皖西地区岩石热导率及地表热流特征

郑 平，林乐夫，肖清华

皖西地区岩石热导率及地表热流特征

郑 平1，林乐夫2，肖清华1

（1.湖南工程职业技术学院自然资源学院，长沙 410151；2.益阳市资阳区人民政府办公室，湖南 益阳 413000）

通过已有资料共收集10组皖西地区地表热流数据，表明区内岩石热导率与地表热流平均值分别为2.65W/mK、75.04mW/m2，其中热导率与全球大陆岩石平均值相似，地表热流略高于大陆热流平均值。计算得出区内花岗岩生热率平均值为4.63μW/ m3。根据地表热流值特点，可分为北段、中段、南段三个热流区域。自北向南，地表热流值越来越低，反映了不同区域在岩石组成、地温梯度、地壳厚度、构造活动和岩石圈热结构上的差别。

皖西地区；热导率；地表热流；生热率；岩石圈热结构

岩石圈热结构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。其中，岩石热导率是岩石热物性的重要参数，物质的不均一性影响着热导率的纵向变化和横向变化。正常热传导环境下，热导率的垂向变化会引起地温梯度的差异，两者成反比关系（赵平，1995；林乐夫，2018）。皖西地区位于北淮阳构造带之上，区内构造活动复杂，具有良好的成矿背景，一直都是国内外学者重点关注区域（杜建国等，1996；陆三明等，2002；黄凡等，2011；刘忠等，2020）。中生代南北陆块碰撞和碰撞后的作用在皖西地区留下了丰富的构造形迹，同样加快了区内岩石的形成过程，与此同时，强烈的构造-岩浆活动为区域内岩石热能的生成与传导提供了有利条件（江来利等，2003）。本文结合前人研究成果，对皖西地区岩石进行热导率和地表热流特征分析，对皖西地区地温场分布、热流背景进一步系统了解，为研究区域岩石圈热结构和演化提供参考依据。

1 区域地质背景

皖西地区带位于华北地块与扬子板块之间，东至郯庐断裂，西与秦岭褶皱相连，由晓天-磨子潭断裂与明港-六安断裂构成南北边界，总体为断裂围限的褶皱带，主要构造包括北部明港-六安断裂带、南部晓天-磨子潭断裂带、东部郯庐断裂带，如图1所示如下（王勇生等，2012；陆三明等，2002；杜建国等，1996；杨志坚，1982）。区内岩石、地层、构造环境演化自下而上划分为4个构造岩石地层单位，分别为新元古界卢镇关群（苏家河群、红安群）、新元古界-下古生界佛子岭群（信阳群）、石炭纪杨山群以及中生界-新生界未变质的陆相盆地堆积（彭志等，2015；江来利等，2003）。

区内岩浆岩较发育，形成时代为元古界、古生代和中生代，其中与成矿关系密切的岩浆岩主要为燕山期。区内自东向西表现出岩浆岩时代变新、酸性程度增加、成矿作用增强，其岩性以二长岩、闪长岩、安山岩及火山碎屑岩为主（徐小军等，2005）。其中侵入岩与火山岩属于同源产物，受到构造的影响所表现的形式有所差异，形成不同的岩浆产物，因此区域内侵入岩也相应的分为两类，分别为钙碱性、钾玄岩系列和碱性系列（商力，2012）。

2 岩石热导率特征

区域内岩体形成的时间跨度为侏罗纪-白垩纪，出露多以中细粒花岗岩、钾长花岗岩、花岗闪长岩、石英二长岩、花岗片麻岩、黑云二长花岗岩及少量变花岗岩为主，其中钾长花岗岩分布最广，主要矿物成分为石英（约30%）、钾长石（50%～60%）、斜长石（10%～15%）、黑云母（约2%～3%）。岩石总体表现为区域内自东向西酸性程度增加，区域内断裂活动，伴生规模不等的次级断层（商力，2012，杜建国，1996）。

岩石热导率是地表热流、地球内部温度分布和热传递所具备的一个重要参数（胡圣标等，2001）。通过前人研究资料表明（汪集旸等，1990），皖西地区已采集并进行热流计算的岩石样品70余块，均取自钻孔岩心。岩石样品热导率值介于1.91～3.91W/mK（表1），平均值为2.65W/mK。区内岩石样品热导率值变化明显，主要受不同矿物含量、矿物排列、岩石裂隙、颗粒大小等方面影响。

表1 皖西地区花岗岩生热流数据一览表

3 岩石生热率特征

通过杨义忠等（2018）、陈芳等（2016）分别对北淮阳东段地区汤池岩体、金寨岩体等研究区的地球化学特征表明，皖西地区广泛出露白垩纪花岗岩，其年龄主要集中于125～130Ma，具备A型花岗岩特征，均形成于造山后伸展环境。本文根据结合前人对该地区岩体主、微量元素数据（表1），以及世界范围内花岗岩平均密度值2.6g/cm3，利用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[%] ）

获得皖西地区花岗岩生热率值，其中，岩石放射性生热主要来源于Th、U元素的衰变热，K元素的热贡献比重一般不超过20%（林乐夫，2018），前人研究结果表明K2O的含量介于3.82%～5.23%，本人采用平均值4.63%计算，以此进一步探究区内放射性地球化学特征与热岩石圈结构。

计算结果得出：研究区花岗岩Th、U含量分别介于8.12～79.89ppm、1.92～34.04ppm之间，平均值分别为33.96ppm、7.06ppm。岩石生热率介于1.35～13.81μW/ m3，具有明显的变化差异，平均值为4.63μW/ m3，略高于世界范围内花岗岩生热率，但不属于高产热花岗岩体。

图1 北淮阳东段地质构造略图（据商力，2012）

F1-明港-六安断裂；F2-信阳-舒城断裂；F3-晓天-磨子潭断裂；F4-商城-麻城断裂；F5-青山-熬药尖断裂；F6-郯庐断裂

4 地表热流值特征

地表热流（Q），指单位面积、单位时间内由地球内部传输至地表，而后散发至空气中的热量。地表热流是一个综合性热参数，更加综合明确的稳定状态下岩石传导的热量反映地区地温场的特征（胡圣标等，2001；汪集旸等，2012；He，2015,王安东等，2015）。通过对前人钻孔资料及岩石热导率测试数据进行统计分析，共收集了10组高质量的实测大地热流数据（表2），钻孔深度介于100～900m，地温梯度所测范围为15.8～41.14k/km。

表2 皖西地区实测与校正热流数据一览表

注：表格数据源自汪集旸等（1990）

根据已有数据，皖西地区实测地表热流平均值为75.04mW/m2。虽然区内热流测点分布不均，且测点数量不多，但总体上热流分布格局和走势较为明显。区域内热流特征呈北-南方向递减变化。结合区域地质构造影响，可分为北段、中段和南段三个对比区。北段主要为霍邱等地，实测热流值为149.7mW/m2，热流数据较为单一；中段包括霍山和庐江地区，实测热流平均值为73.15mW/m2，热流值分布跨度较广；南段实测热流值为53.93mW/m2，主要体现在安庆和贵池等地区。

5 讨论

通过前人研究结果表明，皖西地区岩石热导率平均值为2.65W/mK，与大陆地区岩石热导率平均值相似。区内受到逆冲推覆构造及伸展构造作用影响，所达到的俯冲部位不同，所处其部位的岩石达到热平衡的时间不同，从而岩石热导率之间形成差异，说明俯冲带许多重要的地质特征都与俯冲带所特有的热结构相关。因此，对皖西地区岩石热导率的进一步研究，应需要建立在该俯冲带的热结构模型之上。

区内地表热流总体表现出北段、中段高、南段较低的变化特点，同时，研究区内的岩石生热率平均值为4.63μW/ m3，具有明显的产热表征。李学礼等（1993）指出，古老而稳定基底具有较低且均一的热流值，而年轻的造山带和断裂带则具有较高而分散的热流值。皖西地区大面积地处大别山碰撞造山带的东段，中生代构造-岩浆活动强烈。区域内断裂发育明显，规模较大，其中晓天-磨子潭深大断裂是区内的主导构造，对研究区热流的运移影响较大，形成了重要的热储构造。强烈的构造热活动、挤压褶皱和韧性走滑活动，促使区内处于地质活动较为活跃的地块，造成古老地壳物质的重熔再造过程，因此，在区内断裂构造发育的北段与中段，表现出较高的地表热流值。居里面埋深定量反演计算结果同样显示研究区域内的居里面埋深起伏较大，六安-英山剖面居里面平均埋深约为24km，剖面纵穿合肥盆地、北淮阳及东大别造山带，起伏较大约为11km，于霍山地区下方的居里面埋深起伏最为明显，地震事件也相对密集（徐如刚等，2012），指示为研究区内的幔源热量迁移，提供良好的地质条件。

区内不同地段所反映的热流值不同，指示了岩石矿物特征、大地构造特征对岩石圈热结构方面的影响，同时也表现了区内热结构演化特征，构造活动越强烈的地区，越有利于域内热能传导。因此，深入研究区域内地表热流数据，进一步加强区内岩石热物性和放射性集中层厚度的研究，对区分地表热流壳幔分配比、探明区域岩石圈热结构，以及干热岩储量与潜力评估都具有十分重要的意义。

5 结论

本文通过对皖西地区实测热导率和地表热流数据收集整理，得到以下结论：

1）皖西地区热导率与地表热流平均值分别为2.65W/mK、75.04mW/m2，总体表现为北段、中段的地表热流值与地温梯度略高于南段。

2）花岗岩生热率介于1.35～13.81μW/ m3，平均值为4.63μW/ m3，明显高于世界范围内花岗岩生热率。

2）根据热导率与地表热流的不均一性，表明了区内岩石圈热结构受岩石热物性和构造动等因素的直接影响，构造活动越强烈，越有利于岩石热能传导。

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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师培养项目

郑平（1982—），女，湖南永州人，高级工程师，主要从事地质调查与资源勘查相关的生产、科研、教育教学工作

P314

A

1006-0995（2021）02-0306-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.024