華北克拉通中生代幔源巖漿巖放射性元素生熱率的時空差異與主控因素

孟凡超 秦麗媛 王揚州 劉朋 周瑤琪

摘要 ：華北克拉通地熱資源與中生代巖漿活動關系密切。然而，地熱資源的成因、分布與巖漿作用之間的內在聯系尚不明確。為研究華北克拉通中生代巖漿活動對地熱資源的影響，在厘清中生代幔源巖漿巖期次、巖性、成因和分布的基礎上，利用632組幔源巖漿巖的U、Th、K生熱元素數據，計算不同時期巖石放射性生熱率，探究華北克拉通中生代幔源巖漿巖放射性生熱率時空差異及其主控因素。結果表明：幔源巖漿巖巖石類型是影響生熱率的直接因素，霞石正長巖、輝石巖、正長巖和煌斑巖的生熱率高于輝長巖、輝綠巖和玄武巖；幔源巖石成因是放射性生熱率高低的基礎，與伸展構造背景相比，碰撞環境下巖石生熱率較高；不同破壞機制下巖石生熱率差異較大，熱-化學侵蝕巖石圈破壞地區的巖石生熱率普遍高于拆沉作用地區。

關鍵詞 ：華北克拉通； 中生代； 幔源巖漿巖； 放射性生熱率； 地熱

中圖分類號 ：P 588.1 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：孟凡超，秦麗媛，王揚州，等.華北克拉通中生代幔源巖漿巖放射性元素生熱率的時空差異與主控因素［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（1）：36-45.

MENG Fanchao， QIN Liyuan， WANG Yangzhou， et al. Temporal-spatial differences and controlling factors in radioactive heat generation rates of Mesozoic mantle-derived magmatic rocks in the North China Craton［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（1）：36-45.

Temporal-spatial differences and controlling factors in radioactive ?heat generation rates of Mesozoic mantle-derived magmatic

rocks in the North China Craton

MENG Fanchao ?1，2 ， QIN Liyuan ?1，2 ， WANG Yangzhou 3， LIU Peng 3， ZHOU Yaoqi ?1，2

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

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

3.Shandong Energy Group South America Company Limited， Qingdao 266114， China）

Abstract ： ?Geothermal resources within the North China Craton have a strong association with Mesozoic magmatic activities. However， the precise link ?between the origin， distribution， and magmatism of these geothermal resources remains elusive. To investigate the influence of Mesozoic magmatic activity on the geothermal resources within the North China Craton， this study calculated the radioactive heat generation rates of rocks during various periods by utilizing data on U， Th and K heat generation elements from 632 sets of mantle-source magmatic rocks. This calculation was conducted on the basis of clarifying the period， rock type， genesis， and distribution of Mesozoic mantle source magmatic rocks. The research aimed to investigate the temporal-spatial disparities and primary controlling factors behind the radioactive heat generation rates of Mesozoic mantle-derived magmatic rocks within the North China Craton. The outcomes highlight that the type of mantle-derived magmatic rocks serves as a direct determinant of the heat generation rate. Specifically， nepheline syenite， pyroxene， syenite and lamprophyre display higher heat generation rates compared to gabbro， diabase， and basalt. Moreover， the origin of mantle-derived rocks emerges as the foundamental basis for the high radioactive heat generation rate， and the thermal generation rate of rocks within the collision environment surpasses that within the extensional tectonic setting. Substantial variations in the heat generation rate are observed among magmatic rocks formed under different destructive mechanisms. The ?rocks within the lithosphere damaged area by thermal-chemical erosion typically exhibit higher heat generation rates than those affected by delamination in the lithosphere.

Keywords ： North China Craton; Mesozoic; mantle-derived magmatic rocks; radioactive heat generation rates; geothermal energy

地熱資源是一種前景廣闊的可再生能源。地熱主要來源于地球外部和內部，內部熱源由地球余熱和放射性元素衰變產生的熱量（約80%）組成 ?［1］ 。日本一研究小組利用中微子探測器觀測數據，得出約一半的地熱能源于放射性元素衰變，而剩余部分是地球誕生時保存至今的原始熱量 ?［2］ 。U、Th、K半衰期長、衰變熱量高且豐度高，屬放射性生熱元素 ?［3］ 。放射性生熱率指單位體積巖石在單位時間內所含放射性元素衰變產生的熱量，可衡量巖石放射性生熱能力。華北克拉通地熱資源豐富且應用廣泛，其地熱潛能與中生代巖漿活動密切相關，前人研究集中于地熱資源的地質條件、成因機制及開發利用等方面 ?［4-6］ ，李維等 ?［7］ 研究表明，華北克拉通巖石圈地幔生熱率分布不均，從邊緣向中心增大。但華北克拉通巖漿作用與放射性生熱率的具體關系尚不明晰，這一定程度上限制了華北地熱資源的開發利用。幔源巖漿巖是地幔部分熔融的產物，有利于討論深部巖漿與放射性生熱率的關系，因此筆者系統整理華北克拉通中生代巖漿巖時代、分布和類型，利用632組幔源巖漿巖的U、Th、K生熱元素數據，計算不同地區、時代幔源巖漿巖的生熱率，厘清華北克拉通幔源巖漿作用與放射性生熱率的關系，進而探討地熱資源形成的深部熱背景，為該區地熱資源評價和有利區帶優選提供理論基礎。

1 區域地質背景

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，基底由東部陸塊、西部陸塊和中部造山帶組成，地理位置100°E-130°E、32°N-42°N（圖1（a））。新元古代—古生代，華北克拉通處于相對穩定的地臺狀態。中生代以來，受揚子克拉通和西伯利亞板塊影響及古太平洋板塊的俯沖擠壓，華北克拉通巖石圈發生大規模減薄破壞，在邊緣和內部引發了不同規模的構造-巖漿活動 ?［8］ 。

中生代華北克拉通巖漿活動強烈，巖石類型多樣，巖漿巖分布廣泛。三疊紀巖漿巖主要分布在克拉通北緣，侏羅紀巖漿巖主要分布在陰山-燕山-遼西、遼東半島、膠東半島及北京西山等地，早白堊世巖漿巖呈面狀分布在華北克拉通東部，其西界可至鄂爾多斯盆地西緣；晚白堊世巖漿巖分布在膠東半島、渤海灣盆地、遼西和遼東半島（圖1（a））。

華北地區地熱展布面積大、梯度高、類型多。按區域可分為華北斷陷區深部地熱和華北陸內造山帶熱泉地熱。其中山區熱泉主要分布于華北斷陷區外圍的燕山、太行山、膠遼山地等陸內造山帶的山前斷裂帶或軸部巖漿巖分布區（圖1（b）），以自流熱泉的形式向外溢流。華北地區主要是低溫地熱資源，多用于采暖、工業等方面。

2 數據收集與處理

2.1 數據來源

華北克拉通中生代巖漿巖集中分布在張家口-宣化、膠東、遼東半島等地。為厘清巖漿巖分布特征，將華北克拉通巖漿巖分布區分為華北北緣、膠東半島、遼東半島、遼西、魯西及太行山6個區。根據幔源巖漿巖典型地球化學特征（低SiO 2、高MgO、高Fe 2O 3、高Mg ?# 、高Cr、高Ni、富集相容元素、高 ε ??Hf （ t ）、低δ ?18 O），系統收集并整理了中生代6個地區的幔源巖漿巖數據，最終獲得樣品數據1896組，包括樣品位置、巖性、年齡以及地球化學元素含量。

2.2 數據處理

根據華北克拉通中生代巖漿巖數據的實際情況，將蝕變數據的識別標準定義為燒失量（loss on ignition， LOI）小于-5%或大于5%、各種氧化物的總和小于95%或大于102%。具體處理方法為：若樣品數據中含LOI，依據LOI對該樣品進行判別；若該樣品數據中不包含LOI，則依據各種氧化物的總和判別。在全部1 896組數據中，利用LOI和各種氧化物的總和識別出蝕變嚴重數據249組。在此基礎上篩選SiO 2質量分數在45%～52%之間的數據，共639組，剔除缺失U、Th、K元素數據后剩余幔源巖漿巖數據632組 ?［11-19］ 。其中遼東半島88組、膠東半島193組、遼西地區73組、魯西地區111組、太行山地區82組、華北北緣85組。

3 ?華北克拉通中生代幔源巖漿巖時空分布特征

3.1 期 次

根據年齡數據，中生代幔源巖漿巖可分為4個期次，即三疊紀（240～200 Ma）、侏羅紀（200～145 Ma）、早白堊世（145～100.5 Ma）、晚白堊世（100～60 Ma）。幔源巖漿活動主要集中在早白堊世，其次為三疊紀（圖2）。6個地區中華北北緣和太行山地區幔源巖漿活動主要分布在三疊紀、侏羅紀及早白堊世；遼東半島和遼西地區在4個期次均有幔源巖漿活動；膠東半島缺少侏羅紀幔源巖漿活動；魯西地區幔源巖漿活動僅分布在早白堊世。

3.2 ?時代差異性

三疊紀幔源巖漿巖主要分布在華北克拉通邊緣，包括克拉通北緣、膠東半島、遼東半島及內部邢臺地區（圖3（a）），主要出露輝石巖、輝長巖、正長巖、煌斑巖及閃長巖。侏羅紀幔源巖漿巖分布局限，僅在遼西、遼東半島、膠東半島、華北北緣及太行山少量出露煌斑巖、玄武巖、堿玄巖、安山巖和輝綠巖（圖3（b））。早白堊世幔源巖漿巖在全區廣泛分布（圖3（c）），大面積出露橄欖輝長巖、輝綠巖、玄武巖和煌斑巖。晚白堊世以來，巖漿活動減弱，幔源巖漿巖僅在華北北緣、遼東半島、遼西地區和膠東半島分布（圖3（d）），主要出露玄武巖、輝長巖、輝綠巖和煌斑巖。

3.3 ?區域差異性

華北北緣三疊紀主要出露輝石巖和正長巖，侏羅紀出露玄武巖和堿玄巖，早白堊世出露玄武巖、鉀玄巖和輝綠巖；膠東半島三疊紀主要出露正長巖，早白堊世出露玄武巖、煌斑巖、輝綠巖、輝長巖，晚白堊世出露輝長巖、輝綠巖、煌斑巖、玄武巖、碧玄巖；遼東半島三疊紀出露閃長巖、煌斑巖、輝長巖、輝綠巖和輝石巖，侏羅紀僅出露煌斑巖，早白堊世出露輝綠巖、輝長巖、橄欖二輝巖和小嶺組熔巖，晚白堊世出露堿性玄武巖和拉斑玄武巖；遼西地區三疊紀主要出露霞石正長巖；侏羅紀出露煌斑巖，早白堊世出露玄武巖和煌斑巖，晚白堊世出露玄武巖；魯西地區早白堊世主要出露玄武巖、橄欖輝長巖、輝長巖、輝綠巖、煌斑巖和閃長巖；太行山地區三疊紀主要出露輝綠巖和煌斑巖，侏羅紀出露輝綠巖、安山巖和玄武巖，早白堊世出露安山巖、閃長巖、輝綠巖和煌斑巖。

4 ?華北克拉通中生代幔源巖漿巖放射性元素生熱率特征

4.1 巖石放射性生熱率計算

根據研究需要，前人曾提出多個巖石放射性生熱率的計算公式 ?［20-21］ ，選擇Rybach等 ?［22］ 提出的巖石放射性生熱率計算經驗公式為

A=10 ?-5 ρ（9.52C ?U +2.56C ??Th ?+3.48C ?k ）. （1）

式中，A為巖石放射性生熱率， μW/m 3； ρ 為巖石密度，kg/m 3； C ?U和 C ??Th 分別為巖石中放射性元素U、Th的含量，10 ?-6 ； C ?k為巖石中K的質量分數，%。U、Th、K元素含量數據來源同圖2，計算結果見表1。

4.2 ?不同期次幔源巖漿活動放射性生熱率特征

華北克拉通各期次幔源巖漿巖的放射性生熱率空間分布具明顯不均一性，整體呈現由克拉通邊緣向中心減小趨勢。三疊紀和晚白堊世幔源巖漿巖放射性生熱率主要為0～1 μW/m 3，侏羅紀和早白堊世主要為0～1.5 μW/m 3。三疊紀大部分幔源巖漿巖的放射性生熱率為0～1 ?μW/m 3（圖4（a）），遼西地區最高，太行山地區最低，生熱率由克拉通邊緣（華北北緣、膠東半島、遼東半島）向中部（太行山地區）逐漸降低。侏羅紀放射性生熱率僅分布在0～15 μW/m 3（圖4（b）），遼東半島最高，太行山地區最低，克拉通北部（華北北緣、遼東半島）和東部（膠東半島）生熱率較高。早白堊世生熱率大部分為 0～ 1.5 μW/m 3，其次為1.5～2 μW/m 3（圖4（c）），膠東半島最高，遼東半島最低。生熱率自東向西先升高后降低，即由遼東到遼西、魯西和膠東升高，再到中部太行山地區生熱率降低。晚白堊世生熱率大部分為0～1 μW/m 3，1～2.5 μW/m 3的幔源巖漿巖較少（圖4（d）），與早白堊世相似，膠東半島生熱率最高，遼東半島最低（表1）。

4.3 不同地區幔源巖漿活動放射性生熱率特征

不同地區生熱率數據統計結果顯示，華北北緣三疊紀和早白堊世幔源巖漿巖放射性生熱率大部分為0～1 μW/m 3，而侏羅紀主要為1～1.5 μW/m 3（圖5（a））。膠東半島三疊紀幔源巖漿巖放射性生熱率主要為1～1.5 μW/m 3，早白堊世主要為0.5～1.5 μW/m 3，晚白堊世大部分為0～1 μW/m 3（圖5（b））。 遼東半島三疊紀和早白堊世幔源巖漿巖的放射性生熱率主要為0～1 μW/m 3，侏羅紀大部分為1～1.5 μW/m 3，晚白堊世主要為0～0.5 μW/m 3（圖5（c））。 遼西地區三疊紀幔源巖漿巖放射性生熱率主要為3.5～4 μW/m 3，侏羅紀主要為0.5～1 μW/m 3，早白堊世大部分為0～0.5及1～1.5 μW/m 3，晚白堊世為0.5～1 μW/m 3（圖5（d））。魯西地區僅分布早白堊世幔源巖漿巖，放射性生熱率主要為 0～ 0.5和1～1.5 μW/m 3（圖5（e））。太行山地區三疊紀、侏羅紀及早白堊世的幔源巖漿巖放射性生熱率均主要為0～0.5 μW/m 3（圖5（f））。

總體而言，華北北緣、膠東半島和遼東半島自三疊紀至晚白堊世幔源巖漿巖生熱率均值都逐漸降低，太行山地區生熱率逐漸增高，遼西地區先降低后增高（表1）。遼東半島和太行山地區各時代K、Th、U含量與生熱率變化趨勢正相關，但華北北緣僅K、U含量與生熱率變化趨勢對應，膠東半島和遼西地區僅K、Th含量與生熱率變化趨勢對應（表2）。

5 ?幔源巖漿巖生熱率時空分布差異的主控因素

5.1 巖 性

放射性生熱率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 ?［22］ ，而元素含量的高低與巖性直接對應。華北克拉通中生代幔源巖漿巖不同巖性所對應的放射性生熱率如圖6所示。

三疊紀生熱率呈克拉通邊緣向中部逐漸降低趨勢，北緣主要出露輝石巖、正長巖和霞石正長巖，東緣巖性為煌斑巖、輝石巖和輝長巖，中部主要出露輝綠巖和輝石煌斑巖。侏羅紀克拉通北緣和東緣的生熱率高于太行山地區，北緣主要出露堿玄巖和安山巖，東緣主要出露煌斑巖，太行山地區主要出露玄武巖和輝綠巖。早白堊世生熱率在空間上自東向西具有 “高- 低-高”特征，表現為由遼東到遼西、魯西和膠東生熱率升高，再到太行山地區降低，由太行山地區到阿拉善、巴彥淖爾等地再次升高。遼東半島主要出露輝綠巖和橄欖輝長巖，遼西地區出露煌斑巖和玄武巖，膠東巖性為煌斑巖、玄武巖和輝長巖，魯西為煌斑巖和輝長巖，太行山地區出露輝綠巖及少量煌斑巖，巴彥淖爾和阿拉善等地主要出露玄武巖和鉀玄巖。

生熱率較高地區，巖性以霞石正長巖、輝石巖和正長巖等堿性系列巖石為主，而生熱率較低地區，以玄武巖、輝長巖和輝綠巖等鈣堿性系列為主，生熱率與巖性的相關性表明巖性差異或是制約生熱率變化的重要因素之一。

5.2 幔源巖石的成因

不同成因產生的巖石類型不同，碰撞造山主期壓力過高不利于巖漿生成與侵入，因此許多大型巖體的形成往往與后碰撞期有關 ?［23］ ，后碰撞構造環境巖漿活動以幔源為主，發育超鉀質巖石組合 ?［24］ ，屬堿性系列，研究表明，生熱率隨巖石中堿質組分增加而升高 ?［25］ 。華北北緣三疊紀巖漿巖形成于后碰撞/后造山構造環境 ?［26］ ，膠東半島和遼東半島三疊紀表現為華北與揚子的碰撞拼合 ?［27］ ，三疊紀華北北緣、膠東半島、遼東半島較高生熱率可能是碰撞構造背景下發育堿性系列巖石的結果。

晚中生代由于華北陸塊巖石圈伸展-減薄作用和地幔廣泛的熔融作用 ?［28］ ，形成了早白堊世克拉通東部和中部大量火成巖，巖性為鈣堿性系列的玄武巖、輝綠巖和輝長巖，上述巖石較低生熱率表明伸展構造背景導致生熱率偏低。

5.3 ?華北克拉通破壞機制

華北克拉通破壞機制主要存在熱-化學侵蝕和拆沉作用兩種模式（圖7）。熱-化學侵蝕模型認為軟流圈對上覆巖石圈地幔底部不斷烘烤，使巖石圈地幔底部部分熔融形成巖漿 ?［29］ 。隨著熱-化學侵蝕作用進行，幔源巖漿巖源區由早期巖石圈地幔逐步過渡到后期軟流圈地幔 ?［30］ 。因此， 熱- 化學侵蝕機制對應的幔源巖漿巖源區為巖石圈地幔逐步轉變為軟流圈地幔。拆沉作用模型指由于重力不穩定性導致巖石圈地幔和下地殼沉入軟流圈或深部地幔的過程，導致軟流圈上涌發生部分熔融，后期榴輝巖拆沉進入軟流圈后形成的富硅熔體對上覆巖石圈地幔進行改造 ?［31］ 。因此拆沉作用模型對應的幔源巖漿巖前期為軟流圈地幔源區，后期巖石圈地幔源區占比明顯提高。

利用潛在狄利克雷分配模型對華北克拉通中生代幔源巖漿巖數據挖掘，結果表明幔源巖漿巖數據只能分為X0和X1端元，但兩個端元的地質意義尚未明確。依據主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素，可劃分出島弧型和洋島型巖漿巖兩系列 ?［32］ 。利用全球島弧和洋島巖漿巖數據構建邏輯回歸判別模型，探討潛在狄利克雷分配模型挖掘出的兩端元與島弧型和洋島型巖漿巖是否有相關性。將幔源巖漿巖兩端元數據代入島弧和洋島巖漿巖數據標準化公式中，與島弧和洋島巖漿巖數據做同樣標準化處理，再將兩個端元輸入到訓練好的邏輯回歸判別模型中，結果顯示，X0端元具有洋島巖漿巖地球化學特征，可用來指示軟流圈地幔源區，X1端元具有島弧巖漿巖地球化學特征，可用來指示巖石圈地幔源區。根據各地區幔源巖漿巖來源先后順序，得出各地區減薄方式屬于拆沉作用還是熱-化學侵蝕作用，進而厘清了華北克拉通拆沉作用和熱-化學侵蝕兩種巖石圈破壞模式的分布規律。三疊紀拆沉作用主要發生在克拉通北部、東部及邢臺地區，熱-化學侵蝕主要發生在華北北緣、遼西地區和遼東半島；侏羅紀拆沉作用發生在遼西地區，熱-化學侵蝕發生在太行山地區、華北北緣、魯西、遼西地區以及遼東半島；早白堊世拆沉作用集中發生在遼西和魯西地區，熱-化學侵蝕發生在華北克拉通全區；晚白堊世破壞機制以拆沉作用為主，主要發生在遼西地區、遼東和膠東半島（圖8）。

華北克拉通不同地區兩種破壞機制生熱率結果表明，熱-化學侵蝕巖石圈破壞地區的巖石生熱率普遍高于拆沉作用地區（圖9，數據來源同圖2）?？赡苤饕蓛煞N原因導致：首先，華北克拉通中生代巖石圈地幔主體由古生代克拉通型轉變為富集型巖石圈地幔 ?［34］ ，而富集巖石圈地幔部分熔融通常產生堿性系列巖石，如華北北緣出露的正長巖，其生熱率較高，而拆沉模式下產生的巖漿巖主要來自虧損的軟流圈地幔，通常產生以玄武巖為主的鈣堿性系列巖石 ?［35］ ，生熱率較低；其次，理論計算表明，熱-化學侵蝕機制破壞時間至少持續100 Ma ?［36］ 。熱量由巖石圈底部到地表需要漫長的時間，而長時間熱侵蝕，可能導致地溫梯度的升高。

6 結 論

（1） 華北克拉通中生代幔源巖漿巖巖性決定了巖石放射性生熱率。霞石正長巖、輝石巖、正長巖和煌斑巖的生熱率高于輝長巖、輝綠巖和玄武巖。

（2）幔源巖石的成因是生熱率高低的基礎。后碰撞構造環境中容易生成生熱率較高的巖石。

（3）華北克拉通破壞機制是幔源巖石生熱率高低的內因。熱-化學侵蝕巖石圈破壞地區的巖石生熱率普遍高于拆沉作用地區。

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（編輯 李志芬）