青海共和盆地東北部干熱巖巖漿侵位結(jié)晶條件及深部結(jié)構(gòu)初探*

贠曉瑞 陳希節(jié) 蔡志慧 何碧竹, 3 張盛生 雷敏 向華

1. 自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458 4. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037 5. 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，西寧 810008

干熱巖(Hot Dry Rock, HDR)一般是指溫度大于150℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不含流體或僅有少量流體的高溫巖體(Mortensen, 1978; Laughlinetal., 1983; Genter and Traineau, 1992; Barbier, 2002; Brownetal., 2012; 薛建球等, 2013; 王貴玲等, 2017, 2020; 張森琦等, 2018)。巖性以變質(zhì)巖和火成巖為主，通常為黑云母片麻巖、花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖等(Genter and Traineau, 1996; Cocherieetal., 2004; 藺文靜等, 2012; 汪集旸等, 2012; 甘浩男等, 2015; 嚴(yán)維德, 2015; Duringeretal., 2019)。干熱巖地?zé)岵赝ǔ＞邆涓弋惓嵩醇暗蜔釋?dǎo)率(<2W/mK)的保熱增溫蓋層，主要產(chǎn)區(qū)包括匯聚板塊邊界(俯沖或碰撞)和離散邊界(洋中脊或陸內(nèi)裂谷)(Barbier, 2002; Fengetal., 2018)。作為可再生、全球新型清潔能源重要組成部分的干熱巖地?zé)崮?，在我?guó)正處于勘查開采試驗(yàn)初始階段，相關(guān)基礎(chǔ)地質(zhì)研究尤為重要，其物質(zhì)構(gòu)成、空間分布及其經(jīng)歷的構(gòu)造-熱事件是地?zé)岵卮_定及開發(fā)的關(guān)鍵。

青海共和盆地位于青藏高原東北緣秦嶺-祁連-昆侖造山帶結(jié)合處，是原特提斯與古特提斯體系疊置區(qū)域(張宏飛等, 2006; 張雪亭, 2006; 郭安林等, 2007, 2009; 孫知新等, 2011; 閆臻等, 2012; 李瑞保等, 2016; 楊瀚文等, 2018)。記錄了復(fù)雜的構(gòu)造、巖漿及變質(zhì)作用事件，是研究青藏高原東北緣秦嶺-祁連-昆侖結(jié)合帶盆-山耦合和構(gòu)造演化的理想窗口。同時(shí)，青海共和盆地?zé)崃髦递^高，熱異常明顯，平均地溫梯度達(dá)6.7～6.8℃/100m，盆內(nèi)溫泉廣泛出露，地?zé)崮苜Y源豐富。近年來(lái)在共和盆地恰卜恰地區(qū)已鉆探了10余口地?zé)嵘罹案蔁釒r井，2017年8月在共和盆地GR1井3705m井底深度鉆獲236℃的高溫干熱巖體，是我國(guó)首次鉆獲埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)干熱巖勘查的重大突破，顯示了青海共和盆地干熱巖地?zé)豳Y源的潛力(嚴(yán)維德, 2015; 張森琦等, 2018; Fengetal., 2018; 張盛生等, 2019)。但在青海共和盆地干熱巖的勘查中，仍存在熱源機(jī)制、所經(jīng)歷熱歷史的過(guò)程及干熱巖地?zé)岵氐目臻g分布不清關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

前人已對(duì)共和盆地周緣廣泛發(fā)育的印支期花崗巖開展了大量研究工作(張宏飛等, 2006; 張雪亭, 2006; 郭安林等, 2007, 2009; 閆臻等, 2012; 解小龍等, 2015; 李瑞保等, 2016; 楊瀚文等, 2018)，但鮮有針對(duì)井下深部鉆井巖芯的直接分析，有關(guān)深部巖漿侵位結(jié)晶的溫度、壓力和時(shí)間仍不清楚，制約了對(duì)干熱巖體的成巖環(huán)境和物理化學(xué)性質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)，直接影響了干熱巖地?zé)嵫芯颗c勘查開采效應(yīng)。不同鉆井井下巖芯樣品巖石學(xué)分析、鋯石U-Pb定年可以揭示巖漿侵位期次及空間分布的差異性。鋯石中的Ti含量可以作為Ti溫度計(jì)用來(lái)估算巖漿結(jié)晶溫度(Watson and Harrison, 2005; Watsonetal., 2006; Ferry and Watson, 2007; 吳福元等, 2007; 王清海等, 2008; 高曉英和鄭永飛, 2011; 雷瑋琰等, 2013; 趙志丹等, 2018)。在鈣堿性巖漿中，一定條件下角閃石中的Al含量與壓力和溫度具有良好的相關(guān)關(guān)系，因此角閃石成為估算巖體侵位時(shí)溫壓條件的最常用礦物之一(Blundy and Holland, 1990)。根據(jù)鋯石Ti溫度計(jì)和角閃石-斜長(zhǎng)石溫度壓力計(jì)研究巖漿結(jié)晶溫度、壓力可以了解其形成環(huán)境(王清海等, 2008; 陸麗娜等, 2011; 鄒慧娟等, 2011; 李林林等, 2012; 吳飛等, 2014; 豆敬兆等, 2015; 劉小麗等, 2015; 王立社等, 2015; 程金華等, 2017; Maetal., 2018, 2020)。共和盆地東北部干熱巖的巖漿結(jié)晶溫度為其熱演化歷史中的初始溫度，在后期構(gòu)造-熱歷史恢復(fù)過(guò)程中十分重要。

本文以共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)3口重點(diǎn)干熱巖鉆井巖芯及緊鄰的出露巖體為研究對(duì)象，開展系統(tǒng)的巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)、鋯石Ti溫度計(jì)和角閃石-斜長(zhǎng)石溫壓計(jì)研究，分析其巖體的時(shí)空分布和巖石學(xué)特征，厘定巖漿初始結(jié)晶的時(shí)限、溫壓條件及時(shí)空差異性，探討巖體剝蝕深度，為重建該區(qū)干熱巖的構(gòu)造-熱演化史和地?zé)岵氐目辈殚_發(fā)，提供深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造剖面，并為揭示秦嶺-祁連-昆侖結(jié)合部復(fù)雜的構(gòu)造作用過(guò)程提供證據(jù)。

1 地質(zhì)背景

共和盆地位于秦嶺、祁連、昆侖造山帶結(jié)合處(石寶頤和張峻太, 1982; 姜春發(fā)等, 2000;張國(guó)偉等, 2004)，為中-新生代山間盆地；盆地總體走向呈NWW-SEE向，平面上表現(xiàn)為東寬西窄的菱形，長(zhǎng)約210km，最寬處約90km，海拔2600～3200m(施煒等, 2006)。北以宗務(wù)隆山-青海南山斷裂為界，西為鄂拉山-溫泉斷裂帶，南為阿尼瑪卿縫合帶，東為多禾茂斷裂帶。共和盆地內(nèi)有“三坳一隆”，包括塘格木坳陷、貴南坳陷、貴德坳陷及黃河隆起(王昌桂和呂友生, 2004; 薛建球等, 2013)；也有學(xué)者將盆地東部的瓦里貢斷裂帶和多禾茂斷裂帶所圍限的貴德坳陷稱為貴德盆地(張森琦等, 2018)。本文研究區(qū)主要位于盆地東北部恰卜恰地區(qū)(圖1)。

共和盆地周緣西秦嶺、南祁連及東昆侖造山帶經(jīng)歷了新元古代、古生代、早中生代和晚中生代四期顯著的巖漿作用(Panetal., 2012; Daietal., 2013; Dingetal., 2014; Dongetal., 2016; Renetal., 2016)。其中以印支期花崗巖分布范圍最廣、出露面積最大。共和盆地兩側(cè)印支期花崗巖主要包括黑馬河巖體、江西溝巖體、當(dāng)家寺巖體、大河壩巖體、溫泉巖體、同仁巖體、澤庫(kù)巖體等。巖石地球化學(xué)及同位素年代學(xué)研究揭示了印支期巖漿活動(dòng)主要集中在早-中三疊世和晚三疊世(張宏飛等, 2006; 莫宣學(xué)等, 2007; 拜永山等, 2007(1)拜永山, 王秉璋, 王永文, 王進(jìn)壽, 丁西岐, 王培儉, 曹生秀. 2007. 1:25萬(wàn)西寧幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告. 西寧: 青海省國(guó)土資源廳資料館, 1-1282; 張成立等, 2008; Dongetal., 2011, 2016; 馬昌前等, 2015; Renetal., 2016; 張永明等, 2017a, b, 2019)，且在空間上呈現(xiàn)出由NW向SE逐漸年輕化的趨勢(shì)(解小龍等, 2015)。早-中三疊世巖漿巖形成于古特提斯洋的大陸邊緣弧環(huán)境(張宏飛等, 2006; 張永明等, 2017a, b, 2019)；晚三疊世逐漸進(jìn)入后碰撞階段(拜永山等, 2007; 解小龍等, 2015)，巖漿是阿尼瑪卿洋向北俯沖碰撞的結(jié)果(Guoetal., 2012)，或宗務(wù)隆洋向南俯沖的產(chǎn)物(郭安林等, 2009; 張永明等, 2017a, b, 2019)，為俯沖環(huán)境或俯沖板塊斷離(張宏飛等, 2006; 張永明等, 2019)或后碰撞階段地殼加厚或巖石圈拆沉過(guò)程中產(chǎn)生(石玉蓮等, 2018)。

共和盆地東北部巖漿巖出露主要包括：古元古代金水口巖群(Pt1J)(片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、混合巖和大理巖)；泥盆紀(jì)賽日欽灰白色中細(xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖(Dγδ)；三疊紀(jì)侵入巖以東部龍羊峽北側(cè)的當(dāng)家寺巖體和北部的溝后巖體為代表。當(dāng)家寺巖體為高鉀鈣堿性或堿性系列花崗巖，主要由正長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖組成，巖體內(nèi)可見(jiàn)閃長(zhǎng)巖脈、細(xì)晶花崗巖脈、石英脈、方解石脈等多類型脈體；正長(zhǎng)花崗巖結(jié)晶年齡為243.5±2.9Ma(石玉蓮等, 2018)；花崗閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖的結(jié)晶年齡分別為240.1±2.1Ma和241.0±2.6Ma(張永明等, 2017a)；巖石成因研究表明其形成于下地殼基性巖為主的源巖部分熔融，同時(shí)存在一定程度幔源巖漿貢獻(xiàn)。溝后巖漿雜巖體主要由輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖組成，其結(jié)晶年齡分別為248.8±2.6Ma、243.2±2.1Ma、243.1±0.9Ma、244.0±2.1Ma和249±3Ma(暗色微粒包體)；巖相學(xué)和巖石地球化學(xué)特征表明溝后巖體具殼幔巖漿混合特征，可能形成早三疊世晚期-中三疊世早期宗務(wù)隆洋向南消減作用相關(guān)的構(gòu)造巖漿事件(張永明等, 2017b)。

共和盆地東北部地層發(fā)育主要包括：晚石炭-中二疊世中吾農(nóng)山群果可山組(CPgk)(灰白色厚層狀結(jié)晶灰?guī)r夾砂巖、板巖)(拜永山等, 2007; 郭現(xiàn)輕等, 2016)；早中三疊世隆務(wù)河組砂板巖(T1-2l)，主要巖性包括灰黑色泥質(zhì)板巖夾淺灰色砂質(zhì)板巖薄互層，偶見(jiàn)灰色砂巖夾礫巖層段、完整的鮑馬序列，地層中可見(jiàn)多層軟沉積變形構(gòu)造層，為弧前深水沉積(劉炳強(qiáng)等, 2020)；新生代地層以第四系和新近系臨夏組(N2l)為主，古近系西寧組(ENx)零星出露(圖1c)，新生代地層不整合在早中三疊世隆務(wù)河組及三疊紀(jì)侵入巖之上。

圖1 共和盆地大地構(gòu)造位置(a、b)及盆地東北部地質(zhì)圖(c, 據(jù)拜永山等, 2007; 石玉蓮等, 2018; 張森琦等, 2018修改)Fig.1 Geotectonic location of the Gonghe basin (a, b) and geological map of the northeastern basin (c, modified after Bai et al., 2007; Shi et al., 2018; Zhang et al., 2018)

2 干熱巖層段地層發(fā)育特征

共和恰卜恰地區(qū)已完鉆的GR1、GR2和DR3三口鉆井中，GR1、GR2井是定深取芯，DR3井是連續(xù)取芯，其深度分別在3705m、2989m、3003m，井底溫度分別為236.00℃、186.00℃、181.17℃(嚴(yán)維德, 2015; 張盛生等, 2019; 張森琦等, 2018)；沉積巖底分別為1335m、979m、1340m，新近紀(jì)地層超覆不整合在花崗巖之上。

我們?cè)谑占@井資料基礎(chǔ)上，詳細(xì)觀察描述了GR1、GR2和DR3三口井的巖芯，構(gòu)建了巖性柱狀圖(圖2)。GR1與GR2鉆井揭示干熱巖巖性有相似性，主要由灰黑色花崗閃長(zhǎng)巖、灰白色英云閃長(zhǎng)巖、淺灰色奧長(zhǎng)花崗巖、灰白色二長(zhǎng)花崗巖及肉紅色正長(zhǎng)花崗巖組成；含有肉紅色細(xì)晶-微晶正長(zhǎng)花崗巖脈、石英脈及方解石脈；其中奧長(zhǎng)花崗巖、英云閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖構(gòu)成俯沖巖漿帶巖石組合(陳希節(jié)等, 2020)，另有蝕變的花崗閃長(zhǎng)巖分段出現(xiàn)。DR3井垂向巖性變化快，主要由灰黑色花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖，灰白色、灰粉色二長(zhǎng)花崗巖、花崗巖，肉紅色、褐紅色的正長(zhǎng)花崗巖組成；夾有灰黑色閃長(zhǎng)質(zhì)巖墻、細(xì)晶閃長(zhǎng)巖脈及石英脈、方解石脈。

圖2 共和盆地東北部干熱巖井巖性柱狀簡(jiǎn)圖和取樣深度Fig.2 Simplified lithologic columns and sampling depths of HDR drilling cores at the Qiabuqia area in the northeastern Gonghe basin

3 典型樣品描述

本文樣品采自共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)三口地?zé)徙@井(GR1、GR2和DR3)和盆地北部的溝后巖體(圖1、圖2、圖3)。鉆井均鉆遇基底三疊紀(jì)侵入巖及上覆新生代沉積地層。

圖3 共和盆地東北部溝后巖體及碳酸巖脈野外露頭照片F(xiàn)ig.3 Field outcrop photos of Gouhou outcrop and carbonatite vein in the northeastern Gonghe basin

鉆井巖芯樣品HGR1-11-1為正長(zhǎng)花崗巖，深度1750m，巖石具花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物組成以鉀長(zhǎng)石為主，石英次之，少量黑云母和斜長(zhǎng)石，其中鉀長(zhǎng)石含量約60%，含有礦化脈，大多為石英-電氣石-黃銅礦，應(yīng)為后期熱液成因(圖4a)。

圖4 共和盆地東北部干熱巖鉆井巖芯及溝后巖體樣品顯微照片Bt-黑云母；Cc-方解石；Chl-綠泥石；Hb-角閃石；Ttn-榍石；Tur-電氣石；Pl-斜長(zhǎng)石；Kfs-鉀長(zhǎng)石；Qtz-石英Fig.4 Representative photomicrographs of samples from HDR drilling cores and Gouhou outcrop in the northeastern Gonghe basinBt-biotite; Cc-calcite; Chl-chloritoid; Hb-hornblende; Ttn-titanite; Tur-tourmaline; Pl- plagioclase; Kfs-K-feldspar; Qtz-quartz

樣品HGR1-17為奧長(zhǎng)花崗巖，深度2753m，主要由斜長(zhǎng)石和石英組成，其中斜長(zhǎng)石發(fā)育強(qiáng)烈的絹云母化和泥化，伴有綠簾石化，該斜長(zhǎng)石主要為奧長(zhǎng)石(陳希節(jié)等, 2020)。鉀長(zhǎng)石含量很少，分布于斜長(zhǎng)石間隙中。石英受變形作用而發(fā)生細(xì)粒化，波狀消光，縫合線狀接觸。暗色礦物很少，主要為黑云母，多被綠泥石完全交代，但仍保留黑云母形態(tài)(圖4b)。

樣品GR1-6和GR2-1為英云閃長(zhǎng)巖，其中GR1-6深度2451m，GR2-1深度2952m，不等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物組成：石英呈他形粒狀，填隙狀分布，粒度一般0.25～2.0mm，集合體似堆狀分布，粒內(nèi)可見(jiàn)波狀、帶狀消光，邊界不規(guī)則；斜長(zhǎng)石為自形-半自形板狀，可見(jiàn)聚片雙晶，粒度2～5mm，含量約60%，部分斜長(zhǎng)石顯示綠簾石化蝕變；綠簾石呈粒狀，粒度1mm左右；暗色礦物均已綠泥石化，個(gè)別顆粒顯示出片狀的特點(diǎn)，含量約8%；副礦物(1%)包括鋯石、磷灰石、鐵鈦氧化物(鈦鐵礦和鈦磁鐵礦)等。

樣品HGR2-7為黑云二長(zhǎng)花崗巖，深度1191m，塊狀構(gòu)造。礦物組成以斜長(zhǎng)石、石英和鉀長(zhǎng)石為主，斜長(zhǎng)石稍多于鉀長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石約40%，鉀長(zhǎng)石約25%，屬于二長(zhǎng)花崗巖范圍內(nèi)。暗色礦物約5%，以黑云母為主，局部可見(jiàn)黑云母交代角閃石呈骸晶結(jié)構(gòu)(圖4c)。

樣品HDR3-41為黑云二長(zhǎng)花崗巖，深度2617m，不等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物組成以石英、斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石為主，斜長(zhǎng)石約35%，發(fā)育明顯聚片雙晶，斜長(zhǎng)石多發(fā)生絹云母化；鉀長(zhǎng)石約40%，部分發(fā)育條紋結(jié)構(gòu)和格子雙晶。暗色礦物多為黑云母，多發(fā)生綠泥石化(圖4d)。樣品HDR3-31為二長(zhǎng)花崗巖，深度2632m，塊狀構(gòu)造。礦物組成以斜長(zhǎng)石、石英和鉀長(zhǎng)石為主，少量綠泥石，榍石偶見(jiàn)，斜長(zhǎng)石稍多于鉀長(zhǎng)石(圖4e)。

地表露頭樣品HGH3-0、HGH3-1、HGH3-2-1-2采集自恰卜恰地區(qū)北部溝后水庫(kù)溝后巖體。HGH3-0為灰黑色黑云閃長(zhǎng)巖，巖石主要由斜長(zhǎng)石組成，斜長(zhǎng)石多為中長(zhǎng)石，暗色礦物以黑云母和角閃石為主，可見(jiàn)少量的石英(圖4f)；HGH3-1和HGH3-2-1-2為含閃長(zhǎng)巖角礫的碳酸巖脈，主要以方解石為主，含少量榍石。

4 分析方法

4.1 礦物化學(xué)成分與溫壓計(jì)分析方法

角閃石的化學(xué)成分由南京大學(xué)成礦作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室JX A8800M型電子探針儀測(cè)定。測(cè)試條件為：加速電壓20kV，電流20nA，修正法ZAF。對(duì)于鈣堿性花崗巖(全巖成分上常為偏鋁質(zhì)的)而言，角閃石中Al的含量常常隨著侵位深度的增加而升高(Wones, 1981)。Hollisteretal. (1987)指出：隨著壓力的增加，平衡向右移動(dòng)，導(dǎo)致角閃石的成分發(fā)生相應(yīng)變化，即Si+R2+=AlⅣ+AlⅥ(R代表金屬陽(yáng)離子)(Hollisteretal., 1987)：

對(duì)于低鋁角閃石(Al2O3<8%)，則可采用Blundy and Holland (1990)提出的角閃石-斜長(zhǎng)石溫度計(jì)方法，其中對(duì)于角閃石分子式的計(jì)算采用的23個(gè)氧原子法，簡(jiǎn)稱H&B方法。同時(shí)角閃石全鋁壓力計(jì)應(yīng)用條件：(1)必須有石英、鉀長(zhǎng)石、角閃石、黑云母、磷灰石、鋯石、榍石、以及鐵鈦氧化物等礦物共生；(2)樣品沒(méi)有發(fā)生低溫蝕變；(3)巖石的結(jié)晶溫度同壓力計(jì)校準(zhǔn)條件溫度相差不大。

Blundy and Holland (1990)根據(jù)大量角閃石和斜長(zhǎng)石穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)資料，在500～1000℃和1～23kbar條件下推出鈣質(zhì)角閃石-斜長(zhǎng)石地質(zhì)溫度計(jì)：

其中Si為按23個(gè)氧原子計(jì)算的角閃石Si原子數(shù)，XPlagAb為斜長(zhǎng)石中鈉長(zhǎng)石分子的摩爾數(shù)；當(dāng)XPlagAb>0.5時(shí)，Y=0；當(dāng)XPlagAb<0.5時(shí)，Y=-8.06+25.5(1-XPlagAb)2，P為壓力(kbar)，T為熱力學(xué)溫度(K)。

4.2 鋯石U-Pb定年及鋯石Ti溫度計(jì)

LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年測(cè)試分析在北京科薈測(cè)試技術(shù)有限公司完成。分析所用儀器為AnalytikJena PQMS Elite型ICP-MS及與之配套的RESOlution 193nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)。激光剝蝕所用斑束直徑為24μm，頻率為6Hz，能量密度約為6J/cm2， 以He為載氣。LA-ICP-MS激光剝蝕采樣采用單點(diǎn)剝蝕的方式，測(cè)試前先用鋯石標(biāo)樣GJ-1進(jìn)行調(diào)試儀器，使之達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。鋯石U-Pb定年以標(biāo)樣GJ-1為外標(biāo)，微量元素含量利用NIST 610做為外標(biāo)、 Si做內(nèi)標(biāo)的方法進(jìn)行定量計(jì)算(Liuetal., 2010)。測(cè)試過(guò)程中在每測(cè)定10個(gè)樣品前后重復(fù)測(cè)定2個(gè)鋯石標(biāo)樣GJ-1對(duì)樣品進(jìn)行校正，并測(cè)量1個(gè)鋯石Plesovice，觀察儀器的狀態(tài)以保證測(cè)試的精確度。數(shù)據(jù)處理采用ICPMSDataCal程序(Liuetal., 2010)，測(cè)量過(guò)程中絕大多數(shù)分析點(diǎn)206Pb/204Pb>1000，未進(jìn)行普通鉛校正，204Pb含量異常高的分析點(diǎn)可能受包體等普通Pb的影響，對(duì)204Pb含量異常高的分析點(diǎn)在計(jì)算時(shí)剔除，鋯石年齡諧和圖用Isoplot 3.0程序獲得。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)(侯可軍等, 2009)。樣品分析過(guò)程中，Plesovice標(biāo)樣作為未知樣品的分析結(jié)果為337.5±4.6Ma(n=5, 2σ)，對(duì)應(yīng)的年齡推薦值為337.13±0.37Ma(2σ)，兩者在誤差范圍內(nèi)完全一致。對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2010)完成，鋯石年齡協(xié)和圖用Isoplot程序獲得。鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算公式采用：

[log(ppm Ti-in-zircon)+logαSiO2-logαTiO2]=A2+B2/T

其中A2=5.711±0.072；B2=-4800±86(Ferry and Watson, 2007)。對(duì)鋯石和金紅石共存的體系，通常認(rèn)為TiO2活度αTiO2=1，地殼巖石的SiO2活度αSiO2一般為0.5～1.0。

5 結(jié)果和討論

5.1 鋯石U-Pb定年及鋯石Ti飽和溫度

對(duì)GR1、GR2和DR3鉆井中不同類型侵入巖進(jìn)行了鋯石U-Pb定年和單礦物微量元素溫度計(jì)分析(表1、表2)，結(jié)果表明正長(zhǎng)花崗巖、奧長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖和閃長(zhǎng)巖等，不同巖性巖石中的鋯石形態(tài)、鋯石U-Pb年齡和巖漿結(jié)晶溫度存在較明顯的差異。HGR1-11-1正長(zhǎng)花崗巖，鋯石半自形，粒度為40～180μm(圖5)。鋯石原位U-Pb年齡和侵位結(jié)晶溫度結(jié)果顯示，10個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為238.1±3.2Ma(MSWD=1.7)(圖6)，平均結(jié)晶溫度為692℃(圖7a)。HGR1-17奧長(zhǎng)花崗巖，鋯石多自形，粒度為100～200μm，陰極發(fā)光圖像顯示多具有振蕩環(huán)帶，為巖漿結(jié)晶鋯石特征(圖5)。鋯石原位U-Pb年齡和侵位結(jié)晶溫度結(jié)果顯示，除2個(gè)年齡大于260Ma的鋯石顆粒外，整體呈現(xiàn)單顆粒鋯石年齡值越大，Ti溫度計(jì)計(jì)算的侵位結(jié)晶溫度越低(圖7b)，32個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為236.5±1.7Ma(MSWD=1.8)(陳希節(jié)等, 2020)，平均結(jié)晶溫度為761℃。HGR2-7和HDR3-41為黑云二長(zhǎng)花崗巖，HGR2-7鋯石粒度較大，為100～380μm，HDR3-41鋯石粒度為80～200μm，HDR3-31為二長(zhǎng)花崗巖，鋯石粒度為60～200μm，鋯石多自形，陰極發(fā)光圖像顯示多具有振蕩環(huán)帶，為巖漿結(jié)晶鋯石特征(圖5)。鋯石原位U-Pb年齡和鋯石Ti得出的侵位結(jié)晶溫度結(jié)果顯示，HGR2-7年齡集中在242.9±1.7Ma(MSWD=1.5)，平均結(jié)晶溫度為712℃(圖7c)；HDR3-31中13個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為210.6±2.3Ma(MSWD=1.7)，平均結(jié)晶溫度為748℃(圖7d)；HDR3-41中16個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為224.6±2.5Ma(MSWD=1.6)，平均結(jié)晶溫度為693℃(圖7e)。

表1 共和盆地東北部干熱巖巖芯及溝后巖體鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算結(jié)果與U-Pb年齡

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

表2 共和盆地東北部干熱巖巖芯及溝后露頭樣品鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算結(jié)果

圖5 共和盆地東北部干熱巖巖芯及溝后露頭樣品部分代表性鋯石CL特征Fig.5 The CL images of representative zircons grains of samples from HDR drilling cores and Gouhou outcrop in the northeastern Gonghe basin

圖6 鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.6 Concordia diagrams for zircon U-Pb analyses

溝后水庫(kù)露頭樣品HGH3-0黑云閃長(zhǎng)巖，鋯石半自形，粒度為80～200μm(圖5)。26分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為238.5±2.1Ma(MSWD=1.7)，平均結(jié)晶溫度為805℃(圖7f)。HGH3-1和HGH3-2-1-2為含閃長(zhǎng)巖角礫的碳酸巖脈，其中的捕獲鋯石為半自形-自形，粒度為60～150μm，鋯石多有震蕩環(huán)帶，局部溶蝕改造(圖5)。其中HGH3-1中33個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為238.4±1.9Ma(MSWD=2.0)，平均結(jié)晶溫度為780℃。HGH3-2-1-2中44個(gè)分析點(diǎn)具有集中的206Pb/238U年齡，加權(quán)平均年齡為242.4±1.7Ma(MSWD=2.0)，平均結(jié)晶溫度為811℃(圖7g, h)。

圖7 共和盆地東北部干熱巖巖芯及溝后露頭樣品鋯石U-Pb年齡和Ti含量溫度的相關(guān)性圖解Fig.7 Relationships between zircon U-Pb age and Ti-in-zircon temperature of samples from HDR drilling cores and Gouhou outcrop in the northeastern Gonghe basin

本文對(duì)共和盆地恰卜恰地區(qū)干熱巖及北部露頭的樣品巖漿鋯石Ti飽和溫度分析表明(表1、表2、圖8)，不同期次、不同巖性巖漿侵位結(jié)晶溫度為643～804℃，其中GR1井的樣品顯示的結(jié)晶溫度在643～733℃，GR2井的樣品顯示的結(jié)晶溫度為653～711℃，DR3井的樣品顯示的結(jié)晶溫度在660～749℃， 溝后水庫(kù)獲得的露頭樣品-黑云閃長(zhǎng)巖 (HGH3-0)

圖8 共和盆地東北部干熱巖巖芯及溝后露頭樣品不同巖性的巖漿結(jié)晶溫度范圍Fig.8 Magmatic crystallization temperature range of different lithologies of samples from HDR drilling cores and Gouhou outcrop in the northeastern Gonghe basin

鋯石的結(jié)晶溫度為805℃和含閃長(zhǎng)巖角礫的碳酸巖脈(HGH3-1、 HGH3-2-1-2) 中捕獲鋯石的結(jié)晶溫度為780℃、811℃。初步結(jié)果表明，位于恰卜恰北部的溝后巖體巖漿活動(dòng)相較南部的鉆井巖芯具有更高的結(jié)晶溫度。

共和盆地東北部干熱巖中巖石類型、巖漿鋯石年齡和Ti溫度計(jì)計(jì)算的巖漿侵位結(jié)晶溫度還表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，可能與它們的結(jié)晶分異及巖性有關(guān)。從正長(zhǎng)花崗巖(692℃)、黑云二長(zhǎng)花崗巖(HDR3-41為693℃、HGR2-7為712℃)、二長(zhǎng)花崗巖(748℃)、奧長(zhǎng)花崗巖(761℃)、黑云閃長(zhǎng)巖(805℃)，結(jié)晶溫度不斷升高。GR1井奧長(zhǎng)花崗巖的鋯石年齡和結(jié)晶溫度還顯示較年輕的鋯石與較高的結(jié)晶溫度有相關(guān)性關(guān)。共和干熱巖巖芯及北部露頭區(qū)巖體和脈體的鋯石年齡和結(jié)晶溫度也表現(xiàn)不同的相關(guān)性趨勢(shì)，花崗巖巖體(樣品HGR1-11、HGR1-17、HGR2-7、HDR3-41、HDR3-31)年齡越大，其侵位結(jié)晶溫度越低；而脈體(樣品HGH3-1、HGH3-2-1-2)結(jié)晶溫度則隨著鋯石年齡的變老而增高。且溝后巖體和脈體的年齡及結(jié)晶溫度高于干熱巖井下樣品。共和盆地干熱巖鉆井揭示的雜巖體具有多期次侵位及不同的源區(qū)。

5.2 角閃石-斜長(zhǎng)石溫度壓力計(jì)計(jì)算結(jié)果和巖漿侵位深度

共和盆地干熱巖中角閃石的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果顯示，部分普通角閃石以鐵角閃石居多(圖9)。角閃石具有高鈣(平均為11.48%)，高鐵鎂(分別平均20.59%和8.87%)，低鈉、鉀(0.96%、0.83%)，共生的斜長(zhǎng)石也主要以中長(zhǎng)石為主(Ab=65，An=34；表3)。

表3 共和盆地東北部干熱巖巖芯中角閃石及共生斜長(zhǎng)石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果

圖9 共和盆地東北部干熱巖井下巖芯樣品角閃石成分分類圖(底圖據(jù)Leake et al., 1997)Fig.9 Classification of amphiboles of samples from HDR drilling cores in the northeastern Gonghe basin (base map after Leake et al., 1997)

根據(jù)電子探針及鏡下觀察結(jié)果，可知部分角閃石受到低溫蝕變作用影響，不適合使用全鋁的溫度壓力計(jì)計(jì)算，所以只能選擇部分沒(méi)有受到蝕變的普通角閃石進(jìn)行測(cè)算。通過(guò)對(duì)角閃石-斜長(zhǎng)石礦物對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行計(jì)算(表3、表4)，結(jié)果顯示樣品GR1-6巖漿結(jié)晶溫度為681℃，壓力為3.52kbar；樣品GR2-1巖漿結(jié)晶溫度為693℃，壓力為1.91kbar。表明共和盆地干熱巖花崗巖中的角閃石形成壓力均屬于中低壓(1.91～3.52kbar)，溫度為中低溫(681～693℃)。由于角閃石結(jié)晶時(shí)花崗質(zhì)巖漿仍以熔融狀態(tài)為主，這時(shí)的結(jié)晶壓力可視為上覆巖石的靜巖壓力。根據(jù)上覆巖石的密度即可求出巖體結(jié)晶時(shí)的深度，本文根據(jù)平均大陸地殼密度2.67g/cm3，推算共和盆地恰卜恰干熱巖花崗巖體侵位深度在7.2～13.2km，屬于深成巖體，與鏡下觀察的巖石學(xué)特征相符。由于共和盆地恰卜恰地區(qū)三疊紀(jì)花崗巖被新生代沉積巖覆蓋，綜合古生物化石信息和區(qū)域地層對(duì)比認(rèn)為最老的地層為古近系西寧組(ENx)(拜永山等, 2007; 張森琦等, 2018)，表明井下鉆遇的花崗巖體在古近紀(jì)之前已抬升至地表。按樣品GR2的深度2952m計(jì)算，自三疊紀(jì)以來(lái)，共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)至少有4.248km的地殼巖石被剝露，也是該區(qū)普遍缺失侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)地層的主要原因。

表4 共和盆地東北部干熱巖井下巖芯樣品角閃石-斜長(zhǎng)石溫壓計(jì)計(jì)算結(jié)果

5.3 共和盆地東北部干熱巖深部結(jié)構(gòu)及熱源初步分析

前已述及，緊鄰共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)的侵入巖體主要為東側(cè)的當(dāng)家寺巖體和北部的溝后巖體(圖1)，當(dāng)家寺巖體主要為高鉀鈣堿性或堿性系列花崗巖，主要形成于中三疊世早期(243～240Ma;張永明等, 2017a; 石玉蓮等, 2018)，為下地殼基性巖部分熔融而形成，同時(shí)存在一定程度幔源巖漿貢獻(xiàn)。而溝后巖漿雜巖體主要為鈣堿性巖類、準(zhǔn)鋁-弱過(guò)鋁質(zhì)高鉀鈣堿性巖及鈣堿性-堿性巖系列，主要形成于249～243Ma(張永明等, 2017b)，早三疊世末期-中三疊世早期，具殼幔巖漿混合特征。本研究系統(tǒng)揭示了GR1、GR2和DR3三口重點(diǎn)干熱巖井巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)特征(Fengetal., 2020; 陳希節(jié)等, 2020)及年代學(xué)分析，此三口井表現(xiàn)出與周緣露頭有相似性，也有差異性(圖2、圖8)。GR1、GR2井巖體與當(dāng)家寺巖體更為接近，其中奧長(zhǎng)花崗巖、英云閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖組合具有島弧花崗巖和同碰撞花崗巖的特征，主要為下地殼部分熔融形成，同時(shí)地殼物質(zhì)原巖可能派生于富集地幔，形成于中三疊世約241～236Ma(陳希節(jié)等, 2020)，可與宗務(wù)隆洋盆的俯沖、閉合響應(yīng)(張永明等, 2017a, b)。而DR3井巖性垂向變化較大，與溝后巖體有一定的相似性。同時(shí)還揭示了晚三疊世中期225～210Ma的巖漿侵位活動(dòng)，與盆地西南緣溫泉巖體(張宏飛等, 2006)、麋署嶺巖體(李佐臣等, 2013)可對(duì)比，與西秦嶺花崗巖的形成時(shí)代接近，可能反映印支晚期后碰撞階段的效應(yīng)；此序列與古特提斯阿尼瑪卿洋由南向北俯沖的大陸邊緣弧形成及晚三疊世進(jìn)入后碰撞階段響應(yīng)(張永明等, 2017a, b, 2019)。

結(jié)合前人研究的大地電磁測(cè)深(Gaoetal., 2018)、高分辨重力(Hirtetal., 2013)、地震層析成像(Jiaetal., 2019)、反射地震及本次研究的多口干熱巖鉆井等多方面資料，建立了一條共和盆地東西向深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造剖面，可見(jiàn)共和盆地具有四層熱結(jié)構(gòu)特征：(1)上層-盆地基底以上的沉積巖層，主要為古近系西寧組(ENx)-第四系，埋深0～7km，具有低阻、低速、較低密度等特征；在盆地邊部厚度變化劇烈，在盆地內(nèi)變化差異小并平緩延伸；同時(shí)存在垂向、斜向變化帶，可能與斷裂帶存在相關(guān)；主要為干熱巖熱蓋層、水熱儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)；(2)盆地基底結(jié)晶巖-中上地殼，厚約0～20km；結(jié)晶地殼的平均速度為6.12km/s(Jiaetal., 2019)；具有明顯高于淺層的較高電阻、較高密度層，與上層分割；其中包括干熱巖地?zé)岵貪摿Πl(fā)育區(qū)(盆地基底至8km以上，圖10中虛線，)；(3)中下地殼-莫霍面，厚約15～48km；其中，在盆地中部下方，貫穿東西，約15～27km內(nèi)存在巨型較低阻、低密度、低速體(Gaoetal., 2018; 錢輝等, 2001)，可能與中下地殼內(nèi)部分熔融體有關(guān)，可為局部熱源區(qū)；同時(shí)，存在規(guī)模較大的高阻、高密度、高速體；也可見(jiàn)淺層斷裂帶與該帶內(nèi)不同屬性差異的地質(zhì)體邊界有一定的聯(lián)系，推測(cè)部分?jǐn)嗔亚写┡璧鼗走M(jìn)入中下地殼；根據(jù)地震層析成像研究結(jié)果(Wangetal., 2011, 2018)，盆地邊界斷層，切穿莫霍面，存在超殼斷裂；(4)地幔，以莫霍面與下地殼分界，具有中-高阻、高速特征，速度高達(dá)7.9～8.2km/s(Jiaetal., 2019)；在盆地主體部位存在明顯的底侵，底侵高度約7～8km，推測(cè)受地幔上涌影響，可能為區(qū)域熱供給區(qū)。因此，本次深部結(jié)構(gòu)的初步研究，結(jié)合前人多種地球物理研究資料，共和盆地干熱巖地?zé)岵氐母蔁釒r熱源可能與地幔上涌、中下地殼存在局部熔融體有關(guān)(Gaoetal., 2018; 張森琦等, 2018)，且由于多條隱伏斷裂的影響，使盆地基底下的干熱巖具有分區(qū)性(圖10)，綜合考慮熱源、熱儲(chǔ)、熱蓋的基礎(chǔ)上，初步圈定了干熱巖地?zé)岵赜欣麧摿^(qū)(圖10，玫瑰紅色區(qū))。

圖10 共和盆地東北部干熱巖深部結(jié)構(gòu)圖(據(jù)錢輝等, 2001; Wang et al., 2011; Wang et al., 2018; Gao et al., 2018; 張森琦等, 2018修改; 剖面AA′位置見(jiàn)圖1b)Fig.10 Deep architectural structure of geothermal reservoirs of HDR in the northeastern Gonghe basin (after Qian et al., 2001; Wang et al., 2011; Wang et al., 2018; Gao et al., 2018; Zhang et al., 2018; the location of profile AA′ is shown in Fig.1b)

6 結(jié)論

(1)共和盆地東北部干熱巖主要包括花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)花崗巖，含有多種類型巖脈，為高鉀鈣堿性或堿性系列花崗巖。

(2)鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算結(jié)果表明，共和盆地恰卜恰地區(qū)的巖漿結(jié)晶溫度在643～804℃。共和干熱巖及北部露頭區(qū)巖體巖石類型、結(jié)晶年齡、侵位溫度還表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，從正長(zhǎng)花崗巖(692℃)、二長(zhǎng)花崗巖(748℃)、奧長(zhǎng)花崗巖(761℃)、黑云閃長(zhǎng)巖(805℃)，結(jié)晶溫度不斷升高。溝后巖體和脈體的年齡及結(jié)晶溫度普遍高于干熱巖井下樣品。

(3)共和盆地干熱巖中角閃石的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果顯示，部分普通角閃石以鐵角閃石居多。角閃石-斜長(zhǎng)石溫壓力計(jì)結(jié)果顯示，共和盆地干熱巖巖芯中閃長(zhǎng)巖樣品中的角閃石形成于中低壓(1.91～3.52kbar)、中低溫(681～693℃)環(huán)境；根據(jù)平均大陸地殼密度2.67g/cm3，推算其巖漿侵位深度在7.2～13.2km。自三疊紀(jì)以來(lái)，共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)至少有4.2km的地殼巖石被剝露。

(4)共和盆地東北部恰卜恰地區(qū)干熱巖原巖形成時(shí)間主要為243～236Ma和225～210Ma，是中三疊世-晚三疊世早期和晚三疊世中期侵位的花崗巖雜巖體，與印支期宗務(wù)隆洋、東昆侖阿尼瑪卿洋盆的俯沖、消減、閉合相關(guān)。共和干熱巖地?zé)岵鼐哂兴膶由畈拷Y(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，熱源可能與地幔上涌、中下地殼局部熔融體有關(guān)。干熱巖地?zé)岵貪摿^(qū)、有利區(qū)與盆地基底下侵入巖的導(dǎo)熱性及上覆沉積蓋層封閉性有關(guān)，并受隱伏斷層影響分區(qū)。

致謝感謝張智勇研究員、張二勇研究員、嚴(yán)維德教授級(jí)高級(jí)工程師、李旭峰高級(jí)工程師對(duì)巖芯觀察和野外考察的支持。感謝鄭孟林教授級(jí)高級(jí)工程師、焦存禮高級(jí)工程師、劉若涵博士、李毅兵助理研究員參加了野外地質(zhì)考察及巖芯觀察分析。感謝兩位審稿專家戚學(xué)祥研究員、熊富浩副教授的寶貴意見(jiàn)。