豆保娜，王安東，丁 寧，陶繼華，萬建軍

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；3.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

地球內(nèi)熱主要由其自身余熱和放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱量(約占80%)組成(Pollacketal.，1993；Turcotteetal.，2001)。同時，地球內(nèi)熱也是推動整個地球形成、發(fā)展和演化的原動力，與地球內(nèi)熱有關(guān)的兩個重要參數(shù)分別是大地?zé)崃骱蛶r石放射性生熱率(汪集旸等，2015)。地殼巖石中含有多種放射性元素，這些放射性元素衰變所釋放出的熱量是地球內(nèi)熱的主要來源之一(汪集旸等，2001)。并不是所有的放射性元素都有地?zé)嵫芯恳饬x，只有同時滿足半衰期較長、衰變熱量較高以及具有足夠豐度3個條件的放射性元素才具有研究意義，U、Th、K 3種放射性元素具備上述條件，且對地球內(nèi)熱有足夠明顯的熱貢獻，屬于放射性生熱元素(趙平等，1995；吳耀等，2005；Wangetal.，2016)。大陸地區(qū)的地表熱流主要由地幔熱流和地殼內(nèi)放射性生熱元素U、Th、K的同位素衰變所產(chǎn)生的地殼熱流兩部分組成(胡圣標(biāo)等，1994；汪集旸等，2012；Erbek and Dolmaz，2019)，研究地殼中不同地區(qū)生熱元素的賦存狀態(tài)及其分布規(guī)律特征，對于限定大地?zé)崃鞯臍?幔分配、解釋地溫場的分布特征、尋找隱伏的增強型地?zé)嵯到y(tǒng)及研究巖石圈熱結(jié)構(gòu)等方面具有非常重要的意義(Kremenetskyetal.，1989)。

自20世紀60年代以來，人們開始對巖石放射性生熱率進行相關(guān)研究。Birch等(1968)根據(jù)美國部分地區(qū)巖體熱流和生熱率的聯(lián)合測量，首次提出了熱流和生熱率之間存在著線性關(guān)系，并提出了大地?zé)崃魇〉母拍?；隨后，大量研究者對不同地區(qū)不同類型生熱率開展了廣泛研究，如Ahmed等(2006)利用伽瑪射線光譜儀對埃及中東部沙漠巖石進行放射性元素分析，探討了放射性元素生熱率與巖石的類型有很大關(guān)系；Hasterok 等(2017)詳細綜述了世界范圍內(nèi)不同類型火成巖的放射性生熱元素和生熱率特征，并提出了相關(guān)理論解釋。國內(nèi)，沈顯杰等(1989)對西藏地區(qū)巖石放射性生熱率開展了研究，研究結(jié)果對西藏地?zé)岬拈_發(fā)利用產(chǎn)生了重要影響；趙平等(1995，1996)研究了中國東南地區(qū)巖石生熱率分布特征以及熱流和巖石生熱率的關(guān)系；21世紀以來，國內(nèi)越來越多專家學(xué)者開展了巖石放射性生熱率的相關(guān)研究工作，如西北地區(qū)油氣沉積盆地、青海共和盆地、福建、廣東、浙江、江西等，取得了豐碩的成果(邱楠生，2002；王安東等，2015；劉道榮等，2019；張超等，2020；曠健等，2020；宋爐生等，2020)。

安徽省是一個內(nèi)陸省份，位于中國東南部華東地區(qū)，地?zé)豳Y源豐富，開發(fā)利用潛力巨大，自20世紀50年代末以來在地質(zhì)地?zé)岱矫骈_展了大量工作，主要集中于一些淺層地?zé)崮艿鹊責(zé)豳Y源，然而有關(guān)安徽巖漿巖放射性生熱率的研究甚少。前人對兩淮煤田煤系地層巖石生熱率特征進行了研究(彭濤等，2016)；Wang等(2019)對郯廬斷裂帶南段的熱流、生熱率、熱結(jié)構(gòu)等進行研究表明：廬樅盆地?zé)崃髦底罡咔疑系貧r石放射性生熱率極高，為15～20 μW/m3，可能與局部U礦化作用有關(guān)。但整體上安徽省巖體放射性生熱率研究程度較低。本研究在安徽省不同地區(qū)共采集159塊樣品，并對其開展巖石密度和放射性生熱元素U、Th、K含量測試，并系統(tǒng)收集前人發(fā)表的安徽省1 240塊巖漿巖的U、Th、K生熱元素數(shù)據(jù)，結(jié)合安徽不同巖性巖漿巖平均密度，從而計算巖石放射性生熱率，探討安徽省巖漿巖放射性生熱率特征、放射性生熱元素的熱貢獻率以及巖石放射性生熱率對安徽省溫泉和干熱巖勘探等地?zé)豳Y源的意義，為安徽省后續(xù)地?zé)豳Y源勘查研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

安徽省跨華北與華南兩大區(qū)域，自太古宙以來各時代地層均有發(fā)育。安徽省地層整體上可劃分為華北地層區(qū)、揚子地層區(qū)和秦嶺-大別地層區(qū)等3個地層區(qū)：華北地層區(qū)位于安徽省西北部(六安-肥西-定遠-明光西北部分的地區(qū))，整個華北地層區(qū)大都被第四系所覆蓋，除部分地層缺失外，整個地層及其巖性較為發(fā)育；揚子地層區(qū)位于安徽省東南部(宿松-廬江-滁州東南部分的地區(qū))，地層缺失較少，發(fā)育較好；秦嶺-大別地層區(qū)則位于華北地層區(qū)和揚子地層區(qū)之間(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987)。

安徽省巖漿活動較為頻繁，主要發(fā)生在蚌埠期、晉寧期、燕山期和喜馬拉雅期等。巖漿巖出露面積超過13 000 km2，其中侵入巖占一半以上，并以大別山、長江中下游和皖南地區(qū)較為集中。自晚古生代至新生代，安徽省大地構(gòu)造經(jīng)歷了蚌埠旋回、鳳陽旋回、喜馬拉雅旋回等8個構(gòu)造旋回的演化過程，形成了一系列的斷裂和坳陷，主要有東西向斷裂、北北東向斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂、南北向斷裂、逆掩斷層及推覆構(gòu)造等。結(jié)合安徽省巖漿巖空間分布特征與區(qū)域構(gòu)造演化階段，安徽省巖漿巖帶自北向南可劃分為6個巖漿巖帶(圖1)，分別為：華北南緣巖漿巖帶、北淮陽巖漿巖帶、大別巖漿巖帶、下?lián)P子巖漿巖帶、皖南巖漿巖帶和浙西巖漿巖帶(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987)。

2 樣品采集及分析測試方法

2.1 樣品采集與收集

安徽省巖漿巖巖石類型多樣，有花崗巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、正長巖、安山巖、粗面(安)巖、流紋巖、英安巖、玄武巖、輝綠巖、輝石巖、輝長巖等。本研究在安徽省6個地區(qū)共采集了113塊地表出露的新鮮的各種類型巖漿巖樣品、在金寨地區(qū)的兩個鉆孔ZK52和ZK101分別采集了27個和19個巖漿巖樣品(巖性主要為花崗巖、二長花崗巖、花崗斑巖及石英正長巖)，每個地區(qū)確保主要巖漿巖類型樣品均有采集，且所有采集樣品均為新鮮樣品，未見明顯蝕變現(xiàn)象(采樣位置范圍見圖1)。

圖1 安徽省巖漿巖帶分布簡圖(據(jù)安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987)Fig.1 Geological sketch of magmatic rock belts in Anhui Province (revised from Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,1987)

另外本研究在實地采集樣品基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)收集前人發(fā)表的安徽省1 240塊巖漿巖的U、Th、K生熱元素數(shù)據(jù)，收集數(shù)據(jù)在安徽省6個巖漿巖帶中均有分布，主要包括：華北南緣巖漿巖帶的蚌埠地區(qū)、欄桿地區(qū)、徐淮地區(qū)(楊德彬等，2006，2009；童勁松，2008；李印等，2010；Yangetal.，2010；徐麗娟，2013；張潔等，2015；蔡逸濤等，2018；霍騰飛等，2018；陳潔等，2018；康叢軒等，2018；陳楊等，2019；周虎等，2019；Lietal.，2020；王偉等，2020；楊陽等，2021)；北淮陽巖漿巖帶的金寨地區(qū)、舒城地區(qū)(趙新福等，2007；黃皓，2012；王萍，2013；何韜，2016；陳芳等，2016；代富強，2017；鹿獻章等，2017；何俊，2018；劉曉強，2018；劉曉強等，2018；彭智等，2018；楊義忠等，2018；張晉喆等，2018；萬秋等，2020；趙丹蕾，2020)；大別巖漿巖帶的肥東、潛山、太湖、桐城、岳西以及張八嶺地區(qū)(周承福等，2001；馬昌前等，2003；趙子福等，2003；徐小軍等，2005；Zhaoetal.，2005，2007；李全忠等，2008；童勁松，2008；資鋒等，2008；周力等，2014；張媛媛，2017；劉曉強，2018；尚德鋒等，2018；錢輝等，2020；譚東波，2020)；下?lián)P子巖漿巖帶的安慶-貴池地區(qū)、樅陽、銅陵地區(qū)、懷寧盆地、廬樅盆地、宣城、蕪湖-馬鞍山及滁州地區(qū)(劉洪等，2002；黃順生等，2004；閆峻等，2005，2012；楊小男等，2007；范裕等，2008；謝成龍等，2008；袁峰等，2008；吳才來等，2010，2016；Lietal.，2011；孟祥金等，2011；張智宇等，2011；劉園園等，2012；彭戈等，2012；劉春等，2012；王斌等，2012；薛懷民等，2013，2015；邱宏，2014；段留安等，2015；胡子龍，2015；蘇陽，2015；楊一增，2015；褚庚，2016；江峰，2017；夏冬梅，2017；杜欣，2018；梁勝男，2018；王世偉等，2018；張繼開，2018；張贊贊等，2018；李現(xiàn)鎖，2019；劉光賢，2019；羅賢文，2019；Wangetal.，2019；楊彪等，2020；汪海，2020；吳迪，2020；徐曉春等，2020；岳娜等，2020)；皖南巖漿巖帶的池州、宣城、旌德、祁門、青陽-九華山及歙縣地區(qū)(李獻華等，2002；Wuetal.，2006；吳榮新等，2007；Zhengetal.，2008；王文俊，2009；王德恩等，2011；李雙等，2012，2014；王斌等，2012；周翔等，2012；張俊杰等，2012；陳雪霏等，2013；何苗，2013；周潔等，2013；陳芳等，2014，2015；陳思，2014；范羽等，2016；汪雅菲，2015；雷丁爾，2016；周術(shù)召等，2016；陳雪鋒等，2017；蔡楊等，2018；胡青，2018；孔志崗等，2018；劉秀等，2019；付翔等，2020；柯宏飆等，2020；汪子莘，2020；岳倩，2020；王存智等，2021；薛懷民，2021；張建芳等，2021)；浙西巖漿巖帶的長陔、青山、大嶺腳及古祝巖體(樊佳星，2015)。

考慮到二長花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖和正長巖等巖石的放射性生熱元素含量和生熱率值相近，把它們歸為花崗質(zhì)巖石大類；流紋巖、英安巖和安山巖等巖石的放射性生熱元素含量和生熱率值相近，把它們歸為中酸性火山巖大類；輝長巖、輝綠巖、輝石巖和玄武巖等放射性生熱元素含量和生熱率值相近，把它們歸為基性巖大類。

2.2 分析測試方法

樣品的密度測試工作由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室完成。將采集的159塊新鮮巖石樣品經(jīng)室內(nèi)處理后，采用電子天平浮稱法結(jié)合蠟封法處理測得所有巖石樣品的密度，密度測試過程中克服了機械天平所存在的缺陷，進一步提高測試精度，誤差范圍為5%。放射性生熱元素含量由安徽省地質(zhì)實驗研究所和安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院測定完成。在地球化學(xué)分類上，U和Th屬于微量元素，而K則屬于主量元素，所以一般用氧化物K2O來表示。其中，微量元素U采用激光熒光法，微量元素Th采用ICP-AES法，誤差均在5%范圍以內(nèi)；主要元素K則采用火焰原子吸收法，誤差在2%范圍以內(nèi)。

3 分析結(jié)果及討論

3.1 巖石放射性生熱率計算

巖石放射性生熱率是指單位體積的巖石在單位時間內(nèi)由其所含的放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱量。對于巖體放射性生熱率計算問題的研究，不同學(xué)者提出了不同的計算公式(Rybach，1976；Wollenberg and Smith，1987)。本文采取Rybach等(1978)提出的巖石放射性生熱率計算經(jīng)驗公式A=10-5ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)對安徽省巖漿巖進行生熱率計算。其中，A為巖石放射性生熱率，單位為μW/m3；ρ為巖石密度，單位為kg/m3；CU、CTh分別為巖石中放射性元素U、Th的含量，單位為10-6；CK為巖石中K的質(zhì)量分數(shù)，單位為%。由該公式也可以看出，巖石放射性生熱率的大小與巖石密度及巖石中放射性生熱元素U、Th、K的含量密切相關(guān)。

本文采集到的巖漿巖樣品按照其實測的密度及U、Th、K含量進行計算；收集到的各巖漿巖放射性生熱率計算采用安徽省不同巖性巖漿巖平均密度及收集到的巖漿巖U、Th、K含量進行計算；巖性略有差異時，采用其近似巖類的平均密度值進行計算。安徽省不同巖性巖漿巖平均密度見表1。將本文采集的159塊樣品的密度和U、Th、K含量以及收集的巖漿巖U、Th、K含量和各巖類的平均密度分別代入放射性生熱率經(jīng)驗計算公式可計算出巖石放射性生熱率，計算結(jié)果見表2。圖2對比了安徽省不同巖性巖漿巖的放射性生熱元素含量。

表1 安徽不同巖性巖漿巖平均密度Table 1 Average density of magmatic rocks of different lithology in Anhui Province

表2 安徽不同類型巖漿巖U、Th、K含量，生熱率及放射性生熱元素?zé)嶝暙ITable 2 U,Th,K contents,heat generation rate and thermal contribution of radioactive heat-producing elements of different types of magmatic rocks in Anhui Province

圖2 安徽不同類型巖漿巖放射性元素平均含量對比Fig.2 Comparison of average contents of radioactive elements in different types of magmatic rocks in Anhui Province

由表2和圖2可知，安徽省巖漿巖總體上U、Th、K平均含量相差較大，花崗質(zhì)巖石及中酸性火山巖的U、Th、K含量較高，基性巖漿巖的U、Th、K含量較低；金寨地區(qū)采集的鉆孔巖芯樣品，整體上U、Th、K的含量以及生熱率都相對較高。這與前人研究總結(jié)出巖石圈中的酸性巖富集U和Th，基性巖虧損U和Th這一結(jié)論是一致的。

安徽省不同類型的巖石放射性生熱率相差較大(圖3)，花崗質(zhì)巖石(0.51～15.84 μW/m3)和中酸性火山巖(0.72～6.56 μW/m3)生熱率變化范圍較寬，均值分別為2.51 μW/m3和2.27 μW/m3；基性巖漿巖平均生熱率變化范圍較窄(0.16～2.57 μW/m3)且較低，均值為0.73 μW/m3。通過本研究計算：安徽省花崗巖平均生熱率為2.51 μW/m3，接近世界范圍內(nèi)花崗巖放射性生熱率的平均值2.5 μW/m3(McLarenetal.，2003；Wangetal.，2016)，低于福建漳州花崗巖放射性生熱率平均值4.22 μW/m3(楊立中等，2016；Wangetal.，2016)；金寨地區(qū)鉆孔花崗質(zhì)巖石平均生熱率為5.01 μW/m3，均值超過5 μW/m3，屬于高產(chǎn)熱花崗巖(Kamonporn，2010)。

圖3 安徽不同類型巖漿巖放射性生熱率對比Fig.3 Comparison of radioactive heat generation rates of different types of magmatic rocks in Anhui Province

3.2 巖體放射性生熱元素?zé)嶝暙I及Th/U特征分析

放射性生熱元素的熱貢獻率是放射性生熱率特征的重要體現(xiàn)。巖石放射性生熱率A由AU=10-5ρ·9.52CU，ATh=10-5ρ·2.56CTh和AK=10-5ρ·3.48CK三部分構(gòu)成，而放射性生熱元素U、Th、K隨著地球演化而不斷衰變，豐度值逐漸降低，放射性生熱量也隨之不斷減少。根據(jù)巖石放射性生熱率計算公式可以進一步計算出U和Th相對于K的貢獻率：AU/AK和ATh/AK。計算結(jié)果見表2。

為進一步表征U和Th的相對貢獻率，對安徽境內(nèi)不同類型的巖漿巖分別作U相對K的貢獻率與Th相對K貢獻率的關(guān)系圖(圖4)，結(jié)果顯示(表2和圖4)：安徽省整體上，只有小部分的花崗質(zhì)巖石和基性巖漿巖AU/AK>ATh/AK；其他花崗質(zhì)巖石、中-酸性火山巖和基性巖漿巖AU/AK

圖4 安徽不同類型巖漿巖U、Th相對K的熱貢獻率關(guān)系圖Fig.4 Thermal contribution ratio of U and Th to K in different types of magmatic rocks in Anhui Province

U、Th、K元素尤其是U、Th元素在地球內(nèi)熱演化中的特殊意義，不少研究者探討了U、Th元素之間的內(nèi)在變化關(guān)系，并基于已有的大量巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析，從而為重新認識放射性生熱元素的分布特征和變化規(guī)律提供了新的研究視角。由于Th、U、K均為不相容元素，在巖漿活動過程中易進入熔體相，因此大部分情況下在自然界巖石中它們之間具有一定的關(guān)聯(lián)性。Taylor等(1985)、Van Schmus(1995)和Rudnick等(2004)基于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計給出全球上地殼的Th/U值在3.8到4.3之間；許保良等(1995)按巖體的 Th/U 值大小將巖體劃分為富鈾花崗巖(Th/U<3)，正?；◢弾r(36)。由表2可知，華北南緣、浙西巖漿巖帶和金寨地區(qū)花崗質(zhì)巖石Th/U值相對較低，華北南緣低Th/U值可能與其為高分異的淡色花崗巖有關(guān)(郭素淑等，2009)；浙西巖漿巖帶的低Th/U值可能與其地處十杭帶、殼-?；旌铣梢蛴嘘P(guān)(Zhouetal.,2020)；上述兩地花崗巖Th/U值較低且生熱元素含量和生熱率均不太高，可能是巖漿源區(qū)和演化過程造成的低Th/U值，并不是真正意義上的富鈾花崗巖。金寨地區(qū)花崗巖不僅Th/U值較低且生熱率相對較高，與Wang等(2019)報道的長江中下游地區(qū)部分花崗巖的特征類似，它們可以代表真正意義上的富鈾高產(chǎn)熱花崗巖，且這兩地在野外均見有鈾礦化點。

3.3 安徽巖體放射性生熱與地?zé)豳Y源

地?zé)豳Y源作為一種可再生清潔能源在供暖、發(fā)電、洗浴、種養(yǎng)殖等方面得到廣泛利用，利用率較高且開發(fā)前景較好。地?zé)豳Y源一般分為3類，分別為淺層地?zé)崮?、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源。

安徽省溫泉在地理分布上多數(shù)位于隆起的大別山區(qū)、長江沿岸的巢湖-和縣一帶以及皖南山區(qū)，皖東及淮北較少(李肖雪等，2020)。根據(jù)前人研究，復(fù)雜的構(gòu)造體系可以為溫泉提供冷熱水富集通道，花崗巖類巖體可提供比較可靠的熱來源，大多數(shù)溫泉都發(fā)育在花崗巖類巖體中。大量的花崗巖類巖體通過放射性元素產(chǎn)生的熱量，為溫泉提供良好的熱來源(李文慶，2015)。本研究顯示北淮陽-大別巖漿巖帶、下?lián)P子巖漿巖帶和皖南巖漿巖帶具有相對高的巖石生熱率，而安徽省目前發(fā)現(xiàn)的地?zé)豳Y源也主要集中在上述3個區(qū)域，表明巖石生熱率與溫泉出露關(guān)系密切，對地?zé)岱植贾饕己玫目刂谱饔?。此外，北淮陽金寨地區(qū)和長江中下游部分地區(qū)巖體生熱率較高，超過5 μW/m3，屬于高產(chǎn)熱花崗巖，對于尋找干熱巖也具有十分重要的意義。由于安徽省干熱巖研究基礎(chǔ)資料相對較少，如大地?zé)崃鳌⑸w層及巖體地溫梯度、隱伏巖體的分布等研究程度較低，金寨地區(qū)和長江中下游地區(qū)是否具有干熱巖資源潛力尚需要進一步工作驗證。

4 結(jié)論

(1)安徽省不同類型的巖漿巖放射性生熱率相差較大。花崗質(zhì)巖石及中酸性火山巖生熱率相對較高且變化范圍較寬，分別為0.51～15.84 μW/m3和0.72～6.56 μW/m3，均值分別為2.51 μW/m3和2.27 μW/m3；基性巖漿巖生熱率相對較低且變化范圍較窄，范圍為0.16～2.57 μW/m3，均值為0.73 μW/m3。

(2)安徽省不同類型巖漿巖整體上Th熱貢獻率大于U。華北南緣、浙西巖漿巖帶花崗質(zhì)巖石Th/U值相對較低，且生熱元素含量和生熱率均不太高；金寨地區(qū)花崗巖Th/U值較低且生熱率相對較高(5.01 μW/m3)，屬于富鈾高產(chǎn)熱花崗巖，可為U礦床勘探提供依據(jù)。

(3)北淮陽金寨地區(qū)和長江中下游部分地區(qū)巖體生熱率較高，超過5 μW/m3，屬于高產(chǎn)熱花崗巖。結(jié)合有效資料分析，金寨地區(qū)和長江中下游地區(qū)可能適合進一步開展高放射性產(chǎn)熱型干熱巖勘查。