山東地區中生代巖漿巖中放射性元素富集規律及其對大地熱流異常的指示意義

陳勇 朱雪蕾 李偉 周瑤琪

摘要 ：為進一步了解巖漿巖中放射性元素富集與大地熱流異常的相關性，以山東地區中生代巖漿巖為研究對象，從巖石類型、元素含量、巖石形成年齡、放射性生熱元素Th、U豐度、大地熱流等方面進行分析。結果表明：區內正長巖Th、U豐度最高，酸性巖和堿性巖的Th、U含量相對較高；Th、U元素與Si、K元素含量存在正相關，與Fe、Mg等其他主量元素存在負相關，與Nb、Ta、Pb及稀土元素也存在較為明顯的正相關；放射性元素豐度與大地熱流存在一定的正相關，但還受到地殼厚度等多種因素的影響；研究進一步揭示放射性元素、巖漿巖及地熱之間的關系，對山東地區地熱資源的開發和利用具有一定借鑒意義。

關鍵詞 ：山東地區； 中生代； 巖漿巖； 放射性元素； 大地熱流

中圖分類號 ：P 597.1 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：陳勇，朱雪蕾，李偉，等.山東地區中生代巖漿巖中放射性元素富集規律及其對大地熱流異常的指示意義［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（1）：25-35.

CHEN Yong， ZHU Xuelei， LI Wei， et al. Enrichment law of radioactive elements in Mesozoic magmatic rocks in Shandong and its implication for anomaly of terrestrial heat flow［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（1）：25-35.

Enrichment law of radioactive elements in Mesozoic magmatic rocks in ??Shandong and its implication for anomaly of terrestrial heat flow

CHEN Yong ?1，2 ， ZHU Xuelei ?1，2 ， LI Wei 3， ZHOU Yaoqi ?1，2

（1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.School of Geosciences in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

3.Shandong Energy Group， Jinan 250101， China）

Abstract ： In this study， an investigation was conducted to better comprehend the relationship between the concentration of radioactive elements in magmatic rocks and anomalies in terrestrial heat flow. The research focuses on Mesozoic magmatic rocks in Shandong province， analyzing various aspects including rock type， element content， rock formation age， abundance of radioactive thermogenic elements such as Thorium （Th） and Uranium （U）， and terrestrial heat flow. The findings indicate that syenite exhibits the highest concentration of Th and U elements， while acid and alkaline rocks also display relatively elevated level of these elements. Th and U elements are positively correlated with Silicon （Si） and Potassium （K） elements， but negatively correlated with major elements such as Fe and Mg. Additionally， there is a positive correlation observed with Nb， Ta， Pb， and rare earth elements. Moreover， a certain relationship is established between the abundance of radioactive elements and terrestrial heat flow， but this relationship is also influenced by various factors， including the crustal thickness. This study further reveals the relationship among radioactive elements， magmatic rocks， and geothermal energy. It serves as a valuable reference for the development and utilization of geothermal resources within Shandong province.

Keywords ： Shandong province; Mesozoic; magmatic rock; radioactive elements; terrestrial heat flow

在能源枯竭、經濟發展和碳排放的三重壓力下，尋找和開發新的清潔可再生能源愈發重要。地熱資源作為一種清潔、穩定的可再生能源受到各國的廣泛關注。地熱資源在一定程度上可以用地表熱流來反映。Birch等 ?［1］ 結合巖石圈熱結構，提出地表熱流主要由地殼熱流和地幔熱流組成。在地殼熱流研究中，Jaupart等 ?［2］ 認為大陸地殼的平均熱生產估計值低于1 μW/m 3，Hasterok和Webb ?［3］ 認為花崗巖的熱生產率平均為3.54 μW/m 3，遠高于大陸地殼的平均熱量，花崗巖代表地殼總熱生產率中明顯的異常?；◢弾r中異常的熱量主要是由于放射性生熱元素（U、Th和 ?40 K）的衰變產生，占地表熱通量的很大一部分，并強烈影響地殼和巖石圈的熱狀態 ?［4］ 。因此巖石中放射性元素衰變產生的熱量是地熱研究的關鍵 ?［5］ 。放射性元素主要富集在上地殼中，巖漿活動和構造運動可以增加局部熱流。山東地區位于太平洋西岸高熱流帶 ?［6］ ，構造環境復雜，特別是中生代，地殼活動強烈，巖漿活動頻繁，巖漿巖分布廣泛，地熱資源豐富。筆者以山東地區中生代巖漿巖為研究對象，分析巖漿巖中放射性元素的富集規律與大地熱流的關系，以期為山東地區地熱資源的開發和利用提供借鑒意義。

1 ?山東地區中生代巖漿巖時空分布特征

山東地區位于中國大陸東部，被郯廬斷裂帶劃分為魯東和魯西兩個明顯不同的地塊，其中魯西地區和五蓮—即墨斷裂以北屬于華北板塊，五蓮—即墨以南屬于揚子板塊 ?［7］ 。山東地區地層發育較為齊全，以中、新生代地層出露最廣。山東地區構造運動復雜，各時代巖漿巖均有出露，中、新太古代、中生代、新生代火山活動劇烈，其他年代均以巖漿侵入活動為主 ?［8］ 。中生代揚子板塊與華北板塊俯沖碰撞，巖石圈強烈減薄，太平洋板塊俯沖導致大規模的巖漿活動，巖漿巖出露面積廣，約占全省陸地面積的20% ?［9］ （圖1）。強烈的構造和巖漿活動導致山東地區水熱活動異常，地熱資源豐富。

1.1 時間分布特征

如圖2所示，山東地區中生代的巖漿活動可劃分為晚三疊世、晚侏羅世、早白堊世、晚白堊世4個階段，以早白堊世巖漿巖分布最廣。

晚三疊世巖漿巖主要分布在膠東地區，多為花崗巖類侵入體。晚侏羅世巖漿巖在膠東地區發育高鍶花崗巖，在魯西地區主要為高鎂中基性侵入巖 ?［8］ 。早白堊世侵入巖以花崗巖類規模最大，膠東地區可分為高Ba、Sr花崗巖類和富堿質花崗巖類；魯西發育高鎂閃長巖類、高鉀鈣堿性花崗巖類等 ?［8］ ?；鹕綆r總體為高鉀堿鈣性巖系—橄欖安粗巖系，不同區域的火山巖體具有不同的化學成分特點 ?［8］ 。晚白堊世巖漿侵入強度減小，以噴出作用為主，主要發育高鈦堿性玄武巖 ?［8］ 。

1.2 空間分布特征

膠東地區和魯西地區巖漿活動存在很大差異。膠東地區長期處于相對活動的華北板塊東南緣，地質演化復雜，侵入巖體多成片分布，規模較大，以花崗巖類為主，其次為閃長巖類?；鹕綆r受構造控制，分布在沂沭斷裂帶及其兩側的斷陷型陸相火山巖盆地，以白堊紀為主。魯西地區長期處于華北板塊的內部，構造巖漿活動較弱，巖漿巖分布少，輝長巖類為主，其次為閃長巖，同時發育一定數量的堿性巖?；鹕綆r以中、基性巖為主，分布于鄒平、臨朐等斷陷盆地中，形成時間多在早白堊世。

2 數據來源及處理方法

本研究中使用的數據來自前人對山東地區中生代巖漿巖的研究結果，數據包括巖石類型、年齡、分布、主微量元素含量及大地熱流值等，數據總計約為5000個。本研究通過對前人數據的整理匯總，進行大數據分析，提取與山東地區巖漿巖中與放射性元素Th、U含量相關的因素，借助Excel、Origin、Coreldraw等軟件繪制圖件讓數據可視化，從而對數據加以詳細研究和概括總結，進而得到放射性元素的富集特征及影響因素等結論。

3 放射性元素富集特征

放射性元素U、Th、 ?40 K是主要的生熱元素，由于Th、U元素在巖漿巖中的含量及衰變產生的熱量遠高于 ?40 K ?［22］ ，對地表熱流的貢獻量大，所以主要以Th、U為研究對象。Th、U作為典型的不相容元素大離子親石元素，在巖漿熔融過程中優先分配到熔體中，因而在花崗巖中最為富集，花崗巖中的副礦物為Th、U元素主要的載體，在Th、U元素進入礦物時分配系數也受到巖漿成分、物理化學條件的影響 ?［23］ ，所以巖漿的源區和演化制約巖石中Th、U含量。具體到山東地區中生代的巖漿巖，其Th、U元素的豐度受很多因素的影響。

3.1 不同巖性中放射性元素含量特征

山東地區出露的侵入巖類型多樣。分析結果顯示（圖3），在不同類型的侵入巖中，正長巖Th含量最高，Th含量可達2038 μg/g，U含量可達274 μg/g，遠超地殼巖石中Th、U的平均含量，山東地區正長巖出露較少，正長巖的樣品數偏少，結果具有較大的不確定性。其次為花崗巖，Th含量可達1552 μg/g，U含量可達333 μg/g；二長巖Th、U含量分別為844、156 μg/g；閃長巖Th、U含量為590、136 μg/g?；詭r中輝長巖Th、U含量較低，分別為126、034 μg/g，但部分地區出露的堿性輝長巖Th、U含量高，其含量可分別達1950、295 μg/g。酸性巖和堿性巖中富集不相容元素，其Th、U元素豐度較高。除此之外，輝綠巖中Th、U含量較輝長巖高，分別為587、099 μg/g，但由于數據較少，可能存在較大誤差。

山東地區出露的火山巖類型多樣。在流紋巖、英安巖、安山巖及玄武巖中，流紋巖的Th含量最高，Th含量平均為1484 μg/g，U含量平均為202 μg/g；其次為英安巖，其Th、U含量分別為1284、217 μg/g；安山巖含量較低，平均為611、151 μg/g；玄武巖的Th、U含量最低，分別為410、124 μg/g。粗面巖和粗安巖等堿性巖的Th、U含量相對較高。粗面巖的Th、U含量分別為1430和191 μg/g；粗安巖的Th含量較粗面巖低，為914 μg/g，但其U含量稍高于粗面巖，為213 μg/g。該區出露的火山碎屑巖有流紋質凝灰巖和玄武質火山角礫巖，其Th、U含量高。流紋質凝灰巖Th、U含量分別為2018、345 μg/g；玄武質火山角礫巖Th、U含量分別為1071、204 μg/g。

Th和U傾向于富集副礦物中，大多數副礦物富集于巖漿作用后期的產物中，即酸性巖中。因此酸性巖相較于基性巖，其放射性元素Th、U的含量較高。此外堿質含量的增加對放射性元素含量也具有一定的影響。在某些含堿質高的基性巖其放射性元素含量也很高。而在巖漿性質相似時，侵入巖和火山巖中放射性元素含量相差不大。

3.2 不同時期巖漿巖放射性元素豐度特征

膠東地區侵入巖廣泛分布，前人對膠東地區侵入巖研究較多，數據較為豐富，所以以膠東地區侵入巖來研究放射性元素豐度的時代特征。三疊紀巖體的放射性元素豐度最高，侏羅紀巖體的放射性元素豐度最低，白堊紀巖體放射性元素豐度變化較大，這可能與巖石類型有關。晚三疊世巖漿巖以堿質含量較高為特征。晚侏羅世主要發育鈣堿系列的侵入巖。早白堊世巖體分布廣泛，類型復雜，部分高鉀鈣堿系列侵入體中Th、U含量高。

研究的巖石年齡集中在110～150 Ma。巖石年齡主要由鋯石定年得出。分析結果顯示（圖4），巖石年齡較小的，其Th、U元素含量相對較高，約在120 Ma，

出現Th、U元素含量的峰值，此時正是巖漿 活動的峰期，對應華北克拉通破壞高峰期。山東地區中生代巖漿巖演化過程存在著基性到酸性的旋回 ?［10］ ，在此過程中SiO ?2 含量逐漸富集，長英質含量的增加，也有利于Th、U元素的富集。

3.3 不同地區放射性元素豐度特征

分析結果所示（圖5），膠東與魯西地區的侵入巖Th、U豐度差異很大，膠東地區的Th、U含量明顯高于魯西地區。膠東地區Th含量平均為1555 μg/g， U含量為3.24 μg/g；魯西地區Th含量平均為3.09 μg/g，U含量為083 μg/g。

膠東地區與魯西地區的火山巖相比，Th、U含量差距不如侵入巖差距大，Th含量平均為13.74 μg/g，U含量為1.83 μg/g；魯西地區Th含量平均為5.36 μg/g，U含量為1.37 μg/g。

膠東地區巖漿巖的放射性元素豐度較魯西地區高，主要是因為巖性不同。兩者侵入巖巖性差異大，火山巖巖性較為接近，其侵入巖Th、U豐度差異明顯，火山巖豐度差異較小，所以山東地區中生代巖漿巖的放射性元素含量受巖性影響明顯。

4 討 論

4.1 主量元素與放射性元素豐度相關性

火成巖樣品中的熱量隨著SiO ?2 和K ?2 O含量的增加而增加，隨著MgO等含量的增加而減少，由于產熱元素在熔化過程中不兼容，在低度部分熔融時，它們往往會增加濃度，并在熔體開始結晶時留在熔體中，低度的部分熔融和結晶都傾向于增加熔體中的SiO ?2 濃度，因此基性巖的熱量產生往往較低 ?［3］ 。在火成巖樣品中，熱含量隨K ?2 O含量的增加而增加，因為K是一種產生熱量的元素，與U、Th濃度相對高度相關。

分析結果顯示（圖6），巖石中 w （SiO ?2 ）對Th、U豐度存在一定的影響。 w （SiO ?2 ）增加，Th、U含量有微弱的增加趨勢，且SiO ?2 與Th元素之間相關性更好，Th/U隨 w （SiO ?2 ）的增加呈現上升趨勢。另外，在 w （SiO ?2 ）約為68% 時，Th、U含量存在一個小的峰值，表明在 w （SiO ?2 ）為68%時，巖石中Th、U元素豐度較高。

巖石中堿質含量對Th、U豐度存在一定的影響。堿質含量增加，Th、U含量有較為明顯的增加趨勢，且與Th元素含量之間相關性更好。Na、K中，K元素對Th、U含量的影響性更大，Na元素對與Th、U元素含量影響性不大。

隨著SiO ?2 含量的增多，Ca、Mg、Fe等元素含量一般會相對減少。Th、U元素與CaO、MgO含量的變化也表現出負相關的趨勢。

4.2 微量元素與放射性元素豐度相關性

Th、U作為不相容元素，其含量變化與其他不相容元素有一定的相關性。分析結果中（圖7），Rb等元素與Th、U元素均屬于不相容元素，在巖漿熔融過程中傾向于在流體中富集，因此其含量具有一定的相關性。隨著Rb等元素含量的增加，Th、U元素含量均呈現上升趨勢。

稀土元素具有親石性，富硅體系中礦物/熔體間的分配系數一般高于基性體系。分析結果（圖8）顯示，Th、U元素隨著稀土元素的逐漸富集其含量均呈現上升趨勢，尤其是對于輕稀土元素，其變化趨勢更加顯著。研究樣品的δEu主要集中在1附近，且可以比較明顯的看出，相對富集Eu的部分Th、U含量較低，虧損Eu的部分Th、U含量較高。Eu的負異常通常被認為是斜長石和鉀長石的結晶分離，這是堿性巖和酸性巖的特征，因此其Th、U含量較高。

4.3 放射性元素豐度與大地熱流的關系

大地熱流是以熱傳導的方式傳遞到地表的地球深部的能量，主要由地殼熱流和地幔熱流組成，地殼熱流與地殼巖石中放射性生熱元素U、Th、 ?40 K的放射性衰變生熱有關，地幔熱流為來源于地球深部的熱量。因此放射性元素的豐度與大地熱流值存在密切的關系。

山東地區構造演化復雜，大地熱流值較高。如圖9所示，膠東地區整體的大地熱流值較高，僅有極少處熱流值低于65 mW/m ?2 ；魯西地區整體熱流值較膠東低，在魯西地區中部，存在著大地熱流的低值區，熱流高值區屬于潛凸地區 ?［6］ 。

在膠東地區（圖9），大地熱流值的高值區與巖漿巖的分布對應性較好；在魯西地區，大地熱流與巖漿巖體分布的對應性不好。在魯西地區大地熱流值高值區內，很少有巖漿巖的分布，但其大地熱流值卻很高，接近山東地區大地熱流值的峰值。在魯西地區中部，分布有晚侏羅紀和早白堊紀的巖漿巖體，但其大地熱流值卻是全省最低區。

產生這種差異的原因，推測有以下幾點：

（1）巖漿巖的類型與分布。膠東地區和魯西地區的巖漿巖巖性存在差異，膠東地區巖漿巖中放射性元素Th、U豐度高，魯西地區整體偏低。另外膠東地區巖漿巖分布面積廣、巖體厚度大；魯西地區巖漿巖分布零散，巖體規模小，前者對大地熱流的貢獻明顯。

（2）地殼厚度。膠東地區較魯西地區處于板塊邊緣，在中生代時地殼減薄達到峰值。膠東地區和魯中北部熱流高值區比魯西中部熱流低值區地殼普遍減薄約數千米，魯西地殼最大厚度達40 km，一般為37～38 km，膠東地殼厚度為32～34 km ??［37］ 。因此膠東地區的地幔熱流貢獻值可能較魯西地區高。

（3）斷裂及蓋層條件。膠東地區構造作用強烈，各級斷裂廣泛存在，具有良好的導熱條件，魯西地區斷裂不如膠東地區發育。魯西地區大地熱流高值區位于潛凸起區，具有良好的蓋層條件，保溫作用較好。所以山東地區巖漿巖中放射性元素與大地熱流之間具有一定的相關性。但兩者之間的關系，需要綜合考慮巖體密度、地殼厚度等多種因素，這將作為揭示兩者之間相關性的關鍵所在。

5 結 論

（1）山東地區中生代巖漿活動強烈，受華北板塊與揚子板塊碰撞及太平洋板塊向亞歐板塊俯沖影響，形成一系列巖漿巖，其中以早白堊世巖體出露最為廣泛。膠東地區巖漿巖以中酸性為主，其放射性元素Th、U含量較高；魯西地區以偏基性為主，其放射性元素Th、U含量低。

（2）放射性元素Th、U豐度受巖石中堿質含量的影響。巖石中堿質含量，尤其是鉀含量高者，放射性元素Th、U豐度高。

（3）放射性元素Th、U含量與部分元素含量存在一定的相關性。Th、U元素與Si、K存在較為明顯的正相關，與Fe、Mg等存在較為明顯的負相關；Th、U與Zr、Nb、Ta、Hf等不相容微量元素呈明顯的正相關，與相容元素之間關系不明顯；Th、U元素與稀土元素呈明顯的正相關，輕稀土的相關性更好。

（4）山東地區大地熱流值與中生代巖漿巖分布具有一定的關系，巖漿巖分布的地方大地熱流值較高。但在西部和北部大地熱流值高值區，中生代巖漿巖幾乎沒有分布，這可能是受到地殼厚度與地幔熱流的影響。

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（編輯 李 娟）