赣东南地区岩体放射性生热率特征研究

宋炉生， 胡秋祥， 陈姗姗

(江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌 330001)

干热岩型地热资源以其分布普遍性和高热储温度的优点而更具开发潜力与前景(汪集旸等，2012)。国内越来越多的专家学者开展了干热岩的相关研究工作，并将中国干热岩资源赋存类型分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型(甘浩男等，2015)。目前，国内掀起了干热岩勘查浪潮，江西、青海、福建、山东、江苏、广东等地区陆续开展了相关工作，取得丰硕成果(Zhang et al.，2020；江海洋等，2019；孙明行等，2020)。

江西省岩浆岩分布面积约占全省总面积的20.58%，其中侵入岩广泛分布于全省各地，岩浆活动以燕山期最为强烈，花岗岩类岩体发育，多呈大型岩基产出，存在放射性热保存较好的高产热隐伏岩体(伯慧等，2015a)。因此江西作为高热流花岗岩地区(冉恒谦等，2010)具有较好的高放射性产热型干热岩勘查开发前景。

地壳中放射性元素铀、钍和钾同位素衰变产生的热是地表热流的重要组成部分(汪集旸等，2012；Al-Alfy et al.，2013；Erbek et al.，2019)。在蔺文静等(2016)对我国东南沿海干热岩靶区选址研究确定的干热岩赋存的9个地热地质学指标中，单位体积生热率、岩体规模是前提和基础，故生热率是干热岩地热资源评价的一个重要参数。而花岗岩具有异常高的生热率背景(赵平等，1995)。因此对赣东南地区花岗岩类岩体放射性生热率特征进行研究意义重大。

1 地质背景

赣东南地区位于江西省遂川-万安-古县-东乡断裂、东乡-德兴断裂以东，区内出露地层由老至新有中元古界、震旦系、寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第四系等。区内断裂构造发育，主要为三条北东向深大断裂，自西往东依次为大余-赣州-南城断裂、安远-鹰潭断裂和寻乌-瑞金-资溪断裂。

赣东南地区岩浆活动强烈，岩浆岩分布广(图1)，主要出露燕山期、印支期、加里东期等三期次岩浆岩，其他期次岩浆岩仅零星出露。其中燕山期岩浆活动规模最大、最为频繁，以中酸性侵入岩为主，主要有柯树北序列花岗岩类、车步序列辉长闪长岩类、寨背序列铝质A型花岗岩、“南岭系列”花岗岩(葛仙山序列)、二云母花岗岩类(浒坑序列)等。加里东期岩浆活动也较频繁，花岗岩类的分布广泛，集中分布于武夷山-雩山一带，其他地区出露较零星，岩性主要为糜棱岩化花岗岩、片麻状二云母花岗岩等。印支期花岗岩类的分布较为零星，主要出露于赣中南地区，岩性主要为花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩。

2 赣东南地区生热率特征

2.1 样品测试及生热率计算

为了研究江西省东乡-德兴断裂、遂川-万安-东乡断裂以东地区(赣东南)花岗岩类岩体生热率特征，从地表采集了新鲜的花岗岩体59个。样品分析由澳实分析检测(广州)有限公司完成，将样品进行无污染碎样至200目，采用Axios X荧光光谱仪(荷兰PANalytical)全岩分析法测定主量元素，主要氧化物检测下限为0.01%；采用7700x电感耦合等离子质谱(美国Agilent)分析微量元素，铀钍等元素检测下限为0.05 μg/g。获取岩体的铀、钍、钾(根据K2O含量换算)含量。另外收集了赣南寨背岩体(陈培荣等，1998)、赣南大吉山与漂塘岩体(华仁民等，2003)、柯树背岩体(胡恭任等，2002)、赣南大富足岩体(张万良，2006)的铀、钍、钾数据19个。

地表采集的59个样品密度由西安交通大学地热与环境研究实验室通过排水法测得。收集的19个样品密度采用中国东南地区花岗岩的平均密度2.67 t/m3(赵平等，1995)。根据Haenel等(1988)生热率计算公式H=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)获取78组生热率数据(表1)，其中H为岩体生热率(μW/m3)，ρ是密度(t/m3)，CU、CTh分别是铀、钍的丰度值，单位是10-6，CK是钾的丰度值，单位是%。

2.2 不同期次岩体生热率特征

本次工作获取的78个岩体生热率中，最小值为1.09 μW/m3，最大值为9.74 μW/m3，平均值为4.75 μW/m3。上饶地区燕山期文象花岗岩的生热率最小(图2a,b)，其岩石具半自形粒状结构、文象结构，块状构造。其中，斜长石含量约30%，呈自形-半自形柱状，柱长为0.45～5.5 mm，可见聚片双晶，大部分具较强的绢云母化、泥化，少部分伴随方解石化；钾长石含量约40%，呈半自形板状，板长为0.47～3.00 mm，主要为正长石，少量为条纹长石，可见条纹结构，普遍具较强的泥化，常与石英有规律的交生形成文象结构；石英含量约24%，呈半自形-他形粒状，粒径为0.23～1.50 mm，主要与钾长石有规律的交生形成文象结构；角闪石含量约1%，呈半自形柱状，柱长为0.35～0.78 mm，具次闪石化，有铁质析出；黑云母含量约5%，呈片状，片径为0.14～0.90 mm，部分已绿泥石化。生热率最大的为龙南地区燕山期的粗粒花岗岩(图2c,d)，岩石具半自形粒状结构，块状构造。斜长石含量约10%，呈自形-半自形柱状，柱长为1.3～3.2 mm，聚片双晶发育，晶粒中心具绢云母化，部分晶粒沿边缘具钾化；钾长石含量约54%，呈半自形板、柱状，柱长为0.9～6.3 mm，以条纹长石为主，次为微斜长石，卡式双晶较常见，较大的晶粒中常包有细小钾长石和石英；石英含量约30%，呈粒状，粒径为0.5～5.0 mm，具波状、带状消光，部分晶粒具微弱重结晶，充填于长石粒间;黑云母含量约6%，呈片状，片径为0.2～2.0 mm，单偏光下呈墨绿色，晶粒有弯折现象，零星见于粒状矿物间隙。

本次研究的花岗岩样品共78个，其中燕山期59个，生热率平均值为4.99 μW/m3，印支期10个，生热率平均值为4.46 μW/m3，加里东期9个，生热率平均值为3.46 μW/m3。整体生热率呈现燕山期>印支期>加里东期，表现为时代越新，生热率越高(图3)。

对不同期次的花岗岩类岩体的铀、钍、钾含量特征进行统计分析，燕山期铀含量平均为10.33×10-6，印支期铀含量平均为8.52×10-6，加里东期铀含量平均为6.36×10-6，各期次铀含量规律与生热率特征相对应。各期次的钍含量也呈现时代越老含量越低，但相差不大，依次为燕山期(30.17×10-6)、印支期(29.13×10-6)、加里东期(24.40×10-6)。各期次钾含量规律性不明显。

2.3 不同地区燕山期岩体生热率特征

获取的59个燕山期花岗岩类岩体生热率为1.09～9.74 μW/m3，平均生热率为4.99 μW/m3，高于青海共和盆地花岗岩平均生热率(2.7 μW/m3，Zhang et al.，2018)、福建漳州花岗岩放射性生热率平均值(4.22 μW/m3，杨立中等，2016)，低于广东佛冈地区花岗岩平均生热率(6.77μW/m3，万建军等，2015)。

赣东南地区岩体的生热率平均值呈现南高(大余-崇义-上犹、龙南、安远-寻乌)、北低(宁都-兴国-宜黄黄陂-崇仁、上饶-鹰潭)，西高(大余-崇义-上犹)、东低(上饶-鹰潭)的规律(表2)。岩体生热率从南至北，龙南(5.60 μW/m3)>安远-寻乌(5.15 μW/m3)>宁都-兴国-宜黄黄陂-崇仁(3.19 μW/m3)>上饶-鹰潭(1.96 μW/m3)。岩体生热率从西至东，大余-崇义-上犹(7.35 μW/m3)>龙南(5.60 μW/m3)>安远-寻乌(5.15 μW/m3)>上饶-鹰潭(1.96 μW/m3)。

表2 赣东南燕山期不同地区的岩体生热率

由于岩体U、Th和K含量不同，其放射性热贡献率也不同，其中大余-崇义-上犹U放射性热贡献率明显高于其他地区，而Th放射性热贡献率低于其他地区，大余-崇义-上犹、龙南、安远-寻乌地区K放射性热贡献率低于其他地区(表3)。

表3 赣东南燕山期岩体中U、Th和K放射性热贡献率

3 热参1井生热率特征

为了获取岩体垂向上的生热率规律，选择在干热岩资源前景良好的龙南南有利区施工热参1井进行研究。该区火山盆地下推测有隐伏岩体，岩体生热率高，周边汤湖地热田温度较高，存在明显的地温异常，推测地层深部存在高温岩体，上覆火山碎屑岩盖层热导率低于花岗岩，花岗岩产生的热量可较好地保存(伯慧等，2015b)。

3.1 热参1井地质特征及采样测试

热参1井位于龙南县火山碎屑岩盆地的东北边缘，开孔地层为三叠系下统大冶组，67.30 m进入二叠系上统乐平组，163.10 m进入断层破碎带(177.40 m以深为花岗岩)，186.05 m穿过断层进入燕山期花岗岩岩体，并于1 000.35 m终孔。按间隔50 m左右选择较完整、新鲜的岩芯取样。

3.2 生热率计算

热参1井共采取花岗岩样20个，全部进行岩石化学成分分析，得到铀、钍、钾数据。对编号LHDR08-LHDR19样品进行密度测定，编号YRC01-YRC09样品的密度采用LHDR19样品的密度(2.75 t/m3)，按生热率计算公式计算各样品生热率(表4)。

表4 热参1井岩石生热率

3.3 生热率与深度变化关系

对热参1井所采样品的岩石样品中铀、钍、钾含量及生热率规律进行分析。U含量4.65×10-6～30.10×10-6，平均为16.42×10-6，U含量随深度增加而增加，约到800 m以后趋于稳定。Th含量最大为65.50×10-6，最小为6.31×10-6，平均为35.04×10-6，其含量也随深度增加而增加，在约1 000 m以后趋于稳定。K含量随深度的变化规律不明显。

热参1井采集的20个样品中，生热率最大为11.37 μW/m3，位于699.05 m深，最小为2.61 μW/m3，位于217.90 m深，平均为7.08 μW/m3。生热率呈现随深度增加而增加的规律，规律性较强，但在800 m深左右往后趋向于稳定且略减小(图4)。

生热率与深度相关性多项式为

y=-2×10-5x2+0.032x-3.385(100

拟合系数R2= 0.858，表明相关性较好。

4 讨论

本次研究发现赣东南地区岩体生热率从南至北，逐渐降低，与江西省大地热流分布规律相似(李学礼等，1993)。研究区西南部岩体生热率最高，大余-崇义-上犹地区岩体生热率为2.47～9.20 μW/m3，平均为7.35 μW/m3；龙南地区岩体生热率为3.96～9.74 μW/m3，平均为5.60 μW/m3。许保良等(1995)按岩体的Th/U比值大小将岩体划分为富铀花岗岩(Th/U<3)，正常花岗岩(36)。大余-崇义-上犹地区岩体Th/U平均为1.28，为富铀花岗岩，其生热率在赣东南地区也是最高。因为大余-崇义-上犹地区花岗岩属于诸广-桃山铀成矿带(赵如意等，2020)，此成矿带内的岩体多为富铀岩体。龙南地区岩体Th/U平均为4.32，为正常花岗岩，由于其铀及钍含量比其他正常花岗岩体相对较高，故生热率也较高。根据本研究成果，大余-崇义-上犹地区和龙南地区生热率高，可作为干热岩勘查有利区进一步工作。

5 结论

(1)江西省东乡-德兴断裂、遂川-万安-东乡断裂以东地区(赣东南)的燕山期、印支期、加里东期岩体铀、钍含量以及生热率呈现时代越新生热率越高的整体趋势。

(2)赣东南地区燕山期岩浆岩生热率呈现南高北低、西高东低的规律，以大余-崇义-上犹地区生热率最高，且其铀含量及生热率先高于龙南地区，但钍含量又低于龙南地区。

(3)龙南地区施工的热参1井揭示该地区岩体铀、钍含量及生热率随深度增加而增加而后趋于稳定且略减小。

(4)大余-崇义-上犹地区和龙南地区岩体生热率较高，可作为江西省干热岩勘查优选有利区。