湘東南地區中生代花崗巖放射性地球化學特征及巖石圈熱結構研究

鄭平　肖清華　林樂夫

摘? 要? 湘東南地區位于南嶺地區中段北部，區內廣泛發育中生代花崗巖。通過在收集整理前人研究資料的基礎上，對湘東南地區花崗巖進行了放射性生熱率和元素熱貢獻率計算，結果表明;區內中生代花崗巖放射性生熱率平均值為7.03μW/ m3，屬于高產熱花崗巖，U熱貢獻率明顯高于Th熱貢獻率。結合該區開展的地球物理、地球化學、地熱學等研究成果，得出區內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，指示了湘東南地區為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結構。

關鍵詞? 湘東南地區;花崗巖;放射性生熱率;巖石圈熱結構

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，發現U、Th、K三種元素具有半衰期長，產熱量大等特點，是研究巖石放射性地球化學及區域巖石圈熱結構特征的重要參數[4-6]。湘東南地區隸屬華南板塊，根據其空間特點，地處南嶺地區EW向構造中段北部，區內廣泛發育中生代花崗巖，形成了獨具特色的構造格局[7-10]。同時，湘東南地區也是南嶺成礦帶中重要的組成部分[11-12]。前人對湘東南地區展開了大量的巖石學、年代學、礦床學等方面研究，本文結合已有的地球物理、地球化學及地熱學等資料，對湘東南地區中生代花崗巖進行巖石生熱率計算，探究區域內放射性地球化學及巖石圈熱結構特征。

1? 區域地質概況

湘東南地區位于華南地區中南部，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造特點[13-14]。經歷了武陵運動以來的多期強烈構造運動，塑造了區內多期次構造相互疊加、干擾、改造的復雜構造格局（圖1）。

中生代以來的構造事件對區域造成巨大影響，期間多次劇烈的構造運動，促進了區內巖石的形成過程，同時，晚中生代時期的板塊俯沖碰撞—伸展作用，在湘東南地區形成了大規模的斷裂構造和擠壓盆地，也為區域內提供了有利的熱源傳導條件[10，15-16]。區內花崗巖體主要受控于主體斷裂構造帶，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，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內不多，其主要集中分布在華南板塊的東南沿海地區，指示著兩者之間的巖石圈熱結構具有明顯差異性[16-17]。研究表明，研究區內出露巖體中含有鐵鎂質暗色礦物，暗示區內殼幔運動強烈，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內最為發育（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，據李獻華等[10]研究統計表明，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]等人對湘東南地區花崗巖體主、微量元素數據（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花崗巖平均密度值2.6g/cm3，獲得區內花崗巖生熱率數值。結果表明，湘東南地區花崗巖Th、U含量分別介于6.6～100.6ppm、2～30.6ppm之間，兩者表現出明顯的不均一性，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花崗巖生熱率，屬于高產熱花崗巖體（HPPG），千里山巖體與騎田嶺巖體放射性生熱率略高于區內其他巖體，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，一方面促使著區內的成礦元素富集，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。計算結果顯示，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內其他巖體，造成區內兩者比值差異的原因可能區內含鈾礦床的形成，導致U元素的富集。

4? 巖石圈熱結構特征

巖石圈熱結構是區域內地球物理、地球化學等參數的綜合體現，它不僅控制著圈層的流變狀態和物理特征，也影響著構造變形、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]。本文結合前人研究成果，通過對湘東南地區放射性地球化學特征的研究，進一步探明區內巖石圈熱結構體征。

早期資料表明，湘東南地區地殼厚度為32～34km，越靠近東南沿海地區，則地殼厚度越薄[21]，區內居里面深度約25km。根據不同地區來厘定放射性生熱元素的富集層位，參考章邦桐等[22]推算的華南地區花崗巖埋深厚度，表明區內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，根據本文計算花崗巖放射性生熱率7.03μW/ m3，可推測湘東南地區地殼熱流（Qc）為49～63mW/m2，平均值為56.24mW/m2。通過已有數據表明，區內地表熱流值為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，湘東南地區具有南嶺地區巖石圈熱結構特征，即為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結構。

本文通過對前人研究數據的分析整理，重點討論了當前背景下湘東南地區的巖石圈熱結構。值得注意的是，地殼熱流主要源自產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，研究區內應具有更高的地幔熱流值。因此，在深入研究湘東南地區巖石圈熱結構的同時，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? 結論

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

（1）結合前人對區內開展的地球化學數據，計算得出湘東南地區花崗巖放射性生熱率為7.03μW/ m3，屬于典型的高產熱花崗巖（HPPG）。

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

（3）湘東南地區地殼熱流（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”型巖石圈熱結構。

參考文獻/References

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