安徽金寨地区花岗岩类放射性地球化学特征及岩石圈热结构研究

豆保娜， 王安东， 万建军， 丁 宁

(1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；3.安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

地壳岩石中所含的放射性元素会不断地发生衰变，在衰变过程中产生的热是地球内热的主要来源之一(Morgan，1984；汪集旸等，2001)。U (238U、235U)、232Th、40K这三种放射性元素同时满足半衰期长、衰变热高以及具有足够丰度等特点，称其为放射性生热元素(Rybach，1976；赵平等，1995；吴耀等，2005)。研究地壳岩石放射性生热元素的赋存状态及其分布规律特征，对于限定大地热流的壳幔分配、解释地温场分布、寻找隐伏的增强型地热系统及研究岩石圈热结构等方面具有非常重要的意义(Kremenetsky et al.,1989；赵平等，1995；万建军等，2015；王安东等，2015)。笔者选择安徽省金寨地区采集的地表和钻孔花岗岩类样品，对其开展岩石放射性生热元素含量、岩石密度及热导率测试工作，并在系统收集本区花岗岩类放射性生热元素数据和已有的地球物理、地球化学及地热学等资料基础上，对安徽省金寨地区花岗岩类进行岩石生热率及放射性生热元素热贡献率计算，探究本区花岗岩类放射性地球化学及岩石圈热结构特征。

1 区域地质概况

安徽金寨地区位于北淮阳成矿带东段，其西南接湖北，西北与河南相连，先后发现了一批铁、铅、锌、钼、金、银、铜等多金属矿床以及部分非金属矿床(徐晓春等，2009；何俊等，2018；刘晓强等，2018；刘忠等，2018；方明等，2019；陆三明等，2019；吴皓然等，2019)。研究区出露的地层时代跨度较大，以新元古代卢镇关群火山沉积岩系和佛子岭群浅变质岩系、石炭系浅变质碎屑岩系以及中生代火山岩地层(侏罗系三尖铺组和凤凰台组、白垩系响洪甸组)为主，其次为第四系(图1)。研究区岩浆活动主要发生在燕山期，中酸性花岗岩较为发育，花岗岩类岩石类型多样，岩性主要为花岗岩、二长、钾长、正长花岗岩、花岗斑岩、花岗闪长岩、石英正长岩、石英闪长岩等(1)戴圣潜,2014.安徽省区域地质志报告[R].安徽省地质调查院.(刘忠等，2018)。

2 样品采集与分析测试方法

2.1 样品采集与资料收集

在安徽金寨县响洪甸镇附近共采集了12件地表出露的新鲜花岗岩类样品，岩性主要为二长花岗岩、正长花岗岩、花岗闪长岩以及石英闪长岩。在南溪镇西部的两个钻孔ZK52和ZK101分别采集了27件和10件花岗岩类样品。ZK52钻孔深度为1 403 m，岩性主要为花岗岩、正长花岗岩、花岗斑岩、石英正长岩。ZK101钻孔深度为1 230 m，岩性主要为花岗岩和二长花岗岩。所有采集样品均为新鲜样品，未见明显蚀变现象(图2)。另外，系统收集前人发表的本区57个地表及钻孔岩芯花岗岩类的U、Th、K含量数据(表1)，样品位置见图1(赵新福等，2007；王萍，2013；陈芳等，2016；何俊，2018；刘晓强，2018)。

研究区内采集到的地表花岗岩样品颜色呈浅肉红色、中粗粒结构、块状构造，主要矿物为石英、钾长石和斜长石，次要矿物为黑云母等(图2a，b)。地表石英正长岩样品颜色呈肉红色、中细粒-中粗粒结构、块状构造，主要矿物为碱性长石和斜长石，次要矿物为黑云母、石英等(图2c，d)。

2.2 分析测试方法

首先在室内对采集的岩石样品进行处理，再进行岩石热物性数据测试和放射性生热元素含量测试。其中密度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，采用电子天平浮称法结合蜡封法，误差范围在5%以内。放射性生热元素含量测试工作在安徽省地质实验研究所和安徽省核工业勘查技术总院完成，U元素采用激光荧光法，Th元素采用ICP-AES法，误差范围均在5%以内。K元素则采用火焰原子吸收法，误差范围在2%以内。热导率测试工作在东华理工大学核资源与环境重点实验室完成，所用的测试仪器为加拿大 C-Thermal公司生产的TCi导热系数分析仪，误差范围在10%以内。

3 测试结果与讨论

3.1 岩石放射性地球化学特征

地壳岩石中含有多种放射性元素，U、Th、K这三种元素相较于岩石中的其他放射性元素具有半衰期长、丰度较大以及衰变产生的热量较高等特点，对地球内热有明显的热贡献，因而被列为主要放射性生热元素(Rybach，1976；赵平等，1995；吴耀等，2005)。

金寨地区花岗岩类岩石进行生热率计算采取Rybach等(1978)提出的岩石放射性生热率计算公式：

A=10-5ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

(1)

式中，A为岩石放射性生热率(μW/m3)，ρ为岩石密度(kg/m3)，CU、CTh分别为岩石中放射性元素U、Th的含量(10-6)，CK为岩石中K的质量分数(%)。

采集到的花岗岩类样品按照其实测的密度及U、Th、K含量进行计算；文献中花岗岩类放射性生热率采用安徽省不同类型花岗岩类平均密度及其U、Th、K含量进行计算。金寨地区花岗岩类岩石U、Th、K含量、生热率及放射性生热元素热贡献率分析测试结果见表1。

测试结果表明，金寨地区整体上花岗岩类U含量为1.94×10-6～43.60×10-6，平均值为10.84×10-6，Th含量为4.41×10-6～130.00×10-6，平均值为35.07×10-6，K2O含量为2.56%～6.97%，平均值为4.82%。不同类型花岗岩U、Th、K含量也表现出差异性，对金寨地区不同类型花岗岩放射性生热元素含量进行统计分析，结果见表2。数据显示：放射性生热元素U、Th、K含量大致随着岩石酸性程度增加而递增，相应地，岩石放射性生热率也随着岩石酸性程度增加而递增；另外，不同类型花岗岩U、Th、K含量表现出差异性可能与岩石本身所含矿物的结晶程度、岩浆活动及其分异程度有关(万建军等，2015)。

岩石放射性生热率计算结果显示：响洪甸镇附近地表采集的花岗岩样品及孙冲岩体花岗岩类放射性生热率平均值分别为2.59和2.71 μW/m3，与世界范围内花岗岩放射性生热率的平均值2.50 μW/m3较为接近(McLaren et al.,2003)；钻孔ZK52、沙坪沟地区及金寨岩体花岗岩类岩石具有较高的U、Th含量，放射性生热率的平均值分别为7.28、6.90和5.52 μW/m3，均值均超过5 μW/m3，属于高产热花岗岩(Kamonporn，2010)；钻孔ZK101及古碑岩体花岗岩则表现出较低的生热率。不同岩体放射性生热率相差较大，可能是因为多阶段的岩浆活动，促使着金寨地区成矿元素富集，为生热元素向地表迁移形成有利条件；也可能是金寨地区花岗岩类放射性生热元素存在不均一性。总体上金寨地区花岗岩类生热率介于1.50～15.89 μW/m3，平均值为5.36 μW/m3。

表1 金寨地区花岗岩类岩石密度、热导率、放射性生热元素含量、生热率及放射性生热元素热贡献数据

采样位置岩性U/10-6Th/10-6K2O/%密度/(kg·m-3)热导率/(W·m-1·K-1)生热率/(μW·m-3)AU/AKATh/AK数据来源孙冲岩体石英正长岩8.48 15.53 5.10 2 620.00 3.54 5.48 2.70 石英正长岩5.48 15.14 5.00 2 620.00 2.76 3.61 2.68 石英正长岩5.31 15.12 5.02 2 620.00 2.72 3.49 2.67 石英正长岩3.66 12.48 4.68 2 620.00 2.10 2.58 2.36 石英正长岩4.75 14.37 6.97 2 620.00 2.68 2.25 1.83 石英正长岩4.09 14.62 5.97 2 620.00 2.45 2.26 2.17 刘晓强,2018古碑岩体花岗闪长岩2.0012.603.712 620.001.621.783.01花岗闪长岩2.4512.403.482 620.001.712.323.16花岗闪长岩2.6211.803.042 620.001.672.843.44花岗闪长岩2.3914.303.252 620.001.802.423.90花岗闪长岩3.3616.303.582 620.002.203.094.04花岗闪长岩2.7814.903.182 620.001.932.884.15花岗闪长岩2.4914.703.122 620.001.842.634.18花岗闪长岩4.3517.903.242 620.002.534.434.90赵新福等,2007金寨岩体钾长花岗岩5.80 42.92 3.96 2 620.00 4.62 4.83 9.61 钾长花岗岩5.57 44.46 4.51 2 620.00 4.71 4.07 8.74 钾长花岗岩6.38 45.68 4.18 2 620.00 4.97 5.03 9.69 钾长花岗岩6.42 47.65 3.82 2 620.00 5.09 5.54 11.06钾长花岗岩13.44 67.00 4.45 2 620.00 8.18 9.96 13.35 陈芳等,2016样品均值10.8435.074.822 608.303.1425.367.146.24

放射性生热元素的热贡献率是放射性生热率特征的重要体现。计算结果显示：岩石放射性生热率主要来自U和Th的放射性衰变热，K的热贡献率相对较低，一般不超过10%(万建军等，2015；杨立中等，2016；林乐夫等，2017)。为进一步表征U和Th的相对贡献率，对金寨地区不同岩体分别作U与Th相对K的贡献率关系图(图3)，结果显示(表1，图3)：钻孔ZK52、ZK101、沙坪沟地区以及孙冲岩体花岗岩类整体上AU/AK>ATh/AK，地表实测、古碑岩体、金寨岩体花岗岩类整体上AU/AK

3.2 岩石热导率特征

岩石热导率对干热岩热量保存具有较大的影响，盖层热导率较低更有利于热量保存(王安东等，2015；Rybach et al.,1978；Nyblade et al.,1993)。对采集的49件花岗岩类样品进行热导率测量，测试结果见表1，并按照不同类型花岗岩对其热导率进行分类统计，统计结果见表3。测试分析结果显示：金寨地区不同类型花岗岩除石英闪长岩热导率偏低以外，其他类型花岗岩热导率相差不大。热导率出现差异的原因可能与岩石的矿物成分、结构特征、孔隙度以及温压条件有关。金寨地区整体上花岗岩类热导率平均值为3.142 W/(m·K)，与全球其他地区花岗岩类热导率数据范围相一致，能够更好地保证地下热能的储存(文成等，2021；谭双等，2021)。

表2 金寨地区不同类型花岗岩U、Th、K2O平均含量以及平均生热率

表3 金寨地区不同类型花岗岩平均热导率(实测)

3.3 金寨地区岩石圈热结构特征

岩石圈热结构是一个地区各种地热参数的综合体现，对了解该地区的岩石圈演化、地表热流组成和地热开发具有重要的意义(Pollack et al.,1977)。通过对金寨地区花岗岩类放射性地球化学特征和热导率的研究，并结合前人在地球物理、地球化学和地热学等方面的研究成果，进一步研究金寨地区岩石圈热结构特征。

根据地球物理资料显示，大别山北部向南至金寨地区地壳厚度逐渐增加，金寨地区地壳厚度为37 km左右，居里面埋深自西向东从大别山地区到长江中下游地区逐渐变小，居里面逐渐抬升，深部幔源热的贡献从西到东越来越大，居里面埋深为27～28 km(图4)，推测放射性集中层厚度为9～11 km(邵世德等，1992；洪德全等，2013；张毅等，2013；陈睿等，2016；肖伟鹏等，2017；郁建芳等，2019；张永谦等，2019)。大陆地区的地表热流(Q)主要由地壳热流(Qc)和地幔热流(Qm)组成，即Q=Qc+Qm(Morgan,1984)。地壳热流(Qc)主要与地壳岩石内所含的放射性生热元素U、Th、K的含量有关；而地幔热流(Qm)来源于幔源岩浆底侵作用。

金寨地区花岗岩类平均生热率5.36 μW/m3，放射性生热集中层主要位于中上地壳，放射性集中层厚度(H)为9～11 km，地壳热流为岩石生热率与放射性集中层厚度的乘积，即

Qc=A·H

(2)

式中，Qc为地壳热流(mW/m2)，H为放射性集中层厚度(km)。

由此可以推算出金寨地区Qc为48.24～58.96 mW/m2。安徽省地温梯度总体表现为西高东低、北高南低(刘海等，2020)，采取秦岭-大别地层平均地温梯度31.9 ℃/km作为金寨地区的平均地温梯度(2)聂栋刚,张克松,张凯,等, 2019.安徽省大地热流基础数据测量报告[R].安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院.，本次测得的金寨地区花岗岩类岩石热导率平均值为3.142 W/(m·K)，大地热流值为岩石热导率与垂直地温梯度的乘积，即

Q=-k·G

(3)

式中，Q为地表热流(mW/m2)，k为岩石热导率(W·m-1·K-1)，G为地温梯度(℃/km)，“-”表示大地热流方向与地温梯度方向相反。

由此可初步计算出金寨地区大地热流值为100.23 mW/m2。因此，Qm为41.27～51.99 mW/m2，略低于Qc，即Qc/Qm>1，对地表热流的贡献率为 41.2 %～48.1 %。因此，推测安徽金寨地区可能为“热壳冷幔”型岩石圈热结构，其地热能大部分贡献来源于地壳岩石中花岗岩类放射性生热元素衰变所产生的热量，地幔热流贡献则相对较小。

4 结论

通过对安徽金寨地区花岗岩类进行放射性地球化学特征、热导率以及岩石圈热结构等进行研究后，得出以下结论：

(1)金寨地区花岗岩类岩石U、Th、K2O平均含量分别为10.84×10-6、35.07×10-6和4.82 %。不同类型花岗岩U、Th、K含量大致随着岩石酸性程度增加而递增，可能与岩石本身所含矿物的结晶程度、岩浆活动及其分异程度有关。

(2)金寨地区花岗岩类岩石放射性生热率范围为1.50～15.89 μW/m3，平均值为5.36 μW/m3，均值超过5 μW/m3，属于高产热花岗岩。

(3)金寨地区实测样品热导率范围为1.928～4.309 W/(m·K)，平均值为3.142 W/(m·K)，除石英闪长岩热导率偏低以外，其他大部分花岗岩类热导率值相差不大。与世界范围内花岗岩类热导率平均值相近，可代表该地区地壳岩石的热导率值。

(4)金寨地区的地壳热流值在地表热流值贡献中高于地幔热流值，Qc/Qm>1，推测其属于“热壳冷幔”型岩石圈热结构。