合运动是近期诸多观测数据趋势出现准同步性变化的共同机理。
本文从岩石断裂力学的角度,讨论了俯冲板块下拉牵引力(负浮力)作为板块运动初始驱动力的可能性。笔者总结已发表的岩石抗张强度的岩石力学实验结果,并和现在普遍认为的负浮力的数量级进行对比分析,结果表明大洋岩石圈上部岩石强度较低,仅有n×10 MPa。虽然随着温度和压力的增加岩石圈的强度不断增强,但是在板块俯冲的初始阶段,大洋岩石圈可能无法承受拖曳板块运动高达n×102 MPa的应力。此外,构造模拟、热开裂、疲劳断裂、俯冲挠曲、俯冲脱水以及熔融作用等地质现象的分析,也表明俯冲板块的负浮力作为板块运动初始驱动力是不符合客观事实的。
翟裕生教授是我国著名的矿床学与区域成矿学家、地质教育家，长期坚持工作在教学、科研第一线，呕心沥血，教书育人，重视实践，不断创新，在矿床学、矿田构造学、区域成矿学等研究领域做出了杰出贡献。特别是自20世纪90年代以来，随着地球系统科学的兴起，翟裕生教授在长期从事矿床组合、成矿系列研究基础上，将系统论和历史观引入矿床学研究，以成矿物质的源—运—储—变—保的动力学演化过程为核心，率先提出和创立了成矿系统及演化论，从时空演化和物质运动的结合上发展了区域成矿学研究，推动了矿床学的进步。21世纪以来，翟裕生教授又提出了地球系统成矿系统勘查系统三结合的研究理念，将传统的矿床研究提高到地球系统科学层次，引领了当代矿床学的发展方向，推动了一系列找矿新发现。 2020年欣逢翟裕生教授九十华诞，为祝贺先生为祖国的地质事业工作70余年，我们三位作为特约主编以成矿系统论学术思想为引导组织了“矿床学”专辑。 本专辑共分3个专题。其中“矿床研究方法与综述”专题共7篇论文。以翟裕生教授的《矿床学思维方法探讨》一文为开篇，将矿床学研究思维方法概括为实践、系统、辩证、历史、经济、环境、全球、战略等8个思维观点，对创新成矿理论、提高矿床研究水平和推动找矿发现具有重要指导作用。紧随其后的《大型超大型矿床成矿地球动力学背景》论文，以成矿地球动力学背景、成矿过程与定量勘查评价“三位一体”思想为指导, 从大地构造环境、壳幔结构与深部过程、成矿的岩石系统、区域热流体条件等方面进一步阐述了成矿地球动力学条件，并强调了地球深部过程对成矿的制约作用。《再论中国大陆斑岩Cu-Mo-Au矿床成矿作用》论文，重点阐释了中国大陆非弧环境斑岩型矿床的地球动力学背景、成矿岩浆起源、岩浆流体系统演化、成矿金属（Cu，Au，Mo）和H2O来源及富集过程。另4篇论文分别阐述了中国三叠纪的大陆成矿体系、斑岩和浅成低温热液矿床流体演化、Au-(Ag)-Te-Se成矿系统的成矿作用以及我国矿床学未来发展的方向。 本专辑的“特色地域成矿背景与成矿作用”专题共11篇论文，从不同侧面对我国“三江”、扬子、长江中下游、华北、塔里木、中亚等重要成矿区带，开展了复合成矿系统、斑岩夕卡岩热液成矿系统、造山型金成矿系统以及低温矿床、岩浆Cu-Ni-Co硫化物矿床、玢岩铁矿床的成矿背景、成矿系统组成要素、空间结构模型、成矿机制等综合研究，从不同侧面介绍了壳幔相互作用、构造体制转换、流体相分离、多期叠加复合成矿等成矿理论研究方面的一些进展和成果。 本专辑的“矿床地质地球化学”专题共7篇论文，专门探讨了部分矿床的成矿特征、成岩成矿时代、成矿物质来源、成矿流体性质和成矿作用。 本专辑所反映的尽管只是矿床学研究方面的部分成果和进展，但我们希望这些成果的发表，能对相关领域的研究起到抛砖引玉的作用。 谨以此专辑表达对翟裕生教授的美好祝愿和敬仰之情，祝老人家身体健康，继续推动我国的矿床事业迈上新台阶。最后在此专辑付梓之际，感谢所有作者（包括论文未在本期刊出的）、审稿专家、翟德高博士和编辑部同志为本专辑出版所付出的辛勤劳动。
矿床学是地球科学的一个分支,以其研究对象的复杂性(地质属性+经济属性+环境属性)而著称,也因此而有它特定的研究思维方法。笔者根据研究矿床的实践经验和理性思考,将矿床学研究思维方法概括为8个观点,即:(1)实践思维——实践出真知,实际调查矿床特征;(2)系统思维——成矿系统分析,把握全盘;(3)历史思维——矿床的形成、变化和保存;(4)经济思维——矿产资源、经济建设与社会发展;(5)环境思维——发展绿色矿业,改善生态环境;(6)全球思维——地球系统-成矿系统-勘查系统三结合;(7)战略思维——矿产资源是关系国家安全的战略资源;(8)辩证思维——唯物辩证法是指导矿床研究的基本哲学思想。运用上述思维方法,有助于提高矿床研究水平,为指导找矿发现和创新成矿理论做出新的贡献。
大型-超大型矿床是地球成矿元素超常富集的产物,发现新的大型-超大型矿床是满足国家对矿产需求的关键。实践证明,将成矿地球动力学背景和成矿过程研究与定量勘查评价“三位一体”有机结合,是卓有成效的。大型-超大型矿床的成矿地球动力学条件从宏观层次影响和控制着成矿,主要包括大地构造环境、壳幔结构与深部过程、成矿的岩石系统、区域热-流体条件等4个基本方面。要从根本上探明我国矿产的分布格局与资源潜力,从深层次上揭示区域成矿规律和金属巨量堆积过程,开辟新的找矿空间和深度,预测找矿战略新区,尤其要深入揭示地球深部物质、结构和各圈层间物质-能量交换的地球动力学过程。
本文在综述斑岩铜矿(PCDs)最新研究进展基础上,结合最新资料,重点阐释了中国大陆非弧环境PCDs的地球动力学背景、成矿岩浆起源、岩浆-流体系统演化、成矿金属(Cu,Au,Mo)和H2O来源及富集过程。中国大型PCDs除少量产于岩浆弧外,主要产于碰撞造山环境的构造转换和地壳伸展阶段、陆内造山环境的岩石圈伸展和崩塌阶段以及活化克拉通的边缘及内部。这些非弧环境成矿斑岩多呈彼此孤立的近等间距分布的岩株或岩瘤产出,以高钾为特征,显示埃达克岩地球化学亲和性。成矿岩浆主要起源于加厚的镁铁质新生下地壳或拆沉的古老下地壳,少数起源于遭受早期俯冲板片流体/熔体交代改造过的富集地幔。大陆碰撞和陆内俯冲引起的地壳大规模增厚和紧随其后的板片撕裂、断离、岩石圈拆沉和软流圈上涌,是形成这些成矿岩浆的主要动力机制。与岩浆弧环境斑岩类似,非弧环境斑岩也相对富水(>4%H2O)和高f(O2)值(ΔFMQ≥+2),但H2O不是来自俯冲板片,而是主要来自新生下地壳的角闪石分解或/和幔源富水超钾质岩浆水注入;金属Cu(Au)主要来自新生的镁铁质下地壳中含Cu硫化物的熔融分解,或者来自拆沉下地壳熔体与金属再富集的地幔岩反应,而金属Mo则主要来自具有高Mo丰度的大陆地壳。不论在岩浆弧还是非弧环境,成矿岩浆通常相对富集成矿金属(Cu,Au,Mo),但PCDs的形成并不要求成矿岩浆在初始阶段就异常富集金属组分,但要求金属硫化物相在岩浆流体出溶前没有从岩浆中饱和分离。浅成侵位的斑岩体(1~6 km)虽然可以出溶成矿流体,但大型PCDs通常要求成矿流体出溶自深部(侵位深度≥6 km)、有镁铁质岩浆持续补给的稳定大体积岩浆房。斑岩体可以分凝出不混溶的低盐度的气相和高盐度的液相,岩浆房则直接出溶出高温低盐度的富金属超临界流体。高盐度液相和低密度的超临界气相流体均可以迁移金属,伴随大规模热液蚀变,形成PCDs。
中国三叠纪大陆成矿体系是指在三叠纪(250~205 Ma)时期发生于大陆环境(包括大陆边缘)的成矿作用及其成矿地质要素构成的整体。分布在阿尔泰、北山、华北地块北缘和南缘、辽吉、鄂尔多斯、西南三江、羌塘、上扬子、湘鄂赣、云开-雷琼等矿集区的10多个主要矿床成矿系列(亚系列)可大致构筑起中国三叠纪的大陆成矿体系。相对于燕山期而言,印支期的成矿作用较弱,即使是印支运动强烈的西南三江-松潘甘孜地区已知三叠纪矿产资源尚少,找矿潜力仍然很大,而以往被认为形成于海西期的一些矿床(如阿尔泰的大喀拉苏、小喀拉苏等伟晶岩型稀有金属矿床)或被认为形成于燕山期的一些矿床(如辽吉裂谷带的小佟家堡子金矿和高家堡子银矿),经近年来同位素年代学的研究证明实际上形成于印支期,或者经历了印支旋回的成矿过程。在三叠纪的整个演化历程中,华北与华南两大块体拼合在一起,华北陆块南缘和北缘的拼合带及各类古构造再度活化,成为内生矿产的主要成矿带;华北的鄂尔多斯等大陆盆地及华南的山间小盆地为煤炭、油气、膏盐等沉积矿产的形成创造了条件;西南特提斯构造域的演化经历了从海洋到陆地的构造大变局,尤其是印支运动为中国中生代以来大陆格局的形成起到了重要作用,也为四川盆地等盆山格局的形成及其矿产资源的富集奠定了基础。因此,三叠纪成矿系统不仅可以为构造改造提供综合依据,也可以为成矿预测提供理依据。
斑岩型和浅成低温热液型矿床是全球铜、钼、金、银的主要来源之一,具有重要经济价值。这两类矿床之间通常存在紧密的时空关系,对其成矿流体性质和演化的解剖不仅有利于探究金属沉淀机制,也有助于揭示两者之间的内在成因联系。本文在综述国内外重要研究前沿基础上,以中国华南富家坞斑岩型铜钼(金)矿、桐村斑岩钼矿,以及邱村和安村浅成低温热液金矿为例,系统总结了斑岩型和浅成低温热液型矿床流体特征、演化规律和金属沉淀机制、探讨了从斑岩型到浅成低温热液型流体演化的“气相迁移”模型,并以福建紫金山铜金矿床为例,介绍了应用流体填图进行找矿预测的实例。
根据金矿床中碲、硒赋存特点与富集程度,可将Au-(Ag)-Te-Se成矿系统的矿床成因类型划分为:(1) 浅成低温热液型金-银矿床;(2) 造山型金矿床;(3) 卡林-类卡林型金矿床;(4) 碱性-偏碱性侵入岩型金矿床;(5)斑岩型(铜)金矿床;(6) 夕卡岩型(铜)金矿床;(7) VMS型金多金属矿床。碲、硒都是亲地幔的元素,侵入岩与火山岩是Au-(Ag)-Te-Se成矿系统中碲、硒的重要来源,黑色岩系也是硒的重要来源。温度、pH、氧逸度等是控制Te、Se的迁移与富集的重要因素。Au-(Ag)-Te-Se成矿系统的成矿机制与岩浆脱气、流体-熔体分离、水-岩反应、流体沸腾与混合、有机作用密切相关。其中岩浆脱气、流体-熔体分离、流体沸腾与流体混合是碲化物型金矿床的重要成矿机制,而水-岩反应、流体混合、有机作用是硒化物型金矿床的重要成矿机制。在成矿过程中,先期形成一些亚稳定或不稳定的过渡态矿物易发生固溶体分离作用,或是不饱和流体与已形成的矿物发生溶解-再沉淀作用,导致矿石具有丰富的物质组成和结构特点。
进入21世纪,特别是最近10年以来,社会发展和科技进步对矿床学研究提出了严峻的挑战和新的要求,具体表现在3个方面:学科发展前沿的挑战、国家战略布局需求和社会重大需求。其中学科发展前沿的挑战主要包括成矿模式创新研究不足、学科交叉融合程度不够、应用基础研究相对薄弱;国家战略布局需求则主要体现在“一带一路”、海洋强国和关键金属等方面;社会发展重大需求主要包括深部勘查、智能高效勘查和绿色生态勘查等方面。为了更好地应对挑战、满足需求,在未来30年为建设社会主义现代化强国、实现中华民族伟大复兴做出重要贡献,矿床学研究在未来发展中应注重以下几个方面:(1)成矿模式多维度综合研究;(2)勘查标识体系应用基础研究;(3)关键金属超常富集机制研究;(4)“一带一路”与海洋矿产研究;(5)深地勘查理论与方法集成研究;(6)智能高效绿色勘查体系研究。
