桂北豆乍山巖體放射性地球化學特征及其干熱巖資源潛力研究

2021-05-26 06:13:24王安東萬建軍

巖石礦物學雜志 2021年3期

譚雙，陳琪，王安東，萬建軍，黃劍，高翔

(1.核工業二三〇研究所，湖南長沙 410007；2.東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室，江西南昌 330013)

巖石圈內熱很大一部分是由一定豐度的長半衰期放射性元素U、Th和40K在衰變過程中所釋放的放射性衰變熱產生，這種衰變熱同時也是板塊構造運動與巖石圈演化的重要驅動力(Robinsonetal., 1971；Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；Kim，2001；汪集旸等，2012)。U、Th和K元素具有較強的活動性和不相容性，導致它們在地球上分布極不均勻，在不同類型、不同時代、不同地區巖石中的含量變化比較大(Robinsonetal., 1971；趙平等，1995；章邦桐等，1990；Portieretal., 2009；Wangetal., 2014；王安東等，2015)。開展巖石放射性生熱元素分布規律研究，對查清放射性衰變熱對地表熱流值的貢獻率以及厘清巖石圈熱結構都具有十分重要的意義(趙平，1995；萬建軍等，2015；王安東等，2015；楊立中，2016)。此外，巖石放射性生熱率參數是判斷干熱巖生熱能力的重要參數，是探討干熱巖潛力的一個重要指標。

廣西苗兒山礦田是我國鈾礦產的重要聚集地，自上世紀60年代以來陸續發現了一批鈾礦床/礦點(柏道遠等，2007；石少華等，2011a；吳昆明等，2016)。研究顯示，該地區花崗巖體與區域深大斷裂關系密切，苗兒山地區復雜的構造格架，對豆乍山、香草坪、張家等巖體中鈾礦化的形成與演化極為有利，為鈾活化轉移與富集成礦提供了得天獨厚的便利條件(黃宏業等，2008；郝義，2010；李嫵巍等，2010b，2011；陳琪等，2013)。根據中國東部至華南地區的花崗巖數據整體分析，上述花崗巖體中常富含U、Th、K元素，從而具有較強的放射性生熱能力。本文選擇桂北苗兒山中段豆乍山巖體未經風化的鉆孔巖石樣品進行放射性生熱元素含量和巖石密度測試，計算其放射性生熱率，探究放射性地球化學特征，并通過巖石熱導率數據，結合研究區地質學、地球物理及地熱學研究成果，剖析該地區巖石圈熱結構，為華南乃至全國的地熱和干熱巖型地熱資源的研究提供理論和數據基礎。

1 區域地質概況

苗兒山復式巖體規模較大，整個苗兒山巖體出露面積約為1 633 km2，跨越廣西資源縣和湖南新寧縣，為一個多期多階段花崗巖體構成的復式巖基，主要巖性為黑云母二長花崗巖和二云母二長花崗巖(石少華等，2010；胡歡等，2013)。其大地構造位置處于華南揚子板塊江南被動陸緣隆起帶的南緣，苗兒山-越城嶺花崗巖穹窿構造西翼，南東側為華夏島弧系(石少華等，2011b；歐陽平寧等，2012)。本文所研究豆乍山花崗巖體位于苗兒山復式巖體中部，出露面積約31.7 km2，巖性主要為中細粒二云母花崗巖，鋯石SHRIMP U-Pb年代學研究顯示其年齡為228±11 Ma，屬印支期晚三疊世巖漿作用的產物(謝曉華等，2008；李嫵巍等，2010a；柏道遠等，2014)。區內斷裂構造發育，主體為 NNE 向，同時發育多條次級斷裂，直接控制了鈾礦化的分布(圖1)。在豆乍山巖體內以及豆乍山與香草坪巖體接觸界線附近發現了一批鈾礦床，這些鈾礦床的分布亦指示了區內干熱巖地熱資源的開發潛力。

2 樣品采集與分析方法

選取不同位置鉆孔，對不同深度揭露巖心進行系統采樣，并選擇具有代表性的110個樣品進行分析測試，樣品新鮮未見明顯蝕變(圖2)。新鮮巖石樣品經室內處理后，首先用密度儀測定其密度，密度測試工作在核工業二三〇研究所分析測試中心完成，同一樣品進行多次測試，其結果顯示分析精度在±5‰誤差范圍內。樣品主量元素測試工作在核工業二三〇研究所分析測試中心內完成，儀器采用Rigaku ZSX100e型X射線熒光光譜儀。測試所需玻璃片制作步驟包括：① 稱取0.51～0.58 g的樣品，并加入樣品質量8倍的Li2B4O7熔劑，搖勻；② 在鉑金坩堝中加入1滴2% LiBr和1% NH4I混合助熔劑，倒入搖勻的混合樣品；③ 將上述坩堝置于1 150℃的加熱裝置下熔融后冷卻，使粉末樣品最終形成淺褐色、透明、完整的圓形玻璃片。若該過程未形成完整的玻璃片，則應重復上述②、③步驟。放射性生熱元素含量測定工作在核工業二三〇研究所分析測試中心完成，標樣監測結果顯示元素U和Th的分析精度在±5%誤差范圍內(ICP-MS法測定)，K2O的分析精度在±5%誤差范圍內(XRF法測定)。為進一步表征研究區的巖石圈熱結構特征，本次研究還從所采集的樣品中選擇15個代表性樣品進行導熱率測試，測試所用儀器為加拿大C-Thermal公司生產的TCi導熱系數分析儀，測試工作在東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室完成，標樣監測和5次重復測試結果顯示分析精度在±5%誤差范圍內。

圖 1 苗兒山復式花崗巖體中段地質簡圖(據胡歡等，2013)

3 巖石學及地球化學特征

豆乍山巖體主體巖性為中細粒二云母花崗巖，巖石樣品顏色呈灰白色-青灰色，造巖礦物為鉀長石(20%～25%)、斜長石(25%～30%)、石英(25%～30%)、黑云母(5%～8%)、白云母(5%～8%)，副礦物有鋯石、黑鎢礦、黃鐵礦、錫石、白鎢礦、電氣石、輝鉬礦、毒砂等(2%)。11個典型豆乍山花崗巖樣品主量元素分析見表1，其SiO2含量變化范圍為72.23%～75.33%，平均73.89%；K2O/Na2O值為1.20～1.74，平均1.54，全堿(K2O+Na2O)含量為6.75%～8.26%，平均7.81%，鋁飽和指數為1.09～1.27，平均1.14。總體上，該巖體花崗巖呈現出為富硅、偏堿性(且K>Na)、貧鈣、鋁過飽和及暗色組分含量少等特點，在地球化學分類圖解中，樣品集中落于酸性巖區域，屬于過鋁質高鉀鈣堿性系列，并歸為鎂質花崗巖大類(圖3)。

圖 2 豆乍山巖體野外露頭(a、b)、巖心手標本(c)及正交偏光顯微鏡下照片(d)

表 1 豆乍山巖體樣品主量元素數據表 wB/%

圖 3 豆乍山花崗巖地球化學分類圖解(a據Middlemost，1994；b，c，d據Frost et al., 2001)

4 巖石放射性地球化學特征

4.1 U、Th、K放射性地球化學特征

前人研究結果普遍認為，地球巖石圈內熱主要是由放射性元素在衰變過程中產生的熱量所提供的(Blairetal., 1976；Morgan，1984；Rybach，1988；汪集旸，1996；王貴玲等，2000；汪集旸等，2012)。巖石中各種礦物內部天然放射性元素種類眾多，而其中具有豐度高、半衰期長、生熱量高等條件的元素對巖石放射性生熱貢獻尤為突出(Robinsonetal., 1971；Rybach, 1988；胡圣標等，1994；鄧平等，2003)。放射性元素U、Th、K相對于其他元素對放射性貢獻相對較大，可認為是地殼巖石中放射性衰變熱的主要來源之一。因此，U、Th、K的含量特征是考量巖體放射性地球化學特征、評估干熱巖開發潛力的一個重要指標(趙平等，1995，2015)。

花崗巖樣品的U、Th、K含量分析測試結果見表2。花崗巖樣品中U含量變化范圍為4.90×10-6～54.80×10-6，平均17.49×10-6，Th含量變化范圍為2.96×10-6～45.80×10-6，平均27.54×10-6，K2O含量變化范圍為0.98%～7.32%，平均4.64%，Th/U值相對較為穩定，平均2.20。前人(沈渭洲等，1999；舒良樹等，2002；萬建軍等，2015；楊立中，2016；林樂夫等，2017)在華南地區的佛岡、諸廣、貴東、下莊以及熱水等巖體都開展了放射性地球化學方面的研究工作，研究顯示U含量的平均值變化范圍為9×10-6～18×10-6，Th含量的平均值變化范圍為31×10-6～51×10-6，K2O含量的平均值變化范圍為4.02%～5.43%。與華南等周邊其他地區巖體相比較，豆乍山巖體的U含量明顯高于華南地區均值(9.7×10-6，張祖還等，1991)。

表 2 豆乍山巖體U、Th、K含量、密度(ρ)及生熱率(QA)數據

4.2 放射性生熱率研究

巖石放射性生熱率是判定花崗巖體放射性生熱能力的重要參數，巖石生熱率(QA)是指一定體積的巖石在單位時間內由所含放射性元素通過放射性衰變所產生的能量，單位為μW/m3，可由實測巖石中U、Th、40K這3種放射性元素含量及巖石密度根據公式計算獲得(Rybach，1988)。本文采用Rybach 等(1988)提出且據天然放射性核參數修正過的元素生熱系數進行計算：QA=ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)/100；其中QA為巖石生熱率(μW/m3)，CU、CTh分別為巖石中U、Th含量(10-6)，CK為K含量(%)，ρ為巖石密度(g/cm3)。巖石放射性生熱率的計算結果見表2。

從表2可以看出，豆乍山巖體密度值在一定范圍內波動較小，變化范圍為2.47～2.66 g/cm3，平均2.57 g/cm3，與世界范圍內花崗巖密度的平均數值大致相同，Th/U值相對穩定，平均2.20。數學統計處理剔除異常值后，顯示豆乍山巖體具有相對較高的平均單位體積生熱率，變化范圍為3.18～14.53 μW/m3，平均6.46 μW/m3，大大高于世界范圍花崗巖放射性生熱率(2.5 μW/m3)的平均值，這也與前人(趙平等，1995；萬建軍等，2015；王安東等，2015；Sunetal.，2015；楊立中，2016；林樂夫等，2017)在華南其他花崗巖體研究結果(主要集中在5～8 μW/m3的范圍內)較為一致。

放射性生熱元素的熱貢獻率對于放射性生熱率是一個重要參數，可進一步精細判別不同元素對于放射性生熱的效率。按照上述公式計算的生熱率比重，巖石放射性生熱率主要是來自于U和Th的放射性衰變熱，而K的貢獻率基本在10%左右，相對較小，該結果與大部分地區一致(萬建軍等，2015；楊立中，2016；Wangetal.，2016；林樂夫等，2017)。不同生熱元素之間的熱貢獻比例因其半衰期的差異也會有一定的變化，232Th相對于234U和40K的半衰期較長，因此232Th的熱貢獻的相對比例逐漸增大(趙平等，2015)。從本次樣品U相對K的貢獻率與Th相對K的貢獻率的關系圖解上可直觀對比U和Th的相對貢獻率(圖4)，由圖4可以看出，豆乍山巖體數據點大多數都位于等分線的上半部分，即偏向于U相對于K的貢獻率一側，因此豆乍山巖體U的貢獻率相對較高，這與華南地區前人研究過的其他大部分巖體具有相似的特征(萬建軍等，2015；林樂夫等，2017)。

圖 4 豆乍山巖體與華南其他幾種巖體放射性生熱率對比(據林樂夫等，2017修改)

4.3 熱導率特征

熱導率值的大小是影響干熱巖熱量保存的重要因素之一，蓋層較低的熱導率將更有利于熱量保存(Rybachetal.，1978；Nyblade and Pollack，1993；王安東等，2015)。實驗結果見表3。通過對豆乍山巖體花崗巖的巖石熱導率研究，獲得本區巖石平均熱導率平均為3.388 W/mK，符合花崗巖熱導率數據3.14～3.60 W/mK，并且處于范圍的較低水平，顯示出本區地表蓋層巖石熱導率相對較低，具有能夠更好的保證地下熱能儲存的能力。

表 3 豆乍山巖體花崗巖樣品熱導率 W/mK

5 干熱巖潛力分析

由前文分析可知，豆乍山巖體花崗巖樣品U、Th、K2O含量的平均值分別為17.49×10-6、27.54×10-6、4.64%，Th/U值為2.20，巖石密度為2.57 g/cm3，單位體積生熱率平均值為6.46 μW/m3，以上各項數據都指示本區花崗巖屬于高產熱花崗巖(馬峰等，2015；黃昌旗等，2018)。

根據研究區所處的大地構造位置以及前人地球物理和鉆探資料顯示，豆乍山巖體所處的桂北地區地殼厚度均值為30 km左右(郝義，2010；楊海，2015)。另外，參照華南地區主要鈾礦床成礦深度、巖石圈有效彈性厚度、均衡重力、地震測深等數據，可進一步推測苗兒山地區放射性元素集中層厚度平均值為8 km(章邦桐等，1990；馬峰等，2015；萬建軍等，2015；林樂夫等，2017)。大地熱流值主要由地殼熱流值(Qc)和地幔熱流值(Qm)兩部分組成(Morgan，1984)，大地熱流值=Qc+Qm，其中Qc主要與地殼中U、Th、K元素豐度有關，而Qm來源于幔源巖漿底侵作用。由于放射性集中層主要位于中上地殼，因此地殼熱流可近似認為由巖體放射性衰變熱提供。前文放射性元素特征分析數據可知豆乍山巖體放射性生熱率為6.46 μW/m3，香草坪巖體放射性生熱率為6.00 μW/m3，可推算豆乍山巖體的地殼熱流值貢獻為51.68 mW/m2左右，香草坪巖體地殼熱流值貢獻為48.00 mW/m2，故可認為苗兒山地區地殼熱流值在48.00～51.68 mW/m2左右。根據周邊華南及南嶺地區前人研究結果，苗兒山地區地溫梯度取其平均值28℃/km，采用上地殼平均熱導率值2.57 W/mK，對大地熱流值進行初步估算為71.96 mW/m2(胡圣標等，2001；藺文靜等，2012；馬峰等，2015)。因此，地幔熱流值(Qm)為20.28～23.96 mW/m2(Morgan, 1984；林樂夫等，2017)，明顯低于地殼熱流值(Qc)，Qc/Qm>1，Qm對地表熱流值的貢獻率為30%左右。苗兒山地區為“熱殼冷幔”型巖石圈熱結構，其地熱能主要貢獻來源于地殼中花崗巖放射性元素衰變，地幔熱流貢獻稍小，但也占一定比例(Nyblade and Pollack, 1993；Wangetal., 2016)。

苗兒山地區構造活動明顯，區內發育大量NNE向斷裂，這些斷裂嚴格控制了花崗質巖體的分布以及成礦熱液流體活動，有利于放射性生熱元素的活化及深部熱流的運移。此外，還廣泛出露以凝灰巖、礫巖和夾沉積碎屑巖層為主要巖性的晚中生代-新生代陸相斷陷盆地，這對于生熱巖體熱量的保存有著得天獨厚的優勢，可形成一個完整的增強型地熱系統(Portieretal., 2009；Wangetal., 2014)。