台湾海峡及周边地区地热潜能与应用研究_庄庆祥.pdf

2023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1研究区在全球地热带的位置图台湾海峡及周边地区地热潜能与应用研究庄庆祥1胡祥云2冯建赟3郑霜高1庄公勋1姜兆钧1庄碧彦1（1福建省祥和地热开发有限公司院士专家工作站福建漳州3630002中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院湖北武汉4300743中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院北京100089）摘要依靠濒临环太平洋地热带的优势，台湾海峡及周边地区可以作为探寻中国高温地热资源的潜在目标区。收集了地质构造、地热地质、矿床地质、地球物理、地球化学、地热勘查与开发利用等各方面资料，对该地区开展了多领域、多学科、多技术的综合研究。运用逆向思维方法，如果具备深部热物质活动与深部高温岩体的异常，就会在地壳浅部产生多种地质响应。分析研究了地貌与地质灾害、成岩成矿、构造应力场、新构造断裂活动、地震、地球物理与地球化学、地热及火山岩浆8类地质响应的强度大小和分布规律，从而判断识别出潜在的高温甚至超高温条件，遴选出干热岩重点工作靶区和次重点工作靶区，并初步估算了各区蕴含的地热资源量，可供结合投资可能和地方的需求投入勘查工作。另提出了与将来开发相关的建议。关键词深部热物质活动异常地质响应地热潜能分析与评价干热岩发电地热梯级综合利用中图分类号：TK529文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)02049050引言国家主席习近平2020年9月在第75届联合国大会上庄严宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。奔向低碳的核心就是能源转型，由常规的化石燃料能源转向可再生能源。2019年我国非化石能源占总能源的比重是15.3%，到2030年需要达到25%，到2050年需要达到60%。地热能来自地壳深部，不受季节、昼夜和天气的影响，源源不断地供给热能，在可再生能源中利用系数最高，故地热能相对于其他的可再生能源具有更高的能效价值。世界各国都将地热能作为能源转型的重点选择，因为它具有最可信赖的巨大潜力。我国具有地热资源的优势，尤其是西藏滇西地热带和台湾海峡及周边地区，加强地热能开发利用有助于我国实现“双碳”目标。毫无疑问，地热资源的温度越高，其利用价值也越高。2006年美国麻省理工学院的研究报告 地热能的未来21世纪增强地热系统对美国的冲击引发了世界的瞩目，干热岩再次成为世界前瞻性研究的热门领域，各国地热界都希望积极投入研究，抢占这块地热开发新高地，从地下310 km深度获取更高品位（设想能达300400）的地热资源。中国是能源消费大国，又面临节能减排的“双碳”目标，中国地热工作者理应担起责任，为干热岩开发作出贡献。中国没有活火山，怎么找出隐伏于地下的干热岩资源，需要探索新思路，这是本项研究的出发点。利用多年积累的研究区地质构造、地热地质、矿床地质、地球物理、地球化学、地热勘查与开发利用等各方面资料，对该地区开展了多领域、多学科、多技术的综合研究。1研究区地质构造和地热背景研究区东起中国台湾省，向西跨越台湾海峡，至福建全省并含广东北部、浙江南部和江西东部，总面积约50万km2。全球性环太平洋地热带循太平洋板块西缘，沿菲律宾北上，经中国台湾省，往日本，再至俄罗斯勘察加。研究区地处中国国土疆域的东南，台湾省就在环太平洋地热带上，台湾海峡及大陆东南沿海属于濒临该地热带的地区（图1），这对于研究该区的地热背景是有利条件，占了地质构造的优势1。从中国大地构造单元划分来看，研究区属于武夷云开台湾造山系。从构造体系看，研究区地质构造主体受一系列NNE方向的大断裂控制，如图2。另大陆南部地区受南岭纬向构造带的影响，有少量E-W向断裂。台湾海峡因海域覆盖使地质工作程度明显不足，但少量地球物理勘查剖面显示海峡主要受NNE方向的大断裂控制，即大陆和台湾岛显示的构造特征一致2。收稿日期：2022-08-08作者简介：庄庆祥（1943），国务院政府特殊津贴专家、教授级高级工程师，现任福建省祥和地热开发有限公司总工程师兼院士专家工作站联络人、福建省能源研究会理事、漳州市老科学技术工作者协会理事。清洁能源492023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK1-大陆陆地壳；2-过渡到地壳；3-大洋型地壳；4-白垩系及新生界厚度。图3台湾海峡地壳剖面图4从江西鹰潭到台湾花莲的简易地壳剖面（图3）可见：台湾岛的大部分连同台湾海峡与大陆是共同构成大陆型地壳。仅在台湾岛的东部沿海，花莲台东断裂是1条超岩石圈断裂，即太平洋板块与亚欧板块的缝合线位置，太平洋板块俯冲到了亚欧板块之下3。2寻找深部高温岩体的综合地质响应世界高温地热田大多与全球火山带吻合，是活火山及其浅地壳的岩浆房为地热田提供了超高温的热源。研究区没有活火山的条件，运用逆向思维方法考虑：如果具备深部热物质上涌、运移、调整、分异、变异、交换（能量）活动的异常，就会在地壳浅部产生8种地质响应5-9。（1）区域地貌受新构造活动断裂控制，尤其台湾海峡活裂谷新生代沉降带是喜山期大幅度沉降，地幔上隆与地壳下凹，镜像倒影，这属于深部高温岩体派生的成山成盆地形地貌异常地质响应。（2）在闽台梯级过渡带上地壳的基底岩石以燕山期花岗岩为主，岩浆岩对矿产资源的控制作用，表现在矽卡岩型及热液型铁矿，如上湖铁矿、徐岭铁矿等。另岩浆岩还控制铜、铅、锌、银矿，以及稀有矿产。台湾海峡活裂谷下部基底岩石也是燕山期花岗岩及喜山期新花岗岩。这些可以说明深部高温岩体派生的成岩成矿异常地质响应。（3）新构造期的构造形变和应力场因“年轻力壮”更具生命力，对地热资源的形成和赋存具备优势，而且也与深部高温岩体有依存关系。对海门岛上巨型岩脉进行激光剥蚀等离子质谱锆石U-Pb定年，给出了最年轻的年龄为61.5 Ma，而周围的花岗质岩石大多90 Ma。这体现了深部高温岩体派生的构造应力场异常地质响应。（4）闽台梯级过渡带NE向新构造活动断裂带数不胜数，另还有NW-NWW向新构造活动断裂带成群分布。5条NW向活动断裂带延伸进入台湾海峡内，被海峡内一系列NE向新构造活动断裂带所切割。这里地壳厚度是中国境内最薄的，壳幔异常最突出，深部热物质沿深活动断裂上涌、运移、变异、交换，大地热流值高。这就是深部高温岩体派生的新构造断裂活动异常地质响应。（5）深部高温岩体派生的地球物理地质响应表现在布格重力异常分布呈现：福建沿岸基本上是低值异常，海峡中部为NE向展布的重力高异常带，至海峡东部基本成为低值异常带，但NE向的分带被NW向的断裂分割成块。磁异常也保留NE方向为主。地球化学勘查表明，区内构成异常的烃类主要来源于深部热解成因。测区有较丰富的深部成因烃类，推测厦澎坳陷应具有良好的油气远景，高温干热岩地热资源非常丰富。（6）统计研究区19001980年4.7级地震总数1 255次，其分布依次为：台湾外海亚地震区占66.06%，台湾岛亚地震区23.75%，台湾海峡亚地震区9.72%，福建沿海亚地震区0.40%，福建内陆亚地震区0.16%10。各分区地震强度、频度与密度变弱趋势十分明显，与研究区地热梯级变化规律与特征十分相符，与地质响应的增强完全吻合一致，故称其深部高温岩体派生的地震地质灾害异常地质响应。（7）闽台梯级过渡带的地热显示，温泉分布受NE向主干断裂控制，NE向成带、NW向成块的规律十分明显，自西向东、由北至南方向梯度增强趋势明显。这印证了深部高温岩体派生的地热异常地质响应。（8）喜山期的基性岩浆活动在NWW-NEE现代应力场作用下，受NWW与NNE向2组新构造活动断裂带控制，喷出玄武岩浆，分布于宁化、泰宁、明溪雪峰、龙海镇海、漳浦佛昙等地。台湾海峡澎湖列岛大范围第四系玄武岩分布区与漳浦玄武岩大范围分布区存在地幔对流圈，映衬台湾海峡地幔热柱构造的存在。这些构成与深部高温岩体派生的火山与岩浆活动异常地质响应鉴于本区大地构造以NNE向为主导方向，上述8类地质响应也包含了这个基因特征，使得总体上表现出9个地热带，也以NNE向为主（图4）。3优先遴选重点工作靶区根据深部热物质上涌、运移、调整、分异、变异、交换（能图2研究区构造体系图清洁能源502023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇台湾海峡及周边地区地热重点工作靶区图区位重点工作靶区名称编号次重点工作靶区名称编号台东吕宋岛孤台中央山脉（）台湾省台北琉球岛孤台西断陷平原乌丘屿拗陷珠江口盆地（）厦澎拗陷台湾浅滩（）东沙群岛澎湖隆起（）台西南盆地北港隆起（）东山隆起澎北隆起（）台湾海峡沉降带新竹凹陷（）观音隆起（）彭佳屿凹陷（）钓鱼岛隆起（）渔山隆起（）福州凹陷（）厦门涛海口平原晋江市深沪湾 金井半岛（）龙海河口平原福清 平沄湾（）漳州盆地三都沃湾（）泉州湾 晋江河口平源福宁湾（）兴化 湄州湾 福清湾晴川湾（）闽江口海湾 福州断陷盆地漳浦盘陀 火田 孙坑（）龙海港尾汤头（）南靖丰田 龙山 金山 和溪（）福建省诏安官陵 平和安厚、南胜 南靖汤坑 山路、板仔华安沙速古田 屏南 周宁 寿宁（）泉州德化南埕 雷峰 永春宁德 福安 柘荣（）泉州安溪龙门、剑斗、蓬来、魁斗、金谷 永春蓬壶永泰 闽清永定 上杭 龙岩 武平漳平 连城 长汀大田 永安 清流 宁化尤溪 三明 明溪 建宁泰宁 将乐 沙县 尤溪（）南平顺昌 建瓯 邵武政和 松溪 浦城（）粤东北东部粤中北西部（）广东省粤东北西部粤中北东部江西省赣东南赣东北（）浙江省浙东北西部（）量）活动引发8类地质响应的强度大小和分布规律，对研究区内壳幔密度结构、磁性结构、电性结构、地震波速结构进行刻画，从中探寻构造地热带、地热深部热物质活动与深部高温岩体等的叠加程度11-12，判断识别出当地潜在的超高温、高温、中高温、中温或中低温地热条件，遴选出310 km深度内干热岩地热资源富集带和段块，分级确定为干热岩重点工作靶区和次重点工作靶区，如表1所列和图5所示。最后对研究区初步估算了干热岩地热资源量，计算见式（1）。Q=cpV（T-T0）（1）式中：Q为热量；为岩石密度；cp为岩石比热容；V为岩石体积；T-T0为温度差。为便于统计和对比，分别对9个地热带蕴含的地热资源量估算，其总量为2.8371024J，相当于标准煤96.841012t（表2）。另计算了各地热带的地热资源密度，即平均每平方千米所含的资源量，其中以台东吕宋岛弧地热带和台北琉球岛弧地热带为最大，其值在2.68108t/km2。4下一步工作设计虽然研究区内包含了数十个已勘探开发的地热田，也有为其它目的进行的地区（矿区）或区域性地质勘查，但对于本项地热研究主题来说总体水平只相当于预可行性勘查阶段，在此基础上遴选了重点工作靶区和次重点工作靶区，目的是可供结合投资可能和地方的需求来选择投入勘查阶段的工作。预可行性勘查研究成果是直接为下一步可行性勘查服务的，它避免可行性勘查漫无目的地进行，而且提供了战略选择。下一步的工作可以2种方式进行：清洁能源512023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（下转第55页）书书书表 摇台湾海峡及周边地区地热带地热资源估算序号地热带面积地热资源量相当标准煤台东吕宋岛弧地热带 台北琉球岛弧地热带 太中央山脉隆起地热带 台西断陷平源地热带 台湾海峡沉降地热带 闽台梯级过渡带东部地热带 闽台梯级过渡带西部地热带 永梅坳陷地热带 武夷山脉隆起地热带 总计 图4台湾海峡及周边地区地热带分布图128为重点工作靶区；（1）（27）为次重点工作靶区，详见表1。图5台湾海峡及周边地区地热重点工作靶区图（1）区域性地球物理勘查大剖面掌握全区大格局。如能申请到国家项目支持或大集团公司有意投入，从全局战略可以进行2条地球物理大剖面勘查，用大地电磁测深MT方法探测到10 km深度。其位置示意如图4和图5中的台北福州南 城 县 剖 面I和 台 东 漳 州安 远 县 剖 面布 置，大 致NW292方位。因为本区域大地构造以NNE方向为优势，所以大剖面方向NWW，战略性地跨越了台湾省、台湾海峡和大陆沿海地区，此项勘查可以查明区域地质构造格局，亦补充台湾海峡的资料欠缺。（2）分散投资商可据自身优势选择某处或某几处重点工作靶区投入。一般是当地开发商可以利用就地优势（地理、经济、资金等），选择靠近当地的重点工作靶区（或次重点工作靶区），投入地热可行性勘查，即运用地质、地球物理和地球化学结合的综合勘查手段，在进一步查明地下地质构造的基础上，构建起干热岩地热地质概念模型，认清潜在的热源、热储和盖层格局，就可以明确地选定高温深井的位置，转入勘探钻井。5应用潜力展望5.1地热储量估算与节能减排初步估算研究区地下310 km段干热岩地热资源储量2.8371024J，相当于标准煤96.841012t，因研究区干热岩地热资源温度是中国境内最高的地区，综合利用率非常高。若采用5%的开采率，可采利用的地热能为相当于标准煤4.841012t，同时有相应的污染物减排，如二氧化碳1.931013t、二氧化硫1.371011t、二氧化氮4.841010t等，环境效益显著。5.2开发地热防震减灾我国历来深受大地震灾害的祸害，研究区也属中国大地震频繁发生的区域。2009年以来，作者10开展的大地震震源核爆成因探讨与开发释放地热能、转换地震能量、防震减灾的初步研究发现大力开采地热可有助于释放地下应力，减缓地震的发震机制，已取得初步成果。5.3重点工作靶区的确定根据研究区综合地热潜能的分析与评价，在初步确定4条构造干热岩地热资源富集带和6块干热岩地热资源富集段块的基础上，进一步确定28个干热岩重点工作靶区和27个干热岩次重点工作靶区，提供研究区今后干热岩地热资源勘查与综合开发利用选择。5.4地热资源综合利用干热岩地热资源综合开发利用应采用地热发电为首的梯级综合利用方案。地热发电后余热能温度90 左右，应全面采用梯级综合利用。20世纪8090年代，清华大学和中国建筑设计院就在漳州地区实施过国家地热节能示范项目，有可借鉴的成功经验。还可考虑与地热区其他矿产资源的联产方案。致谢：感谢中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所滕吉文研究员的技术指导，热心帮助构建创新点。感谢中国地热产业工作委员会专家委员会郑克棪教授在写作中给予的帮助。感谢团队全体成员的努力，同心协力共同完成了这项研究任务。参考文献1滕吉文.中国东部大陆边缘地带岩石圈结构的地震研究C.北京：中国科学院地球物理研究所论文摘要集，1989.2滕吉文.强烈地震发生的深部介质和构造环境与动力过程M.北京：科学出版社，2014.清洁能源522023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK3李廷栋.中国岩石圈的基本特征J.地学前缘，2010（1）：1-13.4刘光鼎，王学言，雷受旻，等.中国海区及领域地质地球物理系列图A.北京：地质出版社，1992.5多吉.中国地热能战略发展的思考C.北京：香山科学会议第555次学术讨论会主题评述报告，2016.6庄庆祥，李德威，郑霜高，等.漳州盆地及邻区地热资源与深部高温岩体的地质响应研究M.北京：地质出版社，2019.7高天钧，王振民，吴克隆，等.台湾海峡及其周边地区构造岩浆演化与成矿作用M.北京：地质出版社，1999.8黄尚瑶.中国温泉资源：1600万中国温泉分布图说明书M.北京：中国地图出版社，1993.9郑克棪，多吉，田廷山，等.中国高温地热勘查开发M.北京：地质出版社，2013.10程德利.19001980年4.7级地震的均一震级目录M.北京：地震出版社，1981.11庄庆祥.福建地热研究与实践M.北京：地质出版社，2010.12李德威，王焰新.干热岩地热能研究与开发的若干重大问题J.地球科学（中国地质大学学报），2015，40（11）：1858-1869.（上接第52页）“源、荷”的调节作用，起到能源路由器的支配作用。（2）创新利用存量资产闲置资源，依托预留空地，建设55座充电桩+1.268 46 MWp光伏发电+0.5 MW/1 MWh电池储能+景观风电+智能路灯等。（3）创新利用地址位置优势，项目所在地地处市中心，周边交通便利，人口密集，项目成功投运后，将在地区产生一定的影响力及示范效应。（4）充分挖掘“火电+”资源配置潜力，在探索传统能源转型的基础上，确保固有资产增值。本项目处于贵溪城市中心，土地资源稀缺，通过建设柔性支架光伏，净空高达4.5 m，为后期土地利用预留了“资源空间”，真正意义上实现了“一地多用”的价值。（5）创新合理利用补贴模式，项目近期静态投资2 902万元，利用政府给予电动充电设施的补贴，充电桩补贴共约264万元，进一步提高了项目的经济性。（6）采用同时期先进的120 kW大功率直流双枪快充技术集成的大型充电站，为绿电交通提供最坚实的保障，有着较为广阔的应用前景。（7）商业模式是“火电+”产业拓展的试金石，电厂作为电动汽车充电站的投资和运营主体，充分挖掘可用资源价值和潜能。4经验体会（1）在碳排放的能源安全新战略下，坚持创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，落实碳达峰、碳中和目标。针对传统能源企业，特别是高能耗、高排放的工业，需要探索应对措施并促进企业发展转型。“火电+”产业拓展就是一个逐步转型的尝试，值得推广借鉴。（2）淘汰化石能源汽车是未来的发展趋势，在现有政策扶持的情况下，布局未来业务，推进充电站建设，可以提前把握能源交互市场及客户主体1-3。（3）充电站的经济效益短期内不会有很好的表现，但是随着电动汽车保有率增加，会逐步转变。前期要采取有效的经营措施，确保充电站运营可持续发展。5问题与建议（1）建议国家相关能源管理部门将综合智慧能源服务产业作为能源高质量发展新动力、现代化能源经济体系的重要组成部分，纳入能源中长期发展纲要等顶层设计，明确产业发展目标，培育、引领综合能源服务行业高质量持续健康发展1-6。（2）以现行价格政策为基础，创新和完善促进综合能源服务发展的价格机制。分类施策、因地制宜，发挥财税政策的支持作用1-6。建议关注电网峰谷分时电价政策，若能利用储能装置享受部分谷时电价，有望进一步提高项目收益率。（3）目前，项目所在地电动车应用处于起步阶段，但相关政策对此持鼓励态度，发展可期。可探索将该项目打造成示范工程，建立口碑和品牌，做到来车即充，充电快，不排队，价格有吸引力。（3）项目对充电单价（充电量）依赖性较高，但预计用电量较大，建议与当地电网公司协商供电方案，争取优惠价格，降低成本。参考文献1周伏秋，王娟，邓良辰.综合智慧服务产业发展重点领域探讨J.中国能源，2020，01：11-14.2胡井岗.综合智慧能源管理系统架构分析与研究J.资源节约与环保，2019（09）：136.3赵凤云，韩放，户平.综合智慧能源发展模式探讨J.中国电力企业管理，2017（04）：68-69.4周刚.多能互补园区综合智慧能源项目开发J.科技与创新，2019（23）：107-108.5陈小黎，吴永杰，蒋慧荣，等.电网企业综合能源业务发展重点及布局策略研究J.企业改革与管理，2019（05）：212-214.6刘元均.火力发电厂综合智慧能源探索与开发J.建材与装饰，2018（45）：227-228.清洁能源55