皖西地區巖石熱導率及地表熱流特征

鄭 平，林樂夫，肖清華

皖西地區巖石熱導率及地表熱流特征

鄭 平1，林樂夫2，肖清華1

（1.湖南工程職業技術學院自然資源學院，長沙 410151；2.益陽市資陽區人民政府辦公室，湖南 益陽 413000）

通過已有資料共收集10組皖西地區地表熱流數據，表明區內巖石熱導率與地表熱流平均值分別為2.65W/mK、75.04mW/m2，其中熱導率與全球大陸巖石平均值相似，地表熱流略高于大陸熱流平均值。計算得出區內花崗巖生熱率平均值為4.63μW/ m3。根據地表熱流值特點，可分為北段、中段、南段三個熱流區域。自北向南，地表熱流值越來越低，反映了不同區域在巖石組成、地溫梯度、地殼厚度、構造活動和巖石圈熱結構上的差別。

皖西地區；熱導率；地表熱流；生熱率；巖石圈熱結構

巖石圈熱結構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。其中，巖石熱導率是巖石熱物性的重要參數，物質的不均一性影響著熱導率的縱向變化和橫向變化。正常熱傳導環境下，熱導率的垂向變化會引起地溫梯度的差異，兩者成反比關系（趙平，1995；林樂夫，2018）。皖西地區位于北淮陽構造帶之上，區內構造活動復雜，具有良好的成礦背景，一直都是國內外學者重點關注區域（杜建國等，1996；陸三明等，2002；黃凡等，2011；劉忠等，2020）。中生代南北陸塊碰撞和碰撞后的作用在皖西地區留下了豐富的構造形跡，同樣加快了區內巖石的形成過程，與此同時，強烈的構造-巖漿活動為區域內巖石熱能的生成與傳導提供了有利條件（江來利等，2003）。本文結合前人研究成果，對皖西地區巖石進行熱導率和地表熱流特征分析，對皖西地區地溫場分布、熱流背景進一步系統了解，為研究區域巖石圈熱結構和演化提供參考依據。

1 區域地質背景

皖西地區帶位于華北地塊與揚子板塊之間，東至郯廬斷裂，西與秦嶺褶皺相連，由曉天-磨子潭斷裂與明港-六安斷裂構成南北邊界，總體為斷裂圍限的褶皺帶，主要構造包括北部明港-六安斷裂帶、南部曉天-磨子潭斷裂帶、東部郯廬斷裂帶，如圖1所示如下（王勇生等，2012；陸三明等，2002；杜建國等，1996；楊志堅，1982）。區內巖石、地層、構造環境演化自下而上劃分為4個構造巖石地層單位，分別為新元古界盧鎮關群（蘇家河群、紅安群）、新元古界-下古生界佛子嶺群（信陽群）、石炭紀楊山群以及中生界-新生界未變質的陸相盆地堆積（彭志等，2015；江來利等，2003）。

區內巖漿巖較發育，形成時代為元古界、古生代和中生代，其中與成礦關系密切的巖漿巖主要為燕山期。區內自東向西表現出巖漿巖時代變新、酸性程度增加、成礦作用增強，其巖性以二長巖、閃長巖、安山巖及火山碎屑巖為主（徐小軍等，2005）。其中侵入巖與火山巖屬于同源產物，受到構造的影響所表現的形式有所差異，形成不同的巖漿產物，因此區域內侵入巖也相應的分為兩類，分別為鈣堿性、鉀玄巖系列和堿性系列（商力，2012）。

2 巖石熱導率特征

區域內巖體形成的時間跨度為侏羅紀-白堊紀，出露多以中細粒花崗巖、鉀長花崗巖、花崗閃長巖、石英二長巖、花崗片麻巖、黑云二長花崗巖及少量變花崗巖為主，其中鉀長花崗巖分布最廣，主要礦物成分為石英（約30%）、鉀長石（50%～60%）、斜長石（10%～15%）、黑云母（約2%～3%）。巖石總體表現為區域內自東向西酸性程度增加，區域內斷裂活動，伴生規模不等的次級斷層（商力，2012，杜建國，1996）。

巖石熱導率是地表熱流、地球內部溫度分布和熱傳遞所具備的一個重要參數（胡圣標等，2001）。通過前人研究資料表明（汪集旸等，1990），皖西地區已采集并進行熱流計算的巖石樣品70余塊，均取自鉆孔巖心。巖石樣品熱導率值介于1.91～3.91W/mK（表1），平均值為2.65W/mK。區內巖石樣品熱導率值變化明顯，主要受不同礦物含量、礦物排列、巖石裂隙、顆粒大小等方面影響。

表1 皖西地區花崗巖生熱流數據一覽表

3 巖石生熱率特征

通過楊義忠等（2018）、陳芳等（2016）分別對北淮陽東段地區湯池巖體、金寨巖體等研究區的地球化學特征表明，皖西地區廣泛出露白堊紀花崗巖，其年齡主要集中于125～130Ma，具備A型花崗巖特征，均形成于造山后伸展環境。本文根據結合前人對該地區巖體主、微量元素數據（表1），以及世界范圍內花崗巖平均密度值2.6g/cm3，利用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[%] ）

獲得皖西地區花崗巖生熱率值，其中，巖石放射性生熱主要來源于Th、U元素的衰變熱，K元素的熱貢獻比重一般不超過20%（林樂夫，2018），前人研究結果表明K2O的含量介于3.82%～5.23%，本人采用平均值4.63%計算，以此進一步探究區內放射性地球化學特征與熱巖石圈結構。

計算結果得出：研究區花崗巖Th、U含量分別介于8.12～79.89ppm、1.92～34.04ppm之間，平均值分別為33.96ppm、7.06ppm。巖石生熱率介于1.35～13.81μW/ m3，具有明顯的變化差異，平均值為4.63μW/ m3，略高于世界范圍內花崗巖生熱率，但不屬于高產熱花崗巖體。

圖1 北淮陽東段地質構造略圖（據商力，2012）

F1-明港-六安斷裂；F2-信陽-舒城斷裂；F3-曉天-磨子潭斷裂；F4-商城-麻城斷裂；F5-青山-熬藥尖斷裂；F6-郯廬斷裂

4 地表熱流值特征

地表熱流（Q），指單位面積、單位時間內由地球內部傳輸至地表，而后散發至空氣中的熱量。地表熱流是一個綜合性熱參數，更加綜合明確的穩定狀態下巖石傳導的熱量反映地區地溫場的特征（胡圣標等，2001；汪集旸等，2012；He，2015,王安東等，2015）。通過對前人鉆孔資料及巖石熱導率測試數據進行統計分析，共收集了10組高質量的實測大地熱流數據（表2），鉆孔深度介于100～900m，地溫梯度所測范圍為15.8～41.14k/km。

表2 皖西地區實測與校正熱流數據一覽表

注：表格數據源自汪集旸等（1990）

根據已有數據，皖西地區實測地表熱流平均值為75.04mW/m2。雖然區內熱流測點分布不均，且測點數量不多，但總體上熱流分布格局和走勢較為明顯。區域內熱流特征呈北-南方向遞減變化。結合區域地質構造影響，可分為北段、中段和南段三個對比區。北段主要為霍邱等地，實測熱流值為149.7mW/m2，熱流數據較為單一；中段包括霍山和廬江地區，實測熱流平均值為73.15mW/m2，熱流值分布跨度較廣；南段實測熱流值為53.93mW/m2，主要體現在安慶和貴池等地區。

5 討論

通過前人研究結果表明，皖西地區巖石熱導率平均值為2.65W/mK，與大陸地區巖石熱導率平均值相似。區內受到逆沖推覆構造及伸展構造作用影響，所達到的俯沖部位不同，所處其部位的巖石達到熱平衡的時間不同，從而巖石熱導率之間形成差異，說明俯沖帶許多重要的地質特征都與俯沖帶所特有的熱結構相關。因此，對皖西地區巖石熱導率的進一步研究，應需要建立在該俯沖帶的熱結構模型之上。

區內地表熱流總體表現出北段、中段高、南段較低的變化特點，同時，研究區內的巖石生熱率平均值為4.63μW/ m3，具有明顯的產熱表征。李學禮等（1993）指出，古老而穩定基底具有較低且均一的熱流值，而年輕的造山帶和斷裂帶則具有較高而分散的熱流值。皖西地區大面積地處大別山碰撞造山帶的東段，中生代構造-巖漿活動強烈。區域內斷裂發育明顯，規模較大，其中曉天-磨子潭深大斷裂是區內的主導構造，對研究區熱流的運移影響較大，形成了重要的熱儲構造。強烈的構造熱活動、擠壓褶皺和韌性走滑活動，促使區內處于地質活動較為活躍的地塊，造成古老地殼物質的重熔再造過程，因此，在區內斷裂構造發育的北段與中段，表現出較高的地表熱流值。居里面埋深定量反演計算結果同樣顯示研究區域內的居里面埋深起伏較大，六安-英山剖面居里面平均埋深約為24km，剖面縱穿合肥盆地、北淮陽及東大別造山帶，起伏較大約為11km，于霍山地區下方的居里面埋深起伏最為明顯，地震事件也相對密集（徐如剛等，2012），指示為研究區內的幔源熱量遷移，提供良好的地質條件。

區內不同地段所反映的熱流值不同，指示了巖石礦物特征、大地構造特征對巖石圈熱結構方面的影響，同時也表現了區內熱結構演化特征，構造活動越強烈的地區，越有利于域內熱能傳導。因此，深入研究區域內地表熱流數據，進一步加強區內巖石熱物性和放射性集中層厚度的研究，對區分地表熱流殼幔分配比、探明區域巖石圈熱結構，以及干熱巖儲量與潛力評估都具有十分重要的意義。

5 結論

本文通過對皖西地區實測熱導率和地表熱流數據收集整理，得到以下結論：

1）皖西地區熱導率與地表熱流平均值分別為2.65W/mK、75.04mW/m2，總體表現為北段、中段的地表熱流值與地溫梯度略高于南段。

2）花崗巖生熱率介于1.35～13.81μW/ m3，平均值為4.63μW/ m3，明顯高于世界范圍內花崗巖生熱率。

2）根據熱導率與地表熱流的不均一性，表明了區內巖石圈熱結構受巖石熱物性和構造動等因素的直接影響，構造活動越強烈，越有利于巖石熱能傳導。

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Rock Thermal Conductivity and Surface Heat Flux Characteristics in West Anhui

ZHENG Ping1LIN Le-fu2XIAO Qing-hua1

(1.Natural Resources department, Hunan College of Engineering Vocational Technology, Changsha 410151；2.Office of the People’s Government of Ziyang District Yiyang Municipality, Yiyang,Hunan 41300)

A total of 10 sets of surface heat flow data for the western Anhui area are collected from the available data, indicating that the average thermal conductivity of the rock in the area and the average surface heat flux were 2.65W/mK and 75.04mW/m2, respectively. The thermal conductivity is similar to the average value of the global continental rock. The surface heat flux is slightly higher than the average value of continental heat flux. According to the surface heat flow value, the western Anhui area may be divided into three heat flow areas: north, middle and south. From north to south, the surface heat flow value is getting lower and lower, reflecting the differences in rock composition, geothermal gradient, crustal thickness, tectonic activity and lithospheric thermal structure in different regions.

west Anhui; thermal conductivity; surface heat flow; lithospheric thermal structure

2020-07-22

2018年湖南省青年骨干教師培養項目

鄭平（1982—），女，湖南永州人，高級工程師，主要從事地質調查與資源勘查相關的生產、科研、教育教學工作

P314

A

1006-0995（2021）02-0306-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.024