皖西地區(qū)巖石熱導(dǎo)率及地表熱流特征

鄭 平，林樂夫，肖清華

皖西地區(qū)巖石熱導(dǎo)率及地表熱流特征

鄭 平1，林樂夫2，肖清華1

（1.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然資源學(xué)院，長沙 410151；2.益陽市資陽區(qū)人民政府辦公室，湖南 益陽 413000）

通過已有資料共收集10組皖西地區(qū)地表熱流數(shù)據(jù)，表明區(qū)內(nèi)巖石熱導(dǎo)率與地表熱流平均值分別為2.65W/mK、75.04mW/m2，其中熱導(dǎo)率與全球大陸巖石平均值相似，地表熱流略高于大陸熱流平均值。計算得出區(qū)內(nèi)花崗巖生熱率平均值為4.63μW/ m3。根據(jù)地表熱流值特點，可分為北段、中段、南段三個熱流區(qū)域。自北向南，地表熱流值越來越低，反映了不同區(qū)域在巖石組成、地溫梯度、地殼厚度、構(gòu)造活動和巖石圈熱結(jié)構(gòu)上的差別。

皖西地區(qū)；熱導(dǎo)率；地表熱流；生熱率；巖石圈熱結(jié)構(gòu)

巖石圈熱結(jié)構(gòu)不僅控制著圈層的流變狀態(tài)和物理特征，也影響著構(gòu)造變形、殼幔演化過程、地震波速、地磁和重力等地球物理場的分布。其中，巖石熱導(dǎo)率是巖石熱物性的重要參數(shù)，物質(zhì)的不均一性影響著熱導(dǎo)率的縱向變化和橫向變化。正常熱傳導(dǎo)環(huán)境下，熱導(dǎo)率的垂向變化會引起地溫梯度的差異，兩者成反比關(guān)系（趙平，1995；林樂夫，2018）。皖西地區(qū)位于北淮陽構(gòu)造帶之上，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動復(fù)雜，具有良好的成礦背景，一直都是國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注區(qū)域（杜建國等，1996；陸三明等，2002；黃凡等，2011；劉忠等，2020）。中生代南北陸塊碰撞和碰撞后的作用在皖西地區(qū)留下了豐富的構(gòu)造形跡，同樣加快了區(qū)內(nèi)巖石的形成過程，與此同時，強烈的構(gòu)造-巖漿活動為區(qū)域內(nèi)巖石熱能的生成與傳導(dǎo)提供了有利條件（江來利等，2003）。本文結(jié)合前人研究成果，對皖西地區(qū)巖石進行熱導(dǎo)率和地表熱流特征分析，對皖西地區(qū)地溫場分布、熱流背景進一步系統(tǒng)了解，為研究區(qū)域巖石圈熱結(jié)構(gòu)和演化提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

皖西地區(qū)帶位于華北地塊與揚子板塊之間，東至郯廬斷裂，西與秦嶺褶皺相連，由曉天-磨子潭斷裂與明港-六安斷裂構(gòu)成南北邊界，總體為斷裂圍限的褶皺帶，主要構(gòu)造包括北部明港-六安斷裂帶、南部曉天-磨子潭斷裂帶、東部郯廬斷裂帶，如圖1所示如下（王勇生等，2012；陸三明等，2002；杜建國等，1996；楊志堅，1982）。區(qū)內(nèi)巖石、地層、構(gòu)造環(huán)境演化自下而上劃分為4個構(gòu)造巖石地層單位，分別為新元古界盧鎮(zhèn)關(guān)群（蘇家河群、紅安群）、新元古界-下古生界佛子嶺群（信陽群）、石炭紀楊山群以及中生界-新生界未變質(zhì)的陸相盆地堆積（彭志等，2015；江來利等，2003）。

區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，形成時代為元古界、古生代和中生代，其中與成礦關(guān)系密切的巖漿巖主要為燕山期。區(qū)內(nèi)自東向西表現(xiàn)出巖漿巖時代變新、酸性程度增加、成礦作用增強，其巖性以二長巖、閃長巖、安山巖及火山碎屑巖為主（徐小軍等，2005）。其中侵入巖與火山巖屬于同源產(chǎn)物，受到構(gòu)造的影響所表現(xiàn)的形式有所差異，形成不同的巖漿產(chǎn)物，因此區(qū)域內(nèi)侵入巖也相應(yīng)的分為兩類，分別為鈣堿性、鉀玄巖系列和堿性系列（商力，2012）。

2 巖石熱導(dǎo)率特征

區(qū)域內(nèi)巖體形成的時間跨度為侏羅紀-白堊紀，出露多以中細?；◢弾r、鉀長花崗巖、花崗閃長巖、石英二長巖、花崗片麻巖、黑云二長花崗巖及少量變花崗巖為主，其中鉀長花崗巖分布最廣，主要礦物成分為石英（約30%）、鉀長石（50%～60%）、斜長石（10%～15%）、黑云母（約2%～3%）。巖石總體表現(xiàn)為區(qū)域內(nèi)自東向西酸性程度增加，區(qū)域內(nèi)斷裂活動，伴生規(guī)模不等的次級斷層（商力，2012，杜建國，1996）。

巖石熱導(dǎo)率是地表熱流、地球內(nèi)部溫度分布和熱傳遞所具備的一個重要參數(shù)（胡圣標(biāo)等，2001）。通過前人研究資料表明（汪集旸等，1990），皖西地區(qū)已采集并進行熱流計算的巖石樣品70余塊，均取自鉆孔巖心。巖石樣品熱導(dǎo)率值介于1.91～3.91W/mK（表1），平均值為2.65W/mK。區(qū)內(nèi)巖石樣品熱導(dǎo)率值變化明顯，主要受不同礦物含量、礦物排列、巖石裂隙、顆粒大小等方面影響。

表1 皖西地區(qū)花崗巖生熱流數(shù)據(jù)一覽表

3 巖石生熱率特征

通過楊義忠等（2018）、陳芳等（2016）分別對北淮陽東段地區(qū)湯池巖體、金寨巖體等研究區(qū)的地球化學(xué)特征表明，皖西地區(qū)廣泛出露白堊紀花崗巖，其年齡主要集中于125～130Ma，具備A型花崗巖特征，均形成于造山后伸展環(huán)境。本文根據(jù)結(jié)合前人對該地區(qū)巖體主、微量元素數(shù)據(jù)（表1），以及世界范圍內(nèi)花崗巖平均密度值2.6g/cm3，利用Rybach（1978）推薦的計算方法：

A[μW/ m3] = 10-5×ρ[kg m-3]×（9.52 ×CU[ppm] + 2.56×CTh[ppm] + 3.48×CK[%] ）

獲得皖西地區(qū)花崗巖生熱率值，其中，巖石放射性生熱主要來源于Th、U元素的衰變熱，K元素的熱貢獻比重一般不超過20%（林樂夫，2018），前人研究結(jié)果表明K2O的含量介于3.82%～5.23%，本人采用平均值4.63%計算，以此進一步探究區(qū)內(nèi)放射性地球化學(xué)特征與熱巖石圈結(jié)構(gòu)。

計算結(jié)果得出：研究區(qū)花崗巖Th、U含量分別介于8.12～79.89ppm、1.92～34.04ppm之間，平均值分別為33.96ppm、7.06ppm。巖石生熱率介于1.35～13.81μW/ m3，具有明顯的變化差異，平均值為4.63μW/ m3，略高于世界范圍內(nèi)花崗巖生熱率，但不屬于高產(chǎn)熱花崗巖體。

圖1 北淮陽東段地質(zhì)構(gòu)造略圖（據(jù)商力，2012）

F1-明港-六安斷裂；F2-信陽-舒城斷裂；F3-曉天-磨子潭斷裂；F4-商城-麻城斷裂；F5-青山-熬藥尖斷裂；F6-郯廬斷裂

4 地表熱流值特征

地表熱流（Q），指單位面積、單位時間內(nèi)由地球內(nèi)部傳輸至地表，而后散發(fā)至空氣中的熱量。地表熱流是一個綜合性熱參數(shù)，更加綜合明確的穩(wěn)定狀態(tài)下巖石傳導(dǎo)的熱量反映地區(qū)地溫場的特征（胡圣標(biāo)等，2001；汪集旸等，2012；He，2015,王安東等，2015）。通過對前人鉆孔資料及巖石熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，共收集了10組高質(zhì)量的實測大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)（表2），鉆孔深度介于100～900m，地溫梯度所測范圍為15.8～41.14k/km。

表2 皖西地區(qū)實測與校正熱流數(shù)據(jù)一覽表

注：表格數(shù)據(jù)源自汪集旸等（1990）

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，皖西地區(qū)實測地表熱流平均值為75.04mW/m2。雖然區(qū)內(nèi)熱流測點分布不均，且測點數(shù)量不多，但總體上熱流分布格局和走勢較為明顯。區(qū)域內(nèi)熱流特征呈北-南方向遞減變化。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，可分為北段、中段和南段三個對比區(qū)。北段主要為霍邱等地，實測熱流值為149.7mW/m2，熱流數(shù)據(jù)較為單一；中段包括霍山和廬江地區(qū)，實測熱流平均值為73.15mW/m2，熱流值分布跨度較廣；南段實測熱流值為53.93mW/m2，主要體現(xiàn)在安慶和貴池等地區(qū)。

5 討論

通過前人研究結(jié)果表明，皖西地區(qū)巖石熱導(dǎo)率平均值為2.65W/mK，與大陸地區(qū)巖石熱導(dǎo)率平均值相似。區(qū)內(nèi)受到逆沖推覆構(gòu)造及伸展構(gòu)造作用影響，所達到的俯沖部位不同，所處其部位的巖石達到熱平衡的時間不同，從而巖石熱導(dǎo)率之間形成差異，說明俯沖帶許多重要的地質(zhì)特征都與俯沖帶所特有的熱結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，對皖西地區(qū)巖石熱導(dǎo)率的進一步研究，應(yīng)需要建立在該俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)模型之上。

區(qū)內(nèi)地表熱流總體表現(xiàn)出北段、中段高、南段較低的變化特點，同時，研究區(qū)內(nèi)的巖石生熱率平均值為4.63μW/ m3，具有明顯的產(chǎn)熱表征。李學(xué)禮等（1993）指出，古老而穩(wěn)定基底具有較低且均一的熱流值，而年輕的造山帶和斷裂帶則具有較高而分散的熱流值。皖西地區(qū)大面積地處大別山碰撞造山帶的東段，中生代構(gòu)造-巖漿活動強烈。區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育明顯，規(guī)模較大，其中曉天-磨子潭深大斷裂是區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)構(gòu)造，對研究區(qū)熱流的運移影響較大，形成了重要的熱儲構(gòu)造。強烈的構(gòu)造熱活動、擠壓褶皺和韌性走滑活動，促使區(qū)內(nèi)處于地質(zhì)活動較為活躍的地塊，造成古老地殼物質(zhì)的重熔再造過程，因此，在區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育的北段與中段，表現(xiàn)出較高的地表熱流值。居里面埋深定量反演計算結(jié)果同樣顯示研究區(qū)域內(nèi)的居里面埋深起伏較大，六安-英山剖面居里面平均埋深約為24km，剖面縱穿合肥盆地、北淮陽及東大別造山帶，起伏較大約為11km，于霍山地區(qū)下方的居里面埋深起伏最為明顯，地震事件也相對密集（徐如剛等，2012），指示為研究區(qū)內(nèi)的幔源熱量遷移，提供良好的地質(zhì)條件。

區(qū)內(nèi)不同地段所反映的熱流值不同，指示了巖石礦物特征、大地構(gòu)造特征對巖石圈熱結(jié)構(gòu)方面的影響，同時也表現(xiàn)了區(qū)內(nèi)熱結(jié)構(gòu)演化特征，構(gòu)造活動越強烈的地區(qū)，越有利于域內(nèi)熱能傳導(dǎo)。因此，深入研究區(qū)域內(nèi)地表熱流數(shù)據(jù)，進一步加強區(qū)內(nèi)巖石熱物性和放射性集中層厚度的研究，對區(qū)分地表熱流殼幔分配比、探明區(qū)域巖石圈熱結(jié)構(gòu)，以及干熱巖儲量與潛力評估都具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

本文通過對皖西地區(qū)實測熱導(dǎo)率和地表熱流數(shù)據(jù)收集整理，得到以下結(jié)論：

1）皖西地區(qū)熱導(dǎo)率與地表熱流平均值分別為2.65W/mK、75.04mW/m2，總體表現(xiàn)為北段、中段的地表熱流值與地溫梯度略高于南段。

2）花崗巖生熱率介于1.35～13.81μW/ m3，平均值為4.63μW/ m3，明顯高于世界范圍內(nèi)花崗巖生熱率。

2）根據(jù)熱導(dǎo)率與地表熱流的不均一性，表明了區(qū)內(nèi)巖石圈熱結(jié)構(gòu)受巖石熱物性和構(gòu)造動等因素的直接影響，構(gòu)造活動越強烈，越有利于巖石熱能傳導(dǎo)。

He L. 2015. Thermal regime of the North China Craton: Implications for craton destruction[J]. Earth-Science Reviews, 140: 14-26.

趙平．1995．中國東南地區(qū)巖石生熱率研究[D]．中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所．

林樂夫．2018．漳州花崗巖體放射性地球化學(xué)特征及華東南地區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)對比研究[D]．東華理工大學(xué)．

杜建國，張鵬，姜俊峰．1996．安徽北淮陽地區(qū)構(gòu)造巖相帶的劃分與對比[J]．安徽地質(zhì)，(1)：19-27．

陸三明，彭海輝，盛中烈．2002．北淮陽構(gòu)造帶東段鉛鋅礦找礦前景[J]．安徽地質(zhì)，12(2)：114-119．

黃凡，王登紅，陸三明，陳毓川，王波華，李超．2011．安徽省金寨縣沙坪溝鉬礦輝鉬礦Re-Os年齡-兼論東秦嶺-大別山中生代鉬成礦作用期次劃分[J]．礦床地質(zhì)，030(006)，1039-1057．

劉忠，陳海峰，胡飛平，張懷東．2020．安徽金寨傅家堂一帶鉛鋅銅多金屬找礦潛力評價[J]．四川地質(zhì)學(xué)報， 40(02)：212-215+241．

江來利，吳維平，儲東如，劉貽燦，張勇．2003．大別山北部碰撞后伸展-逆沖推覆構(gòu)造[J]．科學(xué)通報，(14)，83-89．

王勇生，盛勇，向必偉，張承云．2012，北淮陽淺變質(zhì)巖帶盧鎮(zhèn)關(guān)群變質(zhì)壓力及其對大別造山帶演化的指示[J]．地質(zhì)論評，（05）：865-872．

楊志堅．1982，試論桐柏-大別山地質(zhì)構(gòu)造演化特征[J]．地質(zhì)學(xué)報，(02)：123-135．

彭智，杜建國，陳芳，邱軍強，萬秋，董婷婷，湯金來．2015，北淮陽東段同興寺堿性巖體地球化學(xué)特征、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及其地質(zhì)意義[J]．地質(zhì)學(xué)報，(04)：701-714．

徐小軍，趙子福，鄭永飛，魏春生．2005，大別造山帶天柱山燕山期中酸性巖漿巖元素和同位素地球化學(xué)研究[J]．巖石學(xué)報，( 03 )：607-622．

商力．2012，安徽北淮陽地區(qū)燕山晚期巖漿巖成因及其大地構(gòu)造背景[D]，南京大學(xué)．

汪集旸，黃少鵬．1990．中國大陸地區(qū)地表熱流數(shù)據(jù)匯編(第二版)[J]．地震地質(zhì)，44(4)：351-366．

胡圣標(biāo)，何麗娟，汪集旸．2001．中國大陸地區(qū)地表熱流數(shù)據(jù)匯編(第三版)[J]．地球物理學(xué)報，44(5)：611-626．

楊義忠，王徽，蔡楊，李明輝，柳丙全．2018，北淮陽東段西湯池巖體地球化學(xué)特征、鋯石U-Pb定年及成因[J]．地質(zhì)學(xué)刊，42(02)：187-196．

RybachL，BodmerP，PavoniN，etal．1978．SitingCriteriaforheatextractionfromhotdryrock：ApplicationtoSwitzerland[J]．Pageoph，116(6)：1211～1224．

陳芳，彭智，邱軍強，董婷婷，柳丙全．2016．安徽金寨巖體地質(zhì)和地球化學(xué)特征及LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡[J]．地質(zhì)學(xué)報，90(05)：879-895．

汪集旸，胡圣標(biāo)，龐忠和，何麗娟，趙平，朱傳慶，饒松，唐曉音，孔彥龍，羅璐，李衛(wèi)衛(wèi)．2012．中國大陸干熱巖地?zé)豳Y源潛力評估[J]．科技導(dǎo)報，32：25-31．

王安東，孫占學(xué)，劉金輝，胡寶群，萬建軍，楊立中．2015．漳州地區(qū)巖石放射性地球化學(xué)特征及巖石圈熱結(jié)構(gòu)[J]．科技導(dǎo)報，33(24)：41-45．

李學(xué)禮，周文斌，張衛(wèi)民，孫占學(xué)．1993，江西省大地?zé)崃髋c鈾礦關(guān)系的初步研究[J]．鈾礦地質(zhì)，04：22-26．

徐如剛，張毅，王雷，朱志春，顧左文．2012．東大別地磁剖面磁異常的匹配濾波分析與地震研究[J]．西北地震學(xué)報，34(04)：383-387．

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師培養(yǎng)項目

鄭平（1982—），女，湖南永州人，高級工程師，主要從事地質(zhì)調(diào)查與資源勘查相關(guān)的生產(chǎn)、科研、教育教學(xué)工作

P314

A

1006-0995（2021）02-0306-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.024