华北克拉通中生代幔源岩浆岩放射性元素生热率的时空差异与主控因素

孟凡超 秦丽媛 王扬州 刘朋 周瑶琪

摘要 ：华北克拉通地热资源与中生代岩浆活动关系密切。然而，地热资源的成因、分布与岩浆作用之间的内在联系尚不明确。为研究华北克拉通中生代岩浆活动对地热资源的影响，在厘清中生代幔源岩浆岩期次、岩性、成因和分布的基础上，利用632组幔源岩浆岩的U、Th、K生热元素数据，计算不同时期岩石放射性生热率，探究华北克拉通中生代幔源岩浆岩放射性生热率时空差异及其主控因素。结果表明：幔源岩浆岩岩石类型是影响生热率的直接因素，霞石正长岩、辉石岩、正长岩和煌斑岩的生热率高于辉长岩、辉绿岩和玄武岩；幔源巖石成因是放射性生热率高低的基础，与伸展构造背景相比，碰撞环境下岩石生热率较高；不同破坏机制下岩石生热率差异较大，热-化学侵蚀岩石圈破坏地区的岩石生热率普遍高于拆沉作用地区。

关键词 ：华北克拉通； 中生代； 幔源岩浆岩； 放射性生热率； 地热

中图分类号 ：P 588.1    文献标志码 ：A

引用格式 ：孟凡超，秦丽媛，王扬州，等.华北克拉通中生代幔源岩浆岩放射性元素生热率的时空差异与主控因素［J］.中国石油大学学报（自然科学版），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

地热资源是一种前景广阔的可再生能源。地热主要来源于地球外部和内部，内部热源由地球余热和放射性元素衰变产生的热量（约80%）组成  ［1］ 。日本一研究小组利用中微子探测器观测数据，得出约一半的地热能源于放射性元素衰变，而剩余部分是地球诞生时保存至今的原始热量  ［2］ 。U、Th、K半衰期长、衰变热量高且丰度高，属放射性生热元素  ［3］ 。放射性生热率指单位体积岩石在单位时间内所含放射性元素衰变产生的热量，可衡量岩石放射性生热能力。华北克拉通地热资源丰富且应用广泛，其地热潜能与中生代岩浆活动密切相关，前人研究集中于地热资源的地质条件、成因机制及开发利用等方面  ［4-6］ ，李维等  ［7］ 研究表明，华北克拉通岩石圈地幔生热率分布不均，从边缘向中心增大。但华北克拉通岩浆作用与放射性生热率的具体关系尚不明晰，这一定程度上限制了华北地热资源的开发利用。幔源岩浆岩是地幔部分熔融的产物，有利于讨论深部岩浆与放射性生热率的关系，因此笔者系统整理华北克拉通中生代岩浆岩时代、分布和类型，利用632组幔源岩浆岩的U、Th、K生热元素数据，计算不同地区、时代幔源岩浆岩的生热率，厘清华北克拉通幔源岩浆作用与放射性生热率的关系，进而探讨地热资源形成的深部热背景，为该区地热资源评价和有利区带优选提供理论基础。

1 区域地质背景

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，基底由东部陆块、西部陆块和中部造山带组成，地理位置100°E-130°E、32°N-42°N（图1（a））。新元古代—古生代，华北克拉通处于相对稳定的地台状态。中生代以来，受扬子克拉通和西伯利亚板块影响及古太平洋板块的俯冲挤压，华北克拉通岩石圈发生大规模减薄破坏，在边缘和内部引发了不同规模的构造-岩浆活动  ［8］ 。

中生代华北克拉通岩浆活动强烈，岩石类型多样，岩浆岩分布广泛。三叠纪岩浆岩主要分布在克拉通北缘，侏罗纪岩浆岩主要分布在阴山-燕山-辽西、辽东半岛、胶东半岛及北京西山等地，早白垩世岩浆岩呈面状分布在华北克拉通东部，其西界可至鄂尔多斯盆地西缘；晚白垩世岩浆岩分布在胶东半岛、渤海湾盆地、辽西和辽东半岛（图1（a））。

华北地区地热展布面积大、梯度高、类型多。按区域可分为华北断陷区深部地热和华北陆内造山带热泉地热。其中山区热泉主要分布于华北断陷区外围的燕山、太行山、胶辽山地等陆内造山带的山前断裂带或轴部岩浆岩分布区（图1（b）），以自流热泉的形式向外溢流。华北地区主要是低温地热资源，多用于采暖、工業等方面。

2 数据收集与处理

2.1 数据来源

华北克拉通中生代岩浆岩集中分布在张家口-宣化、胶东、辽东半岛等地。为厘清岩浆岩分布特征，将华北克拉通岩浆岩分布区分为华北北缘、胶东半岛、辽东半岛、辽西、鲁西及太行山6个区。根据幔源岩浆岩典型地球化学特征（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），系统收集并整理了中生代6个地区的幔源岩浆岩数据，最终获得样品数据1896组，包括样品位置、岩性、年龄以及地球化学元素含量。

2.2 数据处理

根据华北克拉通中生代岩浆岩数据的实际情况，将蚀变数据的识别标准定义为烧失量（loss on ignition， LOI）小于-5%或大于5%、各种氧化物的总和小于95%或大于102%。具体处理方法为：若样品数据中含LOI，依据LOI对该样品进行判别；若该样品数据中不包含LOI，则依据各种氧化物的总和判别。在全部1 896组数据中，利用LOI和各种氧化物的总和识别出蚀变严重数据249组。在此基础上筛选SiO 2质量分数在45%～52%之间的数据，共639组，剔除缺失U、Th、K元素数据后剩余幔源岩浆岩数据632组  ［11-19］ 。其中辽东半岛88组、胶东半岛193组、辽西地区73组、鲁西地区111组、太行山地区82组、华北北缘85组。

3  华北克拉通中生代幔源岩浆岩时空分布特征

3.1 期 次

根据年龄数据，中生代幔源岩浆岩可分为4个期次，即三叠纪（240～200 Ma）、侏罗纪（200～145 Ma）、早白垩世（145～100.5 Ma）、晚白垩世（100～60 Ma）。幔源岩浆活动主要集中在早白垩世，其次为三叠纪（图2）。6个地区中华北北缘和太行山地区幔源岩浆活动主要分布在三叠纪、侏罗纪及早白垩世；辽东半岛和辽西地区在4个期次均有幔源岩浆活动；胶东半岛缺少侏罗纪幔源岩浆活动；鲁西地区幔源岩浆活动仅分布在早白垩世。

3.2  时代差异性

三叠纪幔源岩浆岩主要分布在华北克拉通边缘，包括克拉通北缘、胶东半岛、辽东半岛及内部邢台地区（图3（a）），主要出露辉石岩、辉长岩、正长岩、煌斑岩及闪长岩。侏罗纪幔源岩浆岩分布局限，仅在辽西、辽东半岛、胶东半岛、华北北缘及太行山少量出露煌斑岩、玄武岩、碱玄岩、安山岩和辉绿岩（图3（b））。早白垩世幔源岩浆岩在全区广泛分布（图3（c）），大面积出露橄榄辉长岩、辉绿岩、玄武岩和煌斑岩。晚白垩世以来，岩浆活动减弱，幔源岩浆岩仅在华北北缘、辽东半岛、辽西地区和胶东半岛分布（图3（d）），主要出露玄武岩、辉长岩、辉绿岩和煌斑岩。

3.3  区域差异性

华北北缘三叠纪主要出露辉石岩和正长岩，侏罗纪出露玄武岩和碱玄岩，早白垩世出露玄武岩、钾玄岩和辉绿岩；胶东半岛三叠纪主要出露正长岩，早白垩世出露玄武岩、煌斑岩、辉绿岩、辉长岩，晚白垩世出露辉长岩、辉绿岩、煌斑岩、玄武岩、碧玄岩；辽东半岛三叠纪出露闪长岩、煌斑岩、辉长岩、辉绿岩和辉石岩，侏罗纪仅出露煌斑岩，早白垩世出露辉绿岩、辉长岩、橄榄二辉岩和小岭组熔岩，晚白垩世出露碱性玄武岩和拉斑玄武岩；辽西地区三叠纪主要出露霞石正长岩；侏罗纪出露煌斑岩，早白垩世出露玄武岩和煌斑岩，晚白垩世出露玄武岩；鲁西地区早白垩世主要出露玄武岩、橄榄辉长岩、辉长岩、辉绿岩、煌斑岩和闪长岩；太行山地区三叠纪主要出露辉绿岩和煌斑岩，侏罗纪出露辉绿岩、安山岩和玄武岩，早白垩世出露安山岩、闪长岩、辉绿岩和煌斑岩。

4  华北克拉通中生代幔源岩浆岩放射性元素生热率特征

4.1 岩石放射性生热率计算

根据研究需要，前人曾提出多个岩石放射性生热率的计算公式  ［20-21］ ，选择Rybach等  ［22］ 提出的岩石放射性生热率计算经验公式为

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

式中，A为岩石放射性生热率， μW/m 3； ρ 为岩石密度，kg/m 3； C  U和 C   Th 分别为岩石中放射性元素U、Th的含量，10  -6 ； C  k为岩石中K的质量分数，%。U、Th、K元素含量数据来源同图2，计算结果见表1。

4.2  不同期次幔源岩浆活动放射性生热率特征

华北克拉通各期次幔源岩浆岩的放射性生热率空间分布具明显不均一性，整体呈现由克拉通边缘向中心减小趋势。三叠纪和晚白垩世幔源岩浆岩放射性生热率主要为0～1 μW/m 3，侏罗纪和早白垩世主要为0～1.5 μW/m 3。三叠纪大部分幔源岩浆岩的放射性生热率为0～1  μW/m 3（图4（a）），辽西地区最高，太行山地区最低，生热率由克拉通边缘（华北北缘、胶东半岛、辽东半岛）向中部（太行山地区）逐渐降低。侏罗纪放射性生热率仅分布在0～15 μW/m 3（图4（b）），辽东半岛最高，太行山地区最低，克拉通北部（华北北缘、辽东半岛）和东部（胶东半岛）生热率较高。早白垩世生热率大部分为 0～ 1.5 μW/m 3，其次为1.5～2 μW/m 3（图4（c）），胶东半岛最高，辽东半岛最低。生热率自东向西先升高后降低，即由辽东到辽西、鲁西和胶东升高，再到中部太行山地区生热率降低。晚白垩世生热率大部分为0～1 μW/m 3，1～2.5 μW/m 3的幔源岩浆岩较少（图4（d）），与早白垩世相似，胶东半岛生热率最高，辽东半岛最低（表1）。

4.3 不同地区幔源岩浆活动放射性生热率特征

不同地区生热率数据统计结果显示，华北北缘三叠纪和早白垩世幔源岩浆岩放射性生热率大部分为0～1 μW/m 3，而侏罗纪主要为1～1.5 μW/m 3（图5（a））。胶东半岛三叠纪幔源岩浆岩放射性生热率主要为1～1.5 μW/m 3，早白垩世主要为0.5～1.5 μW/m 3，晚白垩世大部分为0～1 μW/m 3（图5（b））。 辽东半岛三叠纪和早白垩世幔源巖浆岩的放射性生热率主要为0～1 μW/m 3，侏罗纪大部分为1～1.5 μW/m 3，晚白垩世主要为0～0.5 μW/m 3（图5（c））。 辽西地区三叠纪幔源岩浆岩放射性生热率主要为3.5～4 μW/m 3，侏罗纪主要为0.5～1 μW/m 3，早白垩世大部分为0～0.5及1～1.5 μW/m 3，晚白垩世为0.5～1 μW/m 3（图5（d））。鲁西地区仅分布早白垩世幔源岩浆岩，放射性生热率主要为 0～ 0.5和1～1.5 μW/m 3（图5（e））。太行山地区三叠纪、侏罗纪及早白垩世的幔源岩浆岩放射性生热率均主要为0～0.5 μW/m 3（图5（f））。

总体而言，华北北缘、胶东半岛和辽东半岛自三叠纪至晚白垩世幔源岩浆岩生热率均值都逐渐降低，太行山地区生热率逐渐增高，辽西地区先降低后增高（表1）。辽东半岛和太行山地区各时代K、Th、U含量与生热率变化趋势正相关，但华北北缘仅K、U含量与生热率变化趋势对应，胶东半岛和辽西地区仅K、Th含量与生热率变化趋势对应（表2）。

5  幔源岩浆岩生热率时空分布差异的主控因素

5.1 岩 性

放射性生热率与岩石密度及岩石中放射性生热元素U、Th、K的含量密切相关  ［22］ ，而元素含量的高低与岩性直接对应。华北克拉通中生代幔源岩浆岩不同岩性所对应的放射性生热率如图6所示。

三叠纪生热率呈克拉通边缘向中部逐渐降低趋势，北缘主要出露辉石岩、正长岩和霞石正长岩，东缘岩性为煌斑岩、辉石岩和辉长岩，中部主要出露辉绿岩和辉石煌斑岩。侏罗纪克拉通北缘和东缘的生热率高于太行山地区，北缘主要出露碱玄岩和安山岩，东缘主要出露煌斑岩，太行山地区主要出露玄武岩和辉绿岩。早白垩世生热率在空间上自东向西具有 “高- 低-高”特征，表现为由辽东到辽西、鲁西和胶东生热率升高，再到太行山地区降低，由太行山地区到阿拉善、巴彦淖尔等地再次升高。辽东半岛主要出露辉绿岩和橄榄辉长岩，辽西地区出露煌斑岩和玄武岩，胶东岩性为煌斑岩、玄武岩和辉长岩，鲁西为煌斑岩和辉长岩，太行山地区出露辉绿岩及少量煌斑岩，巴彦淖尔和阿拉善等地主要出露玄武岩和钾玄岩。

生热率较高地区，岩性以霞石正长岩、辉石岩和正长岩等碱性系列岩石为主，而生热率较低地区，以玄武岩、辉长岩和辉绿岩等钙碱性系列为主，生热率与岩性的相关性表明岩性差异或是制约生热率变化的重要因素之一。

5.2 幔源岩石的成因

不同成因产生的岩石类型不同，碰撞造山主期压力过高不利于岩浆生成与侵入，因此许多大型岩体的形成往往与后碰撞期有关  ［23］ ，后碰撞构造环境岩浆活动以幔源为主，发育超钾质岩石组合  ［24］ ，属碱性系列，研究表明，生热率随岩石中碱质组分增加而升高  ［25］ 。华北北缘三叠纪岩浆岩形成于后碰撞/后造山构造环境  ［26］ ，胶东半岛和辽东半岛三叠纪表现为华北与扬子的碰撞拼合  ［27］ ，三叠纪华北北缘、胶东半岛、辽东半岛较高生热率可能是碰撞构造背景下发育碱性系列岩石的结果。

晚中生代由于华北陆块岩石圈伸展-减薄作用和地幔广泛的熔融作用  ［28］ ，形成了早白垩世克拉通东部和中部大量火成岩，岩性为钙碱性系列的玄武岩、辉绿岩和辉长岩，上述岩石较低生热率表明伸展构造背景导致生热率偏低。

5.3  华北克拉通破坏机制

华北克拉通破坏机制主要存在热-化学侵蚀和拆沉作用两种模式（图7）。热-化学侵蚀模型认为软流圈对上覆岩石圈地幔底部不断烘烤，使岩石圈地幔底部部分熔融形成岩浆  ［29］ 。随着热-化学侵蚀作用进行，幔源岩浆岩源区由早期岩石圈地幔逐步过渡到后期软流圈地幔  ［30］ 。因此， 热- 化学侵蚀机制对应的幔源岩浆岩源区为岩石圈地幔逐步转变为软流圈地幔。拆沉作用模型指由于重力不稳定性导致岩石圈地幔和下地壳沉入软流圈或深部地幔的过程，导致软流圈上涌发生部分熔融，后期榴辉岩拆沉进入软流圈后形成的富硅熔体对上覆岩石圈地幔进行改造  ［31］ 。因此拆沉作用模型对应的幔源岩浆岩前期为软流圈地幔源区，后期岩石圈地幔源区占比明显提高。

利用潜在狄利克雷分配模型对华北克拉通中生代幔源岩浆岩数据挖掘，结果表明幔源岩浆岩数据只能分为X0和X1端元，但两个端元的地质意义尚未明确。依据主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素，可划分出岛弧型和洋岛型岩浆岩两系列  ［32］ 。利用全球岛弧和洋岛岩浆岩数据构建逻辑回归判别模型，探讨潜在狄利克雷分配模型挖掘出的两端元与岛弧型和洋岛型岩浆岩是否有相关性。将幔源岩浆岩两端元数据代入岛弧和洋岛岩浆岩数据标准化公式中，与岛弧和洋岛岩浆岩数据做同样标准化处理，再将两个端元输入到训练好的逻辑回归判别模型中，结果显示，X0端元具有洋岛岩浆岩地球化学特征，可用来指示软流圈地幔源区，X1端元具有岛弧岩浆岩地球化学特征，可用来指示岩石圈地幔源区。根据各地区幔源岩浆岩来源先后顺序，得出各地区减薄方式属于拆沉作用还是热-化学侵蚀作用，进而厘清了华北克拉通拆沉作用和热-化学侵蚀两种岩石圈破坏模式的分布规律。三叠纪拆沉作用主要发生在克拉通北部、东部及邢台地区，热-化学侵蚀主要发生在华北北缘、辽西地区和辽东半岛；侏罗纪拆沉作用发生在辽西地区，热-化学侵蚀发生在太行山地区、华北北缘、鲁西、辽西地区以及辽东半岛；早白垩世拆沉作用集中发生在辽西和鲁西地区，热-化学侵蚀发生在华北克拉通全区；晚白垩世破坏机制以拆沉作用为主，主要发生在辽西地区、辽东和胶东半岛（图8）。

华北克拉通不同地区两种破坏机制生热率结果表明，热-化学侵蚀岩石圈破坏地区的岩石生热率普遍高于拆沉作用地区（图9，数据来源同图2）。可能主要由两种原因导致：首先，华北克拉通中生代岩石圈地幔主体由古生代克拉通型转变为富集型岩石圈地幔  ［34］ ，而富集岩石圈地幔部分熔融通常产生碱性系列岩石，如华北北缘出露的正长岩，其生热率较高，而拆沉模式下产生的岩浆岩主要来自亏损的软流圈地幔，通常产生以玄武岩为主的钙碱性系列岩石  ［35］ ，生热率较低；其次，理论计算表明，热-化学侵蚀机制破坏时间至少持续100 Ma  ［36］ 。热量由岩石圈底部到地表需要漫长的时间，而长时间热侵蚀，可能导致地温梯度的升高。

6 结 论

（1） 华北克拉通中生代幔源岩浆岩岩性决定了岩石放射性生热率。霞石正长岩、辉石岩、正长岩和煌斑岩的生热率高于辉长岩、辉绿岩和玄武岩。

（2）幔源岩石的成因是生热率高低的基础。后碰撞构造环境中容易生成生热率较高的岩石。

（3）华北克拉通破坏机制是幔源岩石生热率高低的内因。热-化学侵蚀岩石圈破坏地区的岩石生热率普遍高于拆沉作用地区。

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（編辑 李志芬）