中国陆区干热岩勘探靶区优选：来自国内外干热岩系统成因机制的启示

Exploration Target Selection of Hot Dry Rock in Chinese Continent: Enlightenment from Genesis Mechanism of Global Hot Dry Rock System

摘要

干热岩是指地下高温但由于低孔隙度和渗透率而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂形成增强地热系统（EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中在当前技术经济条件下可以开采的地热能被称为干热岩型地热资源，它是人类未来的重要替代新能源之一.干热岩的研究始于20世纪70年代，经过近50年的不断发展，干热岩在理论和实践两方面都有了长足发展，美国、日本、法国、德国、澳大利亚等发达国家相继投入巨资进行干热岩勘查、评价和开发实验，并且初步形成了商业开发的成功范例.实践表明，干热岩地热资源是深层地热能的一部分，往往与高温水热系统共热源且存在共生关系，但其地质条件复杂，开采难度较大，应倡导“深层地热能”和“广义EGS”概念，即按照EGS技术着眼深层水热型和干热岩型地热能整体开发.为了克服诱发地震等环境安全问题，干热岩压裂造储技术研发方向正在从“刚性造储”向“柔性造储”发展.近几年来，我国分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩地质勘查，并在青海共和、山东利津、广东惠州、四川康定、冀东马头营和琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和的干热岩勘探与开发实验中取得突破.综合考虑全球高温地热带分布和中国陆区板块构造背景、现今大地热流分布格局、岩石圈热结构、Moho面深度及壳内热源、新生代火山活动、温泉分布、深大断裂分布与活动性，以及现有干热岩勘查结果，认为当前中国陆区最具前景的干热岩勘探靶区为东北新生代火山活动区、海南岛及雷州半岛和滇藏川地区——青藏高原东构造结.此外，高热背景条件下的中厚层碳酸盐岩应作为深层地热能开采的重点目标储层.

关键词

干热岩 / 增强地热系统 / 成因机制 / 地热能 / 中国陆区

Key words

hot dry rock / enhanced geothermal system / genesis mechanism / geothermal energy / Chinese continent

地热资源是一种极具竞争力的清洁、可再生能源，具有资源量大、能源利用效率高、成本低、节能减排效果好等诸多优点.在当前形势下，大规模开发利用地热能是贯彻落实习近平总书记国家能源安全战略，应对全球气候变化和节能减排，助力实现“2030碳达峰，2060碳中和”目标的具体举措（ 汪集旸， 2016）.近年来，在政府一系列政策的推动鼓励下，我国正迎来地热能开发利用的新热潮（ 庞忠和等， 2017； 郑克棪和陈梓慧， 2017）.

按照分布位置和赋存状态，地热资源可以分为4大类：浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩型地热资源和岩浆型地热资源.其中，干热岩（hot dry rock，简称HDR）是指地下高温但由于低孔隙度和渗透率而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂形成增强地热系统（enhanced geothermal system，简称EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中可以开采的地热能被称之为干热岩型地热资源.基于商业开发目的，各国对干热岩的定义并不完全相同：美国科学家根据Fenton Hill干热岩研究工作认为干热岩是埋藏于距地面2~3 km以下、无裂隙、无流体、自然温度达到200 ℃的岩体；日本科学家根据Hijiori干热岩研究工作认为只要岩体的温度达到200 ℃，埋藏深度合理，内含流体不是太多（或者没有），能用干热岩技术来提取岩体中的热量，就把这种岩体称为干热岩；欧洲一些科学家根据法国Soultz干热岩研究认为，埋藏于地面1 km以下，温度大于150 ℃的岩体都可称为干热岩，条件无需过于严格；我国国家能源局于2018年发布了干热岩概念，定义为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被利用的岩体（ 国家能源局， 2018）.据初步测算，干热岩的蕴藏量十分丰富，仅地球内部3~10 km深处蕴藏的干热岩的热量，相当于全部煤炭、石油、天然气蕴藏能量的30倍（ 陆川和王贵玲， 2015）.中国陆区3~10 km深度内干热岩所蕴藏的地热能总量的2%，即可采资源量高达4.2×10 ⁵ EJ，折合标准煤1.43×10 ¹³ t，相当于2010年我国能源消耗总量的4 400倍（ 汪集旸等， 2012）.

干热岩地热资源因储量巨大，而被视为人类未来的重要替代新能源之一，受到了世界各国的高度重视.干热岩的研究始于20世纪70年代，经过近50年的不断发展，干热岩在理论和实践两方面都有了长足发展.2006年，美国麻省理工学院联合美国国家实验室18位专家，历时两年，完成了科技发展战略报告——“地热能的未来：增强地热系统对21世纪美国的影响”，该报告首次对美国本土干热岩地热资源量和干热岩开采技术做出了系统评价.近年来，美国、英国、日本、瑞典、澳大利亚等发达国家相继投入巨资开展地质调查、钻探实验以及规模较大的干热岩生产实验研究，并且初步形成了商业开发的成功范例，为干热岩地热利用技术的发展提供了非常珍贵的经验资料.2015年，美国启动了地热能前沿观测研究计划（Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy，简称FORGE），旨在建设大规模、经济可持续和商业化的EGS技术，形成可降低工业开发风险和促进EGS商业化的严谨、可复制的方法，计划由3个阶段构成，经费不设上限，号称干热岩的“阿波罗”计划（ Moore et al.， 2019）.

我国干热岩的勘查和研究起步相对较晚.2014年以来，我国国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩资源地质勘查，并在青海共和‒贵德、山东利津、广东惠州、四川康定、冀东马头营、琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和‒贵德的干热岩勘探与开发实验中取得重要突破.在干热岩形成机理方面， 李德威和王焰新（2015）等提出将地球系统动力学的思想贯穿到干热岩及其关联的资源、灾害、环境、工程地质的调查研究与应用的各个环节之中，并建议在华北、青藏高原及其邻区、东南沿海、台湾地区这４种不同类型的热构造活动区进行联合勘查、综合评价与系统开发. 甘浩男等（2015）将中国干热岩资源的赋存类型分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型，提出了包括东南沿海、渭河盆地、长白山、五大连池和青藏高原在内的干热岩资源赋存有利前景区. 许天福等（2018）通过对2013-2016年来国外典型EGS场地研究动态的信息收集和整理，阐述了国际上开发活动较活跃的EGS场地所取得的经验和教训，并分析了国内几个干热岩资源开发的远景地区，如青海贵德‒共和盆地、福建漳州断陷盆地、松辽盆地、川西和山东利津县等. 毛翔等（2019）总结了国际干热岩开发项目的板块构造位置，其主要分布在欧亚板块板内地热域、印澳板块板内地热域、东太平洋离散‒汇聚板缘型地热域、西太平洋汇聚板缘型地热域和加勒比海火山活动岛弧区. 庞忠和等（2020）倡导“柔性造储”和“广义EGS”理念，强调储层属性和地球物理场的整合，并利用专家建议，发挥模糊数学综合评估作用，评估了中国陆区9个区域深层地热能开发的难易程度. 蔺文静等（2021）梳理了我国已开展的干热岩资源勘探工程，总结归纳了不同类型区勘查重点. 刘德民等（2022）总结了干热岩勘查评价指标，包括岩石圈厚度和莫霍面埋深、居里等温面、地温梯度、大地热流、新构造运动以及高温温泉与气田等.

本文系统梳理了国内外代表性的干热岩项目，总结了干热岩成因模式.综合考虑全球高温地热带分布和中国陆区板块构造背景、现今大地热流分布格局、岩石圈热结构、Moho面深度及壳内热源、新生代火山活动、温泉分布、深大断裂分布与活动性，以及现有干热岩钻探结果，圈定了当前中国陆区最具潜力的干热岩勘探靶区.

1 全球大地热流及干热岩试验场地分布

大地热流是地温场的综合性热参数，能够准确地反映区域内的地温场特征，因此是干热岩勘查的最重要指标之一.大地热流值较大 （≥75 mW/m ²）就指示地球深部有存在高温岩石（体）的可能，如美国Fenton Hill干热岩试验场大地热流超过200 mW/m ²；美国Geysers干热岩试验场大地热流为168 mW/m ²；法国Soultz干热岩试验场大地热流为80±10 mW/m ²；美国犹他州Milford干热岩试验场大地热流为120±20 mW/m ².

截至2021年，国际热流委员会（International Commission of Heat Flow，简称IHFC）发布最新汇编的大地热流测量数据，全球共有74 458项数据点，其中陆地数据点为40 870项、海洋数据点为 33 678项.统计结果表明大陆和海洋地区的平均热流分别为67 mW/m ²、92 mW/m ² （ Lucazeau， 2019）. 图1所示为全球热流分布图，从图中可以清晰识别出全球4大地热异常带，即环太平洋地热异常带、地中海‒喜马拉雅地热异常带、大西洋中脊地热异常带和红海‒亚丁湾‒东非裂谷地热异常带，这与全球活动板块边界位置吻合.在这些地热异常带内，大地热流值普遍大于100 mW/m ²，以火山、熔融体为主要热源，高温地热资源丰富，地表水热活动强烈，温泉温度普遍高于当地水的沸点，成为“沸泉”.

截至目前，全球已经进行了约42项干热岩试验项目，其中24个属于传统意义的干热岩开发项目，18个属于EGS开发项目. 图2为全球地热异常区及国际干热岩试验场地分布.从地域上看，国际干热岩开发项目绝大多数分布于欧洲，共计23个，主要分布在阿尔卑斯褶皱带的上莱茵地堑、磨拉石盆地等；其次为北美及加勒比地区，共计12个，主要分布在科迪勒拉造山带.从全球地热域上看，这些实验场地主要分布在欧亚板块板内地热域（如法国Soultz项目）、印澳板块板内地热域（如澳大利亚Habanero项目）、东太平洋离散‒汇聚板缘型地热域（如美国Fenton Hill项目）、西太平洋汇聚板缘型地热域（如日本Hijiori项目）和加勒比海火山活动岛弧区（如法国Bouillante项目）.此外，干热岩开发项目所处的大地构造环境包括了克拉通盆地、前陆盆地、裂谷盆地、弧前盆地、弧后盆地、近现代火山（火山带）和褶皱带地区.有意思的是，除了北美、欧洲中北部、加勒比海、日本地区处于传统认为地热资源丰富的环太平洋火山地震带之外，欧洲南部近阿尔卑斯山区域、亚洲和澳大利亚的干热岩开发项目均不处于传统认为的地热资源丰富区（ 毛翔等， 2019）.

表1统计了国内外代表性干热岩项目地质特征.全球干热岩项目探井井深500~5 000 m，热储岩性主要为火成岩和沉积岩，火成岩以花岗岩为主；压裂方法以水力压裂为主，化学压裂为辅，爆破压裂正悄然行进.为了克服诱发地震等环境安全问题，国际干热岩技术研发方向正在从“刚性造储”向“柔性造储”发展，即采用灵活的压裂和化学等造储技术和工艺，避免纯粹靠提高压力来造储（ 庞忠和等， 2020）.

2 国际代表性干热岩项目实例

2.1　美国Fenton Hill 干热岩项目

美国Fenton Hill项目是国际上实施的第一个干热岩实验项目，于1970年提出实施方案，1973年开展EGS实验，2000年被迫中止，对该区干热岩的地质特征、储层激发、发电实验等方面均开展了系统研究.

Fenton Hill项目位于新墨西哥州北部Valles Caldera火山西侧，处于北美板块中元古代北美增生型造山带内，如 图3所示.由于拆离伸展作用，造山带内高原塌陷形成一系列伸展裂谷盆地，与南北向山系组成盆岭省.距今约16~17 Ma，黄石地幔柱开始活动，盆岭省发生显著的伸展作用，地壳强烈沉降，岩浆活动强烈，Fenton Hill最近一次火山喷发距今仅1.25 Ma（ Spell and Kyle， 1989）.地球物理探测结果表明，Fenton Hill火山深部5~15 km存在一个长约10~14 km的低速带，呈近椭圆状展布，推测深部存在岩浆囊（ Steck et al.， 1998）.Fenton Hill试验区出露大量的喷气孔及温泉，与贯穿火山口的断裂展布相一致，证实了该地区浅部高温水热型地热系统与深部干热岩地热系统存在共生关系.

Fenton Hill试验场地具有异常高的地温梯度和大地热流，地温梯度达65 ℃/km，热流值大于 200 mW/m ²（ Sass and Morgan， 1988）.Fenton Hill项目先后开发了两套热储，第一套储层深度为 2 800~2 950 m，储层温度在180~200 ℃之间，岩性为花岗闪长岩；第二套储层深度约为3 500 m，温度为240 ℃，岩性为片岩及花岗闪长岩.

Fenton Hill项目共分两个阶段进行.第一阶段：1974年第一井钻至2 042 m，水力压裂后又加深至 2 932 m，获得180 ℃井底温度；第二井在3 064 m获200 ℃井底温度；1977年从第一井的开斜井与第二井做连通试验，两井相距100 m，试验了417 d，获得35 MWt热能，进行了60 kWe双工质发电试验.第二阶段：1978年后又钻了两井，进行了压裂试验并钻开斜井，4 390 m井底温度327 ℃，1986年循环试验30 d，注水总量3.7×10 ⁴ m ³，注水流量10.6~ 18.5 kg/s，压力26.9~30.3 MPa，产出温度192 ℃，回收66%.Fenton Hill项目试验持续至2000年，因塌孔、开斜钻井和设备损坏等被迫停止.Fenton Hill项目的最大成果在于它验证了在渗透率很低的干热岩中通过人工压裂的方法可以实现储层改造，使用循环流体提取地热能的概念是可行的，为地热能的开采开创了新方向（ Brown et al.， 2012）.

Fenton Hill项目是近代火山型干热岩地热系统的典型代表. 5~10 km深度部分熔融的岩浆房是该地热系统的壳内异常热源（ Steck et al.， 1998； Aprea et al.， 2002）.热储层以花岗闪长岩为主，热导率高、放射性生热率大，一方面将下伏岩浆房热量快速向浅部传导，另一方面高的放射性生热起到了附加热源的作用.盖层以凝灰岩或火山碎屑岩沉积为主，热导率低，覆盖于花岗岩体之上，起到了很好的保温隔热作用（ Sass and Morgan， 1988）.

2.2　美国Geysers干热岩项目

Geysers干热岩试验场地位于美国旧金山北部，从1960年开发以来，该项目装机容量从12 MW发展到2 043 MW，是目前世界上仍在运行的较大的地热发电站（ Garcia et al.， 2016）.该地区东北及西南方向为两条互相平行的走滑断层，即Collayomi断裂和Mercuryville断裂，加州地区最年轻的火山，即Clear Lake火山，分布在该区东北部，如 图4所示.由于Clear Lake火山多期次的喷发及侵入活动，火山岩在该地区广泛分布.Geysers项目地处环太平洋地热异常带，其大地热流值可达 168 mW/m ²（ Walters and Combs， 1989）.重力及大地电磁探测资料表明，Geysers干热岩实验场地深部存在局部熔融体（ Peacock et al.， 2020）.

Geysers地热田具备地温梯度大、热储温度高且埋深浅的特点.该项目揭示了两套地热储层，即浅层常温热储（~230 ℃）和深层高温热储（230~400 ℃）（ Rutqvist et al.， 2015）.其中浅层常温热储位于2.5 km以浅的深度区域，主要由杂岩组成，受两条平行断裂带的影响，热储裂隙和断裂发育，水热活动强烈，形成了浅层的高温水热型地热系统.深层高温储层位于2.5 km以深的区域，岩性为变质杂砂岩和夹层泥质岩，渗透率低，温度高，当深部为3 km时，温度可达400 ℃，是典型的干热岩型地热系统（ Garcia et al.， 2016），如 图4所示.

Geysers干热岩项目最典型的特征是深部干热岩型地热系统与浅部水热型地热系统同源共生，证实了在现有水热系统深部或者外围进行干热岩地热开发的可行性.新生代侵入的局部熔融体是浅部水热地热系统和深部干热岩地热系统的共同主要热源（ Oppenheimer and Herkenhoff， 1981； Kennedy and Truesdell， 1996； Peacock et al.， 2020）.Geysers地区两侧相互平行的走滑断裂对该地区的地下水具有严格的控制作用，断裂带之间，垂直裂隙发育，浅层常温热储中流体对流活跃，形成了以断裂或裂隙为运输通道的水热型地热系统.而深部常温热储，岩性为变质杂砂岩，渗透率极低，形成了干热岩型地热系统.两套地热系统的上部被页岩、硅质岩、绿片岩及蛇纹岩等低渗透性岩石覆盖，起到了保温隔热作用.

2.3　法国Soultz干热岩项目

法国Soultz干热岩试验区处于欧洲上莱茵河地堑（The Upper Rhine Graben， 简称URG），该地区曾经是油田，并且在早期的石油勘探中证实了该地区存在地热异常.

URG是欧洲大陆典型的新生代裂谷盆地.受区域断裂活动控制，上莱茵河地区在花岗岩基岩之上，沉积了巨厚的沉积盖层，其中Soultz地区沉积盖层厚约1 400 m，如 图5所示.在拉张作用下，地壳和岩石圈伸展、减薄，深部地幔热量传导加热地壳，该地区平均基底热流密度高达80± 10 mW/m ²，地下水循环进一步促进了浅部热量的再分配，使局部地区大地热流值较基底热流值提高50%以上，如Soultz地区现今平均大地热流值高达127 mW/m ²（ Harlé et al.， 2019）.地球物理探测结果表明，URG地区的地壳较邻区剧烈减薄，地壳厚度约24~27 km，减薄幅度达10~15 km （ Buchmann and Connolly， 2007），如 图5所示.

Soultz项目始于1987年的欧盟科研开发项目，通过一步一步地扎实推进和发展，在2013年实现了利用干热岩技术路线稳定发电.现有地热井4口，井深分别为3 590 m、4 950 m、5 903 m和5 105 m，最高井底温度约200 ℃，其中GPK-2钻井测温曲线如 图5所示.Soultz项目实施大致可以分为两个阶段. 1987-2007年为研究阶段，进行了钻井、压裂激发和循环试验，在20~25 kg/s注入条件下产出流体温度140 ℃，回收率接近100%，地热产能接近 10 MWt. 2007年以来为建厂和试验监测阶段，2009年两灌两采，产出流体35 L/s（3 024 m ³/d），产出温度164 ℃.为减少诱发地震，2011年改为两灌一采，生产条件下产出流体24 L/s（2 074 m ³/d），产出温度159 ℃.安装的1.5 MWe的双工质有机朗肯循环（organic rankine cycle，简称ORC）发电机组，2011年实现了发电，项目最终完成后ORC装机容量将达到6 MWe. Soultz项目是法国第一个EGS的ORC发电示范项目，也是世界上第一个EGS兆瓦级发电项目.Soultz项目证明了EGS发电的可行性，大大增强了欧洲开发深部干热岩资源的信心.

Soultz项目是沉积盆地型（板内裂谷盆地）EGS的典型实例.在区域拉张作用下，地壳和岩石圈伸展、减薄，深部地幔热量传导加热地壳.区域深大断裂是良好的构造‒热通道，深部热流体沿断裂上涌，进一步促进了深部热量向浅部的传递，其结果呈现了异常高背景的热流值.沉积盆地内断裂为地热水运移提供通道，地热水由地堑肩部向中部流动，在裂谷中心汇合，促进了浅部热量的再分配.Soultz地区表现为典型的“热幔冷壳”型热结构，地幔热源是该类地热系统的主要热源.上覆厚度适当的沉积层，岩性以砂泥岩为主，具有较好的隔热保温作用.深部热源向上传导到达覆盖层时，由于沉积覆盖层热导率小，阻止了热量的散失（ Aichholzer et al.， 2016）.

2.4　澳大利亚Habanero干热岩项目

Habanero EGS试验项目位于澳大利亚中东部的Cooper盆地.Cooper盆地是一个典型的板内克拉通盆地，为北东走向，横跨南澳大利亚州的东北部与昆士兰州西南部，面积约1.3×10 ⁵ km ²，是澳大利亚天然气主要生产地，如 图6所示.

与Fenton Hill、Geysers和Soultz等EGS项目场地具有丰富的地表热显示不同，Habanero项目场地无明显地热显示，其地热异常是经由先期的石油钻探发现的.地球物理探测显示该区域存在较大范围的低重力异常区，推测该地区存在大面积花岗岩体，同时放射性元素测试结果表明，Cooper盆地花岗岩体的放射性生热率介于7.2~10.1 μW/m ³，是世界上花岗岩体平均放射性生热率的2~3倍，属于异常高放射性产热花岗岩（ Meixner et al.， 2014）. 图6展示了澳大利亚现今大地热流分布，可见Cooper盆地表现为明显的区域地热异常，其大地热流值在90~110 mW/m ²之间，平均值大于100 mW/m ²（ Beardsmore， 2004）.澳大利亚大陆地区温度分布显示Cooper盆地5 km深度温度普遍大于200 ℃，明显高于盆地周缘地区.

Habanero项目第一口地热井完工于2003年，测温资料表明，深度4 220 m处，温度高达244 ℃，位于上部沉积层盖层的地温梯度接近60 ℃/km，下部花岗岩层地温梯度约为 32 ℃/km（ Llanos et al.， 2015； Ayling et al.， 2016）.经两次水力压裂，在 4 136 m深度形成呈水平方向的主裂隙，覆盖面积约4 km ².采用对井开采实验，注水流量达到 25 kg/s，生产井口温度210 ℃，建成了1 MWe地热电站. Habanero项目显示巨大连续整合的放射性花岗岩体是非常有价值的干热岩开发靶区.

Habanero项目属于高放射性产热型地热系统. Cooper盆地是典型的板内克拉通盆地，构造活动不活跃，地表无明显地热显示，其热异常的主要来源是高放射性花岗岩的放射性生热，巨大的花岗岩体产生了大量热量，岩石圈热结构属于典型的“热壳冷幔”型（ Beardsmore， 2004； Meixner et al.， 2014）.高放射性花岗岩体之上覆盖了厚度约为3 500 m的热导率较低沉积层作为Habanero地热系统的盖层，能够提供优质的隔热以及保温作用（ Ayling et al.， 2016）.

3 中国代表性干热岩项目进展

2014年以来，国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩资源地质勘查，并在青海共和‒贵德、山东利津、广东惠州、四川康定、琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和‒贵德干热岩勘探与开发实验中取得重要进展.

共和盆地位于青藏高原东北缘，是一个北西西向展布、呈菱形的中‒新生代断陷盆地，总面积约2.12×10 ⁴ km ².在构造上，共和盆地属于西秦岭造山带与东昆仑构造带的结合部，其北缘是北西走向的宗务隆‒青海南山断裂，为一条断面近直立微向南倾的超岩石圈活动断裂；南界为鲸鱼湖‒阿尼玛卿晚古生代‒早中生代缝合带主边断裂，是一条总体向北陡倾的岩石圈或超岩石圈断裂.盆地内新生代沉积总体呈现“西厚东薄”的特征，西侧厚度可达6 000 m，中东部恰卜恰地区厚度一般为1 500 m左右，东侧贵德地区一般为500~1 500 m，为第四系冲湖相和新近系上新统细粒沉积盖层，具有很好的隔热保温作用，其下部为印支期壳熔花岗岩（ 唐显春等， 2020）.受新生代以来喜马拉雅造山运动的影响，共和盆地新构造运动强烈，地表热显示丰富，温泉温度最高可达96.6 ℃，且多沿着深大断裂分布（ Tang et al.， 2022）.

钻探结果证实，共和盆地恰卜恰地区2 200 m深度岩体温度可达150 ℃，3 000 m深度岩体温度达180 ℃ .DR3和DR4钻孔完钻井深分别为 2 927.26 m和3 102.00 m，对应的井底温度为181.2 ℃、175.0 ℃. 2017年，在恰卜恰地区又相继实施了GR1、GR2干热岩勘探井，其中GR1井终孔深度3 705 m，井底温度236 ℃.恰卜恰地区钻孔测温曲线表现为典型的分段线性特征，其中沉积盖层平均地温梯度高达77.3 ℃/km，基底花岗岩层地温梯度为39.0~45.2 ℃/km，平均值为41.3 ℃/km，大地热流值在93.3~111.0 mW/m ²之间，平均值为102.2 mW/m ²（ 张超等， 2018），远高于中国陆区热流平均值60.4 mW/m ².此外，在共和盆地扎仓沟地区，实施了ZR1和ZR2两口干热岩勘探孔，在 3 050.68 m和4 703.00 m的孔底深度，分别获得了151.34 ℃和205 ℃的岩体温度，证实了典型的高温水热系统翼部所伴生的干热岩型地热系统.共和盆地GR1井是迄今中国钻获温度最高的干热岩勘探孔，为中国首个EGS示范工程与科研试验基地建设奠定了重要基础（ 张森琦等， 2018）.

测试结果表明，共和盆地以花岗岩和花岗闪长岩等为主的基底岩石的放射性生热率在1.17~ 5.81 μW/m ³之间，平均值为3.20±1.07 μW/m ³，属于中等放射性产热花岗岩（ 张超等，2020； Weinert et al.， 2021），表明共和盆地花岗岩并未表现出强烈的热异常（ 唐显春等， 2020）.大地电磁探测和宽频地震反射结果表明，共和盆地在15~ 35 km深度存在两个显著电阻率较低的区域，且壳内存在地震波低速带，可能为熔融物质或是与侵入活动相关（ Gao et al.， 2018），如 图7所示.

共和盆地干热岩地热系统热源机理目前仍存在争论.综合地质、地球物理和地球化学资料， Tang et al. （2022）将该地区热源归因于地壳增厚的放射成因热贡献和局部热异常体（可能是岩浆囊或深度~15~35 km处的部分熔融）的附加热贡献的综合作用.区内北东向的隐伏深大断裂，一方面构成了深部热流体向地壳浅部运动的通道，造成高温异常，另一方面断裂带的导水作用和低压环境有助于深部岩石发生局部熔融（ 张盛生等， 2019）.新生界低热导率沉积盖层上覆于印支期壳熔花岗岩之上，形成了较好的储盖组合.共和盆地地热资源不仅丰富，而且品位很高.初步计算结果表明，恰卜恰地区干热岩体理论资源总量为1 638.16 EJ，折合标准煤559.09亿吨（ 张森琦等， 2018）.

除了青海共和‒贵德盆地勘查取得突破之外，近年来，我国在福建漳州、广东惠州、福建厦门、山东利津、河北沧县、琼北等重点靶区也开展了地热科学钻孔工作，但钻探结果总体不尽人意.如在福建龙海清泉林场实施的HDR-1井，于3 997 m深度仅获得109.58 ℃地层温度（ 蔺文静等， 2021）；位于广东惠州黄沙洞地区的惠热1井，终孔深度 3 009.17 m，井底温度127.7 ℃（ 旷健等， 2020）；厦门集美杏林湾地区实施的JM-1井，于2 005 m深度最终测得井温仅70.4 ℃；在山东利津陈庄凸起实施的SDGRY1井，终孔深度2 500.58 m，井深2 492 m深度测得104.2 ℃（ 王立东等， 2016）；在河北沧县台拱带实施的HBGRY1井，孔深4 025.82 m，井底温度为107.5 ℃（段和肖等， 2022）；在琼北地区实施的徐4井，深度3 203.18 m，于3 150 m深度测得地层温度146.4 ℃，推测该钻孔4 050 m深度可达到我国现行干热岩温度条件（＞180 ℃），另外琼北花东1R井，在深度4 387 m深度钻获超过185 ℃（非稳态测温）的干热岩体，对雷琼火山区干热岩的勘查开发具有里程碑式的意义（ 蔺文静等， 2021）.尽管这些钻探工作大多并未揭露温度大于180 ℃的干热岩体（琼北花东1R孔除外），但很大程度上深化了我国干热岩资源赋存条件的科学认识，为我国未来干热岩勘探选址、钻探过程和储层改造提供了有益的经验和借鉴.

4 中国干热岩发展前景区

中国的板块构造位置比较特殊，西南部受印度板块挤压，东南部受菲律宾板块挤压，东部受太平洋板块的俯冲和挤压作用，地壳应力场极其复杂，构造极为活跃，地震和岩浆活动强烈.此外，我国地处环太平洋板块地热带的西太平洋岛弧型板缘地热带以及地中海‒喜马拉雅陆陆碰撞型板缘地热带的交汇部位，受构造‒热活动控制，大地热流呈现“东高、中低、西南高、西北低”的分布格局（ Jiang et al.， 2019），如 图8所示.

干热岩地热资源评价的直接参数是深部温度.在理想化的各向同性均匀介质稳态传导模型中，可以基于现今大地热流、地表温度和分层地壳模型预测深部地层（岩体）温度.图9展现了中国陆区基于现有地热测量数据计算出的不同深度上的温度分布格局.在2.5 km深度，除藏南部分地区温度达到100~150 ℃外，其他大部分地区温度均低于100 ℃；至4.5 km深度，藏南部分地区温度超过200 ℃，云贵及东部大部分地区温度超过100 ℃；在6.5 km深度，藏南大部分地区温度已达250~300 ℃，其他热异常区，包括云贵、东南沿海、渤海湾盆地、汾渭地堑、东北等地温度达到150~200 ℃；至8.5 km深度，藏南大部分地区温度超过200 ℃，高温中心温度达到400 ℃，其他热异常区温度超过200 ℃.总体上看，中国陆区以藏南地区地壳温度最高，云南西部和整个东部（华南、华北、东北）地区温度相对较高.

除了大地构造背景、大地热流分布和深部地层温度，结合新生代火山分布、地表热显示（温泉分布）、深部地球物理资料揭示的岩浆囊埋深、Moho面深度等数据资料综合分析，中国陆区有利的干热岩开发初选靶区为：藏南地区、滇西地区、东南沿海、华北（渤海湾盆地、汾渭地堑）、东北（松辽盆地、长白山、龙岗、镜泊湖、五大连池等火山活动区）等地区.依据前期中国深层地热能开采的地质条件评价结果（ 庞忠和等， 2020），可进一步缩小干热岩勘探重点区域，当前应该将研究重点放在以下3个区域：与南海扩张及地幔柱密切相关的海南岛及雷州半岛；与新生代火山相关的东北新生代火山活动区；与新生代板块碰撞及下地壳物质流相关的雅江缝合带，尤其是应力场转折的喜马拉雅东构造结.

4.1　东北新生代火山活动区

我国东部地区高热流背景的形成与晚中生代以来库拉板块和西太平洋/菲律宾海板块向西低角度俯冲、弧后扩张及板内岩石圈减薄等过程有关（ 朱日祥等， 2012）.而与板块俯冲相关联的新生代火山活动（存在深部岩浆囊）是形成板内高温地热系统的重要条件.东北地区处于郯庐断裂带东北段，是我国东部新生代火山活动最强烈的地区，壳内存在大面积低速层甚至岩浆系统，如镜泊湖、五大连池、长白山天池等.地球物理探测表明，长白山天池下方有壳内岩浆囊存在的迹象，具备高温地热系统形成的有利地热地质条件（ 陈棋福等， 2019）.

郯庐断裂带东北段集壳内低速层‒深大断 裂‒盆山构造‒地表火山于一体，是我国东部地区最有可能形成高温地热系统的地区.松辽盆地和辽河断陷深井测温数据显示，松辽盆地松基6井 4 300 m深度的温度为155 ℃，辽河盆地锦117井3 500 m的温度为150 ℃，预示着该区域高温地热资源前景可期.此外，我国东北地区松辽盆地、辽河断陷等孕育了大庆油田、吉林油田、辽河油田等，区内钻井数量众多，地质基础资料扎实，为开展系统的地热学研究和干热岩勘查提供了不可或缺的工作条件.该地区人口密度大、年平均气温低，能源消费量大，地热能需求市场旺盛.

4.2　海南岛及雷州半岛

海南岛地处华南地块和印支地块之间.早燕山期，由于岩石圈裂解拉张，地幔上涌，在琼中微地块的东缘，沿陵水‒龙滚深大断裂形成了一系列与陆内拉张有关的侵入岩.晚燕山期，南部的三亚地体与琼中块体沿九所‒陵水韧性剪切带发生对接，最终形成了由多个微陆块组成的海南岛陆块.在太平洋板块作用下，岛内处于拉张构造体制，形成北北东向白沙断陷盆地，并促使东西向九所‒陵水深大断裂带复活，控制了一些小型陆相火山沉积盆地的发育.南海扩张期后的岩浆活动广泛分布于中央海盆、西南次海盆、海南岛、雷州半岛等地，研究表明火山岩可能是“海南地幔柱”活动的产物（ Yan et al.， 2018）.地球物理探测揭示海南岛附近下方地幔存在低速结构，从浅部向下穿越660 km的不连续面处并一直延伸到 1 900 km，其影响范围达4×10 ⁶ km ²以上.海南岛及雷州半岛经历了明显的地壳减薄，莫霍面深度仅30 km（ 黄海波等， 2012， 高维等， 2020）.

海南岛整体热背景值很高，温泉发育，是滇‒藏地热带的延伸.海南岛地热流体的温度在34~84 ℃之间，属于中低温地热资源.但该区域地幔隆起、新生代火山活动频繁是形成干热岩地热资源的有利条件，其中雷州半岛500 m深的钻孔地温梯度最高达60 ℃/km.琼北花东1R井，在深度 4 387 m深度钻获超过185 ℃（非稳态测温）的干热岩体，对雷琼火山区干热岩的勘查开发具有里程碑式的意义.此外，该地区能源需求旺盛，开采成本也会远远低于西藏.因此该区域是目前我国进行干热岩地热资源勘探开采的极有利区域.

4.3　滇藏川地区——青藏高原东构造结

青藏高原是欧亚‒印度板块陆陆碰撞后经多期隆升的产物，地质构造的基本特征可以概括为：地壳加积模、壳幔滑脱、高原南部的大陆岩石圈俯冲、高原北缘和东缘的大规模侧向平移.在大陆岩石圈碰撞之后，岩石圈的俯冲并未随之停止，而是分裂为一系列近似水平的薄片，互相运动和冲掩堆叠起来，形成厚约70 km的地壳.这除了新生代印度大陆北缘的地壳加积模之外，中生代末广泛的岩浆活动及适度地壳缩短的安第斯型岛弧增厚作用、新生代晚期向南倾斜的陆内俯冲带并伴以新一轮地壳加积模，也都起到了重要的作用（ 莫宣学， 2011， 许志琴等， 2011， 侯增谦等， 2020）.

滇藏川地热带是全球地热异常带的重要组成部分，是我国地热活动最强烈的地带，出露的温泉总数超过全国的一半，汇集着中国陆区所有的沸泉、沸喷泉、喷汽孔、冒汽地面、水热爆炸区和间歇喷泉等高温地热显示和地热田，如羊八井地热田、恰卜恰地热区、康定温泉和茶洛温泉等.这些地热显示在喜马拉雅山北麓沿雅鲁藏布江呈带状密集分布，向东扩展至川西高原，沿横断山脉向南延伸到云南西部.滇藏川地热带是我国热流背景值最高的区域，局部的热流值高达300 mW/m ².高温水热活动区与干热岩往往具有同源共生的关系，以川西地区为例，该地区具有地表水热活动剧烈，热储温度高，断裂发育，中‒新生代花岗岩广泛分布的特点（ Tang et al.， 2017； 张健等， 2017； Tian et al.， 2021），而这恰恰与美国Geysers项目极为相似，因此，在强烈的构造活动带，高温水热活动可以作为识别存在干热岩的一个现象.

大地电磁观测结果表明，在青藏高原存在两条巨大的中下地壳低阻异常带，推测为两条中下地壳的弱物质流：一条从拉萨地块沿雅鲁藏布缝合带向东延伸，环绕东喜马拉雅构造结向南转折，最后通过腾冲火山；另一条从羌塘地体沿金沙江断裂带、鲜水河断裂带向东延伸，在四川盆地西缘转向南，最后通过小江断裂和红河断裂之间的川滇菱形块体（ Bai et al.， 2010）.西藏及川西地区平均地温梯度大于50 ℃/km，地球化学研究表明众多地区热储温度大于180 ℃，符合干热岩勘探评价标准，是干热岩勘探的极有利区域，地热发电，特别是万千瓦级地热电站基地的选址，非此带不可.然而，滇藏川地区丰富的水热型地热资源以及经济的欠发达，致使干热岩地热资源的竞争优势并不明显，而且恶劣的自然条件会加大勘探和开发成本，川藏铁路的建设有望加快该区域地热资源勘查开发.川藏铁路沿线的地热分布属喜马拉雅陆‒陆碰撞型地热域，可以怒江断裂带、龙门山断裂带为界划分为板缘碰撞造山型、板内逆冲推覆型、盆内稳定坳陷型3个地热带，分别发育高温岩浆岩型、中‒低温断裂深循环型、低温坳陷盆地型3类地热田.根据其资源禀赋的差异主要开发方式可分为林芝‒拉萨段的高温发电、供暖与制冷；雅安‒林芝段的中低温发电、供暖与制冷；以及成都‒雅安段的低温供暖、温泉洗浴等（ 汪新伟等， 2022）.

5 结论与展望

本文系统梳理了国内外代表性的干热岩项目，总结了干热岩成因模式.综合考虑中国陆区板块构造背景和全球高温地热带分布、现今大地热流分布格局、岩石圈热结构、Moho面深度及壳内热源、新生代火山活动、温泉分布、深大断裂分布与活动性，以及现有干热岩勘查结果，圈定了中国陆区最具潜力的干热岩勘探靶区.

（1）热源是干热岩型地热系统形成的首要因素，干热岩型地热系统的热源类型大致可以分为新生代裂谷区高地幔热流型；花岗岩大面积分布区高放射性产热型；近代火山型和强烈构造活动带复杂热源型，其代表性中国陆区分别为：东部大型中新生代裂谷盆地（松辽盆地、渤海湾盆地）、汾渭地堑，东南沿海岩浆岩分布区，滇西、东北、雷琼新生代火山区，青藏高原东构造结‒滇藏川地区、西藏南北地堑带、青海共和盆地等.

（2）壳内异常热源供热是干热岩产出基础；低热导率（<2 W/m/K）、且厚度1 km左右盖层保热增温是干热岩产出的必要条件；基底（岩）层地温梯度≥35 ℃/km，盖层地温梯度≥45 ℃/km，平均大地热流≥75 mW/m ²，可作为干热岩勘探靶区优选的重要指标.

（3）干热岩勘探手段应遵循地质、地球物理和地球化学三位一体模式.构造位置、地表热显示等是干热岩靶区初选的重要指标，钻井地热测量是最直接的干热岩勘探手段；地球物理探测的目的是揭示浅部地壳结构和寻找壳内异常热源（熔融体）；地球化学特征可以指示流体的成因——岩浆或深循环.

（4）人工造储的EGS技术是干热岩地热资源开发的关键，为了克服诱发地震等环境安全问题，干热岩压裂造储技术研发方向正在从“刚性造储”向“柔性造储”发展，即采用灵活的压裂和化学等造储技术和工艺，避免纯粹靠提高致裂压力造储.

（5）干热岩与高温水热系统共热源且存在共生关系，干热岩地热资源是深层地热能的一部分，但其地质条件复杂，开采难度较大，应倡导“深层地热资源”和“广义EGS”概念，即按照EGS技术着眼深层水热型和干热岩型地热能整体开发.

（6）当前，中国陆区最具前景的干热岩勘探靶区为东北新生代火山活动区、海南岛及雷州半岛和滇藏川地区‒青藏高原东构造结.此外，高热背景条件下的中厚层碳酸盐岩应作为深层地热能开采的重点目标储层.

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基金资助

国家自然科学基金项目(41877210;42074096)

油气资源与勘探技术教育部重点实验室青年创新团队项目(PI2018-04)

中国石化深部地质与资源重点实验室开放基金课题