福建省地幔对流系统与地幔热柱研究

庄庆祥 郑霜高 姜兆钧 庄公勋

（1福建省能源研究会 福建福州 350001；2福建省祥和地热开发有限公司 福建漳州 363000）

关健词 地幔对流系统 地幔热柱 活裂谷 地下高温岩体 岩石圈 核幔边界

1 福建省地幔对流系统与地幔热柱特征

前人研究表明，太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲到670 km深处，岩石圈物质在那里滞流下沉，一直沉到地幔底部，动 核幔边界的稳定性和激发地幔热柱物质向上运动，地幔内部存在巨大规模的对流系统［1］。显然处于太平洋板块、菲律宾板块向欧亚大陆板块俯冲聚焦带上的福建东南沿海、特别是漳州沿海地区首当其冲，这一地区的深层过程应给予特别的重视与关注；我国东部存在着大面积的大陆活裂谷型玄武岩喷发作用，岩石圈的伸展与上隆、岩石圈强烈与快速的减薄，软流圈顶面埋藏浅及底辟作用以及边缘海的形成等，均暗示着我国东部大陆下面存在着地幔热柱；不论是地表构造格局，还是部分地球物理场特征，均表现出是由深部热异常的物质运动所致。地幔热柱与矿产资源及找矿方向的研究在我国刚刚开始，这在地球深部物质与能量的交换和其物理－化学响应研究中，在大型、超大型矿床和矿集区的动力成矿理论与模型的建立中有着极为重要意义。很多类型的矿床和高温干热岩热储体、热源体在成因上与地幔热柱的作用密切相关，地幔热柱与成矿、干热岩高温岩体的研究对指导我国大型、超大型矿床和矿集区寻找稀有贵金属和稀土金属、干热岩高温岩体必将取得重大突破［1］。

福建省地幔对流系统与地幔热柱表征较明显，地表遗迹较齐全：地形起伏幅度大，成山、成盆、成岩、成矿、成灾的深部热物质上涌、调整、分异、变异、运移、交换与岩浆活动十分强烈、裂谷（地堑、盆地）发育，尤其是活裂谷的轴部新构造活动特别剧烈；全省30余处火山口形成了众多的火山弧；全省217处温泉点95%以上分布在闽江以南具镜像倒影特征、高热流值负地形的众多活裂谷轴部上；活裂谷地震频繁，其中裂谷翼部往往为大地震震中区，裂谷轴部为微、小地震震中密集区；火山口附近是金属、稀有金属、稀土金属和非金属矿产资源的富集区，特别是在福建省境内受到地幔热柱活动影响较大的十几处等来自核幔边界D″层热源与热物质的金、银、铜、铁、钛、钼、钨、镍、锂等核、幔源稀有金属矿床、矿点；尤其是福建东南沿海地形大幅隆起与沉降和地球化学异常的强烈异常程度和岩浆侵入活动引起的重力场与磁场大面积正异常梯度带及上地壳中、下部低速体（岩浆房）等地球物理异常区；沿海地区出露的具有深部折返机制的大面积花岗岩变质岩 （片麻花岗岩）；沿海分布着长百余公里、宽数十公里的花岗片麻岩带中分布着众多来自地幔深处80～150 km的橄榄岩及橄榄岩变质的蛇纹岩、辉长岩、闪长岩等捕虏体，沿海花岗岩变质岩带深部折返机制证据充分。以上所述，有力地说明福建省可能存在庞大的地幔对流系统和较多的中、小型地幔热柱；地幔热柱的起源与异常的热关切主要来自于核幔边界的D″层的供给，次之是上、下地幔过渡带的供给，在岩石圈板块之下（软流层）释放热量，而热量的这种流动过程必然伴随着物质的流动［2］。

如上所述的台湾海峡澎湖与漳州沿海九龙江河口地堑地区可能存在地幔对流圈［3］，在泉州市的金门岛、龙海市的镇海、林进屿至漳浦牛头山、佛昙等一带数百平方千米范围内（包括潮间带海域）出露大面积溢流的玄武岩，应为一特大型地幔热柱的球顶冠，地幔热柱热点特征明显，周围分布着众多的温泉、热异常点和若干火山口形成火山弧（链），是地幔热柱长期活动熔融物质在上覆板块上遗留的轨迹。其固定热地幔源区实际上是一个产生于地幔底部边界层附近的地幔热柱，位于地幔热柱球冠下的热柱轴（包括颈、尾）是狭窄的，尾部逐渐变细，而柱的头部运移渐变得扁平而呈蘑菇状形态，柱的头尾比例随着上升进程则在逐渐增大［1］。由此可见，漳州市龙海九龙江河口地区地幔对流系统和地幔热柱热点存在与活动的特征十分明显。干热岩地热资源与核、幔源稀有贵金属、稀土金属等矿源丰富，综合开发利用潜力巨大。综上所述，福建省东南沿海以漳州龙海市九龙江河口地堑为中心，漳州、厦门、泉州三市沿海地区方圆约2万km2范围（包括部分沿海海域），为―大型或特大型地幔热柱，地幔热柱地表遗迹表明该地幔热柱可能主要启动于地下2900 km的核幔边界D″层，具有十分庞大的地幔对流系统。

2 福建地幔对流系统与地幔热柱存在的证据

漳州盆地内也分布着若干火山口，特别是九龙江西溪南岸的东园、田址、圆山等火山口形成的近东西向火山弧（链），多处见有零星的玄武岩露头，盆地内见有来自深部幔源辉绿岩变异的花岗斑岩。盆地内及盆地外围周边地区温泉与火山口密布，高热流值的热异常点众多，特别是漳州热田以其温度高、分布面积大、高温热储埋藏浅而著称，可能是中国东部第一个中高温或高温蒸气热田。盆地中心微、小地震频繁，盆地边缘为大、中地震震中区，活裂谷深部热物质活动特征十分明显，大型地幔对流系统和中型地幔热柱热点地表遗迹较明显，表明其可能受特大型九龙河口地堑地幔热柱活动影响巨大。地下不仅干热岩地热资源丰富，而且可能蕴藏着丰富的核幔源稀有贵金属、稀土等矿产资源，综合开发利用潜力巨大。

华安沙建汰内山间盆地，不仅附近的华安县境内高热流值的地热异常点众多，而且沙建汰内、长泰坂里一带中生代、新生代火山活动十分强烈，形成了近北东向的火山弧（链），地震频繁，玄武岩以辉绿岩露头居多，见有流纹岩溢流体，受九龙江河口地堑特大型地幔对流系统与地幔热柱热点影响的表征也较明显。地下可能蕴藏着较丰富的干热岩地热能资源和核、幔源稀有贵金属、稀土金属矿床，综合开发利用潜力较大。

除此之外，福建30余处火山口构成的众多火山弧（链）附近的活裂谷轴部中密集了18处大于80℃的高温热泉和38处60～80℃中高温热泉，是高热流值的地热异常区（地幔热柱热点的重要遗迹之一），微、小地震频繁发生，而活裂谷翼部有较多的大地震震中分布，以上活裂谷深部核、幔热物质上涌、调整、分异、变异、交换、运移和岩浆活动剧烈，地幔对流系统与地幔热柱热点表征较明显，除受特大型九龙江河口地堑地幔热柱影响外，可能存在有受附近的中、小型深源地幔热柱（源自地下2900 km核幔边界D″层或源自地下670 km上、下地幔接触界层）影响，为核、幔源稀有贵金属、稀土和干热岩地热能资源的富集区，开发利用潜力很大。

自有历史记载的公元1600年以来，福建省沿海及台湾海峡西部海域发生过4次7级以上大地震，其中泉州外海于1604年12月29日发生8级大地震威力最大，从公元287年至1970年，发生了3级以上地震356次，1971—1998年，发生3级以上地震289次，小于3级地震达数千次之多［4］。对福建省造成破坏最严重是1604年泉州外海8级大地震，造成严重灾害的地震还有：1067年和1445年漳州2次地震 （均是6级以上），1574年福州—连江地震（5.75级），1609年泉州地震（6级以上），1791年东山地震 （7级以上），1937年莆田兴化湾地震（5.2级），1968 年华安地震（5.2级），1992年龙岩—连城地震（5.1级），1994台湾海峡南部地震（7级以上），1995年晋江安海海外地震（5.3级）以及永安小陶地震（5.2级）。历史和现今地震资料表明，福建地区地震活动频次和强度都居国内较高水平。福建沿海地区地震活动频度或强度都远远高于、强于内陆地区。地震活动分布总的趋势是东强西弱，南强北弱，尤其是活动断裂带的中南段远比北段强得多，尤以沿海地区莆田—东山地段地震活动最为突出，历史上曾发生大于7级大地震4次，6级地震 4次，5级左右地震约20次 （不包括余震），3～4级左右小震活动频繁发生，小于3级的微小地震频繁不断，不计其数。震源深度也由西往东逐渐加深分布。福建省地震分布特点、规律与温泉分布特征、深部高温岩体地质响应程度及成山、成盆、成灾、成矿、岩浆等新构造活动程度吻合一致。

福建省多期次的火山、岩浆活动十分剧烈，已发现并经调查工作初步查明有南寮山、金坑、云山、西坑里、西山和石牛山等多个古火山基体和三十余个古火山基体形迹，有：南寮山和大矾山等火山颈充填的石英斑岩、流纹岩、火山角砾岩，如漳州盆地中的园山、长泰板里等火山口溢流出的石英斑岩、火山角砾岩等；围绕中心式火山基体呈环形、弧形和放射状分布的云山裂隙火山基体呈带状分布；已发现的次火山岩相有花岗斑岩、二长斑岩、闪长玢岩、正长斑岩、中酸性粒状碎斑熔岩和酸性粒状碎斑熔岩等；喷发相中广泛分布有凝灰岩和火山角砾岩、集块岩亚相，后者局限分布火山口附近；侵出亚相在柘荣西坑地区见有流纹岩；喷发—沉积相在火山喷发和火山湖往往形成这种岩相。福建省已发现的次火山岩与火山岩同源，皆为地下深部热物质上涌、运移、交换的结果，为板块构造与地幔热柱构造活动与耦合的产物。福建省喜山期火山喷发溢流出的玄武岩主要分布于：东部的连江至西部的明溪东西向纬向断裂带上出露近20处新生代火山喷出的玄武岩；中北部的屏南下村等地；东部的福鼎、柘荣、泉州金门岛、龙海林进屿、镇海至漳浦牛头山、佛昙等一带沿海及潮间带海域内，范围广、达数百余平方公里之多，最大厚度大于220 m。与之同源的喜山期侵入岩岩性包括橄榄粗玄岩、橄榄玄武岩、辉长（玢）岩和辉绿（玢）岩。福建沿海地区不仅分布有大面积具折返机制的变质花岗岩—花岗片麻岩 （太平洋板块与菲律宾板块向欧亚大陆板块俯冲产生的板片经深部高温高压变质作用后折返地表）和来自地幔深部带上来的蛇绿岩套（橄榄岩及其构造肢解的变质橄榄岩类—蛇纹岩、叶腊石岩、镁铁质基性、超基性岩）捕虏体，还有来自同源的喜山期橄榄粗玄岩、橄榄玄武岩、辉岩和辉绿岩侵入到中、西部佛昙群的角砾橄榄玄武岩及南园组的流纹质晶屑凝灰岩中。福建省东南部沿海地区为来自深部核、幔、壳介质的混合岩带，富含钛磁铁矿、钛铁矿、尖晶石、铬尖晶石、金红石、锐钛矿、锆石、磷灰石、黄铜矿、自然铅等副矿物。

福建省地处太平洋多金属成矿带与南岭钨、锡、稀有、稀土成矿带重叠地带，各种内生矿产极为丰富，形成有工业价值的铁、钨、钼、铜、金、银、铅、锌、铬、镍、稀有、稀土金属和水晶、高岭土等矿床。综观福建省如此大规模的岩浆杂岩带分布，表明它既是地幔热柱构造与板块构造及早期裂谷构造活动与作用的真实地质映象，同时也是干热岩地热能和稀有金属、稀土金属等矿产的丰富物质源泉。

福建东南沿海陆缘壳幔地球物理场异常特征十分明显，研究结果表明，在地震、地热和大地构造活动地区，一般低速层均较发育，而且埋深浅，如中国东南缘的泉州地带，低速层埋深仅13～14 km；而漳州地区龙溪师范1号井292 m深处温度已达120℃，且在深9 km以下存在一个规模很大的低速体，其横向延伸约100 km，厚10 km以上，平均层速度为5.8 km/s，根据P波速度减小和S波反射能能量消失推断，该区深部存在一个部分熔融体［1］。福建省深部高温岩体地球物理场异常特征与地表地热异常迹象、地震频繁发生、火山活动强烈、矿源资源丰富等成岩、成山、成盆、成灾、成矿新构造岩浆侵入活动地质响应十分剧烈吻合。

综上所述，福建省东南沿海，特别是漳州、厦门、泉州等闽南地区是地幔热柱构造和板块构造强烈活动耦合的聚焦区域，发育巨型、大型活裂谷，如台湾海峡巨型裂谷、九龙江大型地堑裂谷系。地幔热柱构造运动是地球深部幔、核热界面扰动引起核、幔热物质上涌、运移到地表，因而区内富集核、幔源的众多的稀有贵金属、稀土金属矿床、点，为地球深部地幔热柱构造运动的产物［1］；板块运动是位于上地幔软流层之上的构造运动，产生的众多壳幔金属、非金属矿床、点是地球浅部软流层之上的岩石圈板块间构造活动（碰撞）的产物；活（动）裂谷则是以上两大构造运动共同作用的结果；以上三大构造体系造成福建省构造体系复杂，深部高温岩体地质响应剧烈，映衬地下干热岩地热资源十分丰富。太平洋板块与菲律宾板块向欧亚大陆板块俯冲，抵达深度670 km的上、下地幔界面，在670 km处滞留的板片突然向下部地幔崩落至深度2900 km核幔边界D″层，扰动了核幔边界层，形成地幔热柱对流上拱，将核幔中热物质带到地表。大陆溢流玄武岩是地幔热柱巨大球状顶冠上升到地表减压后熔融产物，而热点火山链则是地幔热柱长期活动的产物，在每一大陆溢流玄武岩/热点构造组合中，应该早于对应的热点火山岩喷发时间。显然福建东南缘闽南地区及浅海域有大型地幔热柱构造存在，在福建西部、中部、北部与南部有小型地幔热柱或地幔热柱分支分布的迹像。具体说来，地幔热柱构造工作重点是要将地幔热柱热点运移的轨迹与溢流的玄武岩、流纹岩的展布结合起来研究，才能区分地幔热柱头部（头冠）、颈部与尾部的不同特点及其不同产物，客观地认识热点与地幔热柱的本质。由此可见，查明福建省活裂谷内地幔对流系统与地幔热柱关系和地幔热柱定位、分布规律与规模大小、特征，对指导全省干热岩与第二、三空间矿产资源勘查与综合开发利用具有特殊重要的定义。