湘东南地区中生代花岗岩放射性地球化学特征及岩石圈热结构研究

　　摘 要 湘东南地区位于南岭地区中段北部，区内广泛发育中生代花岗岩。通过在收集整理前人研究资料的基础上，对湘东南地区花岗岩进行了放射性生热率和元素热贡献率计算，结果表明;区内中生代花岗岩放射性生热率平均值为7.03μW/ m3，属于高产热花岗岩，U热贡献率明显高于Th热贡献率。结合该区开展的地球物理、地球化学、地热学等研究成果，得出区内地壳热流值地壳热流平均值为56.24mW/m2，在地表热流贡献中占有较大比重，指示了湘东南地区为“热壳冷幔”型岩石圈热结构。

　　关键词 湘东南地区;花岗岩;放射性生热率;岩石圈热结构

　　岩石中的放射性元素生热是岩石圈热能的主要来源[1-3]。目前，发现U、Th、K三种元素具有半衰期长，产热量大等特点，是研究岩石放射性地球化学及区域岩石圈热结构特征的重要参数[4-6]。湘东南地区隶属华南板块，根据其空间特点，地处南岭地区EW向构造中段北部，区内广泛发育中生代花崗岩，形成了独具特色的构造格局[7-10]。同时，湘东南地区也是南岭成矿带中重要的组成部分[11-12]。前人对湘东南地区展开了大量的岩石学、年代学、矿床学等方面研究，本文结合已有的地球物理、地球化学及地热学等资料，对湘东南地区中生代花岗岩进行岩石生热率计算，探究区域内放射性地球化学及岩石圈热结构特征。

　　1 区域地质概况

　　湘东南地区位于华南地区中南部，属扬子陆块与华夏陆块两者拼合地段，具有壳幔活动强烈的构造特点[13-14]。经历了武陵运动以来的多期强烈构造运动，塑造了区内多期次构造相互叠加、干扰、改造的复杂构造格局(图1)。

　　中生代以来的构造事件对区域造成巨大影响，期间多次剧烈的构造运动，促进了区内岩石的形成过程，同时，晚中生代时期的板块俯冲碰撞—伸展作用，在湘东南地区形成了大规模的断裂构造和挤压盆地，也为区域内提供了有利的热源传导条件[10，15-16]。区内花岗岩体主要受控于主体断裂构造带，以NNE和NW向展布，如茶陵—郴州深大断裂带、桂东—汝城断裂带、郴州—邵阳断裂带等，花岗岩多以岩基形式呈现，形成时代主要分为加里东期、印支期、燕山期等时代。燕山晚期花岗岩类在区内不多，其主要集中分布在华南板块的东南沿海地区，指示着两者之间的岩石圈热结构具有明显差异性[16-17]。研究表明，研究区内出露岩体中含有铁镁质暗色矿物，暗示区内壳幔运动强烈，深部热源在热能贡献中占有一定比例[8]。

　　2 岩石学特征

　　湘东南地区大面积出露花岗岩体，火山岩、潜火山岩出露较少。燕山早期花岗岩在研究区内最为发育(占花岗岩总面积的75%以上)，主要有诸广岩体、大义山岩体、瑶岗仙岩体、骑田岭岩体等[9]。岩石类型主要为二长花岗岩、黑云母正长花岗岩以及花岗闪长岩，据李献华等[10]研究统计表明，大部分燕山早期花岗岩形成时代(165～160Ma)，岩体出露面积不等，主要组成矿物有石英、斜长石、正长石等，次要矿物为黑云母、白云母、绿泥石等，偶见角闪石，副矿物主要为绿帘石和磁铁矿。

　　3 放射性地球化学特征

　　本文综合李金冬[9]等人对湘东南地区花岗岩体主、微量元素数据(表1)，采用Rybach(1978)推荐的计算方法：A[μW/ m3 ] = 10?5 ×ρ[kg m?3 ]×(9.52 ×CU [ppm] + 2.56×CTh [ppm] + 3.48×CK [%] )，岩石密度采用世界范围内花岗岩平均密度值2.6g/cm3，获得区内花岗岩生热率数值。结果表明，湘东南地区花岗岩Th、U含量分别介于6.6～100.6ppm、2～30.6ppm之间，两者表现出明显的不均一性，其中，骑田岭岩体具有较高的Th、U含量。总体上花岗岩生热率介于1.41～12.45μW/ m3，平均值为7.03μW/ m3，明显高于世界范围内花岗岩生热率，属于高产热花岗岩体(HPPG)，千里山岩体与骑田岭岩体放射性生热率略高于区内其他岩体，分别为8.67μW/ m3、8.91μW/ m3。不同岩体放射性生热率具有明显差异，表明多阶段的岩浆活动，一方面促使着区内的成矿元素富集，另一方面为生热元素向地表迁移形成有利条件。

　　放射性生热元素的热贡献率是放射性生热率特征重要体现。计算结果显示，岩石放射性生热率主要来自于U和Th元素的放射性衰变热，K的贡献率相对较小，一般在20%左右[4-5，20]。从表1可知，湘东南地区花岗岩U相对于K元素的放射性热贡献率介于1.74～19.25，而Th相对于K的热贡献率变化范围为1.4～16.98，U、Th元素热贡献率平均值分别为10.6、7.3，其中，骑田岭岩体的U、K热贡献率明显高于区内其他岩体，造成区内两者比值差异的原因可能区内含铀矿床的形成，导致U元素的富集。

　　4 岩石圈热结构特征

　　岩石圈热结构是区域内地球物理、地球化学等参数的综合体现，它不仅控制着圈层的流变状态和物理特征，也影响着构造变形、壳幔演化过程、地震波速、地磁和重力等地球物理场的分布[5]。本文结合前人研究成果，通过对湘东南地区放射性地球化学特征的研究，进一步探明区内岩石圈热结构体征。

　　早期资料表明，湘东南地区地壳厚度为32～34km，越靠近东南沿海地区，则地壳厚度越薄[21]，区内居里面深度约25km。根据不同地区来厘定放射性生热元素的富集层位，参考章邦桐等[22]推算的华南地区花岗岩埋深厚度，表明区内放射性集中层厚度为7～9km[6]。地表热流(Q)由地壳热流(Qc)与地幔热流(Qm)组成，即Q=Qc+Qm，根据本文计算花岗岩放射性生热率7.03μW/ m3，可推测湘东南地区地壳热流(Qc)为49～63mW/m2，平均值为56.24mW/m2。通过已有数据表明，区内地表热流值为60～85mW/m2[23]，平均值为75mW/m2，由此可计算得出地幔热流值(Qm)为11～22mW/m2，平均值为20mW/m2，Qc/Qm>1，因此，湘东南地区具有南岭地区岩石圈热结构特征，即为“热壳冷幔”型岩石圈热结构。

　　本文通过对前人研究数据的分析整理，重点讨论了当前背景下湘东南地区的岩石圈热结构。值得注意的是，地壳热流主要源自产热花岗岩体中的元素热衰变，尽管目前在地表热流贡献中占比明显，而处于中生代挤压—伸展运动背景下，研究区内应具有更高的地幔热流值。因此，在深入研究湘东南地区岩石圈热结构的同时，必须要注意岩体热扩散率、热岩石圈厚度对地表热流的影响。

　　5 结论

　　通过对湘东南地区岩石学、放射性地球化学、地球物理等方面的综合研究，得出以下结论：

　　(1)结合前人对区内开展的地球化学数据，计算得出湘东南地区花岗岩放射性生热率为7.03μW/ m3，属于典型的高产热花岗岩(HPPG)。

　　(2)通过对放射性生热元素的热贡献对比，表明了湘东南地区总体上U热贡献率高于K热贡献率。

　　(3)湘东南地区地壳热流(Qc)在地表热流(Q)贡献中高于地幔热流(Qm)，Qc/Qm>1，属于“热壳冷幔”型岩石圈热结构。

　　参考文献/References

　　[1] 汪集旸，孙占学. 2001. 神奇的地热[M]. 清华大学出版社， 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. 中国东南地区岩石生热率研究[D]. (Doctoral dissertation，中国科学院地质与地球物理研究所).

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