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

郑平　肖清华　林乐夫

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

中图分类号：P598                        文献标识码：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

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）.