福建省地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱研究

莊慶祥 鄭霜高 姜兆鈞 莊公勛

（1福建省能源研究會 福建福州 350001；2福建省祥和地熱開發(fā)有限公司 福建漳州 363000）

關健詞 地幔對流系統(tǒng) 地幔熱柱 活裂谷 地下高溫巖體 巖石圈 核幔邊界

1 福建省地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱特征

前人研究表明，太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖到670 km深處，巖石圈物質在那里滯流下沉，一直沉到地幔底部，動 核幔邊界的穩(wěn)定性和激發(fā)地幔熱柱物質向上運動，地幔內部存在巨大規(guī)模的對流系統(tǒng)［1］。顯然處于太平洋板塊、菲律賓板塊向歐亞大陸板塊俯沖聚焦帶上的福建東南沿海、特別是漳州沿海地區(qū)首當其沖，這一地區(qū)的深層過程應給予特別的重視與關注；我國東部存在著大面積的大陸活裂谷型玄武巖噴發(fā)作用，巖石圈的伸展與上隆、巖石圈強烈與快速的減薄，軟流圈頂面埋藏淺及底辟作用以及邊緣海的形成等，均暗示著我國東部大陸下面存在著地幔熱柱；不論是地表構造格局，還是部分地球物理場特征，均表現(xiàn)出是由深部熱異常的物質運動所致。地幔熱柱與礦產資源及找礦方向的研究在我國剛剛開始，這在地球深部物質與能量的交換和其物理－化學響應研究中，在大型、超大型礦床和礦集區(qū)的動力成礦理論與模型的建立中有著極為重要意義。很多類型的礦床和高溫干熱巖熱儲體、熱源體在成因上與地幔熱柱的作用密切相關，地幔熱柱與成礦、干熱巖高溫巖體的研究對指導我國大型、超大型礦床和礦集區(qū)尋找稀有貴金屬和稀土金屬、干熱巖高溫巖體必將取得重大突破［1］。

福建省地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱表征較明顯，地表遺跡較齊全：地形起伏幅度大，成山、成盆、成巖、成礦、成災的深部熱物質上涌、調整、分異、變異、運移、交換與巖漿活動十分強烈、裂谷（地塹、盆地）發(fā)育，尤其是活裂谷的軸部新構造活動特別劇烈；全省30余處火山口形成了眾多的火山?。蝗?17處溫泉點95%以上分布在閩江以南具鏡像倒影特征、高熱流值負地形的眾多活裂谷軸部上；活裂谷地震頻繁，其中裂谷翼部往往為大地震震中區(qū)，裂谷軸部為微、小地震震中密集區(qū)；火山口附近是金屬、稀有金屬、稀土金屬和非金屬礦產資源的富集區(qū)，特別是在福建省境內受到地幔熱柱活動影響較大的十幾處等來自核幔邊界D″層熱源與熱物質的金、銀、銅、鐵、鈦、鉬、鎢、鎳、鋰等核、幔源稀有金屬礦床、礦點；尤其是福建東南沿海地形大幅隆起與沉降和地球化學異常的強烈異常程度和巖漿侵入活動引起的重力場與磁場大面積正異常梯度帶及上地殼中、下部低速體（巖漿房）等地球物理異常區(qū)；沿海地區(qū)出露的具有深部折返機制的大面積花崗巖變質巖 （片麻花崗巖）；沿海分布著長百余公里、寬數(shù)十公里的花崗片麻巖帶中分布著眾多來自地幔深處80～150 km的橄欖巖及橄欖巖變質的蛇紋巖、輝長巖、閃長巖等捕虜體，沿?；◢弾r變質巖帶深部折返機制證據(jù)充分。以上所述，有力地說明福建省可能存在龐大的地幔對流系統(tǒng)和較多的中、小型地幔熱柱；地幔熱柱的起源與異常的熱關切主要來自于核幔邊界的D″層的供給，次之是上、下地幔過渡帶的供給，在巖石圈板塊之下（軟流層）釋放熱量，而熱量的這種流動過程必然伴隨著物質的流動［2］。

如上所述的臺灣海峽澎湖與漳州沿海九龍江河口地塹地區(qū)可能存在地幔對流圈［3］，在泉州市的金門島、龍海市的鎮(zhèn)海、林進嶼至漳浦牛頭山、佛曇等一帶數(shù)百平方千米范圍內（包括潮間帶海域）出露大面積溢流的玄武巖，應為一特大型地幔熱柱的球頂冠，地幔熱柱熱點特征明顯，周圍分布著眾多的溫泉、熱異常點和若干火山口形成火山?。ㄦ湥?，是地幔熱柱長期活動熔融物質在上覆板塊上遺留的軌跡。其固定熱地幔源區(qū)實際上是一個產生于地幔底部邊界層附近的地幔熱柱，位于地幔熱柱球冠下的熱柱軸（包括頸、尾）是狹窄的，尾部逐漸變細，而柱的頭部運移漸變得扁平而呈蘑菇狀形態(tài)，柱的頭尾比例隨著上升進程則在逐漸增大［1］。由此可見，漳州市龍海九龍江河口地區(qū)地幔對流系統(tǒng)和地幔熱柱熱點存在與活動的特征十分明顯。干熱巖地熱資源與核、幔源稀有貴金屬、稀土金屬等礦源豐富，綜合開發(fā)利用潛力巨大。綜上所述，福建省東南沿海以漳州龍海市九龍江河口地塹為中心，漳州、廈門、泉州三市沿海地區(qū)方圓約2萬km2范圍（包括部分沿海海域），為―大型或特大型地幔熱柱，地幔熱柱地表遺跡表明該地幔熱柱可能主要啟動于地下2900 km的核幔邊界D″層，具有十分龐大的地幔對流系統(tǒng)。

2 福建地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱存在的證據(jù)

漳州盆地內也分布著若干火山口，特別是九龍江西溪南岸的東園、田址、圓山等火山口形成的近東西向火山?。ㄦ湥?，多處見有零星的玄武巖露頭，盆地內見有來自深部幔源輝綠巖變異的花崗斑巖。盆地內及盆地外圍周邊地區(qū)溫泉與火山口密布，高熱流值的熱異常點眾多，特別是漳州熱田以其溫度高、分布面積大、高溫熱儲埋藏淺而著稱，可能是中國東部第一個中高溫或高溫蒸氣熱田。盆地中心微、小地震頻繁，盆地邊緣為大、中地震震中區(qū)，活裂谷深部熱物質活動特征十分明顯，大型地幔對流系統(tǒng)和中型地幔熱柱熱點地表遺跡較明顯，表明其可能受特大型九龍河口地塹地幔熱柱活動影響巨大。地下不僅干熱巖地熱資源豐富，而且可能蘊藏著豐富的核幔源稀有貴金屬、稀土等礦產資源，綜合開發(fā)利用潛力巨大。

華安沙建汰內山間盆地，不僅附近的華安縣境內高熱流值的地熱異常點眾多，而且沙建汰內、長泰坂里一帶中生代、新生代火山活動十分強烈，形成了近北東向的火山?。ㄦ湥?，地震頻繁，玄武巖以輝綠巖露頭居多，見有流紋巖溢流體，受九龍江河口地塹特大型地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱熱點影響的表征也較明顯。地下可能蘊藏著較豐富的干熱巖地熱能資源和核、幔源稀有貴金屬、稀土金屬礦床，綜合開發(fā)利用潛力較大。

除此之外，福建30余處火山口構成的眾多火山?。ㄦ湥└浇幕盍压容S部中密集了18處大于80℃的高溫熱泉和38處60～80℃中高溫熱泉，是高熱流值的地熱異常區(qū)（地幔熱柱熱點的重要遺跡之一），微、小地震頻繁發(fā)生，而活裂谷翼部有較多的大地震震中分布，以上活裂谷深部核、幔熱物質上涌、調整、分異、變異、交換、運移和巖漿活動劇烈，地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱熱點表征較明顯，除受特大型九龍江河口地塹地幔熱柱影響外，可能存在有受附近的中、小型深源地幔熱柱（源自地下2900 km核幔邊界D″層或源自地下670 km上、下地幔接觸界層）影響，為核、幔源稀有貴金屬、稀土和干熱巖地熱能資源的富集區(qū)，開發(fā)利用潛力很大。

自有歷史記載的公元1600年以來，福建省沿海及臺灣海峽西部海域發(fā)生過4次7級以上大地震，其中泉州外海于1604年12月29日發(fā)生8級大地震威力最大，從公元287年至1970年，發(fā)生了3級以上地震356次，1971—1998年，發(fā)生3級以上地震289次，小于3級地震達數(shù)千次之多［4］。對福建省造成破壞最嚴重是1604年泉州外海8級大地震，造成嚴重災害的地震還有：1067年和1445年漳州2次地震 （均是6級以上），1574年福州—連江地震（5.75級），1609年泉州地震（6級以上），1791年東山地震 （7級以上），1937年莆田興化灣地震（5.2級），1968 年華安地震（5.2級），1992年龍巖—連城地震（5.1級），1994臺灣海峽南部地震（7級以上），1995年晉江安海海外地震（5.3級）以及永安小陶地震（5.2級）。歷史和現(xiàn)今地震資料表明，福建地區(qū)地震活動頻次和強度都居國內較高水平。福建沿海地區(qū)地震活動頻度或強度都遠遠高于、強于內陸地區(qū)。地震活動分布總的趨勢是東強西弱，南強北弱，尤其是活動斷裂帶的中南段遠比北段強得多，尤以沿海地區(qū)莆田—東山地段地震活動最為突出，歷史上曾發(fā)生大于7級大地震4次，6級地震 4次，5級左右地震約20次 （不包括余震），3～4級左右小震活動頻繁發(fā)生，小于3級的微小地震頻繁不斷，不計其數(shù)。震源深度也由西往東逐漸加深分布。福建省地震分布特點、規(guī)律與溫泉分布特征、深部高溫巖體地質響應程度及成山、成盆、成災、成礦、巖漿等新構造活動程度吻合一致。

福建省多期次的火山、巖漿活動十分劇烈，已發(fā)現(xiàn)并經調查工作初步查明有南寮山、金坑、云山、西坑里、西山和石牛山等多個古火山基體和三十余個古火山基體形跡，有：南寮山和大礬山等火山頸充填的石英斑巖、流紋巖、火山角礫巖，如漳州盆地中的園山、長泰板里等火山口溢流出的石英斑巖、火山角礫巖等；圍繞中心式火山基體呈環(huán)形、弧形和放射狀分布的云山裂隙火山基體呈帶狀分布；已發(fā)現(xiàn)的次火山巖相有花崗斑巖、二長斑巖、閃長玢巖、正長斑巖、中酸性粒狀碎斑熔巖和酸性粒狀碎斑熔巖等；噴發(fā)相中廣泛分布有凝灰?guī)r和火山角礫巖、集塊巖亞相，后者局限分布火山口附近；侵出亞相在柘榮西坑地區(qū)見有流紋巖；噴發(fā)—沉積相在火山噴發(fā)和火山湖往往形成這種巖相。福建省已發(fā)現(xiàn)的次火山巖與火山巖同源，皆為地下深部熱物質上涌、運移、交換的結果，為板塊構造與地幔熱柱構造活動與耦合的產物。福建省喜山期火山噴發(fā)溢流出的玄武巖主要分布于：東部的連江至西部的明溪東西向緯向斷裂帶上出露近20處新生代火山噴出的玄武巖；中北部的屏南下村等地；東部的福鼎、柘榮、泉州金門島、龍海林進嶼、鎮(zhèn)海至漳浦牛頭山、佛曇等一帶沿海及潮間帶海域內，范圍廣、達數(shù)百余平方公里之多，最大厚度大于220 m。與之同源的喜山期侵入巖巖性包括橄欖粗玄巖、橄欖玄武巖、輝長（玢）巖和輝綠（玢）巖。福建沿海地區(qū)不僅分布有大面積具折返機制的變質花崗巖—花崗片麻巖 （太平洋板塊與菲律賓板塊向歐亞大陸板塊俯沖產生的板片經深部高溫高壓變質作用后折返地表）和來自地幔深部帶上來的蛇綠巖套（橄欖巖及其構造肢解的變質橄欖巖類—蛇紋巖、葉臘石巖、鎂鐵質基性、超基性巖）捕虜體，還有來自同源的喜山期橄欖粗玄巖、橄欖玄武巖、輝巖和輝綠巖侵入到中、西部佛曇群的角礫橄欖玄武巖及南園組的流紋質晶屑凝灰?guī)r中。福建省東南部沿海地區(qū)為來自深部核、幔、殼介質的混合巖帶，富含鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、尖晶石、鉻尖晶石、金紅石、銳鈦礦、鋯石、磷灰石、黃銅礦、自然鉛等副礦物。

福建省地處太平洋多金屬成礦帶與南嶺鎢、錫、稀有、稀土成礦帶重疊地帶，各種內生礦產極為豐富，形成有工業(yè)價值的鐵、鎢、鉬、銅、金、銀、鉛、鋅、鉻、鎳、稀有、稀土金屬和水晶、高嶺土等礦床。綜觀福建省如此大規(guī)模的巖漿雜巖帶分布，表明它既是地幔熱柱構造與板塊構造及早期裂谷構造活動與作用的真實地質映象，同時也是干熱巖地熱能和稀有金屬、稀土金屬等礦產的豐富物質源泉。

福建東南沿海陸緣殼幔地球物理場異常特征十分明顯，研究結果表明，在地震、地熱和大地構造活動地區(qū)，一般低速層均較發(fā)育，而且埋深淺，如中國東南緣的泉州地帶，低速層埋深僅13～14 km；而漳州地區(qū)龍溪師范1號井292 m深處溫度已達120℃，且在深9 km以下存在一個規(guī)模很大的低速體，其橫向延伸約100 km，厚10 km以上，平均層速度為5.8 km/s，根據(jù)P波速度減小和S波反射能能量消失推斷，該區(qū)深部存在一個部分熔融體［1］。福建省深部高溫巖體地球物理場異常特征與地表地熱異常跡象、地震頻繁發(fā)生、火山活動強烈、礦源資源豐富等成巖、成山、成盆、成災、成礦新構造巖漿侵入活動地質響應十分劇烈吻合。

綜上所述，福建省東南沿海，特別是漳州、廈門、泉州等閩南地區(qū)是地幔熱柱構造和板塊構造強烈活動耦合的聚焦區(qū)域，發(fā)育巨型、大型活裂谷，如臺灣海峽巨型裂谷、九龍江大型地塹裂谷系。地幔熱柱構造運動是地球深部幔、核熱界面擾動引起核、幔熱物質上涌、運移到地表，因而區(qū)內富集核、幔源的眾多的稀有貴金屬、稀土金屬礦床、點，為地球深部地幔熱柱構造運動的產物［1］；板塊運動是位于上地幔軟流層之上的構造運動，產生的眾多殼幔金屬、非金屬礦床、點是地球淺部軟流層之上的巖石圈板塊間構造活動（碰撞）的產物；活（動）裂谷則是以上兩大構造運動共同作用的結果；以上三大構造體系造成福建省構造體系復雜，深部高溫巖體地質響應劇烈，映襯地下干熱巖地熱資源十分豐富。太平洋板塊與菲律賓板塊向歐亞大陸板塊俯沖，抵達深度670 km的上、下地幔界面，在670 km處滯留的板片突然向下部地幔崩落至深度2900 km核幔邊界D″層，擾動了核幔邊界層，形成地幔熱柱對流上拱，將核幔中熱物質帶到地表。大陸溢流玄武巖是地幔熱柱巨大球狀頂冠上升到地表減壓后熔融產物，而熱點火山鏈則是地幔熱柱長期活動的產物，在每一大陸溢流玄武巖/熱點構造組合中，應該早于對應的熱點火山巖噴發(fā)時間。顯然福建東南緣閩南地區(qū)及淺海域有大型地幔熱柱構造存在，在福建西部、中部、北部與南部有小型地幔熱柱或地幔熱柱分支分布的跡像。具體說來，地幔熱柱構造工作重點是要將地幔熱柱熱點運移的軌跡與溢流的玄武巖、流紋巖的展布結合起來研究，才能區(qū)分地幔熱柱頭部（頭冠）、頸部與尾部的不同特點及其不同產物，客觀地認識熱點與地幔熱柱的本質。由此可見，查明福建省活裂谷內地幔對流系統(tǒng)與地幔熱柱關系和地幔熱柱定位、分布規(guī)律與規(guī)模大小、特征，對指導全省干熱巖與第二、三空間礦產資源勘查與綜合開發(fā)利用具有特殊重要的定義。