华夏地块花岗岩生热率特征及其对地温场的影响_李科甫.pdf
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1、石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期:259-289华夏地块花岗岩生热率特征及其对地温场的影响李科甫1,2,朱传庆1,2*1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 1022492 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249*通信作者,收稿日期:2023-03-20国家重点研发计划课题(2021YFA0716003)资助摘要 中国华南地区的华夏地块位于欧亚大陆东南缘,是我国重要的矿产、地热资源区。经历了多期次的构造事件,使得区内广泛分布着不同构造期花岗岩。花岗岩类在地球及其热状态的动力学和演化中发挥着特殊的作用,其放射性衰变产生的热量是地球上的主要
2、热源之一。我国高放射性产热型干热岩资源主要分布于华南地区,以放射性元素的衰变热为主要热源,岩性主要为花岗岩。本文通过对华南地区花岗岩数据统计,分析了华南不同地区、不同花岗岩类型的生热率情况,总结了研究区花岗岩放射性生热特征及其与大地热流之间的关系,对认识研究区地温场主控因素及地热资源分布的宏观背景具有参考价值。本文基于华南地区 1933 个花岗岩样品的地球化学分析得到如下认识:(1)花岗岩生热率范围 0.4017.45 W/m3,平均生热率为 4.462.66 W/m3,同时根据大地热流与生热率分布情况,两者有着较好的对应关系;(2)放射性生热元素U、Th、K的生热贡献率分别为 49.45%、
3、40.16%和 10.39%,同时,U、Th浓度和Th/U比值变化较大,与年龄无明显相关性;(3)三种类型花岗岩生热率存在差异,I型花岗岩平均生热率明显低于A型和S型花岗岩平均生热率,值为 3.862.43 W/m3,A型和S型花岗岩平均生热率分别为 5.552.91 W/m3和 5.002.58 W/m3;(4)利用蒙特卡罗方法计算得到华南燕山期花岗岩平均产热量为 99.01105 GJ/a,折合成标准煤为 3.38105 t/a,印支期花岗岩平均产热量为63.13105 GJ/a,折合成标准煤为 2.15105 t/a;(5)两种地壳模型的计算表明,花岗岩在华南大地热流贡献中有着重要作用,
4、沉积地层覆盖区域,地壳放射性生热对地表热流贡献为 29.13 mW/m2,占总热流值的 41.61%;侵入岩出露区域,地壳放射性生热对地表热流贡献为 43.85 mW/m2,占总热流值的 51.76%。关键词 花岗岩;生热率;放射性生热元素;产热量;大地热流Heat generation rate of granite in the Cathaysia block and its influence on geothermal fields,Southeast ChinaLI Kefu1,2,ZHU Chuanqing1,21 College of Geosciences,China Univ
5、ersity of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,China2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,ChinaAbstract The South China Cathaysia block is located in the southeast margin of the Eurasian plate,and is an important mineral and ge
6、othermal resource area in China.After several tectonic events,granites of different tectonic stages are widely distributed in 引用格式:李科甫,朱传庆.华夏地块花岗岩生热率特征及其对地温场的影响.石油科学通报,2023,03:259-289LI Kefu,ZHU Chuanqing.Heat generation rate of granite in the Cathaysia block and its influence on geothermal fields,S
7、outheast China.Petroleum Science Bulletin,2023,03:259-289.doi:10.3969/j.issn.2096-1693.2023.03.02020162023 中国石油大学(北京)清华大学出版社有限公司 石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期the area.Granitoids play a special role in the dynamics and evolution of the Earth and its thermal state,and the heat generated by their radioa
8、ctive decay is one of the main heat sources on Earth.The high radioactive heat-producing hot dry rock resources are mainly distributed in South China,and the decay heat of radioactive elements is the main heat source,and the lithology is mainly granite.Based on the statistics of granite data in Sout
9、h China,this paper analyzes the heat generation rate of different granite types in different areas of South China,and summarizes the radioactive heat generation characteristics of granite in the study area and the relationship between them and terrestrial heat flow,which has reference value for unde
10、rstanding the main controlling factors of the geothermal field and the macro background of geothermal resource distribution in the study area.Based on the geochemical analysis of 1933 granite samples in South China,the following results are obtained:1)The heat generation rate of granite ranges from
11、0.40 to 17.45 W/m3,with an average heat generation rate of 4.562.66 W/m3,and there is a good corre-spondence between them according to the distribution of ground heat flow and heat generation rate;2)The contribution rates of radiothermic elements U,Th and K were 49.45%,40.16%and 10.39%,respectively.
12、At the same time,the concentrations of U,Th and Th/U varied greatly,and there was no obvious correlation with age;3)There are differences in the heat generation rate of the three types of granite(Type I、A and S).The average heat generation rate of type I granite(3.862.43 W/m3)is significantly lower
13、than the average heat generation rate of type A and type S granite,which are 5.552.91 W/m3 and 5.02.58 W/m3,respectively;4)A Monte Carlo method is used to calculate that the average heat yield of the Yanshanian granite in South China is 99.01105 GJ/a(1 GJ/a=109 J/a),which is converted into standard
14、coal 3.38105 t/a,and that of Indosinian granite is 63.13105 GJ/a,which is converted into standard coal 2.15105 t/a;5)The calculation of two crustal models shows that granite plays an important role in the contribution of earth heat flow in South China.In the area covered by sedimentary strata,the co
15、ntribution of Earths radioactive heat generation to surface heat flow is 29.13 mW/m2,accounting for 41.61%of the total heat flow value.In the area of intrusive rock exposure,the contribution of crustal radioactive heat generation to surface heat flow is 43.85 mW/m2,accounting for 51.76%of the total
16、heat flow value.Keywords granite;heat generation rate;radioactive heat-generating elements;heat production;heat flowdoi:10.3969/j.issn.2096-1693.2023.03.0200 引言地壳岩石中所含的放射性元素在衰变过程中不断地释放能量,产生热量,是地壳热量的主要来源之一1-2。在地球物理研究背景下,岩石中放射性衰变产生的热量在了解地球热历史和解释大陆热流数据方面起着重要作用3-4。放射性元素U、Th、K含量在地壳各类岩石中并不均匀5-10,酸性岩中U、Th含
17、量一般最为富集,基性岩U、Th含量最少。花岗岩作为常见的酸性岩,一般具有高浓度放射性元素,并且在上地壳岩石组成中占据主导地位,厚度通常为 10-20 km11-13,因此,其放射性元素生热对地表热流的贡献非常巨大。根据岩浆源区性质一般将花岗岩分为四类,A型、S型、I型和较为少见的M型14-20。目前,对于四类花岗岩生热研究较少,本文基于前人所报道的花岗岩地化数据,对四类花岗岩生热差异进行分析。主体属于华夏地块的我国东南沿海地区具有高热流值特点,平均热流值在 70 mW/m2左右,高于全国大陆平均热流值 61.5 mW/m2 21-23,经过多期构造事件,区内分布着大量不同期次花岗岩24-27。
18、华南沿海地区大部分温泉的地下水活动受控于花岗岩体,其热源主要是来源于晚中生代花岗岩的放射性生热22。因此,研究华夏地块花岗岩放射性生热情况对了解华南地区现今地温场、大地热流情况以及地热资源量等有着重要作用。前人已指出,我国高放射性产热型干热岩资源主要分布于华南地区,以放射性元素的衰变热为主要热源,岩性主要为花岗岩28。本文通过对华南地区花岗岩数据统计,分析了华南不同地区、不同花岗岩类型的生热率情况,总结了研究区花岗岩放射性生热特征及其与大地热流之间的关系,对认识研究区地温场主控因素及地热资源分布的宏观背景具有参考价值。1 地质背景中国华南地区位于欧亚大陆东南缘,是我国重要的矿产、地热资源区。华
19、南由扬子和华夏两大块体组成,地质构造活动频繁,经历了至少 4 期区域规模的地球动力学事件,分别为新元古代早中期的板块俯冲-聚合与裂解事件、早古生代晚期的陆内造山与花岗岩浆事件、早中生代的陆内再造事件与晚中生代构造体制转换和太平洋俯冲背景下的构造伸展-巨量岩浆活动事件29。在太平洋板块西向俯冲以及与俯冲相伴的地幔对流活动中,华南地区出现了多期岩浆-热事件,使得在整个华南区域,特别是华夏地块广泛分华夏地块花岗岩生热率特征及其对地温场的影响 261布着加里东期、海西期、印支期以及燕山期花岗岩,其中燕山期花岗岩分布最多30-31,花岗岩分布情况如图 1 所示。2 样品收集与生热率计算本次研究范围主要包
20、括华南地区的七个省份,分别为广东、广西、福建、海南、浙江、湖南、江西,主题以华夏地块为主,包括了扬子地块东缘的华南复合陆内造山区。本文收集并整理了共 1933 个花岗岩类数据(附录 1)32-200,广东 148 个32-48、广西 407个49-77、福 建 251 个78-104、海 南 184 个105-118,200、浙 江 277 个119-144、湖 南 401 个145-175、江 西 265个176-198,在确保都具有Th、U和K2O含量的情况下,尽量包括花岗岩类型、侵位年龄等信息。不同学者对于岩体放射性生热率计算提出了不同110E120E30N20N燕山期花岗岩印支期花岗岩
21、海西期花岗岩加里东期花岗岩前寒武花岗岩48 000 km0审图号:GS(2016)1600号图 1 华南地区花岗岩分布图(根据孙涛199;周云等200修改,黑色线条为扬子地块和华夏地块的分界)Fig.1 Distribution map of granite in South China(modified according to Sun Tao199;Zhou Yun et al200)262 石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期的计算公式4,201。本文采取Rybach 4提出的岩石放射性生热率计算经验公式,公式如下:A=10-5(9.52CU+2.56CTh+3.48
22、CK)(1)其中,A为岩石放射性生热率,单位为W/m3;为岩石密度,单位为kg/m3;Cu、CTh分别为岩石放射性元素U、Th的含量,单位为ppm;Ck为岩石中K的质量分数,单位为%。本次研究采用的岩石密度选用华南地区不同岩性岩石平均密度或选取近似岩类的平均密度值进行计算5,普通花岗岩、石英二长岩和石英正长岩选用 2.677 g/cm3,花岗闪长岩和石英闪长岩选用2.689 g/cm3。3 结果与讨论3.1 华南地区花岗岩生热率华 南 花 岗 岩 生 热 率 值 较 广,从 0.40 W/m3 17.45 W/m3,其中有 1220 块样品数据位于 26 W/m3,占样品总数的 63.11%(
23、图 2)。根据计算结果,华南地区花岗岩平均生热率为 4.462.66 W/m3,这与赵平等5计算得到的华南地区花岗岩生热率 4.20 W/m3相近,高于Hasterok and Webb202所计算的花岗岩平均生热率 3.54 W/m3。各地区花岗岩生热率详见附录 1。根据图 3 显示,华南地区花岗岩生热率从前寒武至白垩纪整体上呈现出增加的趋势,这主要与放射性元素衰变有关,岩石中放射性元素经过长期衰变,浓度不断降低,导致生热率随之降低。华南不同时代花岗岩生热率最低值出现在前寒武,平均生热率为2.251.10 W/m3,略低于Liao et al203计算得到的晚元古代花岗岩生热率 2.41 W
24、/m3。本文根据华南不同地区的花岗岩生热率绘制了华南地区花岗岩生热率与大地热流简图(图 4),花岗岩生热率与地表热流有着较好的对应关系,低生热率区域相对于邻近区域热流值降低。由于数据信息限制,本图存在误差,仅供参考。志留纪花岗岩生热率表现出明显的突增性,对志留纪花岗岩样品信息进行分析之后,我们发现其成因表 1 华南各省花岗岩类样品个数Table 1 Number of Granite Samples in South China省份样品个数K2O含量/%U含量/ppmTh含量/ppm海南1840.258.410.6620.421.6385.00福建2511.337.040.5638.181.1
25、592.10广东1481.526.200.9156.901.29112.00广西4070.499.021.0045.201.3971.41浙江2770.337.970.5547.900.3387.30湖南4011.6413.300.7550.862.00170.94江西2651.146.011.1838.782.0973.20华南19330.2513.300.5556.900.33170.94图 2 华南花岗岩生热率柱状图Fig.2 Histogram of heat generation rate in South China05101520050100150200个数生热率/(m/m3)白
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