山東地區(qū)中生代巖漿巖中放射性元素富集規(guī)律及其對大地?zé)崃鳟惓５闹甘疽饬x

陳勇 朱雪蕾 李偉 周瑤琪

摘要 ：為進(jìn)一步了解巖漿巖中放射性元素富集與大地?zé)崃鳟惓５南嚓P(guān)性，以山東地區(qū)中生代巖漿巖為研究對象，從巖石類型、元素含量、巖石形成年齡、放射性生熱元素Th、U豐度、大地?zé)崃鞯确矫孢M(jìn)行分析。結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)正長巖Th、U豐度最高，酸性巖和堿性巖的Th、U含量相對較高；Th、U元素與Si、K元素含量存在正相關(guān)，與Fe、Mg等其他主量元素存在負(fù)相關(guān)，與Nb、Ta、Pb及稀土元素也存在較為明顯的正相關(guān)；放射性元素豐度與大地?zé)崃鞔嬖谝欢ǖ恼嚓P(guān)，但還受到地殼厚度等多種因素的影響；研究進(jìn)一步揭示放射性元素、巖漿巖及地?zé)嶂g的關(guān)系，對山東地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞 ：山東地區(qū)； 中生代； 巖漿巖； 放射性元素； 大地?zé)崃?/p>

中圖分類號 ：P 597.1 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ：A

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Enrichment law of radioactive elements in Mesozoic magmatic rocks in ??Shandong and its implication for anomaly of terrestrial heat flow

CHEN Yong ?1，2 ， ZHU Xuelei ?1，2 ， LI Wei 3， ZHOU Yaoqi ?1，2

（1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.School of Geosciences in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

3.Shandong Energy Group， Jinan 250101， China）

Abstract ： In this study， an investigation was conducted to better comprehend the relationship between the concentration of radioactive elements in magmatic rocks and anomalies in terrestrial heat flow. The research focuses on Mesozoic magmatic rocks in Shandong province， analyzing various aspects including rock type， element content， rock formation age， abundance of radioactive thermogenic elements such as Thorium （Th） and Uranium （U）， and terrestrial heat flow. The findings indicate that syenite exhibits the highest concentration of Th and U elements， while acid and alkaline rocks also display relatively elevated level of these elements. Th and U elements are positively correlated with Silicon （Si） and Potassium （K） elements， but negatively correlated with major elements such as Fe and Mg. Additionally， there is a positive correlation observed with Nb， Ta， Pb， and rare earth elements. Moreover， a certain relationship is established between the abundance of radioactive elements and terrestrial heat flow， but this relationship is also influenced by various factors， including the crustal thickness. This study further reveals the relationship among radioactive elements， magmatic rocks， and geothermal energy. It serves as a valuable reference for the development and utilization of geothermal resources within Shandong province.

Keywords ： Shandong province; Mesozoic; magmatic rock; radioactive elements; terrestrial heat flow

在能源枯竭、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳排放的三重壓力下，尋找和開發(fā)新的清潔可再生能源愈發(fā)重要。地?zé)豳Y源作為一種清潔、穩(wěn)定的可再生能源受到各國的廣泛關(guān)注。地?zé)豳Y源在一定程度上可以用地表熱流來反映。Birch等 ?［1］ 結(jié)合巖石圈熱結(jié)構(gòu)，提出地表熱流主要由地殼熱流和地幔熱流組成。在地殼熱流研究中，Jaupart等 ?［2］ 認(rèn)為大陸地殼的平均熱生產(chǎn)估計值低于1 μW/m 3，Hasterok和Webb ?［3］ 認(rèn)為花崗巖的熱生產(chǎn)率平均為3.54 μW/m 3，遠(yuǎn)高于大陸地殼的平均熱量，花崗巖代表地殼總熱生產(chǎn)率中明顯的異常。花崗巖中異常的熱量主要是由于放射性生熱元素（U、Th和 ?40 K）的衰變產(chǎn)生，占地表熱通量的很大一部分，并強(qiáng)烈影響地殼和巖石圈的熱狀態(tài) ?［4］ 。因此巖石中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量是地?zé)嵫芯康年P(guān)鍵 ?［5］ 。放射性元素主要富集在上地殼中，巖漿活動和構(gòu)造運動可以增加局部熱流。山東地區(qū)位于太平洋西岸高熱流帶 ?［6］ ，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，特別是中生代，地殼活動強(qiáng)烈，巖漿活動頻繁，巖漿巖分布廣泛，地?zé)豳Y源豐富。筆者以山東地區(qū)中生代巖漿巖為研究對象，分析巖漿巖中放射性元素的富集規(guī)律與大地?zé)崃鞯年P(guān)系，以期為山東地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用提供借鑒意義。

1 ?山東地區(qū)中生代巖漿巖時空分布特征

山東地區(qū)位于中國大陸東部，被郯廬斷裂帶劃分為魯東和魯西兩個明顯不同的地塊，其中魯西地區(qū)和五蓮—即墨斷裂以北屬于華北板塊，五蓮—即墨以南屬于揚子板塊 ?［7］ 。山東地區(qū)地層發(fā)育較為齊全，以中、新生代地層出露最廣。山東地區(qū)構(gòu)造運動復(fù)雜，各時代巖漿巖均有出露，中、新太古代、中生代、新生代火山活動劇烈，其他年代均以巖漿侵入活動為主 ?［8］ 。中生代揚子板塊與華北板塊俯沖碰撞，巖石圈強(qiáng)烈減薄，太平洋板塊俯沖導(dǎo)致大規(guī)模的巖漿活動，巖漿巖出露面積廣，約占全省陸地面積的20% ?［9］ （圖1）。強(qiáng)烈的構(gòu)造和巖漿活動導(dǎo)致山東地區(qū)水熱活動異常，地?zé)豳Y源豐富。

1.1 時間分布特征

如圖2所示，山東地區(qū)中生代的巖漿活動可劃分為晚三疊世、晚侏羅世、早白堊世、晚白堊世4個階段，以早白堊世巖漿巖分布最廣。

晚三疊世巖漿巖主要分布在膠東地區(qū)，多為花崗巖類侵入體。晚侏羅世巖漿巖在膠東地區(qū)發(fā)育高鍶花崗巖，在魯西地區(qū)主要為高鎂中基性侵入巖 ?［8］ 。早白堊世侵入巖以花崗巖類規(guī)模最大，膠東地區(qū)可分為高Ba、Sr花崗巖類和富堿質(zhì)花崗巖類；魯西發(fā)育高鎂閃長巖類、高鉀鈣堿性花崗巖類等 ?［8］ ?；鹕綆r總體為高鉀堿鈣性巖系—橄欖安粗巖系，不同區(qū)域的火山巖體具有不同的化學(xué)成分特點 ?［8］ 。晚白堊世巖漿侵入強(qiáng)度減小，以噴出作用為主，主要發(fā)育高鈦堿性玄武巖 ?［8］ 。

1.2 空間分布特征

膠東地區(qū)和魯西地區(qū)巖漿活動存在很大差異。膠東地區(qū)長期處于相對活動的華北板塊東南緣，地質(zhì)演化復(fù)雜，侵入巖體多成片分布，規(guī)模較大，以花崗巖類為主，其次為閃長巖類?；鹕綆r受構(gòu)造控制，分布在沂沭斷裂帶及其兩側(cè)的斷陷型陸相火山巖盆地，以白堊紀(jì)為主。魯西地區(qū)長期處于華北板塊的內(nèi)部，構(gòu)造巖漿活動較弱，巖漿巖分布少，輝長巖類為主，其次為閃長巖，同時發(fā)育一定數(shù)量的堿性巖?；鹕綆r以中、基性巖為主，分布于鄒平、臨朐等斷陷盆地中，形成時間多在早白堊世。

2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

本研究中使用的數(shù)據(jù)來自前人對山東地區(qū)中生代巖漿巖的研究結(jié)果，數(shù)據(jù)包括巖石類型、年齡、分布、主微量元素含量及大地?zé)崃髦档?，?shù)據(jù)總計約為5000個。本研究通過對前人數(shù)據(jù)的整理匯總，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提取與山東地區(qū)巖漿巖中與放射性元素Th、U含量相關(guān)的因素，借助Excel、Origin、Coreldraw等軟件繪制圖件讓數(shù)據(jù)可視化，從而對數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)，進(jìn)而得到放射性元素的富集特征及影響因素等結(jié)論。

3 放射性元素富集特征

放射性元素U、Th、 ?40 K是主要的生熱元素，由于Th、U元素在巖漿巖中的含量及衰變產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)高于 ?40 K ?［22］ ，對地表熱流的貢獻(xiàn)量大，所以主要以Th、U為研究對象。Th、U作為典型的不相容元素大離子親石元素，在巖漿熔融過程中優(yōu)先分配到熔體中，因而在花崗巖中最為富集，花崗巖中的副礦物為Th、U元素主要的載體，在Th、U元素進(jìn)入礦物時分配系數(shù)也受到巖漿成分、物理化學(xué)條件的影響 ?［23］ ，所以巖漿的源區(qū)和演化制約巖石中Th、U含量。具體到山東地區(qū)中生代的巖漿巖，其Th、U元素的豐度受很多因素的影響。

3.1 不同巖性中放射性元素含量特征

山東地區(qū)出露的侵入巖類型多樣。分析結(jié)果顯示（圖3），在不同類型的侵入巖中，正長巖Th含量最高，Th含量可達(dá)2038 μg/g，U含量可達(dá)274 μg/g，遠(yuǎn)超地殼巖石中Th、U的平均含量，山東地區(qū)正長巖出露較少，正長巖的樣品數(shù)偏少，結(jié)果具有較大的不確定性。其次為花崗巖，Th含量可達(dá)1552 μg/g，U含量可達(dá)333 μg/g；二長巖Th、U含量分別為844、156 μg/g；閃長巖Th、U含量為590、136 μg/g。基性巖中輝長巖Th、U含量較低，分別為126、034 μg/g，但部分地區(qū)出露的堿性輝長巖Th、U含量高，其含量可分別達(dá)1950、295 μg/g。酸性巖和堿性巖中富集不相容元素，其Th、U元素豐度較高。除此之外，輝綠巖中Th、U含量較輝長巖高，分別為587、099 μg/g，但由于數(shù)據(jù)較少，可能存在較大誤差。

山東地區(qū)出露的火山巖類型多樣。在流紋巖、英安巖、安山巖及玄武巖中，流紋巖的Th含量最高，Th含量平均為1484 μg/g，U含量平均為202 μg/g；其次為英安巖，其Th、U含量分別為1284、217 μg/g；安山巖含量較低，平均為611、151 μg/g；玄武巖的Th、U含量最低，分別為410、124 μg/g。粗面巖和粗安巖等堿性巖的Th、U含量相對較高。粗面巖的Th、U含量分別為1430和191 μg/g；粗安巖的Th含量較粗面巖低，為914 μg/g，但其U含量稍高于粗面巖，為213 μg/g。該區(qū)出露的火山碎屑巖有流紋質(zhì)凝灰?guī)r和玄武質(zhì)火山角礫巖，其Th、U含量高。流紋質(zhì)凝灰?guī)rTh、U含量分別為2018、345 μg/g；玄武質(zhì)火山角礫巖Th、U含量分別為1071、204 μg/g。

Th和U傾向于富集副礦物中，大多數(shù)副礦物富集于巖漿作用后期的產(chǎn)物中，即酸性巖中。因此酸性巖相較于基性巖，其放射性元素Th、U的含量較高。此外堿質(zhì)含量的增加對放射性元素含量也具有一定的影響。在某些含堿質(zhì)高的基性巖其放射性元素含量也很高。而在巖漿性質(zhì)相似時，侵入巖和火山巖中放射性元素含量相差不大。

3.2 不同時期巖漿巖放射性元素豐度特征

膠東地區(qū)侵入巖廣泛分布，前人對膠東地區(qū)侵入巖研究較多，數(shù)據(jù)較為豐富，所以以膠東地區(qū)侵入巖來研究放射性元素豐度的時代特征。三疊紀(jì)巖體的放射性元素豐度最高，侏羅紀(jì)巖體的放射性元素豐度最低，白堊紀(jì)巖體放射性元素豐度變化較大，這可能與巖石類型有關(guān)。晚三疊世巖漿巖以堿質(zhì)含量較高為特征。晚侏羅世主要發(fā)育鈣堿系列的侵入巖。早白堊世巖體分布廣泛，類型復(fù)雜，部分高鉀鈣堿系列侵入體中Th、U含量高。

研究的巖石年齡集中在110～150 Ma。巖石年齡主要由鋯石定年得出。分析結(jié)果顯示（圖4），巖石年齡較小的，其Th、U元素含量相對較高，約在120 Ma，

出現(xiàn)Th、U元素含量的峰值，此時正是巖漿 活動的峰期，對應(yīng)華北克拉通破壞高峰期。山東地區(qū)中生代巖漿巖演化過程存在著基性到酸性的旋回 ?［10］ ，在此過程中SiO ?2 含量逐漸富集，長英質(zhì)含量的增加，也有利于Th、U元素的富集。

3.3 不同地區(qū)放射性元素豐度特征

分析結(jié)果所示（圖5），膠東與魯西地區(qū)的侵入巖Th、U豐度差異很大，膠東地區(qū)的Th、U含量明顯高于魯西地區(qū)。膠東地區(qū)Th含量平均為1555 μg/g， U含量為3.24 μg/g；魯西地區(qū)Th含量平均為3.09 μg/g，U含量為083 μg/g。

膠東地區(qū)與魯西地區(qū)的火山巖相比，Th、U含量差距不如侵入巖差距大，Th含量平均為13.74 μg/g，U含量為1.83 μg/g；魯西地區(qū)Th含量平均為5.36 μg/g，U含量為1.37 μg/g。

膠東地區(qū)巖漿巖的放射性元素豐度較魯西地區(qū)高，主要是因為巖性不同。兩者侵入巖巖性差異大，火山巖巖性較為接近，其侵入巖Th、U豐度差異明顯，火山巖豐度差異較小，所以山東地區(qū)中生代巖漿巖的放射性元素含量受巖性影響明顯。

4 討 論

4.1 主量元素與放射性元素豐度相關(guān)性

火成巖樣品中的熱量隨著SiO ?2 和K ?2 O含量的增加而增加，隨著MgO等含量的增加而減少，由于產(chǎn)熱元素在熔化過程中不兼容，在低度部分熔融時，它們往往會增加濃度，并在熔體開始結(jié)晶時留在熔體中，低度的部分熔融和結(jié)晶都傾向于增加熔體中的SiO ?2 濃度，因此基性巖的熱量產(chǎn)生往往較低 ?［3］ 。在火成巖樣品中，熱含量隨K ?2 O含量的增加而增加，因為K是一種產(chǎn)生熱量的元素，與U、Th濃度相對高度相關(guān)。

分析結(jié)果顯示（圖6），巖石中 w （SiO ?2 ）對Th、U豐度存在一定的影響。 w （SiO ?2 ）增加，Th、U含量有微弱的增加趨勢，且SiO ?2 與Th元素之間相關(guān)性更好，Th/U隨 w （SiO ?2 ）的增加呈現(xiàn)上升趨勢。另外，在 w （SiO ?2 ）約為68% 時，Th、U含量存在一個小的峰值，表明在 w （SiO ?2 ）為68%時，巖石中Th、U元素豐度較高。

巖石中堿質(zhì)含量對Th、U豐度存在一定的影響。堿質(zhì)含量增加，Th、U含量有較為明顯的增加趨勢，且與Th元素含量之間相關(guān)性更好。Na、K中，K元素對Th、U含量的影響性更大，Na元素對與Th、U元素含量影響性不大。

隨著SiO ?2 含量的增多，Ca、Mg、Fe等元素含量一般會相對減少。Th、U元素與CaO、MgO含量的變化也表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的趨勢。

4.2 微量元素與放射性元素豐度相關(guān)性

Th、U作為不相容元素，其含量變化與其他不相容元素有一定的相關(guān)性。分析結(jié)果中（圖7），Rb等元素與Th、U元素均屬于不相容元素，在巖漿熔融過程中傾向于在流體中富集，因此其含量具有一定的相關(guān)性。隨著Rb等元素含量的增加，Th、U元素含量均呈現(xiàn)上升趨勢。

稀土元素具有親石性，富硅體系中礦物/熔體間的分配系數(shù)一般高于基性體系。分析結(jié)果（圖8）顯示，Th、U元素隨著稀土元素的逐漸富集其含量均呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是對于輕稀土元素，其變化趨勢更加顯著。研究樣品的δEu主要集中在1附近，且可以比較明顯的看出，相對富集Eu的部分Th、U含量較低，虧損Eu的部分Th、U含量較高。Eu的負(fù)異常通常被認(rèn)為是斜長石和鉀長石的結(jié)晶分離，這是堿性巖和酸性巖的特征，因此其Th、U含量較高。

4.3 放射性元素豐度與大地?zé)崃鞯年P(guān)系

大地?zé)崃魇且詿醾鲗?dǎo)的方式傳遞到地表的地球深部的能量，主要由地殼熱流和地幔熱流組成，地殼熱流與地殼巖石中放射性生熱元素U、Th、 ?40 K的放射性衰變生熱有關(guān)，地幔熱流為來源于地球深部的熱量。因此放射性元素的豐度與大地?zé)崃髦荡嬖诿芮械年P(guān)系。

山東地區(qū)構(gòu)造演化復(fù)雜，大地?zé)崃髦递^高。如圖9所示，膠東地區(qū)整體的大地?zé)崃髦递^高，僅有極少處熱流值低于65 mW/m ?2 ；魯西地區(qū)整體熱流值較膠東低，在魯西地區(qū)中部，存在著大地?zé)崃鞯牡椭祬^(qū)，熱流高值區(qū)屬于潛凸地區(qū) ?［6］ 。

在膠東地區(qū)（圖9），大地?zé)崃髦档母咧祬^(qū)與巖漿巖的分布對應(yīng)性較好；在魯西地區(qū)，大地?zé)崃髋c巖漿巖體分布的對應(yīng)性不好。在魯西地區(qū)大地?zé)崃髦蹈咧祬^(qū)內(nèi)，很少有巖漿巖的分布，但其大地?zé)崃髦祬s很高，接近山東地區(qū)大地?zé)崃髦档姆逯?。在魯西地區(qū)中部，分布有晚侏羅紀(jì)和早白堊紀(jì)的巖漿巖體，但其大地?zé)崃髦祬s是全省最低區(qū)。

產(chǎn)生這種差異的原因，推測有以下幾點：

（1）巖漿巖的類型與分布。膠東地區(qū)和魯西地區(qū)的巖漿巖巖性存在差異，膠東地區(qū)巖漿巖中放射性元素Th、U豐度高，魯西地區(qū)整體偏低。另外膠東地區(qū)巖漿巖分布面積廣、巖體厚度大；魯西地區(qū)巖漿巖分布零散，巖體規(guī)模小，前者對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)明顯。

（2）地殼厚度。膠東地區(qū)較魯西地區(qū)處于板塊邊緣，在中生代時地殼減薄達(dá)到峰值。膠東地區(qū)和魯中北部熱流高值區(qū)比魯西中部熱流低值區(qū)地殼普遍減薄約數(shù)千米，魯西地殼最大厚度達(dá)40 km，一般為37～38 km，膠東地殼厚度為32～34 km ??［37］ 。因此膠東地區(qū)的地幔熱流貢獻(xiàn)值可能較魯西地區(qū)高。

（3）斷裂及蓋層條件。膠東地區(qū)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，各級斷裂廣泛存在，具有良好的導(dǎo)熱條件，魯西地區(qū)斷裂不如膠東地區(qū)發(fā)育。魯西地區(qū)大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)位于潛凸起區(qū)，具有良好的蓋層條件，保溫作用較好。所以山東地區(qū)巖漿巖中放射性元素與大地?zé)崃髦g具有一定的相關(guān)性。但兩者之間的關(guān)系，需要綜合考慮巖體密度、地殼厚度等多種因素，這將作為揭示兩者之間相關(guān)性的關(guān)鍵所在。

5 結(jié) 論

（1）山東地區(qū)中生代巖漿活動強(qiáng)烈，受華北板塊與揚子板塊碰撞及太平洋板塊向亞歐板塊俯沖影響，形成一系列巖漿巖，其中以早白堊世巖體出露最為廣泛。膠東地區(qū)巖漿巖以中酸性為主，其放射性元素Th、U含量較高；魯西地區(qū)以偏基性為主，其放射性元素Th、U含量低。

（2）放射性元素Th、U豐度受巖石中堿質(zhì)含量的影響。巖石中堿質(zhì)含量，尤其是鉀含量高者，放射性元素Th、U豐度高。

（3）放射性元素Th、U含量與部分元素含量存在一定的相關(guān)性。Th、U元素與Si、K存在較為明顯的正相關(guān)，與Fe、Mg等存在較為明顯的負(fù)相關(guān)；Th、U與Zr、Nb、Ta、Hf等不相容微量元素呈明顯的正相關(guān)，與相容元素之間關(guān)系不明顯；Th、U元素與稀土元素呈明顯的正相關(guān)，輕稀土的相關(guān)性更好。

（4）山東地區(qū)大地?zé)崃髦蹬c中生代巖漿巖分布具有一定的關(guān)系，巖漿巖分布的地方大地?zé)崃髦递^高。但在西部和北部大地?zé)崃髦蹈咧祬^(qū)，中生代巖漿巖幾乎沒有分布，這可能是受到地殼厚度與地幔熱流的影響。

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（編輯 李 娟）