湘東南地區(qū)中生代花崗巖放射性地球化學特征及巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究

鄭平　肖清華　林樂夫

摘? 要? 湘東南地區(qū)位于南嶺地區(qū)中段北部，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育中生代花崗巖。通過在收集整理前人研究資料的基礎(chǔ)上，對湘東南地區(qū)花崗巖進行了放射性生熱率和元素熱貢獻率計算，結(jié)果表明;區(qū)內(nèi)中生代花崗巖放射性生熱率平均值為7.03μW/ m3，屬于高產(chǎn)熱花崗巖，U熱貢獻率明顯高于Th熱貢獻率。結(jié)合該區(qū)開展的地球物理、地球化學、地熱學等研究成果，得出區(qū)內(nèi)地殼熱流值地殼熱流平均值為56.24mW/m2，在地表熱流貢獻中占有較大比重，指示了湘東南地區(qū)為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞? 湘東南地區(qū);花崗巖;放射性生熱率;巖石圈熱結(jié)構(gòu)

中圖分類號：P598? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Radioactive Geochemical Characteristics of Mesozoic Granites from Southeast Hunan and Its Implications for Thermal Regime of Lithosphere

Zheng? Ping，? Xiao Qinghua，? Lin Lefu

（Natural Resources Department of Hunan Vocational College of Engineering ， Changsha Hunan 410151）

Abstract： Southeast Hunan is located in the north of the middle Nanling area， where Mesozoic granites are widely developed. On the basis of collecting and sorting out the previous research data， this paper calculates the radioactive heat generation rate and element thermal contribution rate of granite in Southeast Hunan Province. The results show that the average radioactive heat generation rate of Mesozoic granite in this area is 7.03 μ w / m3， which belongs to high-yield thermal granite， and the u-thermal contribution rate is obviously higher than th thermal contribution rate. Combined with the research results of Geophysics， geochemistry and geotherm in this area， the average value of crust heat flow in the area is 56.24mw/m2， which accounts for a large proportion in the contribution of surface heat flow， indicating that the Southeast Hunan is a "hot crust and cold mantle" lithosphere thermal structure.

Keywords： southeast Hunan; granites; radioactive heat generation rate; lithospheric thermal structure

巖石中的放射性元素生熱是巖石圈熱能的主要來源[1-3]。目前，發(fā)現(xiàn)U、Th、K三種元素具有半衰期長，產(chǎn)熱量大等特點，是研究巖石放射性地球化學及區(qū)域巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)[4-6]。湘東南地區(qū)隸屬華南板塊，根據(jù)其空間特點，地處南嶺地區(qū)EW向構(gòu)造中段北部，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育中生代花崗巖，形成了獨具特色的構(gòu)造格局[7-10]。同時，湘東南地區(qū)也是南嶺成礦帶中重要的組成部分[11-12]。前人對湘東南地區(qū)展開了大量的巖石學、年代學、礦床學等方面研究，本文結(jié)合已有的地球物理、地球化學及地熱學等資料，對湘東南地區(qū)中生代花崗巖進行巖石生熱率計算，探究區(qū)域內(nèi)放射性地球化學及巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征。

1? 區(qū)域地質(zhì)概況

湘東南地區(qū)位于華南地區(qū)中南部，屬揚子陸塊與華夏陸塊兩者拼合地段，具有殼幔活動強烈的構(gòu)造特點[13-14]。經(jīng)歷了武陵運動以來的多期強烈構(gòu)造運動，塑造了區(qū)內(nèi)多期次構(gòu)造相互疊加、干擾、改造的復雜構(gòu)造格局（圖1）。

中生代以來的構(gòu)造事件對區(qū)域造成巨大影響，期間多次劇烈的構(gòu)造運動，促進了區(qū)內(nèi)巖石的形成過程，同時，晚中生代時期的板塊俯沖碰撞—伸展作用，在湘東南地區(qū)形成了大規(guī)模的斷裂構(gòu)造和擠壓盆地，也為區(qū)域內(nèi)提供了有利的熱源傳導條件[10，15-16]。區(qū)內(nèi)花崗巖體主要受控于主體斷裂構(gòu)造帶，以NNE和NW向展布，如茶陵—郴州深大斷裂帶、桂東—汝城斷裂帶、郴州—邵陽斷裂帶等，花崗巖多以巖基形式呈現(xiàn)，形成時代主要分為加里東期、印支期、燕山期等時代。燕山晚期花崗巖類在區(qū)內(nèi)不多，其主要集中分布在華南板塊的東南沿海地區(qū)，指示著兩者之間的巖石圈熱結(jié)構(gòu)具有明顯差異性[16-17]。研究表明，研究區(qū)內(nèi)出露巖體中含有鐵鎂質(zhì)暗色礦物，暗示區(qū)內(nèi)殼幔運動強烈，深部熱源在熱能貢獻中占有一定比例[8]。

2? 巖石學特征

湘東南地區(qū)大面積出露花崗巖體，火山巖、潛火山巖出露較少。燕山早期花崗巖在研究區(qū)內(nèi)最為發(fā)育（占花崗巖總面積的75%以上），主要有諸廣巖體、大義山巖體、瑤崗仙巖體、騎田嶺巖體等[9]。巖石類型主要為二長花崗巖、黑云母正長花崗巖以及花崗閃長巖，據(jù)李獻華等[10]研究統(tǒng)計表明，大部分燕山早期花崗巖形成時代（165～160Ma），巖體出露面積不等，主要組成礦物有石英、斜長石、正長石等，次要礦物為黑云母、白云母、綠泥石等，偶見角閃石，副礦物主要為綠簾石和磁鐵礦。

3? 放射性地球化學特征

本文綜合李金冬[9]等人對湘東南地區(qū)花崗巖體主、微量元素數(shù)據(jù)（表1），采用Rybach（1978）推薦的計算方法：A[μW/ m3 ] = 10?5 ×ρ[kg m?3 ]×（9.52 ×CU [ppm] + 2.56×CTh [ppm] + 3.48×CK [%] ），巖石密度采用世界范圍內(nèi)花崗巖平均密度值2.6g/cm3，獲得區(qū)內(nèi)花崗巖生熱率數(shù)值。結(jié)果表明，湘東南地區(qū)花崗巖Th、U含量分別介于6.6～100.6ppm、2～30.6ppm之間，兩者表現(xiàn)出明顯的不均一性，其中，騎田嶺巖體具有較高的Th、U含量。總體上花崗巖生熱率介于1.41～12.45μW/ m3，平均值為7.03μW/ m3，明顯高于世界范圍內(nèi)花崗巖生熱率，屬于高產(chǎn)熱花崗巖體（HPPG），千里山巖體與騎田嶺巖體放射性生熱率略高于區(qū)內(nèi)其他巖體，分別為8.67μW/ m3、8.91μW/ m3。不同巖體放射性生熱率具有明顯差異，表明多階段的巖漿活動，一方面促使著區(qū)內(nèi)的成礦元素富集，另一方面為生熱元素向地表遷移形成有利條件。

放射性生熱元素的熱貢獻率是放射性生熱率特征重要體現(xiàn)。計算結(jié)果顯示，巖石放射性生熱率主要來自于U和Th元素的放射性衰變熱，K的貢獻率相對較小，一般在20%左右[4-5，20]。從表1可知，湘東南地區(qū)花崗巖U相對于K元素的放射性熱貢獻率介于1.74～19.25，而Th相對于K的熱貢獻率變化范圍為1.4～16.98，U、Th元素熱貢獻率平均值分別為10.6、7.3，其中，騎田嶺巖體的U、K熱貢獻率明顯高于區(qū)內(nèi)其他巖體，造成區(qū)內(nèi)兩者比值差異的原因可能區(qū)內(nèi)含鈾礦床的形成，導致U元素的富集。

4? 巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征

巖石圈熱結(jié)構(gòu)是區(qū)域內(nèi)地球物理、地球化學等參數(shù)的綜合體現(xiàn)，它不僅控制著圈層的流變狀態(tài)和物理特征，也影響著構(gòu)造變形、殼幔演化過程、地震波速、地磁和重力等地球物理場的分布[5]。本文結(jié)合前人研究成果，通過對湘東南地區(qū)放射性地球化學特征的研究，進一步探明區(qū)內(nèi)巖石圈熱結(jié)構(gòu)體征。

早期資料表明，湘東南地區(qū)地殼厚度為32～34km，越靠近東南沿海地區(qū)，則地殼厚度越薄[21]，區(qū)內(nèi)居里面深度約25km。根據(jù)不同地區(qū)來厘定放射性生熱元素的富集層位，參考章邦桐等[22]推算的華南地區(qū)花崗巖埋深厚度，表明區(qū)內(nèi)放射性集中層厚度為7～9km[6]。地表熱流（Q）由地殼熱流（Qc）與地幔熱流（Qm）組成，即Q=Qc+Qm，根據(jù)本文計算花崗巖放射性生熱率7.03μW/ m3，可推測湘東南地區(qū)地殼熱流（Qc）為49～63mW/m2，平均值為56.24mW/m2。通過已有數(shù)據(jù)表明，區(qū)內(nèi)地表熱流值為60～85mW/m2[23]，平均值為75mW/m2，由此可計算得出地幔熱流值（Qm）為11～22mW/m2，平均值為20mW/m2，Qc/Qm>1，因此，湘東南地區(qū)具有南嶺地區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征，即為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)。

本文通過對前人研究數(shù)據(jù)的分析整理，重點討論了當前背景下湘東南地區(qū)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)。值得注意的是，地殼熱流主要源自產(chǎn)熱花崗巖體中的元素熱衰變，盡管目前在地表熱流貢獻中占比明顯，而處于中生代擠壓—伸展運動背景下，研究區(qū)內(nèi)應具有更高的地幔熱流值。因此，在深入研究湘東南地區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)的同時，必須要注意巖體熱擴散率、熱巖石圈厚度對地表熱流的影響。

5? 結(jié)論

通過對湘東南地區(qū)巖石學、放射性地球化學、地球物理等方面的綜合研究，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合前人對區(qū)內(nèi)開展的地球化學數(shù)據(jù)，計算得出湘東南地區(qū)花崗巖放射性生熱率為7.03μW/ m3，屬于典型的高產(chǎn)熱花崗巖（HPPG）。

（2）通過對放射性生熱元素的熱貢獻對比，表明了湘東南地區(qū)總體上U熱貢獻率高于K熱貢獻率。

（3）湘東南地區(qū)地殼熱流（Qc）在地表熱流（Q）貢獻中高于地幔熱流（Qm），Qc/Qm>1，屬于“熱殼冷幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)。

參考文獻/References

[1] 汪集旸，孫占學. 2001. 神奇的地熱[M]. 清華大學出版社， 1-114.

[2] Cermak V， Lee W H K. 2013， International heat flow commission celebrates 40 years[J]. Eos Transactions American Geophysical Union， 85（2）： 13-19.

[3] Kong Y， Pang Z.， Shao H.， Kolditz O. 2017. Optimization of well-doublet placement in geothermal reservoirs using numerical simulation and economic analysis. Environmental Earth Sciences， 76（3）： 118.

[4] 趙平. 1995. 中國東南地區(qū)巖石生熱率研究[D]. （Doctoral dissertation，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所）.