地球深部真的贫铀钍吗?——来自秦岭造山带加里东期岩浆岩体锆石铀钍含量的讨论

伍皓，李小刚，吴晨，夏彧，周恳恳，熊国庆，姚雪婷

1)中国地质调查局成都地质调查中心，成都，610081；2)重庆科技学院复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆，401331；3)中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统科学国家重点实验室，北京，100101

内容提要: 为尝试利用锆石来初步探索地球内部铀、钍的丰度，通过搜集秦岭造山带加里东期岩浆岩体锆石U—Th—Pb同位素测年文献，掌握了3件超基性岩、52件基性岩、46件中性岩、90件酸性岩，共计191件样品，6979个(铀含量数据3552个，钍含量数据3427个)锆石定年数据。数据分析指示铀和钍在同一类型岩浆岩锆石中含量均相差悬殊，可在不同类型岩浆岩锆石中富集或亏损，不具有从超基性岩到基性岩到中性岩再到酸性岩总体增加的趋势。在所有样品锆石铀、钍平均值2倍以上的45件高富集样品中的34件呈现“局部长期”分布的特征，表现为：10件在451.0～422.1 Ma期间的以OIB型基性、中基性岩为主的样品约29 Ma时间集中产出在南秦岭大巴山地区，岩浆多来自由HIMU，EMII和EMI三个富集地幔端元组分混合而成的复杂地幔区；24件在495.9～413.6 Ma期间的以I型、S—I型酸性岩为主的样品约82 Ma时间集中产出于北秦岭商丹(商南—丹凤)地区，岩浆可来自地幔、壳幔混合和地壳源区。结合华南金属铀(0价)的发现等前人研究成果初步分析认为，加里东期大巴山和商丹地区可能分别存在地幔柱和大陆型热点，地核中大量铀、钍沿地幔柱和大陆型热点上升致使地幔和地壳局部熔体中铀、钍长期富集，其超高含量可能被熔体中锆石结晶部分记录，这一元素迁移过程可能是两区域产出高锆石铀、钍含量样品和商丹地区生成铀矿的主要原因。支持铀、钍可在地核和地幔柱富集的认识。

1954年，挪威地球化学家戈尔德施密特(Goldschmidt)根据化学元素在陨石各相和冶金过程产物的分布情况，结合他自己提出的地球模型，将元素区分为亲铁、亲铜、亲石、亲气和亲生物五类。铀和钍与氧的亲合力强，易熔于硅酸盐熔体中，主要分布在硅酸盐相的地幔和地壳中，被归为亲石性元素(戈尔德施密特，1959)。随后几十年，地球化学家们主要采用陨石类比法、地球模型和陨石类比法、地球物理类比法等方法计算出铀和钍在地球各圈层的丰度，得出铀、钍于地壳富集，于地幔、地核亏损的一致认识(沃依特克维奇，1958; 黎彤，1976; Taylor and McLennan, 1985; 赵振华，2016)，最新研究也估算出地核中铀、钍含量可以忽略不计(Faure et al., 2020)。Turekian和Wedepohl(1961)、维诺格拉多夫(Vinogradov，1962)分析了铀、钍在各类岩浆岩中的含量，指出铀、钍含量从超基性岩到基性岩到中性岩到酸性岩具有总体升高的趋势。岩浆岩中锆石铀、钍含量一般被认为也是随着岩石基性程度降低而明显地增高(郑懋公和朱杰辰，1984; 李耀菘等，1995; 鲍学昭和张阿利，1998; Belousova et al., 2002)。

尽管如此，极少数学者通过实验与理论分析认为铀、钍可在地核中大量富集并能成为地球演化的重要能源(Elsasser, 1950; Feber et al., 1984; Murrell and Burnett, 1986; Herndon, 1993, 2014; 鲍学昭，1999; 马学昌，2016)。另外，高铀、钍含量的中、基性岩也偶见报道，如：腾冲滇滩铁矿区白垩系辉绿岩脉铀含量高达363×10-6，闪长岩铀含量为104×10-6，钍含量为38×10-6❶，分别是基性岩铀丰度(1×10-6)、中性岩铀丰度(3×10-6)和钍丰度(13×10-6；Turekian and Wedepohl, 1961)的363倍、35倍和3倍，部分铀矿地质专家据此并结合典型铀矿床分析认为地幔中铀含量存在不均一性，在大陆型热点活动(地幔柱)区的岩石圈地幔可能含有较高的铀丰度，可直接提供铀源(李子颖等，1999，2010; 李子颖，2006，2009; 王正其和李子颖，2007，2016; 王正其等，2010; 刘成东等，2016)。鲍学昭和张阿利(1998)还推测岩石圈之下存在一个富含U、Th、K放射性生热元素的富集圈。不仅如此，我们甚至发现某些超镁铁岩体锆石中也可具有高铀、钍含量，如：云南弥渡金宝山260 Ma辉石橄榄岩样品(1309-3)13粒SHRIMP U—Th—Pb定年锆石铀含量范围146×10-6～4104×10-6，平均2176×10-6，钍含量范围151×10-6～14372×10-6，平均4312×10-6(陶琰等，2008)，锆石铀含量可排前人用中子活化法测得的全国81个岩体的第9位，钍含量居8个岩体的第1位，高于绝大多数酸性岩体(李耀菘等，1995)，也高于华南诸广山南体花岗岩用LA-ICP-MS U—Th—Pb或SHRIMP U—Th—Pb法测得的37件样品中的32件的铀含量(伍皓等，2020)。因此，地球内部是否贫铀、钍？岩浆岩全岩及其锆石中铀、钍含量是否具有从超基性岩到基性岩到中性岩再到酸性岩总体增长的趋势？有待进一步讨论。

相较于全岩中铀含量易受变质、风化等作用影响而发生变化，锆石铀含量则通常能较恒定反映原始岩浆的铀含量情况(李耀菘等，1995)。锆石中铪元素含量也被证明能指示结晶时熔体中的铪的丰度(Wang Di et al., 2018)，锆石中钍等其他微量素也具有相同的原理(Claiborne et al., 2010)。据此，为尝试利用锆石初步探索地球内部铀、钍的丰度，本文以各类岩浆岩发育较齐全且研究程度相对较高的秦岭造山带加里东期岩浆岩体为例，通过充分搜集该区岩体锆石U—Th—Pb同位素测年文献，开展系统的锆石年龄、铀、钍含量、锆石Lu—Hf同位素、全岩地球化学、Sr—Nd和Sm—Nd同位素等数据统计分析，以期探讨锆石中铀、钍含量与岩浆岩类型及其岩浆源区之间的关系，力图为地球内部铀、钍丰度研究提供新证据和新方法，并试图为地球动力学和地震成因研究带来新的启发。

1 区域地质背景

秦岭造山带是中国大陆的脊梁，东西向横亘中国大陆中央，在中国大陆形成与演化中占有突出重要位置(张国伟等，2019)。该造山带经历了原特提斯洋和古特提斯洋打开—闭合的演化过程，发育有两条重要的缝合带，即北部的商丹缝合带(商南—丹凤缝合带)和南部的勉略缝合带(勉县—略阳缝合带)，以商丹缝合带为界，秦岭造山带可以划分为北秦岭和南秦岭造山带(张国伟等，1995; Dong Yunpeng et al., 2011a, b；图1)。秦岭造山带经历了复杂的造山过程，有研究认为早古生代沿商丹带发育了一个成熟的古秦岭洋，南北两侧为被动大陆边缘，随后古秦岭洋向华北地块俯冲，北侧转化成活动大陆边缘(许志琴等，1986；Hsu et al., 1987；Zhang Guowei et al., 1989)。也有学者认为古秦岭洋向扬子地块俯冲，南侧转化为活动大陆边缘(Xue Feng et al., 1996)。而作为印支期板块缝合带的南秦岭勉略带(李春昱等，1982；张国伟等，2001)，其究竟是泥盆纪—三叠纪期间古特提斯洋分支有限洋盆(张国伟等，1995，2003；赖绍聪等，2003)；还是早古生代—泥盆纪的有限洋盆(殷鸿福和黄定华，1995)；亦或是一个新元古代形成，泥盆纪南北双向俯冲增生，在三叠纪末闭合的原始古大洋(王涛，2008；王宗起等，2009)，仍有争议。基于此，前人重建了多种秦岭造山带构造演化过程模型，如：张国伟等(2001)认为秦岭造山带由洋—陆板块俯冲造山( Pt3—S—C—P1)；陆—陆板块俯冲碰撞造山( D—C—P1—T2-3) 和陆内造山( J3—K) 的多期多样不同属性性质的复合造山，构成特征突出鲜明的秦岭式大陆复合造山模式；姜涌泉(1998)指出秦岭造山带应属“楔入造山”的陆内碰撞挤压造山带；杨志华等(2002)则提出秦岭造山带中存在3类沉积盆地，3种盆山转换，3个发展阶段及3种型式的“抽拉构造”造山模式。与秦岭造山带形成演化息息相关的物质记录，即多时期、多成因、多类型的岩浆岩在区内广泛发育。

图1 秦岭造山带加里东期岩浆岩样品分布图(据Dong Yunpeng et al., 2011a, b, 2018; Shi Wei et al., 2012, 2013修改)Fig.1 The distribution map of Caledonian igneous samples from the Qinling Orogen (modified after Dong Yunpeng et al., 2011a, b, 2018; Shi Wei et al., 2012, 2013)

2 数据搜集与处理

笔者查阅搜集了近20年来国内外学者发表的秦岭造山带加里东期(534.0～413.6 Ma)岩浆岩体锆石U—Th—Pb测年文献，共搜集到论文69篇，博、硕士论文16部，专著1本，掌握了区内3件超基性岩、52件基性岩、46件中性岩、90件酸性岩，共计191件样品，6979个(铀含量数据3552个，钍含量数据3427个)参与岩体定年的岩浆锆石铀、钍含量数据(表1，表2，表3)，191件样品大致分布如下：3件超基性岩样品零星分布于河南桐柏、湖北竹溪地区，主要岩性为云斜煌岩和碳酸岩(图1，表1)；52件基性岩样品主要分布于北秦岭和南秦岭大巴山地区，少量分布于陕西略阳和湖北随州地区，主要岩性为辉长岩、辉绿岩、玄武岩和粗玄岩等(图1，表1)； 46件中性岩样品同样主要分布于北秦岭和南秦岭大巴山地区，少量分布于湖北随州地区，主要岩性为石英闪长岩、二长闪长岩、辉长闪长岩、正长岩、安山岩等(图1，表2)；90件酸性岩样品集中分布于北秦岭地区，零星分布在湖北随州，主要岩性为花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、英安岩等(图1，表3)。我们将所有样品按类别自西向东，由北往南的顺序进行了编号，其中，25号基性岩样品，2号、28号中性岩样品，74～78号酸性岩样品，共8件样品缺少锆石钍含量数据。样品锆石均用LA—ICP—MS 、SHRIMP、SIMS或TIMS U—Th—Pb法测定，136件样品以全岩地化数据指示了样品产出构造环境或岩浆源区等信息，50件样品的锆石Lu—Hf同位素数据和66件样品的全岩Sr—Nd或Sm—Nd同位素数据示踪了各样品的岩浆源区。

锆石数据处理过程中有4件酸性岩样品不易识别出原作者U—Th—Pb定年所选锆石，包括：22号(KP006)、51号(09CL252-3)、57号(05Q)样品中的各1粒和41号(09CL229-3)样品中的5粒，所以上述样品锆石铀、钍平均值存在些许误差。另外，8件样品存在锆石εHf(t)与全岩εNd(t) 范围不一致的情况，包括23号(14FS09)、24(14FS21)号2件基性岩样品，10号(GS-14/1B)、11号(CGH-11/1B)、14号(BJ-06/1B)3件中性岩样品，4号(CCP-01/1B)、7号(CGH-07/1B)、30号(TYP)3件酸性岩样品。考虑到锆石Hf同位素在示踪岩浆源区组成时优于全岩Sr—Nd、Sm—Nd同位素(吴福元等，2007; 邱检生等，2008)，我们选取锆石εHf(t)来确定样品岩浆源区。

3 岩浆岩样品锆石中铀、钍含量特点

在同一研究区域，由不同学者测得的加里东期各类岩浆岩样品中锆石铀、钍含量具有以下特点：3件超基性岩锆石平均铀含量范围11×10-6～361×10-6，平均钍含量范围260×10-6～2785×10-6；52件基性岩锆石平均铀含量范围84×10-6～2173×10-6，51件基性岩锆石平均钍含量范围35×10-6～4725×10-6；46件中性岩锆石平均铀含量范围57×10-6～1672×10-6，44件中性岩锆石平均钍含量范围51×10-6～2951×10-6；90件酸性岩样品平均铀含量范围104×10-6～4849×10-6，85件酸性岩锆石平均钍含量范围36×10-6～1207×10-6(表1，表2，表3)。大巴山地区41～48号基性岩样品和北秦岭灰池子花岗岩体34～43号样品绝大多数显示出统一的高锆石钍或铀含量(平均在1000×10-6以上)，这一共性在反映出事物自身客观规律的同时，也体现出前人测试数据的可靠性。结合样品铀、钍含量对比图(图2)可以看出，铀和钍在同一类型岩浆岩锆石中含量均相差悬殊，可在不同类型岩浆岩锆石中富集或亏损。例如：酸性岩样品中最高铀含量的47号(GSG-49)是最低的19号(09CL268-3)的46.6倍(表3)，基性岩样品中最高钍含量的43号(11LGC-8)是17号(H-01)的135倍(表1)；前期被认为应具高锆石铀、钍含量的花岗岩样品中虽有46号(PD1080-8)、47号(GSG-49)、69号(ZPll-11)3件样品平均铀含量在4000×10-6以上，37号(FKll-25)、59号(08HN33)、63号(08HN32)、64号(08HN27)4件样品平均钍含量大于1000×10-6，但也有17件样品平均铀含量仅在104×10-6～199×10-6之间，19号(09CL268-3)、21号(LXPll-03)、32号、69号(ZPll-11)4件样品平均钍含量甚至低于50×10-6(表3)。同样的，被认为应具低锆石铀、钍含量的超基性岩、基性岩样品虽大多数铀、钍平均值在1000×10-6以下，但仍存在极高含量的样品，如：3号(13MY-6)超基性岩平均钍含量为2785×10-6，25号(YQG15-02)基性岩平均铀含量为2173×10-6，43号(11LGC-8)基性岩平均钍含量达4849×10-6(表1)。本团队在大巴山辉绿岩样品(LXG-8-16-2017-1B)测得9粒同期定年锆石平均铀含量高达5275×10-6，平均钍含量甚至达17114×10-6(注：样品在2个实验室进行了对比测定；待发表)。因此，本文数据分析指示锆石中铀、钍含量与岩浆岩类型之间的关系复杂，铀和钍在同一或不同类型岩浆岩锆石中含量均高低差异明显。并不具有前人认为的从超基性岩到基性岩到中性岩再到酸性岩总体增加的趋势。

4 高锆石铀、钍含量(高富集)样品特点

针对铀和钍在同一类型岩浆岩锆石中含量均相差悬殊，可在不同类型岩浆岩中富集或亏损的特点，本文选取具高锆石铀、钍含量的样品(高富集样品)进行岩石类型、构造环境和岩浆源区等系统分析。首先，笔者以191件样品锆石平均铀、钍含量2倍为参考值筛选出高富集样品，具体为3552个锆石数据平均铀含量841×10-6，2倍含量为1682×10-6，3427个锆石数据平均钍含量564×10-6，2倍含量为1128×10-6。依据锆石平均铀、钍含量分别高于1682×10-6和1128×10-6标准筛选出超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩高富集样品各1件、12件、6件、26件，共45件(图1，表1，表2，表3)，分别占各类样品总数的33.3%、23.1%、13%和28.9%。其中，10件集中分布于南秦岭大巴山地区，包括1件超基岩(表1中的3号)、6件基性岩(表1中的41～43、45、47、48号)、3件中性岩(表2中的35、38、43号)，样品多具有洋岛玄武岩(OIB)地化特征，岩浆多来自HIMU，EMII和EMI 3个富集地幔端元组分混合而成的复杂地幔区，样品时代为451.0～422.1 Ma。24件集中分布于北秦岭商南—丹凤地区，包括20件花岗岩(表3中的24～28、34、36～42、44～47、51、53、54号)，2件基性岩(表1中的25、26号)，2件中性岩样品(表2中的25、27号)。20件花岗岩中5件采自陈家庄铀矿区，8件采自灰池子岩体，4件采自光石沟铀矿区，3件采自漂池岩体(图1)，17件属I型、S—I型，岩浆来自地幔、壳幔混合源区，样品时代462.8～413.6 Ma；仅漂池岩体3件为S型，岩浆来自地壳源区，样品时代487.3 Ma、449.9 Ma、436.2 Ma；2件基性岩样品采自富水岩体，表1中的23、24号样品指示岩体具岛弧玄武岩(IAB)地化特征，岩浆来自壳幔混合源区，样品时代480 Ma、476 Ma；2件中性岩样品同样采自富水岩体，具岛弧玄武岩(IAB)地化特征，岩浆来自地壳源区，样品时代495.9 Ma、490 Ma。其余11件高富集样品有3件分布于陕西湾潭地区，包括1件基性岩(表1中30号)和2件酸性岩(表3中59、63号)，基性岩属岛弧玄武岩(IAB)，源区未知，样品时代475 Ma；酸性岩为I型、S—I型，岩浆源区为亏损地幔，样品时代为499.2 Ma、485.2 Ma。剩余8件样品零星分布于甘肃天水、清水、康县、陕西西峡—镇平、河南桐柏、湖北随州地区。

总体看来，45件高富集样品中的34件呈现出“局部长期”分布的特点，表现为：10件在451.0～422.1 Ma期间的以OIB型基性、中基性岩为主的样品，约29 Ma时间集中产出在南秦岭大巴山地区，岩浆多来自由HIMU，EMII和EMI三个富集地幔端元组分混合而成的复杂地幔区；24件在495.9～413.6 Ma期间的以I型、S—I型酸性岩为主的样品，约82 Ma时间集中产出于北秦岭商丹(商南—丹凤)地区，岩浆可来自地幔、壳幔混合和地壳源区。剩余的11件样品零星分布于甘肃天水、陕西湾潭、河南桐柏、湖北随州等地。

5 讨论

5.1 高富集样品局部长期分布原因探讨

鉴于现测锆石铀含量与早古生代锆石形成时初始铀含量差异不大(郑懋公和朱杰辰，1984)，Th232的半衰期为1.45×1010年(侯德封等，1974)，衰变对钍含量的影响可以忽略，所以本文锆石铀、钍含量基本能代表锆石结晶时的初始铀、钍含量。另在锆石铀钍含量与主岩铀钍含量成正相关的研究基础之上(郑懋公和朱杰辰，1984; 李耀菘等，1995; 雷玮琰等，2013)，初步认为锆石中铀钍含量的多少可在一定程度上反映其结晶时熔体中铀钍含量的高低。以此为依据，本文将分别分析南秦岭大巴山和北秦岭商南—丹凤地区长期产出高富集样品的原因。

5.1.1南秦岭大巴山长期产出高富集样品的
原因分析

南秦岭大巴山地区10件高富集样品多显示洋岛玄武岩(OIB)地化特征，源区主要来自HIMU，EMII和EMI三个富集地幔端元组分混合而成的复杂地幔区，样品时代451.0～422.1 Ma。锆石中高铀、钍含量指示其结晶时该地幔源区熔体中存在高丰度的铀、钍，那么，铀、钍从何处来，又是如何在地幔局部熔体长达29 Ma时间里富集的呢？关于南秦岭大巴山早古生代地幔性质的研究，徐学义等(2001)认为地幔柱的活动与岚皋早志留世煌斑岩浆的起源密切相关，并制约了其源区的地幔交代作用。地幔柱活动亦是南秦岭早古生代大陆裂谷—裂解的先兆。张成立等(2002)根据该区仅发育碱性岩浆活动的产物而明显缺失大陆拉斑玄武岩，同样认为该区存在短暂活动的地幔柱，因其活动时间短、热量有限未能沿陕西紫阳、岚皋、平利和湖北竹溪等地东西一线扩张打开形成新的洋盆，该区基性岩脉应来自于与地幔柱活动密切相关的富集地幔源区。后期，他则认为该区基性岩具HIMU，EMII和少量EMI端元组分混合的亏损软流圈上地幔Sr—Nd—Pb特征，是新元古代早期扬子北缘大洋地壳俯冲消减及其携带的陆源沉积物再循环进入亏损软流圈地幔的结果，南秦岭区地幔性质自新元古代中期至早古生代晚期的大约360 Ma时期内保持稳定一致(张成立等，2007)。多数学者也认为早志留世或之前北大巴山地区可能存在一期与俯冲相关的弧后拉张作用导致下部岩浆上涌侵位，最终完成该区岩浆作用(邹先武等，2011; 陈虹等，2014; 王坤明，2014; 许光等，2018a,b)。

锆石指示的地幔局部熔体可长期富集铀、钍的现象若以“自上而下”的大洋地壳和陆缘物质再循环观点来解释相当困难，一方面，铀、钍离子半径比Fe、Ni等基性离子大得多，因而在变质作用过程中易于随K、Na 等迁移离开母岩。即在大洋板块俯冲部位，铀、钍不易于大量随板块俯冲进入地幔，而是随变质热液或因俯冲碰撞引起的岩浆再上升进入大陆地壳，这也是大陆地壳铀、钍富集的一个重要过程(鲍学昭和张阿利，1998)，另一方面，即使它们随板块俯冲进入地幔源区，首先，因其地球化学特征表现强亲石性，长期与周围地幔储库相隔离而单独富集的可能性较小。其次，Grffithes(1986)通过模拟计算认为洋岛火山活动的原因可能来自深地幔柱，利用海洋俯冲玄武岩和沉积物中放射性元素浓度的增加不足以提供地幔柱热动力；Niu Yaoling(2009)也认为板块运动和地幔对流允许玄武岩的地幔源区中有循环古洋壳(ROC)和循环古陆壳(RCC)存在，但它们对洋岛玄武质岩浆作用的贡献微不足道。所以，地幔熔体中高丰度的铀、钍不大可能来自浅部大洋地壳和陆缘物质再循环。相反，在地核大量富集铀、钍的前提下，“自下而上”的地幔柱假说则能很好解释这一现象。地幔柱一般被认为起源于核幔边界(Morgan, 1972; 陈凌等，2020)，是连接地球深部与浅部的特殊通道。大巴山加里东期若存在地幔柱，地核中大量富集的铀、钍则可以长期沿着地幔柱由地核进入地幔，其超高含量则可能被地幔局部熔体中锆石结晶部分记录并保存，其余部分则存留在熔体、其他共存矿物和包裹体等等中。因而，相对来说，地幔熔体中高丰度的铀、钍最有可能自深部地核沿地幔柱而来。

特别需要指出的是：最近Li Ziying等(2015)在华南贵东330矿床和诸广山302矿床的沥青铀矿中首次发现了0价的金属铀，6件沥青铀矿样品中U0原子百分数为0.02%～1.57%。到目前为止，已知铀矿床的铀矿物中仅有四价和六价态铀存在，金属铀(0价)的发现表明铀来自地球的深处，铀可作为自然状态或更低的价态形成于地球内部的强还原环境(刘成东和梁良，2017)。鲍学昭(1999)也认为在极度还原和缺挥发份的下地幔和地核，铀、钍将以低价的化合物、氧化物或金属的形式存在，且极易沉入地核。另有资料显示：在超高压条件下，深度相当于2900 km的地带(核幔边界)，压力达到百万个大气压以上，此时原子的核外电子层完全被破坏，电子呈自由状态，为所有原子核公有，所有元素在超高压下，均呈超导电性的金属状态，即零价态(南京大学地质系，1979)。因此，金属铀(0价)的发现不仅初步证实了上述地核“金属化”物态认识，更表明地核中极可能存在铀元素，也存在钍元素，这就为地核富集铀、钍提供了可靠前提。综上，我们初步认为地核可能大量富集铀、钍，且南秦岭大巴山存在地幔柱是该区域长期产出高富集样品的根本原因。

5.1.2北秦岭商丹(商南—丹凤)长期产出高富集
样品的原因分析

北秦岭商南—丹凤地区24件高富集样品岩石类型、岩浆源区比较复杂，主要为I型、S—I型花岗岩，岩浆可来自地幔、壳幔混合和地壳源区，样品时代495.9～413.6 Ma。锆石年龄和铀、钍含量指示该区域至少长达82 Ma的时间里地幔和地壳熔体中铀、钍含量高于周缘。北秦岭商丹地区长期产出高富集样品的原因是否可能同大巴山一样同受地幔柱活动影响？

热点一般被认为是地幔柱到达地表的作用形式(Wilson, 1963, 1973; Morgan, 1972)，李子颖(2006)根据热点活动背景的不同将其分为大洋型和大陆型热点。大洋型热点活动产生于洋壳，主要表现为：上升的炽热地幔柱把上覆岩石圈抬升，使地壳呈现巨大穹窿构造；地幔柱冲破岩石圈作用于地表，并多以大规模的基性火山喷出作用为特点。典型热点活动的例子是在大洋环境中形成火山岛链(海山链)，如“热点行迹”的夏威夷岛链。大陆型热点活动作用于大陆，其特点是：由于较厚的陆壳硅铝层，当地幔柱在深部作用于壳幔时，一般产生熔融和混熔，并在热动力作用下出露地表，多产生构造伸展、多期次成分复杂的岩浆活动和火山作用、流体活动和热泉等，且岩浆活动多以酸性组分为主，典型例子为发育“交点型”热液铀矿床的华南贵东岩体东部(李子颖等，2010; 王正其等，2010)。北秦岭商南—丹凤地区岩浆岩体与贵东岩体相比，同样多以酸性组分为主，且先后发现了4个伟晶岩型铀矿床和数十个铀矿点以及数以千计的矿化异常点，铀矿年龄在423～382 Ma(刘德成，1991；王江波等，2020)，我们由此怀疑495.9～413.6 Ma期间北秦岭商南—丹凤地区可能存在与华南相似的大陆型热点，推测地核中大量富集的铀、钍可沿着地幔柱由地核进入地幔，并以热点为通道由地幔进入地壳，其超高含量则被地幔和地壳熔体中锆石结晶部分记录。因此，在地核大量富集铀、钍的状态下，发育大陆型热点可能是该区域长期产出多类型、多源区高富集样品并生成铀矿的主要原因。

5.2 样品锆石Th/U变化的原因探讨

通常随着岩浆基性程度增大，岩浆锆石的Th/U值增大(Belousova et al., 2002)，本区样品也存在这种现象，商丹地区高富集酸性岩样品主要是平均铀含量超标，Th/U低，大巴山高富集中基性岩样品主要是平均钍含量超标，Th/U高(图2)。首先，这不能简单的认为商丹热点熔体中只富集铀，大巴山地幔柱岩浆熔体中只富集钍，因商丹热点中性岩27号样品FS0808钍含量达2384×10-6，本团队在大巴山辉绿岩样品(LXG-8-16-2017-1B)9粒锆石中测得平均铀含量高达5275×10-6(待发表)，为全区最高，所以两地质体岩浆熔体中铀、钍均可富集。其次，岩浆锆石的Th/U值与铀钍在岩浆中的含量以及它们在锆石与岩浆之间的分配系数有关(Rowley et al., 1997; Mojzsis and Harrison, 2002)，一般情况下分配系数为0.2(吴元保和郑永飞，2004)，锆石Th/U则多取决于岩浆中铀钍含量，其随基性程度变化可能是由于地球中钍含量本底(0.24 g/t)较铀含量(0.045 g/t)高(黎彤，1976)，铀在流体中的活动性比钍强(Rollinson and Windley, 1980; Nozhkin and Turkina, 1995)，所以流体含量相对少的基性岩浆及其锆石中Th/U多大于1，而碱性岩浆和酸性岩浆富含H2O、F、CO2等流体，因F能活化、迁移熔体中的铀，CO2则是铀在转入溶液后进行搬运和沉淀的主要载体(余达淦，2001)，致使铀易从碱性岩浆流失，锆石Th/U异常高，如碳酸岩样品13MY-6(表1)，Th/U为4.9～22.0。而在酸性岩浆中铀易富集，锆石Th/U较低，如花岗伟晶岩样品GSG-49(表3)，Th/U为0.01～0.06。此外，独居石等矿物也会对Th/U造成影响，由于形成独居石会吸收大量钍，如果独居石形成早于锆石，则锆石具有低的钍含量和Th/U值，反之亦然(Harley et al., 2007)。

5.3 铀、钍在地球深部富集的指示意义探讨

5.3.1对地球动力学研究的启示

大约自1954年以来，铀、钍在地壳中富集在地幔、地核中亏损逐渐被视为地学常识，但国内外仍有极少数学者坚持认为它们可能在地核中大量富集并成为地球演化的重要能源，如：Elsasser(1950)提出地核中铀和钍的衰变能可引发外核热对流；Deffeys(1972)和Anderson(1975)认为在“D”层产生的放射性元素的衰变热是地幔柱启动的主要动力；Feber等(1984)实验研究表明UO2—Fe液相体系在高于3120 k的温度下具完全混溶性，从而推断地核中可能富集大量的铀，其丰度足以维持地球磁场；Murrell和Burnett(1986)实验研究指出在还原情况下，铀、钍将脱离亲石性和倾向于亲硫性，因此他们比钾更易于进入地核和成为行星核部的重要能源；美国跨学科科学家Herndon长期致力于地球与行星体系核能驱动演化研究，2006年，他在地核核裂变认识基础之上(Herndon, 1993)，提出“减压驱动(Whole-Earth decompression dynamics)” 地球动力学模式(Herndon, 2006, 2014)，并以此对超大陆的形成、冰川峡湾和海底峡谷的产生以及石油天然气成因进行了独特的分析(Herndon, 2016a, b, 2017)。国内，中科院地化所鲍学昭(1999)率先提出地球的外地核中存在大量的生热元素铀和钍的认识，认为它们是驱动地球内部物质运动、包括板块运动的主要动力。最近，马学昌(2016)认为前4.5 Ga以后，铀的核裂变反应停止，钚的核裂变继续在内地核上发生，经外地核和地幔外导，引发地壳的构造运动，地球内有充足的铀和钚可以驱动地壳运动。本文以秦岭造山带加里东岩浆岩体锆石铀、钍含量为示踪剂，结合金属铀的发现等前人研究成果，初步证实铀、钍可能在地核大量富集，并可沿地幔柱和大陆型热点在地幔和地壳中局部长期富集，这不仅为前人地核富铀、钍的认识新增了有利证据，更为地球演化由地核核能驱动的假说提供了重要“立足点”，使其成为地球与行星动力学研究中一种亟待进一步验证的可行思路。

5.3.2对地震成因研究的启示

人类探究地震的历史悠久，对地震的认识不断加深，但地震成因至今仍在争论当中(杜建国等，2018)，由Reid在1906年创立的“弹性回跳假说”一直被视为主流学说(Reid, 1910)。我们注意到：早在1968年，Rosue和Bisque在研究贝尼奥夫带的几何特征时发现了地表构造、贝尼奥夫带和地核之间的一种特殊关系。即地球上几乎所有的贝尼奥夫带都具有60°左右的倾角，200～300 km宽度的倾斜带。此带向下延伸与地核相切，向上延伸与地球表面交成一个大圆带。这大圆带同地震带、洋脊、岛弧和大型断层系有密切关系，他们认为地球的金属核(内核)表面的变化可能是地壳构造运动，包括火山喷发、地震等的根本原因(Rouse and Bisque, 1988)。该假说先见性地将地球内核表面与地震成因关联起来，Thomas (1987)通过地球深部构造分析和超高温高压实验支持上述认识。巧合的是，内地核表面被部分学者认为可能是地核中铀、钍或钚集中富集并发生核裂变之地(鲍学昭，1999; 马学昌，2016)。那地震的形成有无可能与地球内核表面放射性元素核反应生成能量的释放有着紧密的联系？

6 结论

为探索地球内部铀、钍丰度，本文基于锆石中铀钍含量的多少可在一定程度上反映其结晶时熔体中铀钍含量高低的初步认识，大胆尝试以秦岭造山带加里东期岩浆岩体为样本，开展对已发表岩浆岩体锆石U—Th—Pb同位素测年文献中大量锆石铀、钍含量、地化、同位素等数据的二次开发利用，通过系统的数据统计分析暂得出以下结论：

(1)铀和钍在同一类型岩浆岩锆石中含量均相差悬殊，可在不同类型岩浆岩中富集或亏损，不具有前人认为的从超基性岩到基性岩到中性岩再到酸性岩总体增加的趋势。

(2)高富集样品呈现在南秦岭大巴山地区和北秦岭商南—丹凤地区长期产出的特征，结合金属铀的发现等前人研究成果分析认为：加里东期两地区可能分别存在地幔柱和大陆型热点，地核中大量铀、钍沿大巴山地幔柱和商丹大陆型热点上升致使地幔和地壳局部熔体中铀、钍富集，其超高含量被锆石结晶部分记录，上述元素迁移过程可能是两区域产出高锆石铀、钍含量样品和商丹地区生成铀矿的主要原因，即“核源—地幔柱”成因。本文通过对秦岭造山带加里东期岩浆岩锆石中铀、钍含量特征分析，初步证实铀、钍可在地核和地幔柱富集的推论。

(3)以地核中可能富集铀、钍等放射性元素为依据，地核核能“自下而上”的驱动地球演化、引发地震等认识不是“天方夜谭”。加强岩浆岩锆石中铀、钍含量等微量、稀土元素数据的重复利用，可获得更多有意义的地质信息。

致谢：审稿专家提出的建设性意见提升了文章质量；成文过程中得益于前期众多参考文献作者辛勤工作所得的客观、真实、准确的数据，为本文开展探索性研究奠定了坚实的基础，在此一并表示衷心感谢！

注 释/Note

❶ 云南省地质矿产局. 1989. 中华人民共和国区域地质调查报告(1∶5万麻栗坝幅、固东街幅).