基于地球物理资料的中国南部云开地区地热资源成因机制研究

地下热源为何重要

在中国南部的云开山区，成簇的天然温泉从地下冒出，表明地下深处存在强大的热源。在一个人口稠密且对清洁能源有强烈需求的地区，弄清这些热量的来源与传输路径，可能会把自然现象转变为可靠的低碳能源。本文利用地球重力场的细微变化、岩石样品和计算机模拟，拼凑出云开地区地热资源形成的清晰图景并识别出最有开发潜力的区域。

由断层与古老岩石塑造的地貌

云开地区位于两个主要地壳板块的交汇处，经历了数亿年的挤压、伸展与改造。这些长期的构造作用使地壳产生深部断裂，并使大量熔体——主要是花岗岩——上升并在深处固结。如今，这些古老的花岗岩埋藏于地表下数公里到十余公里处，富含铀、钍和钾等天然放射性元素。随着这些元素缓慢衰变，它们释放热量，使花岗岩成为长期存在的地下“散热体”。与此同时，区域内东北向和西北向的断裂网络像一套管道系统，引导热流体向地表迁移，并在断层交汇处集中形成温泉。

用重力场绘制隐伏构造

云开地区的直接钻探资料稀少，研究者因此转向地球重力场以描绘地下构造。重力的微小变化反映岩石密度的差异，通过频域分析可估算地壳关键层位的深度。研究团队在分离出深部与浅部信号后，考察了重力场的水平与垂直变化，描绘出高密度与低密度体的边界并勾勒主要断裂。研究中还应用了欧拉反演等方法估算这些特征的深度。结果表明，大多数断层仅延伸至上部数公里，但西南部存在穿透8公里以深的深源断裂。侵入体一般根部位于6—8公里之间，部分花岗岩体心位于10公里以下，可能与该区过去地幔热物质的上涌有关。

花岗岩：缓慢却强大的热源

为评估这些侵入体产生的热量，团队汇总了来自该区56个花岗岩样品的数据。基于测定的放射性元素含量，他们计算出各岩体的放热率。数值在全球范围内属较高：约1.9至6.0微瓦特/立方米，平均约3.4。一些岩体，如石村体，放热率尤其高，平均超出5.0。由于花岗岩在上地壳中易富集这些元素，其综合作用使区域地热流明显高于中国及全球陆地平均值。观测还显示温泉多聚集在大型花岗岩体和主要断裂附近，证实了这些放射性花岗岩作为加热循环地下水并维持地热异常的关键热源作用。

雨水如何变成温泉

研究者基于绘制的构造和测得的岩性参数，构建了代表性地壳剖面的二维导热数值模型。他们设定了合理的边界温度和导热率，并用磁性矿物失磁深度（约550 °C）等独立估算值检验模型结果。模拟温度与这些独立估算深度相符，增强了模拟的可信度。将这些热学剖面与水文化学和同位素资料结合，作者提出了一个明确循环：降雨和山地径流渗入地表，沿断裂和主要断层向下渗透，有时达数公里深。在此过程中，水被周围的温暖地壳加热，尤以高放热的花岗岩体为主。受热升力和压力驱动的热流体随后沿同一条或相交断裂回升，与较冷的浅部地下水混合，最终在断层带交叉或近地表张开的地点以温泉簇的形式涌出。

最佳地热潜力所在

研究结论认为，云开地区东南部为高温地热开发提供了尤其有利的条件。模型显示，该区在约4.5公里或更浅的深度可达约150 °C的温度，这一深度对发电或大规模供热具有吸引力。简言之，深而连通良好的断裂、富热的花岗岩侵入体以及充足的降水，共同构成了一个天然的地下锅炉系统，把热水集中到特定带中。通过阐明降水、岩石与深部地热在此类断裂控制环境中的相互作用，这项工作为在云开及类似地区定位并负责任地开发地热资源提供了科学路径图。

引用: Zhou, Y., Qiu, N., Zhu, C. et al. Study on the genesis mechanism of geothermal resources in the Yunkai area, South China based on geophysical data. Sci Rep 16, 13876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44329-3

关键词: 地热能, 温泉, 断裂系统, 花岗岩放热, 云开 中国南部