桂北豆乍山岩体放射性地球化学特征及其干热岩资源潜力研究

2021-05-26王安东万建军

岩石矿物学杂志 2021年3期

谭双，陈琪，王安东，万建军，黄剑，高翔

(1.核工业二三〇研究所，湖南长沙 410007；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013)

岩石圈内热很大一部分是由一定丰度的长半衰期放射性元素U、Th和40K在衰变过程中所释放的放射性衰变热产生，这种衰变热同时也是板块构造运动与岩石圈演化的重要驱动力(Robinsonetal., 1971；Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；Kim，2001；汪集旸等，2012)。U、Th和K元素具有较强的活动性和不相容性，导致它们在地球上分布极不均匀，在不同类型、不同时代、不同地区岩石中的含量变化比较大(Robinsonetal., 1971；赵平等，1995；章邦桐等，1990；Portieretal., 2009；Wangetal., 2014；王安东等，2015)。开展岩石放射性生热元素分布规律研究，对查清放射性衰变热对地表热流值的贡献率以及厘清岩石圈热结构都具有十分重要的意义(赵平，1995；万建军等，2015；王安东等，2015；杨立中，2016)。此外，岩石放射性生热率参数是判断干热岩生热能力的重要参数，是探讨干热岩潜力的一个重要指标。

广西苗儿山矿田是我国铀矿产的重要聚集地，自上世纪60年代以来陆续发现了一批铀矿床/矿点(柏道远等，2007；石少华等，2011a；吴昆明等，2016)。研究显示，该地区花岗岩体与区域深大断裂关系密切，苗儿山地区复杂的构造格架，对豆乍山、香草坪、张家等岩体中铀矿化的形成与演化极为有利，为铀活化转移与富集成矿提供了得天独厚的便利条件(黄宏业等，2008；郝义，2010；李妩巍等，2010b，2011；陈琪等，2013)。根据中国东部至华南地区的花岗岩数据整体分析，上述花岗岩体中常富含U、Th、K元素，从而具有较强的放射性生热能力。本文选择桂北苗儿山中段豆乍山岩体未经风化的钻孔岩石样品进行放射性生热元素含量和岩石密度测试，计算其放射性生热率，探究放射性地球化学特征，并通过岩石热导率数据，结合研究区地质学、地球物理及地热学研究成果，剖析该地区岩石圈热结构，为华南乃至全国的地热和干热岩型地热资源的研究提供理论和数据基础。

1 区域地质概况

苗儿山复式岩体规模较大，整个苗儿山岩体出露面积约为1 633 km2，跨越广西资源县和湖南新宁县，为一个多期多阶段花岗岩体构成的复式岩基，主要岩性为黑云母二长花岗岩和二云母二长花岗岩(石少华等，2010；胡欢等，2013)。其大地构造位置处于华南扬子板块江南被动陆缘隆起带的南缘，苗儿山-越城岭花岗岩穹窿构造西翼，南东侧为华夏岛弧系(石少华等，2011b；欧阳平宁等，2012)。本文所研究豆乍山花岗岩体位于苗儿山复式岩体中部，出露面积约31.7 km2，岩性主要为中细粒二云母花岗岩，锆石SHRIMP U-Pb年代学研究显示其年龄为228±11 Ma，属印支期晚三叠世岩浆作用的产物(谢晓华等，2008；李妩巍等，2010a；柏道远等，2014)。区内断裂构造发育，主体为 NNE 向，同时发育多条次级断裂，直接控制了铀矿化的分布(图1)。在豆乍山岩体内以及豆乍山与香草坪岩体接触界线附近发现了一批铀矿床，这些铀矿床的分布亦指示了区内干热岩地热资源的开发潜力。

2 样品采集与分析方法

选取不同位置钻孔，对不同深度揭露岩心进行系统采样，并选择具有代表性的110个样品进行分析测试，样品新鲜未见明显蚀变(图2)。新鲜岩石样品经室内处理后，首先用密度仪测定其密度，密度测试工作在核工业二三〇研究所分析测试中心完成，同一样品进行多次测试，其结果显示分析精度在±5‰误差范围内。样品主量元素测试工作在核工业二三〇研究所分析测试中心内完成，仪器采用Rigaku ZSX100e型X射线荧光光谱仪。测试所需玻璃片制作步骤包括：① 称取0.51～0.58 g的样品，并加入样品质量8倍的Li2B4O7熔剂，摇匀；② 在铂金坩埚中加入1滴2% LiBr和1% NH4I混合助熔剂，倒入摇匀的混合样品；③ 将上述坩埚置于1 150℃的加热装置下熔融后冷却，使粉末样品最终形成浅褐色、透明、完整的圆形玻璃片。若该过程未形成完整的玻璃片，则应重复上述②、③步骤。放射性生热元素含量测定工作在核工业二三〇研究所分析测试中心完成，标样监测结果显示元素U和Th的分析精度在±5%误差范围内(ICP-MS法测定)，K2O的分析精度在±5%误差范围内(XRF法测定)。为进一步表征研究区的岩石圈热结构特征，本次研究还从所采集的样品中选择15个代表性样品进行导热率测试，测试所用仪器为加拿大C-Thermal公司生产的TCi导热系数分析仪，测试工作在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成，标样监测和5次重复测试结果显示分析精度在±5%误差范围内。

图 1 苗儿山复式花岗岩体中段地质简图(据胡欢等，2013)

3 岩石学及地球化学特征

豆乍山岩体主体岩性为中细粒二云母花岗岩，岩石样品颜色呈灰白色-青灰色，造岩矿物为钾长石(20%～25%)、斜长石(25%～30%)、石英(25%～30%)、黑云母(5%～8%)、白云母(5%～8%)，副矿物有锆石、黑钨矿、黄铁矿、锡石、白钨矿、电气石、辉钼矿、毒砂等(2%)。11个典型豆乍山花岗岩样品主量元素分析见表1，其SiO2含量变化范围为72.23%～75.33%，平均73.89%；K2O/Na2O值为1.20～1.74，平均1.54，全碱(K2O+Na2O)含量为6.75%～8.26%，平均7.81%，铝饱和指数为1.09～1.27，平均1.14。总体上，该岩体花岗岩呈现出为富硅、偏碱性(且K>Na)、贫钙、铝过饱和及暗色组分含量少等特点，在地球化学分类图解中，样品集中落于酸性岩区域，属于过铝质高钾钙碱性系列，并归为镁质花岗岩大类(图3)。

图 2 豆乍山岩体野外露头(a、b)、岩心手标本(c)及正交偏光显微镜下照片(d)

表 1 豆乍山岩体样品主量元素数据表 wB/%

图 3 豆乍山花岗岩地球化学分类图解(a据Middlemost，1994；b，c，d据Frost et al., 2001)

4 岩石放射性地球化学特征

4.1 U、Th、K放射性地球化学特征

前人研究结果普遍认为，地球岩石圈内热主要是由放射性元素在衰变过程中产生的热量所提供的(Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；汪集旸，1996；王贵玲等，2000；汪集旸等，2012)。岩石中各种矿物内部天然放射性元素种类众多，而其中具有丰度高、半衰期长、生热量高等条件的元素对岩石放射性生热贡献尤为突出(Robinsonetal., 1971；Rybach, 1988；胡圣标等，1994；邓平等，2003)。放射性元素U、Th、K相对于其他元素对放射性贡献相对较大，可认为是地壳岩石中放射性衰变热的主要来源之一。因此，U、Th、K的含量特征是考量岩体放射性地球化学特征、评估干热岩开发潜力的一个重要指标(赵平等，1995，2015)。

花岗岩样品的U、Th、K含量分析测试结果见表2。花岗岩样品中U含量变化范围为4.90×10-6～54.80×10-6，平均17.49×10-6，Th含量变化范围为2.96×10-6～45.80×10-6，平均27.54×10-6，K2O含量变化范围为0.98%～7.32%，平均4.64%，Th/U值相对较为稳定，平均2.20。前人(沈渭洲等，1999；舒良树等，2002；万建军等，2015；杨立中，2016；林乐夫等，2017)在华南地区的佛冈、诸广、贵东、下庄以及热水等岩体都开展了放射性地球化学方面的研究工作，研究显示U含量的平均值变化范围为9×10-6～18×10-6，Th含量的平均值变化范围为31×10-6～51×10-6，K2O含量的平均值变化范围为4.02%～5.43%。与华南等周边其他地区岩体相比较，豆乍山岩体的U含量明显高于华南地区均值(9.7×10-6，张祖还等，1991)。

表 2 豆乍山岩体U、Th、K含量、密度(ρ)及生热率(QA)数据

4.2 放射性生热率研究

岩石放射性生热率是判定花岗岩体放射性生热能力的重要参数，岩石生热率(QA)是指一定体积的岩石在单位时间内由所含放射性元素通过放射性衰变所产生的能量，单位为μW/m3，可由实测岩石中U、Th、40K这3种放射性元素含量及岩石密度根据公式计算获得(Rybach，1988)。本文采用Rybach 等(1988)提出且据天然放射性核参数修正过的元素生热系数进行计算：QA=ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)/100；其中QA为岩石生热率(μW/m3)，CU、CTh分别为岩石中U、Th含量(10-6)，CK为K含量(%)，ρ为岩石密度(g/cm3)。岩石放射性生热率的计算结果见表2。

从表2可以看出，豆乍山岩体密度值在一定范围内波动较小，变化范围为2.47～2.66 g/cm3，平均2.57 g/cm3，与世界范围内花岗岩密度的平均数值大致相同，Th/U值相对稳定，平均2.20。数学统计处理剔除异常值后，显示豆乍山岩体具有相对较高的平均单位体积生热率，变化范围为3.18～14.53 μW/m3，平均6.46 μW/m3，大大高于世界范围花岗岩放射性生热率(2.5 μW/m3)的平均值，这也与前人(赵平等，1995；万建军等，2015；王安东等，2015；Sunetal.，2015；杨立中，2016；林乐夫等，2017)在华南其他花岗岩体研究结果(主要集中在5～8 μW/m3的范围内)较为一致。

放射性生热元素的热贡献率对于放射性生热率是一个重要参数，可进一步精细判别不同元素对于放射性生热的效率。按照上述公式计算的生热率比重，岩石放射性生热率主要是来自于U和Th的放射性衰变热，而K的贡献率基本在10%左右，相对较小，该结果与大部分地区一致(万建军等，2015；杨立中，2016；Wangetal.，2016；林乐夫等，2017)。不同生热元素之间的热贡献比例因其半衰期的差异也会有一定的变化，232Th相对于234U和40K的半衰期较长，因此232Th的热贡献的相对比例逐渐增大(赵平等，2015)。从本次样品U相对K的贡献率与Th相对K的贡献率的关系图解上可直观对比U和Th的相对贡献率(图4)，由图4可以看出，豆乍山岩体数据点大多数都位于等分线的上半部分，即偏向于U相对于K的贡献率一侧，因此豆乍山岩体U的贡献率相对较高，这与华南地区前人研究过的其他大部分岩体具有相似的特征(万建军等，2015；林乐夫等，2017)。

图 4 豆乍山岩体与华南其他几种岩体放射性生热率对比(据林乐夫等，2017修改)

4.3 热导率特征

热导率值的大小是影响干热岩热量保存的重要因素之一，盖层较低的热导率将更有利于热量保存(Rybachetal.，1978；Nyblade and Pollack，1993；王安东等，2015)。实验结果见表3。通过对豆乍山岩体花岗岩的岩石热导率研究，获得本区岩石平均热导率平均为3.388 W/mK，符合花岗岩热导率数据3.14～3.60 W/mK，并且处于范围的较低水平，显示出本区地表盖层岩石热导率相对较低，具有能够更好的保证地下热能储存的能力。

表 3 豆乍山岩体花岗岩样品热导率 W/mK

5 干热岩潜力分析

由前文分析可知，豆乍山岩体花岗岩样品U、Th、K2O含量的平均值分别为17.49×10-6、27.54×10-6、4.64%，Th/U值为2.20，岩石密度为2.57 g/cm3，单位体积生热率平均值为6.46 μW/m3，以上各项数据都指示本区花岗岩属于高产热花岗岩(马峰等，2015；黄昌旗等，2018)。

根据研究区所处的大地构造位置以及前人地球物理和钻探资料显示，豆乍山岩体所处的桂北地区地壳厚度均值为30 km左右(郝义，2010；杨海，2015)。另外，参照华南地区主要铀矿床成矿深度、岩石圈有效弹性厚度、均衡重力、地震测深等数据，可进一步推测苗儿山地区放射性元素集中层厚度平均值为8 km(章邦桐等，1990；马峰等，2015；万建军等，2015；林乐夫等，2017)。大地热流值主要由地壳热流值(Qc)和地幔热流值(Qm)两部分组成(Morgan，1984)，大地热流值=Qc+Qm，其中Qc主要与地壳中U、Th、K元素丰度有关，而Qm来源于幔源岩浆底侵作用。由于放射性集中层主要位于中上地壳，因此地壳热流可近似认为由岩体放射性衰变热提供。前文放射性元素特征分析数据可知豆乍山岩体放射性生热率为6.46 μW/m3，香草坪岩体放射性生热率为6.00 μW/m3，可推算豆乍山岩体的地壳热流值贡献为51.68 mW/m2左右，香草坪岩体地壳热流值贡献为48.00 mW/m2，故可认为苗儿山地区地壳热流值在48.00～51.68 mW/m2左右。根据周边华南及南岭地区前人研究结果，苗儿山地区地温梯度取其平均值28℃/km，采用上地壳平均热导率值2.57 W/mK，对大地热流值进行初步估算为71.96 mW/m2(胡圣标等，2001；蔺文静等，2012；马峰等，2015)。因此，地幔热流值(Qm)为20.28～23.96 mW/m2(Morgan, 1984；林乐夫等，2017)，明显低于地壳热流值(Qc)，Qc/Qm>1，Qm对地表热流值的贡献率为30%左右。苗儿山地区为“热壳冷幔”型岩石圈热结构，其地热能主要贡献来源于地壳中花岗岩放射性元素衰变，地幔热流贡献稍小，但也占一定比例(Nyblade and Pollack, 1993；Wangetal., 2016)。

苗儿山地区构造活动明显，区内发育大量NNE向断裂，这些断裂严格控制了花岗质岩体的分布以及成矿热液流体活动，有利于放射性生热元素的活化及深部热流的运移。此外，还广泛出露以凝灰岩、砾岩和夹沉积碎屑岩层为主要岩性的晚中生代-新生代陆相断陷盆地，这对于生热岩体热量的保存有着得天独厚的优势，可形成一个完整的增强型地热系统(Portieretal., 2009；Wangetal., 2014)。