穿地殼巖漿系統改變巖石圈流變和熱結構

周瑤琪 劉婕 張鑫 劉朋 周騰飛 李孫義 陳揚

摘要 ：以山東東部穿地殼巖漿系統為例，通過研究巖石圈流變結構和熱結構，結合已有野外探勘及地球物理數據，對山東東部地殼演變進行還原和解釋，并且進一步建立穿地殼巖漿系統的巖漿深部熱效應模型，考察巖石圈深部動力學演化機制。初步估算靶區地溫，對山東東部地區超過6 km巖石圈結構及其地熱儲集體展布進行預測，進一步闡述山東東部深部地熱儲集體形成理論模型。結果表明：華北克拉通太古宙形成具有穩定剛性的陸殼，花崗巖主要以未變質或淺變質的表殼巖為主；中生代以來受華北克拉通基底不穩定，經歷強烈構造-巖漿活動，產生強烈構造變形，巖石圈地幔發生拆沉和置換;晚中生代山東東部由于深部構造活動劇烈，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構及流變結構改變。

關鍵詞 ：穿地殼巖漿系統； 巖石圈熱結構； 巖石圈流變結構； 地熱能

中圖分類號 ：P 54 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：周瑤琪，劉婕，張鑫，等.穿地殼巖漿系統改變巖石圈流變和熱結構［J］.中國石油大學學報（自然科學版），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晶而成的，這些礦物承載著關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于地球的形成演化規律具有重要的證明作用 ?［1］ ，同時對礦物在高壓下的結構、性質和轉化的研究在解決地球物理和化學的基本問題方面發揮著關鍵作用 ?［2］ 。近年來，穿地殼巖漿系統（trans-crustal magmatic systems）為構造-巖漿活動過程及深部動力，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變化規律，控制造山帶巖漿遷移的因素，侵入體大小與巖漿過程的時間尺度關系等問題提供了依據 ?［3-5］ 。穿地殼巖漿系統形成的動力學基礎是滲透性熱對流，由于巖漿上涌過程中地殼性質、構造環境、殼幔相互作用的變化，地殼內巖漿儲庫的多寡、規模巖漿注入的方式和在地殼中的位置都會發生變化 ?［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），在衰變過程中會釋放出熱能。作為構建巖石圈熱結構重要參數，巖石放射性生熱其在空間上的分布狀態，與巖石圈的構造熱演化密不可分，同時與沉積盆地內油氣的生成、運移和聚集有著密切的關聯 ?［9］ 。目前針對穿地殼巖漿系統不少學者對其包括構造-巖漿活動、構造熱演化史及深部動力機制等進行了大量的工作，取得了較好的研究成果，但很少從巖石圈整體結構出發，更加系統地考慮穿地殼巖漿系統對于巖石圈流變結構的整體影響及其對巖石圈熱結構的影響 ?［4，10-13］ 。筆者根據巖石物理性質，確定地殼圈層強度、脆性變形程度、巖石圈厚度等特征，對巖石圈熱結構及流變結構進行研究，結合地球化學特征約束巖石圈不同性質巖石在地殼中的幾何形狀、組成、體積等，進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構及構造演化 ?［15-16］ ，建立巖石圈流變結構和熱結構。

1 華北克拉通巖石圈結構及演化

1.1 華北克拉通巖石圈結構

陸殼壽命長達40多億年，受天體引力及月引潮力等對地球的反復交替作用影響，地殼內地幔形成熱對流，大陸地殼底部深熔巖石發生部分熔融等大規模巖漿活動，對地球產生熱效應，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為巖石圈伸展、俯沖等活動，垂向上由于地球內部揮發性組分及氣體大量逸出，引潮間斷期地殼下流體速度減慢，巖漿活動減弱，在交替作用下地球圈層在垂直方向上產生分異 ?［17-18］ 。一般利用巖石圈結構、溫度、壓力以及應力狀態的函數表征大陸巖石圈的流變結構，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為彈性－黏性－塑性流變的成層介質；在橫向上主要關注地殼厚度以及巖石圈發生熱反應年代的不同階段 ?［19-20］ 。前人建立了許多模型，有針對不同盆地類型的力學性質模型，有高壓破碎帶確定脆性變形模型，但不同盆地對應的盆地動力及其構造活動不同，模擬出的力學性質也不同。巖石圈的高壓破碎帶產生的巖石圈脆性變形與其熱結構密切相關，因此巖石圈熱結構和熱-流變結構能夠更好表征巖石圈深部熱狀態。

巖石圈熱結構是研究大陸地殼演化和穩定性的重要制約因素，也更能反映地熱最本質的特征 ?［21］ 。通過研究地區殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構關系，能更好明確殼幔熱流對現今地殼、上地幔的活動性及深部溫度的影響。研究一個地區的巖石圈熱結構就是分析地表熱流（ q ?s）的構成中地殼熱流（ q ?c）和地幔熱流（ q ?m）各自的比例 ?［21］ 。大陸巖石圈的力學強度和流變性質受巖性組成、溫度、壓力、孔隙流體和應力環境等因素影響，與巖石圈熱結構密切相關。

大陸地殼的總體結構和化學結構是匯聚板塊邊緣的初級地殼減薄和次級構造改造的函數，地殼巖石圈強度主要受溫度及其中礦物晶體的物理性質影響。大陸地殼沉積蓋層有3個地震波速（ v ?p）層構成：上地殼花崗質巖石 v ?p為5.9～6.3 km/s；中地殼花崗閃長質-閃長質巖層 v ?p為6.4～6.7 km/s；下地殼為玄武質-變玄武質巖層 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的上地殼花崗質巖層和硅鎂質的下地殼玄武質巖層，二者之間具有不連續的康拉德面 ?［22］ 。同時已有研究表明地臺（地盾）區域，地震縱波波速從6.8 km/s突變到8.1 km/s，根據不同地殼演變歷史具有不同的地殼結構。

已有研究針對山東東部建立了地殼尺度的生熱率模型 ?［9，21，23］ ，并且根據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巖石圈熱結構類型 ?［21］ 。目前山東東部巖石圈為“熱殼冷?！睜顟B，但由于深部熱結構及構造摩擦生熱等因素影響，不同巖石圈活動時期對應不同熱結構。

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，其厚度和結構與全球典型的元古宙克拉通巖石圈相同。在最終形成的穩定大陸狀態前，經歷了多期劇烈構造運動，地殼花崗巖墻侵入等現象明顯；并且劇烈板塊構造基地幔熱隆活動，導致花崗巖侵入，最終形成鎂鐵質巖墻群完成克拉通化。華北克拉通在經歷了多次板塊碰撞、板塊匯聚拼合過程后，東部巖石圈內部薄弱帶發生了強烈的克拉通破壞，同時巖石圈地幔被改造，發生減薄、置換 ?［24］ 。晚侏羅世—早白堊世早期，巖石圈熱－流變結構表現為強的脆性地幔，對應較強的巖石圈總強度，由于古太平洋板塊的俯沖， 軟流圈熱- 機械侵蝕導致蘇魯-大別造山帶發生去根作用， 強度自東向西減弱，導致中央裂谷帶的裂陷程度向東增強，斷陷發育，巖石圈拉伸減薄，深部地幔上涌，巖石圈進一步減薄 ?［10］ ；早白堊世晚期和古近紀早期是板塊活動最為劇烈的時期，巖石圈總強度降到最低；現今巖石圈經歷穩定的冷凝及沉積作用，巖石圈強度逐漸增強，巖石圈由“冷殼熱?！毕颉盁釟だ溽！睜顟B變化。

1.2 華北克拉通巖石圈演變及現今空間結構

華北克拉通出露規模大，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變質基底重要分布區之一。目前已經有許多針對華北克拉通地殼演化及巖石地球化學表征的研究，前人通過鋯石 Hf 同位素和鋯石U-Pb年齡獲得地殼年齡數據，地殼演化過程中花崗質巖石從較為初始的英云閃長質、奧長花崗質、花崗閃長質的 TTG 巖石轉變為富鉀質的準鋁質和過鋁質花崗巖；由中酸性巖石和沉積巖部分熔融形成的鉀長花崗質變質巖和基性巖部分熔融形成的 TTG 質二長花崗質巖石，改變巖石圈的結構 ?［25-26］ 。熔融變質是大陸地殼的陸殼增厚和再造過程的體現，此時大陸地殼也更穩定 ?［27］ 。

山東東部包括華北克拉通及蘇魯造山帶。中生代以來，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］ ，山東東部經歷了多次構造應力場的轉變，區域板塊發生了大規模的克拉通破壞 ?［31］ 。與此同時，中國東部發育了大規模的火山巖漿作用 ?［12，28，30，32］ ，山東東部地區的火山巖在不同地區的年齡有所差異。前人研究表明山東東部具有大規模中生代產生的變形，并且具有不同時空分布及時期的巖漿作用，因此研究山東東部巖漿時空分布與演變對認識地球深部熱動力學機制， 理解板塊運動與克拉通活化關系具有重要意義。

在太古宙末期和古元古代早期，山東東部發生明顯的克拉通化作用。富鉀的花崗質巖石成分增加（圖1），指示早期陸殼漸趨于成熟；與元古宙相比，太古宙時期的華北克拉通具有獨特的花崗巖綠巖帶特征，綠巖帶則是由一套未變質或淺變質的表殼巖組成，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巖漿底侵堆晶形成輝石巖，并且晚中生代以來下地殼經歷強烈改造并發生了明顯的減薄 ?［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，這一時期華北克拉通構造基底不穩定，斷裂、地震火山活動頻發，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—新元古代發育多期裂谷，伴隨陸內巖漿活動及殼幔強烈相互作用，形成了全球性的現代巖石圈結構。并且華北克拉通在長期地質演化歷史中仍具有相對穩定性，前寒武世結晶基底上覆有中、新元古代—二疊紀穩定的蓋層沉積。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，克拉通巖石圈發生了顯著活化和改造。

顯生宙以來巖石圈減薄包括了2個階段的演化過程，分別是早期階段的地殼強烈伸展與劇烈減?。?35～122 Ma）和晚期階段巖石圈根部垮塌（122～108 Ma）。在早期階段，區域上廣泛發育地殼拆離構造，出現少量的殼源巖漿活動，巖石圈地幔尺度的拆離作用微弱，區域地殼發生劇烈減薄，在此時期地殼和巖石圈地幔層次的構造－巖漿活動表現出解耦特性。到晚期階段，區域巖漿活動強烈，發育大量殼、幔源巖漿巖，區域巖石圈地幔發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成大陸地殼的兩個基本構造單元。大陸地殼的形成和分化多發生在增生和碰撞造山帶的會聚板塊邊緣，同時構造活動產生大量熱發生巖漿活化、地殼熱結構變化。這一過程改變了大陸的殼層結構及其穩定性， 導致克拉通破壞更加劇烈。山東東部中生代陸內變形和強烈巖漿作用及其時空分布與演變過程，為地球熱動力學機制研究提供重要理論支撐 ?［25-26］ 。因此認識大陸演化和大陸改造，需要針對花崗巖，用流變結構和熱結構揭示大陸淺層地殼的形態及深層巖漿如何熔融、結晶、上涌、再結晶等演化的關系。但若涉及到地塊、蘇魯造山帶等構造活動因素，巖石圈結構更加復雜，本文中重點討論華北克拉通深部地熱結構及其對應流變結構。

2 ?山東東部穿地殼巖漿系統地熱儲集體理論

2.1 晚中生代山東東部穿地殼巖漿系統

大陸地殼演化的大多涉及2個分化階段：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］ 。與地殼演化歷史對應，華北巖石圈地幔也經歷漫長復雜的演化過程，表現為高度時空不均一性。古生代克拉通巖石圈地幔流體在不同深度下形成了不規則的復雜花崗巖體 ?［23］ ，不僅富含流體及REE，同時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，在進一步熔融作用后，再次形成新生熔體的上升和分流。

在時間上，太古宙的 Re-Os 同位素特征強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，指示當時巖石圈地幔具有巨厚、難熔、復雜交代的特征；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］ 。

山東東部地區現今殘留的穿地殼巖漿系統是由中生代萊陽期的深部構造活動所控制， 而在青山期， 強烈的地殼伸展作用造成了火山巖漿作用與同期的構造活動， 萊陽期形成的斷裂帶格局與青山期形成的斷裂帶構造共同構成的網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，未經歷過多與圍巖的相互作用。在此過程中，巖漿的上涌導致了區域的熱隆升，隆升區兩側邊緣發育滑脫斷層拆離斷層，伴隨了熱?。摚煺梗膳璧膭恿W過程?！盁崧』摗睓C制是山東東部地區早白堊世青山期盆地形成的主要動力學機制， 青山期處于SE-NW向拉張的應力背景， 大規模的穿地殼巖漿系統的發育， 導致區域熱隆。熱隆速率可以運用花崗巖的侵入時間與暴露地表時間進行初步計算。 經過巨量剝蝕至現今出露， 侵入巖體幾乎全部分布于隆起區， 火山機構沿著深大斷裂呈現串珠狀分布（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、分離結晶與同化混染作用，在地殼的不同深度形成不同性質的巖漿房與熔體。

2.2 穿地殼巖漿系統改變巖石圈結構

在穿地殼巖漿系統新概念提出后 ?［3］ ，大量學者針對不同研究區的火山巖漿系統，結合經典的巖漿地化模型以及地球物理資料，進行了廣泛的運用： Samrock 等 ?［38］ 提出埃塞俄比亞裂谷巖漿段的地殼尺度電導率模型，基于大地電磁數據的三維相位張量反演，為研究裂陷機制、巖漿上升期演化和地熱儲層前景提供了新的思路；Mutch等 ?［39］ 將地熱氣壓測量法與貝葉斯反演擴散時計結合起來，研究了冰島北部博格倫火山噴發的原始橄欖石晶體，揭示了下地殼和上地殼之間的快速聯系；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中驅動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描繪俄羅斯堪察加半島Klyuchevskoy火山群下面的巖漿系統的活動部分，利用快速的壓力瞬變和動態滲透性，對建立擴展的、高度動態的穿地殼巖漿系統的概念模型提供支持，還原深部巖漿動力學，解釋深部動力學機制。

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，沒有經歷（或極少量） 火成巖分異作用，但地殼經歷一定程度的分異作用，成分主要以鎂鐵質和長英質花崗巖為主 ?［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。從地球化學的角度來看，熔融物質從下地殼轉移到上地殼是大陸地殼分異為低含水、難熔的下部和長英質、含水且不相容的元素豐富的上部的主要過程，這一過程穩定了大陸地殼。

通常古老、構造穩定的克拉通地區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。運用層析成像等地球物理方法顯示中國東部造山帶巖石圈為“殼薄幔厚”的結構，幔指的是上地幔軟流層以上的上地幔部分。為了查明構造斷裂對深部巖石圈結構影響，明確斷裂帶深部結構及發生—發展過程，獲取了在沂沭裂谷帶布設的，從臨沂市沂水縣南側向日照市莒縣方向延伸的深反射地震剖面線，全長約為59 km ?［43］ ，對地震速度結構解釋剖面與反射地震成像構造剖面進行疊合，得到過沂沭裂谷帶（沂水—日照）反演成像圖。

以過地震波速結構解釋剖面為例（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別，斷裂帶呈現差異較明顯的反射結構，莫霍面附近速度結構也有明顯差異，同時觀察到殼幔過渡帶。說明該異常區域發生構造-巖漿活動并有地幔巖漿房形成。同時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。

結合山東東部五蓮地區已有研究數據，五蓮地區中酸性侵入巖年齡為125.5 Ma，可以推測最初140～120 Ma地幔部分熔融所產生的熔體是沿著老的郯廬斷裂面向地表運移，固結成巖；同時構造活動劇烈，新生代以后新的斷裂產生后，穿地殼巖漿沿著新構造破碎帶向淺部運移。巖漿上涌會導致區域圍巖熱隆升，并伴隨一系列動力學過程 ?［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生交代作用，巖漿系統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及殼幔相互作用，侵入巖上涌，同時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入巖漿并隨之向淺表運移，巖石生熱率提高。因此提出山東東部深層高溫地熱儲集體理論模型（圖4），晚中生代之后，受劇烈構造活動影響，克拉通下地幔對流加劇，使巖石圈深部熱動力作用加劇，地幔沿巖漿通道再次上涌，同時前期地殼內上涌的巖漿再次活化，發生再次上涌及重熔，大量的巖漿可以儲存在中間深度，并通過結晶、脫氣、分化和與周圍巖石的相互作用表現出化學變質。在固結成巖、冷凝過程中，巖漿中所含的放射性元素隨巖漿進入上、中地殼固結成巖，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熱靶區預測

日照五蓮研究區域（圖5，其中（a）為山東半島位置及構造環境 ?［4］ ；（b）為蘇魯造山帶地質圖及地熱靶區 ?［13］ ； （c）為靶區及周邊地質構造 ?［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，山東半島的主要構造趨勢由N-W變為NNE-SSW，并且主要的應力機制由擠壓變為擴張。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今的構造格局?；鸪蓭r出現的時間和地點說明斷裂活動與巖漿活動的正相關性，斷裂帶是巖石圈的薄弱帶，是穿地殼巖漿系統末端巖漿侵入的有利部位，隆起帶熱隆作用最強烈的時期為青山早期（125～115 Ma），隆起帶兩側的裂陷盆地為引張裂陷階段。

為對穿地殼巖漿系統構建精細刻畫模型，在日照靶區布設了81 km 2的地球物理測線（圖5（c））。其中測線L1近NNE向穿過沂沭斷裂，經過多個穿地殼巖漿預測體；L2測線幾乎垂直于L1測線，該處巖石圈厚度較薄，利于高精度測量方法開展（圖6）。

該地區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，并且有少量的來自軟流圈地幔物質的加入；青山群酸性火山巖是拆沉下地殼熔融產物，并在上升過程中經歷了與地幔的相互作用 ?［44］ 。

基于以上研究基礎，以山東東部晚中生代以來巖石圈結構的巖石圈流變結構剖面為例對該區域典型穿地殼巖漿系統的深部熱結構進行分析，通過計算熱隆速率及地球物理探測等手段對殼幔演化對放射性元素遷移富集影響機制、巖石圈流變對地溫場及地溫梯度控制規律進行解釋和預測。

3.1 山東東部晚中生代巖石圈流變結構

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

巖石圈伸展減薄會引起軟流圈減壓上升，通過對花崗巖巖體的隆升計算，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，熱隆效應相對于早期的要弱很多。根據前期地質調研所得五蓮地區巖石年齡為115 Ma ?［44-45］ ，大井峪地區巖漿房熱隆升估計公式為

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。

抬升歷時約7～8 Ma，因此抬升距離約為2～3 km。結合地球化學及熱隆計算，對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處巖體預測上升高度約為3.5～5 km。L1剖面預測圖見圖7。

3.2 山東東部穿巖石圈儲熱靶區

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

大地熱流傳導的方向與地溫梯度方向相反，大地熱流主要由地殼熱流和地幔熱流組成。地球冷卻釋放熱量，地殼熱流來自地殼淺部放射性元素的衰變；地幔熱流的熱量來自深部地幔熱對流和熱輻射。計算巖石圈熱結構通常用到地殼熱流（ q ?c）、大地熱流（ q ?o）及地幔熱流（ q ?m），單位均為mW/m 2。各參數計算公式為

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；巖石熱導率K表示巖石傳熱的特性，沿熱傳導 方向在單位厚度演示兩側的溫度差為1 ℃時單位時間內所通過的熱流量， W/（m·K）。

目前根據已有野外探勘及文獻調研信息，初步估計招賢鎮巖石圈2.5 km深度處平均大地熱流值約為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約為60 scp，印證了放射性的富集；而在同時期侵入巖與非侵入巖放射性進行初步對比，也可以看出侵入巖巖體放射性多為沉積巖體2～3倍。因此初步認為莒縣下方巖石圈減薄，深部地熱對流強，熱量主要來自深部地幔，地幔生熱約為地殼生熱的2～3倍，為進行初步估算定位2.5倍。

初步進行地溫估算：侵入巖體令地溫結構發生變化，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，則利用已知大地熱流及地溫梯度公式進行估算。根據倍數可知侵入巖 q ??c 約為原來的4.5倍，則該處地溫梯度約為45 ℃/km。預估下覆3.5～5 km處高溫地熱體溫度可達137.5～191.5 ℃，高出平均地溫約23.5 ℃（圖8）。該深層高溫地熱儲集體屬于放射性元素在地殼巖漿系統改造巖石圈流變結構基礎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到地殼淺部，加上研究區地殼表層沉積層厚、熱導率低，形成良好熱儲層，從而使得研究區地熱異常。但依然缺乏針對該研究區域的高精度模型，隨時間增加地殼溫度散失，存在許多影響因素，因此需要更精細的計算手段及高精度數據推演中生代地溫精細結構。

4 結 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移，不斷向淺部地殼輸送放射性元素，順巖漿通道向淺層運移，進入上、中地殼并冷卻，發生作用并釋放熱量；垂向上深度越淺溫度越低，冷卻結晶后經歷地殼增厚穩定時期，在下一次地殼減薄及大規模構造活動發生后，巖漿上涌，冷卻的巖體再次活化，發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）穿地殼巖漿系統通過對巖石圈進行熔融及構造活動，改變其速度結構和熱結構，晚侏羅世—早白堊世早期，巖石圈熱－流變結構表現為強的脆性地幔，對應較強的巖石圈總強度，由于強烈構造-巖漿活動，巖石圈拉伸減薄，深部地幔上涌，巖石圈進一步減薄，深部熱不斷向地表傳導，地表熱流改變；經過穿地殼巖漿系統活動，產熱的放射性元素在地殼中發生富集和次生富集，固結成巖并通過元素衰變產生熱量。

（3） 靶區地溫梯度初步估算為45 ℃/km。初步估計下覆3.5～5 km處高溫地熱體溫度可達137.5～191.5 ℃，高出平均地溫約23.5 ℃。

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（編輯 劉為清）