周瑤琪 劉婕 張?chǎng)? 劉朋 周騰飛 李孫義 陳揚(yáng)

摘要 ：以山東東部穿地殼巖漿系統(tǒng)為例，通過研究巖石圈流變結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有野外探勘及地球物理數(shù)據(jù)，對(duì)山東東部地殼演變進(jìn)行還原和解釋，并且進(jìn)一步建立穿地殼巖漿系統(tǒng)的巖漿深部熱效應(yīng)模型，考察巖石圈深部動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制。初步估算靶區(qū)地溫，對(duì)山東東部地區(qū)超過6 km巖石圈結(jié)構(gòu)及其地?zé)醿?chǔ)集體展布進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一步闡述山東東部深部地?zé)醿?chǔ)集體形成理論模型。結(jié)果表明：華北克拉通太古宙形成具有穩(wěn)定剛性的陸殼，花崗巖主要以未變質(zhì)或淺變質(zhì)的表殼巖為主；中生代以來(lái)受華北克拉通基底不穩(wěn)定，經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造-巖漿活動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈構(gòu)造變形，巖石圈地幔發(fā)生拆沉和置換;晚中生代山東東部由于深部構(gòu)造活動(dòng)劇烈，穿地殼巖漿沿大型斷裂上涌至噴出地表，伴隨熱隆效應(yīng)及同化混染；巖石圈厚度減薄，地幔上涌至上、中地殼，伴隨表殼巖熔融，其中富含不相容的放射性元素隨巖漿再次上涌，不斷向淺部地殼輸送生熱的放射性元素，從而使得巖石圈熱結(jié)構(gòu)及流變結(jié)構(gòu)改變。

關(guān)鍵詞 ：穿地殼巖漿系統(tǒng)； 巖石圈熱結(jié)構(gòu)； 巖石圈流變結(jié)構(gòu)； 地?zé)崮?/p>

中圖分類號(hào) ：P 54 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ：A

引用格式 ：周瑤琪，劉婕，張?chǎng)?，?穿地殼巖漿系統(tǒng)改變巖石圈流變和熱結(jié)構(gòu)［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（1）：1-12.

ZHOU Yaoqi， ?LIU Jie， ZHANG Xin， et al. Trans-crustal magmatic system changes lithospheric rheology and thermal structure［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（1）：1-12.

Trans-crustal magmatic system changes lithospheric

rheology and thermal structure

ZHOU Yaoqi 1， LIU Jie 1， ZHANG Xin 2， LIU Peng 2， ZHOU Tengfei 1， LI Sunyi 1， CHEN Yang 1

（1.School of Geosciences and technology in China University of Petroleum （ East China） ， Qingdao 266580， China;

2.Shandong Energy Group South America Company Limited， Qingdao 266000， China）

Abstract ： This paper takes the transcrustal magmatic system in eastern Shandong as an example. By studying the rheological structure and thermal structure of the lithosphere， combined with the existing field exploration and geophysical data， the crustal evolution in eastern Shandong was reduced and explained， and the magma deep thermal effect model of the transcrustal magmatic system is further established to understand the deep dynamic evolution mechanism of the lithosphere. The geothermal temperature of the target area is preliminarily estimated， and the lithospheric structure and the distribution of geothermal reservoirs above 6 km in eastern Shandong are predicted， and the theoretical model of the formation of deep geothermal reservoirs in eastern Shandong is further elaborated. The results show that the North China Craton formed a stable and rigid continental crust in the Archean， and the granites are mainly composed of non-metamorphic or low-metamorphic supracrustal rocks. Since the Mesozoic， the basement of the North China Craton has been unstable and experienced strong tectono-magmatic activities， resulting in strong tectonic deformation， delamination and replacement of the lithospheric mantle. In the late Mesozoic， due to the intense deep tectonic activity in the eastern part of Shandong Province， the transcrustal magma surged up to the surface along the large fault， accompanied by the thermal uplift effect and assimilation and contamination. The thickness of the lithosphere is thinned， and the mantle rises to the upper and middle crust. With the melting of the supracrustal rock， the incompatible radioactive elements are re-upwelled with the magma， and the heat-generating radioactive elements are continuously transported to the shallow crust， thus changing the thermal structure and rheological structure of the lithosphere.

Keywords ： trans-crustal magmatic systems; thermal structure of lithosphere; lithospheric rheological structure; geothermal energy

地殼中的許多礦物是由巖漿熔體或深地殼中形成的伴隨熔融體結(jié)晶而成的，這些礦物承載著關(guān)于地球形成和演化的信息，作為地殼的主要成分，花崗巖類礦物的演化歷史對(duì)于地球的形成演化規(guī)律具有重要的證明作用 ?［1］ ，同時(shí)對(duì)礦物在高壓下的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的研究在解決地球物理和化學(xué)的基本問題方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用 ?［2］ 。近年來(lái)，穿地殼巖漿系統(tǒng)（trans-crustal magmatic systems）為構(gòu)造-巖漿活動(dòng)過程及深部動(dòng)力，研究巖漿上升和累積侵位，巖漿體在垂向上的厚度以及三維形態(tài)變化規(guī)律，控制造山帶巖漿遷移的因素，侵入體大小與巖漿過程的時(shí)間尺度關(guān)系等問題提供了依據(jù) ?［3-5］ 。穿地殼巖漿系統(tǒng)形成的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)是滲透性熱對(duì)流，由于巖漿上涌過程中地殼性質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境、殼幔相互作用的變化，地殼內(nèi)巖漿儲(chǔ)庫(kù)的多寡、規(guī)模巖漿注入的方式和在地殼中的位置都會(huì)發(fā)生變化 ?［6-8］ 。地殼巖石中大量放射性生熱元素（主要為 U ?238 ?、U ?235 ?、Th ?232 ?和 K ?40 ?四種元素），在衰變過程中會(huì)釋放出熱能。作為構(gòu)建巖石圈熱結(jié)構(gòu)重要參數(shù)，巖石放射性生熱其在空間上的分布狀態(tài)，與巖石圈的構(gòu)造熱演化密不可分，同時(shí)與沉積盆地內(nèi)油氣的生成、運(yùn)移和聚集有著密切的關(guān)聯(lián) ?［9］ 。目前針對(duì)穿地殼巖漿系統(tǒng)不少學(xué)者對(duì)其包括構(gòu)造-巖漿活動(dòng)、構(gòu)造熱演化史及深部動(dòng)力機(jī)制等進(jìn)行了大量的工作，取得了較好的研究成果，但很少?gòu)膸r石圈整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，更加系統(tǒng)地考慮穿地殼巖漿系統(tǒng)對(duì)于巖石圈流變結(jié)構(gòu)的整體影響及其對(duì)巖石圈熱結(jié)構(gòu)的影響 ?［4，10-13］ 。筆者根據(jù)巖石物理性質(zhì)，確定地殼圈層強(qiáng)度、脆性變形程度、巖石圈厚度等特征，對(duì)巖石圈熱結(jié)構(gòu)及流變結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)合地球化學(xué)特征約束巖石圈不同性質(zhì)巖石在地殼中的幾何形狀、組成、體積等，進(jìn)一步確定巖石圈演化歷史，明確大陸巖石圈在延伸過程中的熱流變結(jié)構(gòu)及構(gòu)造演化 ?［15-16］ ，建立巖石圈流變結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)。

1 華北克拉通巖石圈結(jié)構(gòu)及演化

1.1 華北克拉通巖石圈結(jié)構(gòu)

陸殼壽命長(zhǎng)達(dá)40多億年，受天體引力及月引潮力等對(duì)地球的反復(fù)交替作用影響，地殼內(nèi)地幔形成熱對(duì)流，大陸地殼底部深熔巖石發(fā)生部分熔融等大規(guī)模巖漿活動(dòng)，對(duì)地球產(chǎn)生熱效應(yīng)，形成原始大氣圈及水圈。地殼厚度不斷增加，地球圈層橫向上表現(xiàn)為巖石圈伸展、俯沖等活動(dòng)，垂向上由于地球內(nèi)部揮發(fā)性組分及氣體大量逸出，引潮間斷期地殼下流體速度減慢，巖漿活動(dòng)減弱，在交替作用下地球圈層在垂直方向上產(chǎn)生分異 ?［17-18］ 。一般利用巖石圈結(jié)構(gòu)、溫度、壓力以及應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)表征大陸巖石圈的流變結(jié)構(gòu)，巖石圈在縱向上可視為具有牛頓或非牛頓流變性的黏性層或?yàn)閺椥裕ば裕苄粤髯兊某蓪咏橘|(zhì)；在橫向上主要關(guān)注地殼厚度以及巖石圈發(fā)生熱反應(yīng)年代的不同階段 ?［19-20］ 。前人建立了許多模型，有針對(duì)不同盆地類型的力學(xué)性質(zhì)模型，有高壓破碎帶確定脆性變形模型，但不同盆地對(duì)應(yīng)的盆地動(dòng)力及其構(gòu)造活動(dòng)不同，模擬出的力學(xué)性質(zhì)也不同。巖石圈的高壓破碎帶產(chǎn)生的巖石圈脆性變形與其熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此巖石圈熱結(jié)構(gòu)和熱-流變結(jié)構(gòu)能夠更好表征巖石圈深部熱狀態(tài)。

巖石圈熱結(jié)構(gòu)是研究大陸地殼演化和穩(wěn)定性的重要制約因素，也更能反映地?zé)嶙畋举|(zhì)的特征 ?［21］ 。通過研究地區(qū)殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構(gòu)關(guān)系，能更好明確殼幔熱流對(duì)現(xiàn)今地殼、上地幔的活動(dòng)性及深部溫度的影響。研究一個(gè)地區(qū)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)就是分析地表熱流（ q ?s）的構(gòu)成中地殼熱流（ q ?c）和地幔熱流（ q ?m）各自的比例 ?［21］ 。大陸巖石圈的力學(xué)強(qiáng)度和流變性質(zhì)受巖性組成、溫度、壓力、孔隙流體和應(yīng)力環(huán)境等因素影響，與巖石圈熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

大陸地殼的總體結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)是匯聚板塊邊緣的初級(jí)地殼減薄和次級(jí)構(gòu)造改造的函數(shù)，地殼巖石圈強(qiáng)度主要受溫度及其中礦物晶體的物理性質(zhì)影響。大陸地殼沉積蓋層有3個(gè)地震波速（ v ?p）層構(gòu)成：上地殼花崗質(zhì)巖石 v ?p為5.9～6.3 km/s；中地殼花崗閃長(zhǎng)質(zhì)-閃長(zhǎng)質(zhì)巖層 v ?p為6.4～6.7 km/s；下地殼為玄武質(zhì)-變玄武質(zhì)巖層 v ?p為6.8～7.6 km/s。但上、中地殼的界面往往不清晰，因此往往分為硅鋁質(zhì)的上地殼花崗質(zhì)巖層和硅鎂質(zhì)的下地殼玄武質(zhì)巖層，二者之間具有不連續(xù)的康拉德面 ?［22］ 。同時(shí)已有研究表明地臺(tái)（地盾）區(qū)域，地震縱波波速?gòu)?.8 km/s突變到8.1 km/s，根據(jù)不同地殼演變歷史具有不同的地殼結(jié)構(gòu)。

已有研究針對(duì)山東東部建立了地殼尺度的生熱率模型 ?［9，21，23］ ，并且根據(jù)地幔和地殼熱流的展布情況，提出“冷殼熱?！焙汀盁釟だ溽！眱煞N巖石圈熱結(jié)構(gòu)類型 ?［21］ 。目前山東東部巖石圈為“熱殼冷幔”狀態(tài)，但由于深部熱結(jié)構(gòu)及構(gòu)造摩擦生熱等因素影響，不同巖石圈活動(dòng)時(shí)期對(duì)應(yīng)不同熱結(jié)構(gòu)。

華北克拉通中生代改造前的巖石圈厚度約為200 km，地殼厚度約45～50 km，其厚度和結(jié)構(gòu)與全球典型的元古宙克拉通巖石圈相同。在最終形成的穩(wěn)定大陸狀態(tài)前，經(jīng)歷了多期劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼花崗巖墻侵入等現(xiàn)象明顯；并且劇烈板塊構(gòu)造基地幔熱隆活動(dòng)，導(dǎo)致花崗巖侵入，最終形成鎂鐵質(zhì)巖墻群完成克拉通化。華北克拉通在經(jīng)歷了多次板塊碰撞、板塊匯聚拼合過程后，東部巖石圈內(nèi)部薄弱帶發(fā)生了強(qiáng)烈的克拉通破壞，同時(shí)巖石圈地幔被改造，發(fā)生減薄、置換 ?［24］ 。晚侏羅世—早白堊世早期，巖石圈熱－流變結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為強(qiáng)的脆性地幔，對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的巖石圈總強(qiáng)度，由于古太平洋板塊的俯沖， 軟流圈熱- 機(jī)械侵蝕導(dǎo)致蘇魯-大別造山帶發(fā)生去根作用， 強(qiáng)度自東向西減弱，導(dǎo)致中央裂谷帶的裂陷程度向東增強(qiáng)，斷陷發(fā)育，巖石圈拉伸減薄，深部地幔上涌，巖石圈進(jìn)一步減薄 ?［10］ ；早白堊世晚期和古近紀(jì)早期是板塊活動(dòng)最為劇烈的時(shí)期，巖石圈總強(qiáng)度降到最低；現(xiàn)今巖石圈經(jīng)歷穩(wěn)定的冷凝及沉積作用，巖石圈強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，巖石圈由“冷殼熱幔”向“熱殼冷幔”狀態(tài)變化。

1.2 華北克拉通巖石圈演變及現(xiàn)今空間結(jié)構(gòu)

華北克拉通出露規(guī)模大，且板塊四周伴隨有一系列不同年代的造山帶展布。山東東部是華北克拉通前寒武紀(jì)變質(zhì)基底重要分布區(qū)之一。目前已經(jīng)有許多針對(duì)華北克拉通地殼演化及巖石地球化學(xué)表征的研究，前人通過鋯石 Hf 同位素和鋯石U-Pb年齡獲得地殼年齡數(shù)據(jù)，地殼演化過程中花崗質(zhì)巖石從較為初始的英云閃長(zhǎng)質(zhì)、奧長(zhǎng)花崗質(zhì)、花崗閃長(zhǎng)質(zhì)的 TTG 巖石轉(zhuǎn)變?yōu)楦烩涃|(zhì)的準(zhǔn)鋁質(zhì)和過鋁質(zhì)花崗巖；由中酸性巖石和沉積巖部分熔融形成的鉀長(zhǎng)花崗質(zhì)變質(zhì)巖和基性巖部分熔融形成的 TTG 質(zhì)二長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石，改變巖石圈的結(jié)構(gòu) ?［25-26］ 。熔融變質(zhì)是大陸地殼的陸殼增厚和再造過程的體現(xiàn)，此時(shí)大陸地殼也更穩(wěn)定 ?［27］ 。

山東東部包括華北克拉通及蘇魯造山帶。中生代以來(lái)，主要受古太平洋板塊的俯沖以及板塊后撤作用的影響 ?［28-30］ ，山東東部經(jīng)歷了多次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，區(qū)域板塊發(fā)生了大規(guī)模的克拉通破壞 ?［31］ 。與此同時(shí)，中國(guó)東部發(fā)育了大規(guī)模的火山巖漿作用 ?［12，28，30，32］ ，山東東部地區(qū)的火山巖在不同地區(qū)的年齡有所差異。前人研究表明山東東部具有大規(guī)模中生代產(chǎn)生的變形，并且具有不同時(shí)空分布及時(shí)期的巖漿作用，因此研究山東東部巖漿時(shí)空分布與演變對(duì)認(rèn)識(shí)地球深部熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制， 理解板塊運(yùn)動(dòng)與克拉通活化關(guān)系具有重要意義。

在太古宙末期和古元古代早期，山東東部發(fā)生明顯的克拉通化作用。富鉀的花崗質(zhì)巖石成分增加（圖1），指示早期陸殼漸趨于成熟；與元古宙相比，太古宙時(shí)期的華北克拉通具有獨(dú)特的花崗巖綠巖帶特征，綠巖帶則是由一套未變質(zhì)或淺變質(zhì)的表殼巖組成，含有大量不相容元素 ?［24，34］ 。

古元古代早期下地殼主要以麻粒巖相為主，而后經(jīng)歷了古元古代晚期、新元古代、早古生代、晚三疊世和晚侏羅世的幕式熱事件，最后早白堊世玄武質(zhì)巖漿底侵堆晶形成輝石巖，并且晚中生代以來(lái)下地殼經(jīng)歷強(qiáng)烈改造并發(fā)生了明顯的減薄 ?［35］ 。古元古代末期，華北克拉通成為哥倫比亞超大陸的一部分，這一時(shí)期華北克拉通構(gòu)造基底不穩(wěn)定，斷裂、地震火山活動(dòng)頻發(fā)，地層沉積厚度巨大，且橫向變化顯著，地層之間多為不整合接觸；到了中—新元古代發(fā)育多期裂谷，伴隨陸內(nèi)巖漿活動(dòng)及殼幔強(qiáng)烈相互作用，形成了全球性的現(xiàn)代巖石圈結(jié)構(gòu)。并且華北克拉通在長(zhǎng)期地質(zhì)演化歷史中仍具有相對(duì)穩(wěn)定性，前寒武世結(jié)晶基底上覆有中、新元古代—二疊紀(jì)穩(wěn)定的蓋層沉積。因此古生代與新生代，華北克拉通巖石圈厚度存在巨大的差異，克拉通巖石圈發(fā)生了顯著活化和改造。

顯生宙以來(lái)巖石圈減薄包括了2個(gè)階段的演化過程，分別是早期階段的地殼強(qiáng)烈伸展與劇烈減?。?35～122 Ma）和晚期階段巖石圈根部垮塌（122～108 Ma）。在早期階段，區(qū)域上廣泛發(fā)育地殼拆離構(gòu)造，出現(xiàn)少量的殼源巖漿活動(dòng)，巖石圈地幔尺度的拆離作用微弱，區(qū)域地殼發(fā)生劇烈減薄，在此時(shí)期地殼和巖石圈地幔層次的構(gòu)造－巖漿活動(dòng)表現(xiàn)出解耦特性。到晚期階段，區(qū)域巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育大量殼、幔源巖漿巖，區(qū)域巖石圈地幔發(fā)生劇烈減薄和根部垮塌，地殼層次的拆離作用微弱。

克拉通和造山帶是構(gòu)成大陸地殼的兩個(gè)基本構(gòu)造單元。大陸地殼的形成和分化多發(fā)生在增生和碰撞造山帶的會(huì)聚板塊邊緣，同時(shí)構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生大量熱發(fā)生巖漿活化、地殼熱結(jié)構(gòu)變化。這一過程改變了大陸的殼層結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性， 導(dǎo)致克拉通破壞更加劇烈。山東東部中生代陸內(nèi)變形和強(qiáng)烈?guī)r漿作用及其時(shí)空分布與演變過程，為地球熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究提供重要理論支撐 ?［25-26］ 。因此認(rèn)識(shí)大陸演化和大陸改造，需要針對(duì)花崗巖，用流變結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)揭示大陸淺層地殼的形態(tài)及深層巖漿如何熔融、結(jié)晶、上涌、再結(jié)晶等演化的關(guān)系。但若涉及到地塊、蘇魯造山帶等構(gòu)造活動(dòng)因素，巖石圈結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，本文中重點(diǎn)討論華北克拉通深部地?zé)峤Y(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)流變結(jié)構(gòu)。

2 ?山東東部穿地殼巖漿系統(tǒng)地?zé)醿?chǔ)集體理論

2.1 晚中生代山東東部穿地殼巖漿系統(tǒng)

大陸地殼演化的大多涉及2個(gè)分化階段：第1階段是從地幔上涌玄武巖巖漿，第2階段則是這種玄武巖的重熔 ?［37］ 。與地殼演化歷史對(duì)應(yīng)，華北巖石圈地幔也經(jīng)歷漫長(zhǎng)復(fù)雜的演化過程，表現(xiàn)為高度時(shí)空不均一性。古生代克拉通巖石圈地幔流體在不同深度下形成了不規(guī)則的復(fù)雜花崗巖體 ?［23］ ，不僅富含流體及REE，同時(shí)含有放射性生熱元素，隨著地幔演化深部的流體不斷在巖石圈中聚集，在進(jìn)一步熔融作用后，再次形成新生熔體的上升和分流。

在時(shí)間上，太古宙的 Re-Os 同位素特征強(qiáng)烈富集不相容元素和放射性同位素的地幔捕虜體多見石榴石方輝橄欖巖，指示當(dāng)時(shí)巖石圈地幔具有巨厚、難熔、復(fù)雜交代的特征；晚中生代—新生代玄武巖中的地幔捕虜體一般為尖晶石二輝橄欖巖，顯生宙的 Re-Os 年齡具有虧損不相容元素和放射性同位素的特征 ?［36］ 。

山東東部地區(qū)現(xiàn)今殘留的穿地殼巖漿系統(tǒng)是由中生代萊陽(yáng)期的深部構(gòu)造活動(dòng)所控制， 而在青山期， 強(qiáng)烈的地殼伸展作用造成了火山巖漿作用與同期的構(gòu)造活動(dòng)， 萊陽(yáng)期形成的斷裂帶格局與青山期形成的斷裂帶構(gòu)造共同構(gòu)成的網(wǎng)格成為了巖漿穿透地殼的通道 ?［33］ 。其中基性巖漿在較深部與深大斷裂溝通，直接由此上涌至噴出地表，未經(jīng)歷過多與圍巖的相互作用。在此過程中，巖漿的上涌導(dǎo)致了區(qū)域的熱隆升，隆升區(qū)兩側(cè)邊緣發(fā)育滑脫斷層拆離斷層，伴隨了熱隆－滑脫－伸展－成盆的動(dòng)力學(xué)過程?！盁崧』摗睓C(jī)制是山東東部地區(qū)早白堊世青山期盆地形成的主要?jiǎng)恿W(xué)機(jī)制， 青山期處于SE-NW向拉張的應(yīng)力背景， 大規(guī)模的穿地殼巖漿系統(tǒng)的發(fā)育， 導(dǎo)致區(qū)域熱隆。熱隆速率可以運(yùn)用花崗巖的侵入時(shí)間與暴露地表時(shí)間進(jìn)行初步計(jì)算。 經(jīng)過巨量剝蝕至現(xiàn)今出露， 侵入巖體幾乎全部分布于隆起區(qū)， 火山機(jī)構(gòu)沿著深大斷裂呈現(xiàn)串珠狀分布（圖2）。巖漿熔體在上地殼中上涌，巖漿的黏度與密度隨著深度變化而變化， 上升過程中伴隨了多次的部分熔融、分離結(jié)晶與同化混染作用，在地殼的不同深度形成不同性質(zhì)的巖漿房與熔體。

2.2 穿地殼巖漿系統(tǒng)改變巖石圈結(jié)構(gòu)

在穿地殼巖漿系統(tǒng)新概念提出后 ?［3］ ，大量學(xué)者針對(duì)不同研究區(qū)的火山巖漿系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)典的巖漿地化模型以及地球物理資料，進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用： Samrock 等 ?［38］ 提出埃塞俄比亞裂谷巖漿段的地殼尺度電導(dǎo)率模型，基于大地電磁數(shù)據(jù)的三維相位張量反演，為研究裂陷機(jī)制、巖漿上升期演化和地?zé)醿?chǔ)層前景提供了新的思路；Mutch等 ?［39］ 將地?zé)釟鈮簻y(cè)量法與貝葉斯反演擴(kuò)散時(shí)計(jì)結(jié)合起來(lái)，研究了冰島北部博格倫火山噴發(fā)的原始橄欖石晶體，揭示了下地殼和上地殼之間的快速聯(lián)系；Trua 等 ?［40］ 利用弧后熔巖中的單斜輝石晶體，確定在穿地殼巖漿系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)玄武巖向安山巖巖漿演化的過程；Journeau 等 ?［41］ 用地震火山震顫源來(lái)描繪俄羅斯堪察加半島Klyuchevskoy火山群下面的巖漿系統(tǒng)的活動(dòng)部分，利用快速的壓力瞬變和動(dòng)態(tài)滲透性，對(duì)建立擴(kuò)展的、高度動(dòng)態(tài)的穿地殼巖漿系統(tǒng)的概念模型提供支持，還原深部巖漿動(dòng)力學(xué)，解釋深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

大陸地殼含有大量不相容元素，如Rb、Cs、K、Ba、U、Th、Ta等，地幔主要成分為超鎂鐵質(zhì)，沒有經(jīng)歷（或極少量） 火成巖分異作用，但地殼經(jīng)歷一定程度的分異作用，成分主要以鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)花崗巖為主 ?［42］ ?；◢弾r集中在大陸地殼的上部，下地殼一定比上地殼更多鎂鐵質(zhì)。從地球化學(xué)的角度來(lái)看，熔融物質(zhì)從下地殼轉(zhuǎn)移到上地殼是大陸地殼分異為低含水、難熔的下部和長(zhǎng)英質(zhì)、含水且不相容的元素豐富的上部的主要過程，這一過程穩(wěn)定了大陸地殼。

通常古老、構(gòu)造穩(wěn)定的克拉通地區(qū)莫霍面溫度往往較低，這種差異性可能是由于地幔熱流的不同而造成的。運(yùn)用層析成像等地球物理方法顯示中國(guó)東部造山帶巖石圈為“殼薄幔厚”的結(jié)構(gòu)，幔指的是上地幔軟流層以上的上地幔部分。為了查明構(gòu)造斷裂對(duì)深部巖石圈結(jié)構(gòu)影響，明確斷裂帶深部結(jié)構(gòu)及發(fā)生—發(fā)展過程，獲取了在沂沭裂谷帶布設(shè)的，從臨沂市沂水縣南側(cè)向日照市莒縣方向延伸的深反射地震剖面線，全長(zhǎng)約為59 km ?［43］ ，對(duì)地震速度結(jié)構(gòu)解釋剖面與反射地震成像構(gòu)造剖面進(jìn)行疊合，得到過沂沭裂谷帶（沂水—日照）反演成像圖。

以過地震波速結(jié)構(gòu)解釋剖面為例（圖3），可以看到地震波速度垂直方向由淺到深逐漸增加，指示地幔熱流占比逐漸增加；在同一深度上速度剖面也有明顯深淺區(qū)別，斷裂帶呈現(xiàn)差異較明顯的反射結(jié)構(gòu)，莫霍面附近速度結(jié)構(gòu)也有明顯差異，同時(shí)觀察到殼幔過渡帶。說(shuō)明該異常區(qū)域發(fā)生構(gòu)造-巖漿活動(dòng)并有地幔巖漿房形成。同時(shí)可以看到明顯巖石圈層熱隆，在約40 km速度急劇增加，可以判斷該深度為莫霍面大致深度位置。

結(jié)合山東東部五蓮地區(qū)已有研究數(shù)據(jù)，五蓮地區(qū)中酸性侵入巖年齡為125.5 Ma，可以推測(cè)最初140～120 Ma地幔部分熔融所產(chǎn)生的熔體是沿著老的郯廬斷裂面向地表運(yùn)移，固結(jié)成巖；同時(shí)構(gòu)造活動(dòng)劇烈，新生代以后新的斷裂產(chǎn)生后，穿地殼巖漿沿著新構(gòu)造破碎帶向淺部運(yùn)移。巖漿上涌會(huì)導(dǎo)致區(qū)域圍巖熱隆升，并伴隨一系列動(dòng)力學(xué)過程 ?［5］ （圖3）。

已有研究 ?［27，44-45］ 表明，在上地殼中花崗斑巖不相容元素（Th、U、K）含量往往明顯高于其圍巖，穿地殼巖漿系統(tǒng)中放射性元素主要富集在上地殼，中層和上層之間。隨著地幔上涌與圍巖產(chǎn)生交代作用，巖漿系統(tǒng)中的不相容元素在垂向上也展示出逐漸富集的過程。巖石圈減薄伴隨熱隆效應(yīng)及殼幔相互作用，侵入巖上涌，同時(shí)受元素制約在不相容的放射性元素在表殼巖熔融過程中進(jìn)入巖漿并隨之向淺表運(yùn)移，巖石生熱率提高。因此提出山東東部深層高溫地?zé)醿?chǔ)集體理論模型（圖4），晚中生代之后，受劇烈構(gòu)造活動(dòng)影響，克拉通下地幔對(duì)流加劇，使巖石圈深部熱動(dòng)力作用加劇，地幔沿巖漿通道再次上涌，同時(shí)前期地殼內(nèi)上涌的巖漿再次活化，發(fā)生再次上涌及重熔，大量的巖漿可以儲(chǔ)存在中間深度，并通過結(jié)晶、脫氣、分化和與周圍巖石的相互作用表現(xiàn)出化學(xué)變質(zhì)。在固結(jié)成巖、冷凝過程中，巖漿中所含的放射性元素隨巖漿進(jìn)入上、中地殼固結(jié)成巖，地幔再次活化后熔融，隨上涌巖漿次生富集。

3 山東東部深層高溫地?zé)岚袇^(qū)預(yù)測(cè)

日照五蓮研究區(qū)域（圖5，其中（a）為山東半島位置及構(gòu)造環(huán)境 ?［4］ ；（b）為蘇魯造山帶地質(zhì)圖及地?zé)岚袇^(qū) ?［13］ ； （c）為靶區(qū)及周邊地質(zhì)構(gòu)造 ?［45］ 位于華北克拉通東部，華北板塊和楊子板塊交界處。從古生代到中生代早期，山東半島的主要構(gòu)造趨勢(shì)由N-W變?yōu)镹NE-SSW，并且主要的應(yīng)力機(jī)制由擠壓變?yōu)閿U(kuò)張。蘇魯造山帶沿山東半島延伸至朝鮮半島中部，先后受郯廬斷裂帶、朝鮮西海斷裂帶作用，造就包括北黃海盆地、南黃海盆地、膠萊盆地、日青威盆地等一系列斷陷盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局?；鸪蓭r出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)說(shuō)明斷裂活動(dòng)與巖漿活動(dòng)的正相關(guān)性，斷裂帶是巖石圈的薄弱帶，是穿地殼巖漿系統(tǒng)末端巖漿侵入的有利部位，隆起帶熱隆作用最強(qiáng)烈的時(shí)期為青山早期（125～115 Ma），隆起帶兩側(cè)的裂陷盆地為引張裂陷階段。

為對(duì)穿地殼巖漿系統(tǒng)構(gòu)建精細(xì)刻畫模型，在日照靶區(qū)布設(shè)了81 km 2的地球物理測(cè)線（圖5（c））。其中測(cè)線L1近NNE向穿過沂沭斷裂，經(jīng)過多個(gè)穿地殼巖漿預(yù)測(cè)體；L2測(cè)線幾乎垂直于L1測(cè)線，該處巖石圈厚度較薄，利于高精度測(cè)量方法開展（圖6）。

該地區(qū)早白堊世巖漿起源于富集地幔的部分熔融；膠萊盆地中性巖漿起源于下地殼的部分熔融，并且有少量的來(lái)自軟流圈地幔物質(zhì)的加入；青山群酸性火山巖是拆沉下地殼熔融產(chǎn)物，并在上升過程中經(jīng)歷了與地幔的相互作用 ?［44］ 。

基于以上研究基礎(chǔ)，以山東東部晚中生代以來(lái)巖石圈結(jié)構(gòu)的巖石圈流變結(jié)構(gòu)剖面為例對(duì)該區(qū)域典型穿地殼巖漿系統(tǒng)的深部熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過計(jì)算熱隆速率及地球物理探測(cè)等手段對(duì)殼幔演化對(duì)放射性元素遷移富集影響機(jī)制、巖石圈流變對(duì)地溫場(chǎng)及地溫梯度控制規(guī)律進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)。

3.1 山東東部晚中生代巖石圈流變結(jié)構(gòu)

山東東部地區(qū)地殼侏羅紀(jì)時(shí)期華北板塊地殼加厚，白堊紀(jì)時(shí)期巖石圈減薄。熔融所需熱量主要來(lái)自于上升的幔源巖漿，使地殼物質(zhì)的溫度大于地殼固相線溫度而產(chǎn)生熔融，形成低Sr酸性巖漿 ?［44］ ，大規(guī)模的巖漿侵入作用，形成了廣泛分布的花崗巖巖體，以及巖墻、巖脈產(chǎn)出的煌斑巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖。大量山東東部地區(qū)巖體的同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)顯示斷裂附近火成巖及變質(zhì)巖放射性元素（U、Th）含量相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)放射性元素的富集性；Th/Ta也較高，其范圍為3.49～20.0，也預(yù)示著地殼混染作用 ?［44，47-48］ 。

巖石圈伸展減薄會(huì)引起軟流圈減壓上升，通過對(duì)花崗巖巖體的隆升計(jì)算，隆生速率略快于2.7～ 4.1 ?mm/a，而晚期是中性巖漿與堿性巖漿的侵位，熱隆效應(yīng)相對(duì)于早期的要弱很多。根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)研所得五蓮地區(qū)巖石年齡為115 Ma ?［44-45］ ，大井峪地區(qū)巖漿房熱隆升估計(jì)公式為

v= Δ H/ Δ t= Δ H/（t 1-t 2）.

式中，v為地殼隆升速率， km/Ma；Δ H為隆升距離， km； t 1和t 2為隆升前、后地層年齡， Ma。

抬升歷時(shí)約7～8 Ma，因此抬升距離約為2～3 km。結(jié)合地球化學(xué)及熱隆計(jì)算，對(duì)穿地殼巖漿體形成年齡從左到右依次疊加，其大面積侵入體深度也隨年齡增加逐漸加深，熱隆深度也依次下降，在DJY處巖體預(yù)測(cè)上升高度約為3.5～5 km。L1剖面預(yù)測(cè)圖見圖7。

3.2 山東東部穿巖石圈儲(chǔ)熱靶區(qū)

地球內(nèi)熱由深部向上傳遞，對(duì)于平坦均勻介質(zhì)來(lái)說(shuō)，其溫度隨深度增加而呈線性升高，地下等溫線平行于介質(zhì)表面且不存在水平溫度梯度。但由于地殼物質(zhì)的各向異性，熱傳遞、深部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形起伏等諸多因素都影響地殼淺部熱傳導(dǎo)和地溫分布。根據(jù)不同厚度巖層巖石放射性生熱率（表1），可利用“剝層法”自計(jì)算不同層段所提供的放射性生熱量，獲得殼內(nèi)各層段的熱流配分和地幔熱流。結(jié)合巖石熱物性參數(shù)（熱導(dǎo)率、生熱率、地溫梯度），獲取巖石圈內(nèi)部各圈層溫度和熱流信息 ?［48］ 。

大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)的方向與地溫梯度方向相反，大地?zé)崃髦饕傻貧崃骱偷蒯崃鹘M成。地球冷卻釋放熱量，地殼熱流來(lái)自地殼淺部放射性元素的衰變；地幔熱流的熱量來(lái)自深部地幔熱對(duì)流和熱輻射。計(jì)算巖石圈熱結(jié)構(gòu)通常用到地殼熱流（ q ?c）、大地?zé)崃鳎?q ?o）及地幔熱流（ q ?m），單位均為mW/m 2。各參數(shù)計(jì)算公式為

q ?o =q ?m +∑ ?n ??i=1 ?A iZ i，

q ?c =qA ?o =∑ ?n ??i=1 ?A iZ i，

q ?o =q ?c +q ?m， ?Δ T/ Δ Z=-Q/K .

式中，Δ T/ Δ Z為地溫梯度；D為地殼的厚度， km； A為地殼平均生熱率；巖石熱導(dǎo)率K表示巖石傳熱的特性，沿?zé)醾鲗?dǎo) 方向在單位厚度演示兩側(cè)的溫度差為1 ℃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)所通過的熱流量， W/（m·K）。

目前根據(jù)已有野外探勘及文獻(xiàn)調(diào)研信息，初步估計(jì)招賢鎮(zhèn)巖石圈2.5 km深度處平均大地?zé)崃髦导s為68 mW/m 2 ，平均地溫梯度為35 ℃/km，地表初始溫度約為15 ℃。大井峪附近燕山期花崗巖表現(xiàn)出106 scp的放射性，且附近野外太古代露頭均約為25 scp，元古代花崗巖露頭放射性表現(xiàn)約為60 scp，印證了放射性的富集；而在同時(shí)期侵入巖與非侵入巖放射性進(jìn)行初步對(duì)比，也可以看出侵入巖巖體放射性多為沉積巖體2～3倍。因此初步認(rèn)為莒縣下方巖石圈減薄，深部地?zé)釋?duì)流強(qiáng)，熱量主要來(lái)自深部地幔，地幔生熱約為地殼生熱的2～3倍，為進(jìn)行初步估算定位2.5倍。

初步進(jìn)行地溫估算：侵入巖體令地溫結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其中地殼生熱占比小，若將地殼熱流 q ??c 看作1， q ??m ?/ q ??c 為2.5，則利用已知大地?zé)崃骷暗販靥荻裙竭M(jìn)行估算。根據(jù)倍數(shù)可知侵入巖 q ??c 約為原來(lái)的4.5倍，則該處地溫梯度約為45 ℃/km。預(yù)估下覆3.5～5 km處高溫地?zé)狍w溫度可達(dá)137.5～191.5 ℃，高出平均地溫約23.5 ℃（圖8）。該深層高溫地?zé)醿?chǔ)集體屬于放射性元素在地殼巖漿系統(tǒng)改造巖石圈流變結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再富集的重要類型，巖石圈減薄，深部地幔的熱量更加容易傳導(dǎo)到地殼淺部，加上研究區(qū)地殼表層沉積層厚、熱導(dǎo)率低，形成良好熱儲(chǔ)層，從而使得研究區(qū)地?zé)岙惓?。但依然缺乏針?duì)該研究區(qū)域的高精度模型，隨時(shí)間增加地殼溫度散失，存在許多影響因素，因此需要更精細(xì)的計(jì)算手段及高精度數(shù)據(jù)推演中生代地溫精細(xì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

（1）山東東部上、中地殼放射性元素（U、Th、K）富集，成因在于晚中生代軟流圈地幔上涌，地幔中富含的放射性元素隨巖漿上涌向上運(yùn)移，不斷向淺部地殼輸送放射性元素，順巖漿通道向淺層運(yùn)移，進(jìn)入上、中地殼并冷卻，發(fā)生作用并釋放熱量；垂向上深度越淺溫度越低，冷卻結(jié)晶后經(jīng)歷地殼增厚穩(wěn)定時(shí)期，在下一次地殼減薄及大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生后，巖漿上涌，冷卻的巖體再次活化，發(fā)生放射性元素的再次遷移，由于放射性元素的不相容性，穿地殼巖漿越接近地表放射性元素越富集。

（2）穿地殼巖漿系統(tǒng)通過對(duì)巖石圈進(jìn)行熔融及構(gòu)造活動(dòng)，改變其速度結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)，晚侏羅世—早白堊世早期，巖石圈熱－流變結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為強(qiáng)的脆性地幔，對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的巖石圈總強(qiáng)度，由于強(qiáng)烈構(gòu)造-巖漿活動(dòng)，巖石圈拉伸減薄，深部地幔上涌，巖石圈進(jìn)一步減薄，深部熱不斷向地表傳導(dǎo)，地表熱流改變；經(jīng)過穿地殼巖漿系統(tǒng)活動(dòng)，產(chǎn)熱的放射性元素在地殼中發(fā)生富集和次生富集，固結(jié)成巖并通過元素衰變產(chǎn)生熱量。

（3） 靶區(qū)地溫梯度初步估算為45 ℃/km。初步估計(jì)下覆3.5～5 km處高溫地?zé)狍w溫度可達(dá)137.5～191.5 ℃，高出平均地溫約23.5 ℃。

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（編輯 劉為清）