桂北豆乍山巖體放射性地球化學(xué)特征及其干熱巖資源潛力研究

譚 雙，陳 琪，王安東，萬(wàn)建軍，黃 劍，高 翔

(1.核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

巖石圈內(nèi)熱很大一部分是由一定豐度的長(zhǎng)半衰期放射性元素U、Th和40K在衰變過(guò)程中所釋放的放射性衰變熱產(chǎn)生，這種衰變熱同時(shí)也是板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖石圈演化的重要驅(qū)動(dòng)力(Robinsonetal., 1971；Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；Kim，2001；汪集旸等，2012)。U、Th和K元素具有較強(qiáng)的活動(dòng)性和不相容性，導(dǎo)致它們?cè)诘厍蛏戏植紭O不均勻，在不同類型、不同時(shí)代、不同地區(qū)巖石中的含量變化比較大(Robinsonetal., 1971；趙平等，1995；章邦桐等，1990；Portieretal., 2009；Wangetal., 2014；王安東等，2015)。開(kāi)展巖石放射性生熱元素分布規(guī)律研究，對(duì)查清放射性衰變熱對(duì)地表熱流值的貢獻(xiàn)率以及厘清巖石圈熱結(jié)構(gòu)都具有十分重要的意義(趙平，1995；萬(wàn)建軍等，2015；王安東等，2015；楊立中，2016)。此外，巖石放射性生熱率參數(shù)是判斷干熱巖生熱能力的重要參數(shù)，是探討干熱巖潛力的一個(gè)重要指標(biāo)。

廣西苗兒山礦田是我國(guó)鈾礦產(chǎn)的重要聚集地，自上世紀(jì)60年代以來(lái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦床/礦點(diǎn)(柏道遠(yuǎn)等，2007；石少華等，2011a；吳昆明等，2016)。研究顯示，該地區(qū)花崗巖體與區(qū)域深大斷裂關(guān)系密切，苗兒山地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造格架，對(duì)豆乍山、香草坪、張家等巖體中鈾礦化的形成與演化極為有利，為鈾活化轉(zhuǎn)移與富集成礦提供了得天獨(dú)厚的便利條件(黃宏業(yè)等，2008；郝義，2010；李嫵巍等，2010b，2011；陳琪等，2013)。根據(jù)中國(guó)東部至華南地區(qū)的花崗巖數(shù)據(jù)整體分析，上述花崗巖體中常富含U、Th、K元素，從而具有較強(qiáng)的放射性生熱能力。本文選擇桂北苗兒山中段豆乍山巖體未經(jīng)風(fēng)化的鉆孔巖石樣品進(jìn)行放射性生熱元素含量和巖石密度測(cè)試，計(jì)算其放射性生熱率，探究放射性地球化學(xué)特征，并通過(guò)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)學(xué)、地球物理及地?zé)釋W(xué)研究成果，剖析該地區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)，為華南乃至全國(guó)的地?zé)岷透蔁釒r型地?zé)豳Y源的研究提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

苗兒山復(fù)式巖體規(guī)模較大，整個(gè)苗兒山巖體出露面積約為1 633 km2，跨越廣西資源縣和湖南新寧縣，為一個(gè)多期多階段花崗巖體構(gòu)成的復(fù)式巖基，主要巖性為黑云母二長(zhǎng)花崗巖和二云母二長(zhǎng)花崗巖(石少華等，2010；胡歡等，2013)。其大地構(gòu)造位置處于華南揚(yáng)子板塊江南被動(dòng)陸緣隆起帶的南緣，苗兒山-越城嶺花崗巖穹窿構(gòu)造西翼，南東側(cè)為華夏島弧系(石少華等，2011b；歐陽(yáng)平寧等，2012)。本文所研究豆乍山花崗巖體位于苗兒山復(fù)式巖體中部，出露面積約31.7 km2，巖性主要為中細(xì)粒二云母花崗巖，鋯石SHRIMP U-Pb年代學(xué)研究顯示其年齡為228±11 Ma，屬印支期晚三疊世巖漿作用的產(chǎn)物(謝曉華等，2008；李嫵巍等，2010a；柏道遠(yuǎn)等，2014)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主體為 NNE 向，同時(shí)發(fā)育多條次級(jí)斷裂，直接控制了鈾礦化的分布(圖1)。在豆乍山巖體內(nèi)以及豆乍山與香草坪巖體接觸界線附近發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦床，這些鈾礦床的分布亦指示了區(qū)內(nèi)干熱巖地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)潛力。

2 樣品采集與分析方法

選取不同位置鉆孔，對(duì)不同深度揭露巖心進(jìn)行系統(tǒng)采樣，并選擇具有代表性的110個(gè)樣品進(jìn)行分析測(cè)試，樣品新鮮未見(jiàn)明顯蝕變(圖2)。新鮮巖石樣品經(jīng)室內(nèi)處理后，首先用密度儀測(cè)定其密度，密度測(cè)試工作在核工業(yè)二三〇研究所分析測(cè)試中心完成，同一樣品進(jìn)行多次測(cè)試，其結(jié)果顯示分析精度在±5‰誤差范圍內(nèi)。樣品主量元素測(cè)試工作在核工業(yè)二三〇研究所分析測(cè)試中心內(nèi)完成，儀器采用Rigaku ZSX100e型X射線熒光光譜儀。測(cè)試所需玻璃片制作步驟包括：① 稱取0.51～0.58 g的樣品，并加入樣品質(zhì)量8倍的Li2B4O7熔劑，搖勻；② 在鉑金坩堝中加入1滴2% LiBr和1% NH4I混合助熔劑，倒入搖勻的混合樣品；③ 將上述坩堝置于1 150℃的加熱裝置下熔融后冷卻，使粉末樣品最終形成淺褐色、透明、完整的圓形玻璃片。若該過(guò)程未形成完整的玻璃片，則應(yīng)重復(fù)上述②、③步驟。放射性生熱元素含量測(cè)定工作在核工業(yè)二三〇研究所分析測(cè)試中心完成，標(biāo)樣監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示元素U和Th的分析精度在±5%誤差范圍內(nèi)(ICP-MS法測(cè)定)，K2O的分析精度在±5%誤差范圍內(nèi)(XRF法測(cè)定)。為進(jìn)一步表征研究區(qū)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征，本次研究還從所采集的樣品中選擇15個(gè)代表性樣品進(jìn)行導(dǎo)熱率測(cè)試，測(cè)試所用儀器為加拿大C-Thermal公司生產(chǎn)的TCi導(dǎo)熱系數(shù)分析儀，測(cè)試工作在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，標(biāo)樣監(jiān)測(cè)和5次重復(fù)測(cè)試結(jié)果顯示分析精度在±5%誤差范圍內(nèi)。

圖 1 苗兒山復(fù)式花崗巖體中段地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)胡歡等，2013)

3 巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

豆乍山巖體主體巖性為中細(xì)粒二云母花崗巖，巖石樣品顏色呈灰白色-青灰色，造巖礦物為鉀長(zhǎng)石(20%～25%)、斜長(zhǎng)石(25%～30%)、石英(25%～30%)、黑云母(5%～8%)、白云母(5%～8%)，副礦物有鋯石、黑鎢礦、黃鐵礦、錫石、白鎢礦、電氣石、輝鉬礦、毒砂等(2%)。11個(gè)典型豆乍山花崗巖樣品主量元素分析見(jiàn)表1，其SiO2含量變化范圍為72.23%～75.33%，平均73.89%；K2O/Na2O值為1.20～1.74，平均1.54，全堿(K2O+Na2O)含量為6.75%～8.26%，平均7.81%，鋁飽和指數(shù)為1.09～1.27，平均1.14。總體上，該巖體花崗巖呈現(xiàn)出為富硅、偏堿性(且K>Na)、貧鈣、鋁過(guò)飽和及暗色組分含量少等特點(diǎn)，在地球化學(xué)分類圖解中，樣品集中落于酸性巖區(qū)域，屬于過(guò)鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列，并歸為鎂質(zhì)花崗巖大類(圖3)。

圖 2 豆乍山巖體野外露頭(a、b)、巖心手標(biāo)本(c)及正交偏光顯微鏡下照片(d)

表 1 豆乍山巖體樣品主量元素?cái)?shù)據(jù)表 wB/%

圖 3 豆乍山花崗巖地球化學(xué)分類圖解(a據(jù)Middlemost，1994；b，c，d據(jù)Frost et al., 2001)

4 巖石放射性地球化學(xué)特征

4.1 U、Th、K放射性地球化學(xué)特征

前人研究結(jié)果普遍認(rèn)為，地球巖石圈內(nèi)熱主要是由放射性元素在衰變過(guò)程中產(chǎn)生的熱量所提供的(Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；汪集旸，1996；王貴玲等，2000；汪集旸等，2012)。巖石中各種礦物內(nèi)部天然放射性元素種類眾多，而其中具有豐度高、半衰期長(zhǎng)、生熱量高等條件的元素對(duì)巖石放射性生熱貢獻(xiàn)尤為突出(Robinsonetal., 1971；Rybach, 1988；胡圣標(biāo)等，1994；鄧平等，2003)。放射性元素U、Th、K相對(duì)于其他元素對(duì)放射性貢獻(xiàn)相對(duì)較大，可認(rèn)為是地殼巖石中放射性衰變熱的主要來(lái)源之一。因此，U、Th、K的含量特征是考量巖體放射性地球化學(xué)特征、評(píng)估干熱巖開(kāi)發(fā)潛力的一個(gè)重要指標(biāo)(趙平等，1995，2015)。

花崗巖樣品的U、Th、K含量分析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。花崗巖樣品中U含量變化范圍為4.90×10-6～54.80×10-6，平均17.49×10-6，Th含量變化范圍為2.96×10-6～45.80×10-6，平均27.54×10-6，K2O含量變化范圍為0.98%～7.32%，平均4.64%，Th/U值相對(duì)較為穩(wěn)定，平均2.20。前人(沈渭洲等，1999；舒良樹(shù)等，2002；萬(wàn)建軍等，2015；楊立中，2016；林樂(lè)夫等，2017)在華南地區(qū)的佛岡、諸廣、貴東、下莊以及熱水等巖體都開(kāi)展了放射性地球化學(xué)方面的研究工作，研究顯示U含量的平均值變化范圍為9×10-6～18×10-6，Th含量的平均值變化范圍為31×10-6～51×10-6，K2O含量的平均值變化范圍為4.02%～5.43%。與華南等周邊其他地區(qū)巖體相比較，豆乍山巖體的U含量明顯高于華南地區(qū)均值(9.7×10-6，張祖還等，1991)。

表 2 豆乍山巖體U、Th、K含量、密度(ρ)及生熱率(QA)數(shù)據(jù)

4.2 放射性生熱率研究

巖石放射性生熱率是判定花崗巖體放射性生熱能力的重要參數(shù)，巖石生熱率(QA)是指一定體積的巖石在單位時(shí)間內(nèi)由所含放射性元素通過(guò)放射性衰變所產(chǎn)生的能量，單位為μW/m3，可由實(shí)測(cè)巖石中U、Th、40K這3種放射性元素含量及巖石密度根據(jù)公式計(jì)算獲得(Rybach，1988)。本文采用Rybach 等(1988)提出且據(jù)天然放射性核參數(shù)修正過(guò)的元素生熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：QA=ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)/100；其中QA為巖石生熱率(μW/m3)，CU、CTh分別為巖石中U、Th含量(10-6)，CK為K含量(%)，ρ為巖石密度(g/cm3)。巖石放射性生熱率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，豆乍山巖體密度值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)較小，變化范圍為2.47～2.66 g/cm3，平均2.57 g/cm3，與世界范圍內(nèi)花崗巖密度的平均數(shù)值大致相同，Th/U值相對(duì)穩(wěn)定，平均2.20。數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理剔除異常值后，顯示豆乍山巖體具有相對(duì)較高的平均單位體積生熱率，變化范圍為3.18～14.53 μW/m3，平均6.46 μW/m3，大大高于世界范圍花崗巖放射性生熱率(2.5 μW/m3)的平均值，這也與前人(趙平等，1995；萬(wàn)建軍等，2015；王安東等，2015；Sunetal.，2015；楊立中，2016；林樂(lè)夫等，2017)在華南其他花崗巖體研究結(jié)果(主要集中在5～8 μW/m3的范圍內(nèi))較為一致。

放射性生熱元素的熱貢獻(xiàn)率對(duì)于放射性生熱率是一個(gè)重要參數(shù)，可進(jìn)一步精細(xì)判別不同元素對(duì)于放射性生熱的效率。按照上述公式計(jì)算的生熱率比重，巖石放射性生熱率主要是來(lái)自于U和Th的放射性衰變熱，而K的貢獻(xiàn)率基本在10%左右，相對(duì)較小，該結(jié)果與大部分地區(qū)一致(萬(wàn)建軍等，2015；楊立中，2016；Wangetal.，2016；林樂(lè)夫等，2017)。不同生熱元素之間的熱貢獻(xiàn)比例因其半衰期的差異也會(huì)有一定的變化，232Th相對(duì)于234U和40K的半衰期較長(zhǎng)，因此232Th的熱貢獻(xiàn)的相對(duì)比例逐漸增大(趙平等，2015)。從本次樣品U相對(duì)K的貢獻(xiàn)率與Th相對(duì)K的貢獻(xiàn)率的關(guān)系圖解上可直觀對(duì)比U和Th的相對(duì)貢獻(xiàn)率(圖4)，由圖4可以看出，豆乍山巖體數(shù)據(jù)點(diǎn)大多數(shù)都位于等分線的上半部分，即偏向于U相對(duì)于K的貢獻(xiàn)率一側(cè)，因此豆乍山巖體U的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，這與華南地區(qū)前人研究過(guò)的其他大部分巖體具有相似的特征(萬(wàn)建軍等，2015；林樂(lè)夫等，2017)。

圖 4 豆乍山巖體與華南其他幾種巖體放射性生熱率對(duì)比(據(jù)林樂(lè)夫等，2017修改)

4.3 熱導(dǎo)率特征

熱導(dǎo)率值的大小是影響干熱巖熱量保存的重要因素之一，蓋層較低的熱導(dǎo)率將更有利于熱量保存(Rybachetal.，1978；Nyblade and Pollack，1993；王安東等，2015)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)豆乍山巖體花崗巖的巖石熱導(dǎo)率研究，獲得本區(qū)巖石平均熱導(dǎo)率平均為3.388 W/mK，符合花崗巖熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)3.14～3.60 W/mK，并且處于范圍的較低水平，顯示出本區(qū)地表蓋層巖石熱導(dǎo)率相對(duì)較低，具有能夠更好的保證地下熱能儲(chǔ)存的能力。

表 3 豆乍山巖體花崗巖樣品熱導(dǎo)率 W/mK

5 干熱巖潛力分析

由前文分析可知，豆乍山巖體花崗巖樣品U、Th、K2O含量的平均值分別為17.49×10-6、27.54×10-6、4.64%，Th/U值為2.20，巖石密度為2.57 g/cm3，單位體積生熱率平均值為6.46 μW/m3，以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)都指示本區(qū)花崗巖屬于高產(chǎn)熱花崗巖(馬峰等，2015；黃昌旗等，2018)。

根據(jù)研究區(qū)所處的大地構(gòu)造位置以及前人地球物理和鉆探資料顯示，豆乍山巖體所處的桂北地區(qū)地殼厚度均值為30 km左右(郝義，2010；楊海，2015)。另外，參照華南地區(qū)主要鈾礦床成礦深度、巖石圈有效彈性厚度、均衡重力、地震測(cè)深等數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步推測(cè)苗兒山地區(qū)放射性元素集中層厚度平均值為8 km(章邦桐等，1990；馬峰等，2015；萬(wàn)建軍等，2015；林樂(lè)夫等，2017)。大地?zé)崃髦抵饕傻貧崃髦?Qc)和地幔熱流值(Qm)兩部分組成(Morgan，1984)，大地?zé)崃髦?Qc+Qm，其中Qc主要與地殼中U、Th、K元素豐度有關(guān)，而Qm來(lái)源于幔源巖漿底侵作用。由于放射性集中層主要位于中上地殼，因此地殼熱流可近似認(rèn)為由巖體放射性衰變熱提供。前文放射性元素特征分析數(shù)據(jù)可知豆乍山巖體放射性生熱率為6.46 μW/m3，香草坪巖體放射性生熱率為6.00 μW/m3，可推算豆乍山巖體的地殼熱流值貢獻(xiàn)為51.68 mW/m2左右，香草坪巖體地殼熱流值貢獻(xiàn)為48.00 mW/m2，故可認(rèn)為苗兒山地區(qū)地殼熱流值在48.00～51.68 mW/m2左右。根據(jù)周邊華南及南嶺地區(qū)前人研究結(jié)果，苗兒山地區(qū)地溫梯度取其平均值28℃/km，采用上地殼平均熱導(dǎo)率值2.57 W/mK，對(duì)大地?zé)崃髦颠M(jìn)行初步估算為71.96 mW/m2(胡圣標(biāo)等，2001；藺文靜等，2012；馬峰等，2015)。因此，地幔熱流值(Qm)為20.28～23.96 mW/m2(Morgan, 1984；林樂(lè)夫等，2017)，明顯低于地殼熱流值(Qc)，Qc/Qm>1，Qm對(duì)地表熱流值的貢獻(xiàn)率為30%左右。苗兒山地區(qū)為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)，其地?zé)崮苤饕暙I(xiàn)來(lái)源于地殼中花崗巖放射性元素衰變，地幔熱流貢獻(xiàn)稍小，但也占一定比例(Nyblade and Pollack, 1993；Wangetal., 2016)。

苗兒山地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)明顯，區(qū)內(nèi)發(fā)育大量NNE向斷裂，這些斷裂嚴(yán)格控制了花崗質(zhì)巖體的分布以及成礦熱液流體活動(dòng)，有利于放射性生熱元素的活化及深部熱流的運(yùn)移。此外，還廣泛出露以凝灰?guī)r、礫巖和夾沉積碎屑巖層為主要巖性的晚中生代-新生代陸相斷陷盆地，這對(duì)于生熱巖體熱量的保存有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可形成一個(gè)完整的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Portieretal., 2009；Wangetal., 2014)。

6 結(jié)論

(1)獲得豆乍山巖體放射性生熱率為6.46 μW/m3，為高產(chǎn)熱花崗巖(HHPG)，遠(yuǎn)高于世界范圍內(nèi)花崗巖放射性生熱率的平均值2.5 μW/m3。

(2)豆乍山巖體熱導(dǎo)率平均為3.388 W/mK，可代表本區(qū)地殼巖石的熱導(dǎo)率值，在3.14～3.60 W/mK的花崗巖熱導(dǎo)率范圍內(nèi)。

(3)苗兒山地區(qū)地殼對(duì)地表的熱貢獻(xiàn)率為70%左右，地殼熱貢獻(xiàn)率高于地幔熱貢獻(xiàn)率，屬于“熱殼冷幔”型巖石圈熱結(jié)構(gòu)。

(4)苗兒山地區(qū)放射性生熱率等參數(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，控?zé)針?gòu)造明顯，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的干熱巖評(píng)價(jià)工作，為完善廣西地區(qū)乃至全國(guó)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)補(bǔ)充和干熱巖開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。