福建省高溫水熱系統特征

福建省高溫水熱系統特征

0福建沿海熱權現狀福建是中國最大的溫泉省份之一，排名第五，位于云南、西藏、四川和廣東后。溫泉分布廣、溫度也較高、流量大。早在20世紀80年代,對于福建溫泉的性質、資源潛力就有了比較客觀、理性的認識。其代表性的基本觀點羅列如下:1986年萬天豐認為:與中國東部各省相比,福建省的水熱系統分布廣、數量多,水溫比較高;但本地區(qū)不具備形成各類高溫高焓地熱系統的客觀地質構造條件,以中低溫(<150℃)水熱系統為主。1988年莊慶祥對福建省最高溫的漳州地熱田的成因模式進行了探討,認為漳州熱田屬于深循環(huán)型,其模式如下:大氣降水由熱田西部、北部、南部經由NW、NNW、NNE向斷層、節(jié)理匯入至熱田附近,在以上斷裂交接復合部位沿地塹式活動斷層作深循環(huán),體積膨脹上升至地表形成溫泉或淺層地熱水。漳州地下10km深處存在高溫高導低速層,如果為熱儲,水溫可達300℃以上。同年莊慶祥與韓慶之合作,依據福建沿海一帶大地構造情況、分析了漳州盆地局部地質構造特征、地溫場顯示特征、地下熱水的動態(tài)變化以及不同深度地下熱水的化學組分,認為漳州地熱區(qū)主要熱源來自老斷裂的重新活動,地下熱水的主要來源是大氣降水。認為熱水的循環(huán)深度為1500~2000m。20世紀80年代末,中國科學院地質研究所地熱研究室與福建省第一水文地質隊合作,研究了漳州地熱田的成因。認為漳州地熱田是在較高的區(qū)域熱背景(熱流密度為70mW/m2)之下,大氣降水(δD=-52.3‰,δ18O=-7.66‰)在由盆地邊緣的補給區(qū)向盆地中心的排泄區(qū)不斷運移的過程中,隨深度增大,地下水由巖石中獲取熱量,形成熱水,并在3.5~4.0km深處達到140℃左右。熱儲中的熱水擇地質條件有利的部位,即沿著因新構造斷裂交匯而形成的高滲透率帶上涌至地表,形成高溫中心。熱水上涌至第四系含水層,與其中的冷水發(fā)生混合作用,形成了熱中心外圍的中低溫地下熱水。漳州熱田的熱水為熱咸水,是大氣降水與海水在水熱系統深部混合的結果。1994年中國科學院地質研究所地熱研究室陳墨香等認為:福建省自中生代以來構造活動強烈,各種不同方向的斷裂十分發(fā)育,為地下水的深循環(huán)提供了滲透性良好的通道,所以福建省的溫泉和熱田屬于深循環(huán)對流型水熱系統。根據地下熱水中SiO2(玉髓)溫標計算,熱儲的平均溫度為110℃,其中福州、漳州、廈門杏林灣等熱儲的溫度可達120~140℃,熱水的循環(huán)深度為3~4km,屬于中低溫地下熱水,適宜于非電直接利用。陳墨香等還認為福建單個水熱區(qū)的面積一般為0.1~0.3km2,最大者如漳州和福州不超過10km2,全省193個水熱區(qū)的面積為66.4km2,在2000m深度內所含熱能為38.31EJ/a,相當于13.07億t標準煤。進入21世紀,作為低碳能源的地熱能受到人們日益的關注。福建省的部分地熱工作者也熱切盼望著打出高溫地熱能以便于生產二次能源。他們認為在閩南沿海是尋找高溫地熱資源的有利地帶,其主要根據是:(1)天然溫泉出露較多,占全省的70%以上,地溫梯度3~5.2℃/100m,漳州地區(qū)90多米深處探明有121℃的高溫地熱水。(2)地震活動頻繁,在微震震中密集區(qū)構成兩個明顯透鏡體,推測與近代巖漿活動有關,深部發(fā)育NEE向切穿莫霍面的滑脫斷裂。(3)該區(qū)中新世和上新世發(fā)生過火山噴發(fā)。(4)地形差異升降異常明顯。這種獨特的地質構造條件,說明在福建沿海地區(qū)具有大于150℃地下熱水的儲熱構造條件。后來,他們進一步提出:根據閩東南沿海地質構造條件、地殼升降形變和溫泉分布的特點,從沿海云霄陳棣至廈門翔安長約150km、寬約60km范圍內,深部(3000~5000m)熱儲溫度可達200~300℃,蘊藏著豐富的高溫蒸汽型地熱資源。2010年莊慶祥將福建的溫泉分為3種成因類型:火山熱成因類型;火山—對流熱成因類型;對流熱成因類型。(1)火山熱成因類型的溫泉出露于漳州、廈門和泉州3市。該地域新構造運動十分劇烈,第三紀和第四紀火山噴發(fā)極為普遍和強烈。并且根據綜合地球物理勘探的結果認為漳州、廈門等沿海一帶地殼較薄,1~10km內有1~3個低速高導層,大地熱流值大于2HFU、背景地熱梯度值大于4℃/100m,說明該地區(qū)地殼淺部有巖漿熔融體或其殘留體的存在,該地區(qū)下方9km以下有一個規(guī)模很大的低速體,其橫向延伸100km,厚度10km,在華安汰內、廈門、同安、漳浦、泉州永春、德化等地也有深度較淺的低速、高導的熔融巖漿熱源體存在,表明這個地區(qū)地殼5km深度內分布著熱氣相過熱中、高溫地熱能富集區(qū)。在漳州、廈門、泉州3市,國土面積僅占全省的1/5,而溫泉數占了全省的54%,5km深度內的地熱能儲量占全省的60%以上。全省5個溫度大于374℃的熱氣相過熱高溫熱儲地熱能富集區(qū)均位于上述3市內。全省有19個熱氣相中、高溫熱儲,上述3市分布有14個,占全省的74%。(2)火山—對流熱成因類型分布于福州和莆田,該區(qū)面積占全省的12.7%,溫泉37個,占全省總數的17.2%。其中福州地熱田推算5km深度內熱儲溫度150~374℃,為熱氣相中溫熱儲。(3)對流熱成因類型分布于閩西和閩北,國土面積占全省的66.8%,溫泉32個,占全省總數的28.8%。5km深度內熱儲溫度100~150℃,平均120℃,為熱氣相過熱低溫熱儲地熱能富集區(qū)。莊慶祥認為:1992年福建老地熱專家估算全省2000m深度地熱能儲量相當于1.5萬億t標準煤?，F在他將其評估深度調整為5000m,采用博爾頓的積存公式,依據福建東南部沿海地區(qū)火山熱型熱儲面積2萬km2,熱儲平均溫度250℃;火山—對流熱型面積3萬km2,熱儲平均溫度150℃;對流熱型(深部為巖漿巖,上部覆蓋2000m的非巖漿巖)面積3.5萬km2,熱儲平均溫度120℃,得出福建省5000m深度內地熱能儲量相當于5萬億t標準煤,其中熱儲溫度大于150℃的有經濟價值的熱儲量相當于5000億t標準煤?；诖?莊慶祥提出了“福建省50萬千瓦高溫巖體地熱分布式電站示范工程項目”,如果得到批準,就計劃在漳州、廈門或泉州的熱氣相過熱中、高溫熱儲地熱能富集區(qū)布點選址實施。到2030年,福建地熱發(fā)電能力應達500萬kW。按照這個說法,那時福建的地熱發(fā)電值,將是2010年居世界第一的美國的地熱發(fā)電量3093MW的1.6倍,略低于美國計劃在2015年的地熱發(fā)電量5400MW,從而福建地熱發(fā)電將大躍進超過美國,居于世界首位。以上這些看法,反映出對福建地熱的成因、資源潛力有著很不相同的估計,它實際涉及到福建地熱一個根本問題:福建是否存在高溫熱田?它們是否具有巖漿熱源?1閩臺地區(qū)海上地震系統福建省瀕臨西太平洋活動大陸邊緣,按照板塊理論,似乎應該存在高溫地熱田。討論福建的地質構造背景脫離不開臺灣。臺灣是西太平洋古近紀島弧的一環(huán),但主島上只在北端出現近東西向的火山帶,該島的向洋側為向西凹的,沒有海溝?，F代地震活動表明,與日本、琉球島弧不同,其深部沒有向西傾斜的貝尼奧夫帶,臺灣中南部及福建沒有現代的火山。臺灣位于其東北側的琉球島弧與南部的呂宋火山島弧的交接點,東鄰菲律賓海板塊。自4Ma以來,菲律賓海板塊以7cm/a的速度向西北沖向歐亞板塊。但是菲律賓海板塊的北緣與西緣的運動方式不同。在北緣(花蓮以北),菲律賓海板塊以45°角沿琉球海溝向西北下插到琉球島弧之下,地震震源表現出的貝尼奧夫帶厚達50km,當下插深度達到150km時,其上方地面出現大屯、基隆、龜山島等火山群。在臺灣南部,蔡儀本根據1973—1983年的地震資料,認為在臺東市以南存在一個向東傾斜的貝尼奧夫帶,厚約30km,傾角55°~60°,在21°N和22°N之間下插深度達180km,向北變淺,至23°N消失。往南是馬尼拉海溝。歐亞板塊連同新生代早期打開的南海洋盆向東俯沖到菲律賓海板塊之下。奇美、綠島、蘭嶼的安山巖是呂宋火山弧的北延,但噴出年代為新近紀,比呂宋島的火山巖年齡要老,這表明會聚是由北向南發(fā)展的。臺灣東海岸的海岸山脈是呂宋火山弧和西側的北呂宋海槽與亞洲大陸邊緣碰撞的產物。臺東縱谷是歐亞與菲律賓海兩個板塊之間的近于直立的邊界斷層,顯示了左行平移的特征。臺灣島的主體受到菲律賓海板塊強大的壓力,導致地殼發(fā)生彈性震動,即發(fā)生地震,并往西越過臺灣海峽影響到福建省。自東往西地震強度由強變弱,數量由多變少。萬天豐等計算和統計了閩臺地區(qū)1971—1982年各主要地震帶(活動斷裂帶)能量釋放的全部資料(表1)。從表1可以看出,地震次數福建比臺灣少一個量級,而釋放的能量福建僅為臺灣的萬分之一。臺灣釋放的能量占總釋放量的99.98%,其中臺灣東部的縱谷斷裂就占了85.23%。從圖1可以看出:閩臺地區(qū)所有地震的震源都分布在一個向東緩傾斜面之上,傾角4°~10°。萬天豐等將其稱為閩臺鏟狀斷裂系統,這可能是因為更新世以來,由于受向東俯沖的馬尼拉海溝的出現的影響,使臺灣東部縱谷斷裂的產狀直立,菲律賓海的洋殼不能向西俯沖,而菲律賓海板塊又繼續(xù)向西北擠壓。閩臺地區(qū)經過中、新生代巖漿活動與構造運動后已經固結的巖石圈,在這種水平擠壓應力的作用下,朝著最容易釋放應力的西北的斜上方向形成一條仰沖的鏟狀逆掩斷裂系統。在地表附近又利用老斷層,出現一系列北東向的左行平移—逆斷層組和北西向右行平移—正斷層組。這個鏟狀斷裂系統正在活動,目前的滑移斷距并不算大,但是已經對閩臺地區(qū)的新構造格局、地貌形態(tài)產生了重大影響,也決定了地熱系統的類型和分布?？傊?新生代以來,菲律賓板塊沒有向西消減到歐亞板塊之下,在閩臺地區(qū)沒有西傾的貝尼奧夫帶,而是向西擠壓,出現平緩東傾的鏟狀斷裂系統,導致閩臺地區(qū)缺乏新生代中酸性巖漿活動(臺灣北部的大屯火山群屬于琉球弧除外),斷裂網格發(fā)育,有利于大量溫泉出露。2在水文語言學中有一些錯誤的成分根據莊慶祥編制的《福建省溫泉一覽表》,全省共有溫泉215處,其中包括鉆孔22處。實際的溫泉露頭193處,其中天然露頭泉水溫度超過80℃的有10處,超過80℃的鉆孔共8處。根據趙云華等的統計,福建省大于30℃的溫泉(含地下熱水鉆孔)有196處,其中大于80℃有14處。按地區(qū)劃分,閩東南地區(qū)福州、莆田、泉州、廈門和漳州5市有131個,占66.8%;閩西及閩東北地區(qū)寧德、南平、三明和龍巖4地區(qū)、市共65個,占33.2%。就福建省溫泉的天然露頭而言,福建沒有沸泉。趙云華等表列的14個高于80℃的泉中,漳州的泉溫度為105℃,實際是鉆孔孔口熱水溫度。當前由于商業(yè)化的炒作,許多鉆孔打出的熱水都稱之為“溫泉”,實際上它們應稱為“人造溫泉”,因為鉆孔孔口的溫度與溫泉泉口的溫度是不同的。前者是含水巖體中的地下熱水絕熱冷卻后的溫度,而泉是地下水的天然露頭。顧名思義溫泉就是地下熱水的天然露頭。溫泉的溫度是地下熱水經歷傳導冷卻之后的溫度。各個國家對于溫泉的下限溫度并不一致。德國和英國把泉水溫度高于20℃的泉定義為溫泉,日本定為25℃。早在1875年,美國人吉爾伯特對溫泉下了一個科學的定義:“凡溫度高于年平均溫度15℉的泉水叫做溫泉或熱泉”,即高于年平均溫度8.3℃的泉可以稱為溫泉。近年來,我國規(guī)定25℃的泉稱為溫泉。其實這個規(guī)定對于我國青藏高原并不適宜,把許多向自然界放熱的低溫溫泉排除在外;對我國華南地區(qū)也很不妥,如福建省年平均溫度就在20℃左右。所以福建的地熱工作者將地下水的溫度高于當地年平均溫度10℃時的泉(即30℃)才可以稱為溫泉是恰當的。一般來說,當泉水溫度略高于或等于當地高程的沸點時,可以稱為沸泉(boilingspring),這時地表會有形形色色的地熱顯示,蔚為壯觀;當泉水溫度低于地球年平均最高溫度(<35℃)、又高于當地年平均溫度之上10℃時可以稱為微溫泉(tepidspring),因為它已經向大氣圈放熱。介于沸泉和微溫泉之間的泉統稱為溫泉或熱泉,依據它們溫度的高低可以分成很多等級,則完全因人而異。在20世紀70年代,有人將泉水溫度超過當地高程沸點溫度的泉稱為“過熱水泉”。在水文地質學中也就有了錯誤的溫泉分類,最典型的莫過于河北省地質局水文地質四大隊主編的《水文地質手冊》,其分類如表2所列。這個分類是錯誤的,因為自然界只有過熱蒸汽,不存在“過熱水”。也不能錯誤地將達到或微弱超過沸點的飽和水稱為“過熱水”;再者既然過熱就不會是液氣相,因為所謂液氣相就是濕蒸汽;在過熱狀態(tài)下,其熱焓值必然超過干飽和蒸汽;所謂高于臨界溫度的高溫過熱水也不會存在,因為在臨界點處,水和蒸汽之間沒有差別,它們具有相同的狀態(tài)參數,已經難以區(qū)分是水,還是汽。在這種錯誤分類的影響下,在福建省的地熱研究與開發(fā)中,出現了將漳州高溫溫泉稱為“淺層液氣相過熱低溫溫泉水”和“淺層氣相過熱水類型地熱田”,這些稱謂不科學,也不符合熱工學的基本概念。3流體的物理特性“地熱”是指地球的內部熱能。地熱的富集程度足以構成能量資源的系統才能叫做地熱系統。按照地熱系統內儲存流體的溫度,可以分為高溫地熱系統(>150℃)、中溫地熱系統(90~150℃)和低溫地熱系統(<90℃)。根據地質環(huán)境和熱量傳遞方式,地熱系統可以分為以下兩個大類:(1)對流型地熱系統,它分為兩種:①與淺成年輕酸性巖漿侵入活動有關并出現在具有高孔隙率和滲透率的地質環(huán)境中的水熱系統,我國習慣于簡稱為“有巖漿熱源的水熱對流系統”;②出現在區(qū)域熱流量高至正常區(qū)域以內的低孔隙率—破碎帶滲透率環(huán)境中的環(huán)流系統,簡稱為“深循環(huán)水熱對流系統”。(2)傳導型地熱系統,也可分為兩種:③存在于熱流量正?；蚵愿哂谡５膮^(qū)域以內的高孔隙率和滲透率沉積層(包括地壓帶)中的低溫低焓含水層,簡稱為“沉積盆地”;④高溫低滲透率環(huán)境中的干熱巖系統,現在稱之為增強型地熱系統(EGS)。福建的溫泉作為水熱對流系統大多數是順斷裂深循環(huán)而形成的。福建一些高溫水熱對流系統是否存在巖漿熱源,存在兩種完全對立的觀點。福建不存在大面積、巨厚層的沉積巖系,因而地壓系統和大型沉積盆地不可能存在。大面積的中生代花崗巖體能否構成增強型地熱系統則是有待研究的問題。按照水熱系統內所含地熱流體的物理特性可以分為:溫水系統、熱水系統、兩相系統和蒸汽系統(圖2)。溫水系統又叫溫水儲,在主導性熱儲條件下僅含溫度相當低的水的熱儲,其溫度低到不論是在天然條件下,還是在開采條件下,熱儲環(huán)境內部都不會發(fā)生沸騰。因此凡溫度不足100℃的系統都包含在溫水儲的范疇內。實測溫度達到200℃的某些系統也可以列入溫水儲的范疇。熱水系統是White提出來的,它是以液態(tài)水作為連續(xù)的、壓力控制的流體相為特征。熱水系統中可能有些蒸汽存在,蒸汽一般在淺層低壓地帶呈分散的氣泡形式出現。按照Donaldson和Grant的定義,熱水儲與溫水儲相反,不論在天然狀態(tài)下還是在開采狀態(tài)下都能發(fā)生沸騰。但是全部開采作業(yè)都將在水飽和帶內進行。如果水飽和帶的埋深過大,就可能存在淺一些的兩相區(qū)。兩相系統是以液態(tài)水為主的系統和蒸汽為主的系統之間的過渡類型。兩相系統中的地熱流體為干度不同的濕蒸汽。所謂“干度”乃是指濕蒸汽中所含干飽和蒸汽的質量百分比。以蒸汽為主的系統:“蒸汽為主”是White等創(chuàng)造的。這類系統的根本特點是排放蒸汽以及蒸汽來源區(qū)域的壓力基本不隨深度而改變。蒸汽排放的初始階段可能是濕的,也可能是干飽和蒸汽或過熱蒸汽。但在開采過程中蒸汽會逐漸變干或逐漸增加過熱度。圖2是熱水與飽和蒸汽的溫度—熱焓曲線。從左下角的0點到臨界點是飽和水線。在飽和水線左側區(qū)域的流體是液相,為未飽和水,它們在地熱儲中永遠不會發(fā)生沸騰,這樣的水熱系統可以稱為溫水系統。世界上許多高溫地熱田都位于飽和水線附近。當分布于曲線右側時,表明熱水中含有若干飽和蒸汽,而飽和蒸汽的熱焓超過同溫度熱水的熱焓數倍。當水中含鹽度高時,飽和水線就會偏向左側,如美國鹽海的360℃的鹽水含鹽度達到25.8%。達到飽和水線的系統稱為熱水系統,如新西蘭懷拉開、墨西哥塞羅普列托和西藏羊八井與臺灣清水等。由臨界點往右延伸交于熱焓值600cal/g(0℃時飽和蒸汽的熱焓值)的這一段曲線叫飽和蒸汽線。飽和蒸汽的最高熱焓值為669.3cal/g,溫度為232.76~239.77℃。在飽和蒸汽線右側區(qū)域的流體是蒸汽相,是過熱蒸汽。圖2中美國蓋瑟爾斯和意大利拉德瑞羅兩個干蒸汽田所產出的蒸汽的熱焓都大于相同的飽和蒸汽的熱焓?？梢娝鼈儺a出的蒸汽是過熱蒸汽而不是飽和蒸汽,說明這兩個熱田的深部必定有額外的附加熱源才能促使蒸汽過熱。這種只有過熱蒸汽和飽和蒸汽的地熱系統叫蒸汽系統。飽和水線和飽和蒸汽線所包圍的區(qū)域是濕蒸汽區(qū),其流體為氣水混合物。在該區(qū)域內的地熱系統稱為兩相系統。濕蒸汽熱焓的位置偏向于飽和蒸汽線,表明其氣水比中蒸汽的比重增加,即干度大,例如日本松川地熱田雖然以生產蒸汽為主,但那是飽和蒸汽(不是過熱蒸汽),而且混入了熱水;如果濕蒸汽熱焓的位置偏向于飽和水線,濕度就大,如日本大岳地熱田。趙云華等根據溫泉水二氧化硅溫度計計算了206個泉(含10個<30℃的泉)的深部熱儲溫度,全省150~164℃的有7處,90~150℃有161處,小于90℃有38處。按照趙云華等的研究,根據二氧化硅地熱溫度計計算結果,福建有可能出現的高溫地熱系統是:福州市區(qū)(161℃)、泉州市德化縣南埕(152℃)、廈門市杏林灣(154℃)、漳州市區(qū)(164℃)、三明市永安市洪田鄉(xiāng)(157℃)、三明市大田縣太華鄉(xiāng)湯泉(161℃)。因此福建的地下熱水屬于高溫系統的僅有3.4%,中溫系統居多,占78.2%,低溫系統也不多,只占18.4%。萬天豐等將164個溫泉的二氧化硅溫度計計算得出的溫度取平均值,平均溫度為115℃,根據福建省深部地溫狀況來判斷,地下熱水所含的二氧化硅處于平衡狀態(tài)的深度大致在3~4km。福建省熱儲溫度>150℃的水熱對流系統共7個,說明地下熱水的二氧化硅的平衡深度淺于5km。福建省的低溫水熱系統和中溫水熱系統都是溫水系統,在熱儲內的地熱流體永遠不會發(fā)生沸騰。但那些高溫系統是溫水系統還是熱水系統,這是個值得討論的問題。我們以漳州高溫水熱系統為例。漳州工人療養(yǎng)院ZR14孔孔深98.29m,孔口水溫105℃,孔底水溫121.5℃,從孔底到孔口由于絕熱冷卻降溫16.5℃。漳州五中地熱井井深200m,孔口水溫1989年為114℃,1992年升到122℃,孔底溫度未見報道,考慮到絕熱冷卻,估計孔底溫度不會超過140℃。這兩個鉆孔的熱水在地表無疑發(fā)生沸騰,在深部100m和200m處的情況決定于深處的壓力。從沸點—深度曲線(圖3)看出:漳州五中200m深處140℃的熱水和工人療養(yǎng)院98.29m深處121.5℃的熱水都投點在沸點—深度曲線的左側,不在曲線之上。而且地下200m深處的沸點應該在210℃,地下100m深處的沸點為180℃。因此,漳州熱水只是到地表才沸騰。200m深處的140℃的水汽,絕對不是飽和蒸汽。因為200m深的蒸汽為主的地熱田,其溫度應該達到210℃,而飽和壓力應該達到2MPa(圖4)。顯然漳州地熱田的地熱流體不具備這樣的溫度壓力條件,但是漳州地熱田應該屬于熱水系統是可以肯定的。再考慮到漳州的地下熱水K-Ar法測定的同位素年齡為11.6Ma,為中新世的產物。沿海地區(qū)的玄武巖含尖晶石二輝橄欖巖包體,包體的稀土元素配分型式為平坦型,巖漿庫位置相對較淺,地溫高,含水豐富,具有海洋玄武巖的特征。其噴發(fā)年代與南海海盆擴張時代相同。中帶見于漳平和閩清,規(guī)模很小,以橄欖玄武巖為主。西帶沿松溪—明溪—上杭斷裂帶分布,見于明溪的雪峰、蓋洋,清流的林畬、寧化店上及泰寧邱洪。火山巖體呈孤立狀散布,共45個。最大者面積為4km2,一般0.5km2,總面積僅28km2。火山巖為拉斑玄武巖、橄欖玄武巖、碧玄巖和安山玄武巖。K-Ar法測定的同位素年齡為0.72~4.96Ma。主要屬上新世并延續(xù)到中更新世,其玄武巖中含石榴石二輝橄欖巖包體,包體的稀土元素分配型式為富集型,巖漿來源深,具大陸裂谷玄武巖的特征。福建省的面積為12萬km2,新生代火山巖的面積充其量約500km2,僅為全省面積的4‰,因此規(guī)模不大。根據玄武巖深源包體的地球化學研究,基本不含地殼物質的混染,玄武巖漿從巖石圈底部沿巨大的張性巖石圈斷裂快速絕熱上升到地表,難以在地殼內部滯留形成巖漿囊以構成福建的地熱活動的熱源。相關的玄武巖墻,對于兩壁的蝕變帶僅寬幾厘米到十幾厘米。實際上在中國東部山東、河北、東北3省、內蒙古、山西,新生代以來出現過多期玄武巖噴發(fā),其規(guī)模遠大于福建,時代也比福建的年輕,像五大連池在康熙年間曾有過噴發(fā)。這些玄武巖由于粘度小,順斷裂噴出時幾乎不在地下滯留以構成地熱活動的熱源。所以中國東部除了吉林白頭山噴出的粗面巖其下部可能存在未冷凝的巖漿囊外,玄武巖噴出區(qū)幾乎都沒有溫泉出露,更不可能出現高溫地熱系統。第四紀以前的巖漿侵入體的殘余熱量是否有可能在地表附近構成熱異常呢?福建存在許多中生代的花崗巖侵入體和中酸性火山噴發(fā)巖,它們的地熱潛力如何呢?Smith&Shaw計算了各種規(guī)模的、侵入深度<10km的酸性侵入體的體積和冷凝時間的關系,以此來估算其地熱前景(圖6)。由圖6可看出,100萬年以前形成的巖漿囊,當其體積>1萬km3時,其殘余熱還是有可能形成活動的或休眠的高溫地熱系統;1千萬年前形成的巖漿囊,只有當其體積>100萬km3時,其殘余熱才可能形成活動的或休眠的地熱系統,這種情況實際上極為罕見。1億年前侵位的巖漿囊,幾乎無法形成任何高熱的地熱系統。福建省的巖漿侵入活動主要發(fā)生在1億年前,它們難以保持足夠的熱量來產生高溫地熱系統。下面討論汕頭—泉州—福州人工爆破地震剖面所發(fā)現的地殼中地下13~16km深處的低速層問題和云霄—安溪折射剖面埋深10.2~14km的低速區(qū)問題。廖其林等認為低速層不是巖石的孔隙壓力和水的作用所引起的,而是介質的熱狀態(tài)變化所致,那里可能存在著熔融或半熔融物質。熊紹柏等認為低速區(qū)的產生有3種可能:一是破碎帶,由于巖石的裂隙增多,孔隙度加大,可使P波速度減小;二是巖石的孔隙壓力、溫度和含水性質發(fā)生變化,特別是有水蒸氣存在時,會使P波速度降低;三是地殼中存在部分熔融的高溫物質,使巖石體積膨脹、密度變小。熊紹柏等選擇了第三種可能性。筆者則存在不同的看法,認為:人工爆破地震所發(fā)現的低速層,分布是如此穩(wěn)定,它不可能是融熔或半融熔層所造成,而是由于巖石破碎所造成,即由閩臺鏟狀活動斷裂系或滑脫面所致,閩臺低角度活動斷裂系在沿海地區(qū)的埋深正好為十余公里。1982年9—12月,周立功等在漳州沙建地區(qū)進行了微地震觀測,結果也表明,南靖、漳州和沙建一帶最大震源深度多在5~14km,靠近海濱的集美附近為15~25km,廈門一帶為20~30km,也顯示出震源深度由西邊的內陸向東邊的海區(qū)逐漸變深的趨勢。由此可見,天然地震資料、微震觀測結果和人工爆破地震資料是十分吻合的。1986年至1987年,中國科學院地球物理研究所和福建省地質礦產局物化探大隊曾在福建省東部地區(qū)做過大地電磁測深,發(fā)現在長樂—詔安斷裂西側的仙游、永春、南安、同安、長泰、楓亭一帶,第一層為巨厚的高阻火山巖和侵入巖,厚度12~35km,其下是部分融熔的殼內高導層,該殼內高導層的埋深與人工爆破地震發(fā)現的低速層埋深相當。大地電磁測深結果發(fā)現在長樂—詔安斷裂的東南側惠安、晉江、廈門、龍海一帶,特別低的表層電阻率和海相沉積物相對應;下部為厚約10km、視電阻率為數十歐姆·米的第二層,孔祥儒等認為可能是破碎的洋殼,它們曾經是大陸架或洋底,后來仰沖到陸緣之上,因此推測長樂—詔安斷裂可能是古大陸和海洋的分界。根據上面的資料,福建省不存在晚更新世和全新世的玄武巖大規(guī)模噴發(fā),即使有,也不可能在地下滯留成為巖漿囊;新近紀噴出的玄武巖規(guī)模很小,以充填張性斷裂為主,不可能滯留地下,構成地熱活動的熱源。中生代的花崗巖規(guī)模巨大但早已冷卻,也不能構成福建地熱活動的熱源;中地殼中的低速高導層未必是熔融或半熔融體,而可能只是閩臺鏟狀斷層的滑脫面。5地質及熱流值的計算1985年王鈞利用當時可以收集到的鉆孔測溫數據,加上利用二氧化硅地球化學溫度計推算的溫度值,計算了東南沿海地區(qū)(包括福建省)1000m和2000m深度的地溫數值,在1000m深處,福建西部為40℃左右,而福建東部可超過50℃;在2000m深處,福建西部為60~70℃,福建東部為70~80℃。據此推算了福建的地溫梯度,福建東部為3.0~4.0℃/100m;福建西部為2.5~3.0/100m。1987年至1988年,中國科學院地質研究所與福建省地質礦產局合作在福建省開展了系統的大地熱流測試和研究工作,至1993年共公布熱流值數據41個(含熱異常區(qū)5個),平均熱流值(80.78±33.93)mW/m2,排除5個熱異常區(qū)后,平均熱流值為(69.78±10.62)mW/m2。其中閩西地區(qū)熱流值29個,平均熱流值為74mW/m2,認為“相當于中—新生代活動區(qū)的熱流值”。在閩東南漳州盆地的背景熱流值為73mW/m2,熱田區(qū)的異常熱流值為359mW/m2,1990年汪集旸等公布的數據為209mW/m2。福州盆地的大地熱流值1990年公布的為86.1mW/m2;2001年公布的為220.7mW/m。前者的經緯度為119°20′E,25°52′N;后者為119°18′E,25°05′N。另外,靠海濱的一些測點的大地熱流值都比較低,如:福清(53.8mW/m2)、廈門(45.5mW/m2)、泉州(49.9mW/m2)。因為地下水中二氧化硅達到平衡狀態(tài)時的溫度與實測熱流值之間存在線性關系,Swanberg和Morgan于1978年提出了硅熱流方法。1986年萬天豐等利用計算出的硅熱流值計算了福建省20個1∶20萬區(qū)域地質測量圖幅(1°×40′)的硅熱流值。平均每個圖幅內均有30~80個數據,少數圖幅的數據可超過100個,共有數據1269個。計算結果見表4與圖7。根據地表熱流值(q0)和地表附近恒溫層的溫度(t0,福建取19℃),再加上侵入巖的巖石生熱率(A0)、巖石熱導率(K)以及放射性元素富集層的厚度(D),可以計算巖石圈某一深度的溫度。如果巖石生熱率(A)以指數形式隨深度而變小,A(Z)=A0exp(-Z/D),巖石熱導率(K)在一定深度范圍內為定值,則巖石圈內不同深度(Z)的溫度值可按下式求得:式(1)中:巖石生熱率可以根據福建省侵入巖中鈾、釷、鉀的含量,用下式求得:A=10-5ρ(9.52cU+2.56cTh+3.48cK)(2)式(2)中:A為巖石生熱率,μW/m3;ρ為巖石密度,kg/m3;cU為巖石中鈾的含量,單位為10-6;cTh為巖石中釷的含量,單位為10-6;cK為巖石中鉀的含量,單位為%。福建省的地殼在東部主要是在中生代形成,西部是在古生代形成的。在選取巖石中鈾、釷、鉀含量時,東部取中生代花崗巖的平均值,西部取古生代花崗巖的平均值,計算結果見表5。Jaupert等發(fā)現,Th/U比的平均值大致與D值呈線性關系,Th/U比越大,D值越小。據此估計出福建東部的D值約為10km,西部的D值約為9km。對于巖石熱導率值,根據國外的經驗,結合福建的具體情況,上地殼(0~10km)的巖石熱導率按2116塊花崗巖試樣的平均值,取為3.0W/(m·K),下地殼參照角閃巖的數值,取為3.4W/(m·K);上地幔(35km以下)參照深變質巖的測試數據,取值為3.58W/(m·K)。根據上面的有關數值代入(1)式,可以求得福建省東部和西部70km以上深部的溫度。在計算過程中筆者在選取熱流值q0時,舍棄實測的熱流值而采用硅熱流值,理由是:(1)以漳州所公布的3個熱流值數據為例,代入公式(1),當q0值取73mW/m2時,5km深處的溫度僅132℃;若q0值取209mW/m2時,5km深處的溫度為381℃,已經超過了水的臨界溫度;如果q0值取359mW/m2時,則5km深處的溫度達631℃,已經是可以形成花崗巖漿的溫度了,與實際情況不符。(2)在中—新生代,福建東部的構造活動明顯比西部強烈,但是西部的熱流值卻高于東部沿海地區(qū),不大合理。(3)用硅熱流值算得的居里點的深度與航空磁測所得的結果非常吻合。(4)硅熱流值所采集的數據是以一個面作基礎的,可能更好地顯示圖幅區(qū)域的特點。所以在計算福建省深部的地殼的溫度時,q0值選用了硅熱流值。計算結果見表6和表7。在深部地溫的研究中,20世紀80年代地質礦產部航空物探研究所根據航空磁測的資料來計算地下居里點的埋深。所謂居里點指的是地下物質的磁性消失點,溫度為560℃。在福建省東部漳州、德化、福州一帶居里點深度<32km。其結果與萬天豐等用硅熱流值計算的地下溫度的結果是基本吻合的。在福建東部地區(qū),居里點埋深在40km以下的有三沙、南平、泉州等地區(qū);接近50km的有東山、