大地热流是岩石圈热状态在地表最直接和最综合的表征，可为岩石圈厚度、地球物理性质和构造演化等方面的研究提供有力的约束。基于bootstrapping方法（Chapman，1986）得到的一维稳态传导地热曲线表明，放射性生热总量可以根据任意细分薄层的放射性生热累积进行计算。因此，地表热流可以由一定厚度地壳的放射性生热热流和剩余热流确定。但截止目前，由于数据约束的匮乏和地下噪声的增大，生热率和热流的垂向变化模型并不可靠。近年来，大陆科学钻探的实施为直接观测上地壳生热率的详细分布以及研究热流与生热率垂直变化的相关关系提供了可能。然而，已有的全球代表性科学钻探项目中热流和生热率对应关系的分析结果（如苏联Kola-3，12262 m；德国KTB，91000 m；中国CCSD，5158 m；中国SK-2，7018 m；图1）表明，二者并没有可靠的对应关系，热流的垂向变化往往引起很大的困惑（图1a-图1h）。
图1 全球科学钻探项目热流和生热率的变化。(a) Cajon Pass (改自Sass et al., 1992)；(b) Hunt Well (改自Majorowicz et al., 2014)；(c) KTB (改自Clauser et al., 1997; Pribnow et al., 2013; Seipold and Huenges, 1998)；(d) Kola(改自Mottaghy et al., 2005; Popov et al., 1999)；(e) FFC1(改自Rosberg and Erlstrom, 2021)；(f) GR1(共和盆地)(改自Zhang, 2019)；(g) CCSD(改自He et al., 2009)；(h) SK-2(改自Shi, 2019)；(k) 本研究，LZSD；(l)不同钻孔中的生热率对比，全球平均生热率值来自Wollenberg and Smith,1987)，地壳模型来自Huang et al., 2013。Heat flow 1：深度为d的热流通过公式(
)从顶部计算得到；Heat flow difference：两种方法得到热流值差值的绝对值
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室构造地热学学科组的王一波博士后、何丽娟研究员、胡圣标研究员与美国宾州州立大学的Kevin Furlong教授以及德国亥姆霍兹波茨坦中心-德国地学中心GFZ的Sven Fuchs博士等合作，基于中国大陆科学钻探项目庐江-枞阳盆地科学钻探井(LZSD)的稳态温度、梯度、热导率以及生热率数据的详细研究（图2），建立了LZSD钻孔生热率与天然伽马射线强度（GR，单位API）的定量关系，分析了生热率的变化及其与垂直热流变化的相关性。
图2 LZSD中的热流测定和变化。(a)右边的注释表示 "梯度±SD*导热系数±SD(数量)=热流±SD"；(b)和(c)为LZSD不同方法热流计算的对比
研究表明，LZSD钻孔的浅部热流值高达93 mW/m2 (～600 m)，但随着深度的降低，到井底～2900 m处降至75 mW/m2(图2)。同一钻孔内热流变化如此巨大非常罕见，然而在LZSD钻孔中，高生热率的波动可以很好地约束热流的垂向变化。与全球其他科学钻探项目相比，LZSD钻孔的生热率值非常高，正长岩的平均生热率值为28 μW/m3，二长岩为12 μW/m3，高于全球酸性侵入岩的平均值(3.8 μW/m3)(Wollenberg and Smith, 1987)，显著高于上地壳的生热率值(1.6 μW/m3)(Huang et al., 2013)，且与其他钻探井中侵入岩的生热率值有很大不同(例如，Hunt Well花岗岩的生热率值为2.3-3.6 μW/m3；KTB花岗岩最高为6.0 μW/m3；而Kola-3的基底侵入岩仅仅为0.7 μW/m3) (图3)。此外，LZSD钻孔的火山岩也比其他全球科学钻探项目的生热率值高（图3）。一方面，LZSD钻孔高生热率的岩体具有足够的区域性和规模性；另一方面，LZSD钻孔高生热率的垂向变化也得到了精细地球物理结果的支持(如测井参数，该研究中的天然伽马射线强度数据；又如，Dong et al.(2010)和Zhang et al.(2017)的地球物理剖面)，研究者首次获得了直接证据，证实了地表热流是由生热率的变化决定的，同时也证实了LZSD钻孔的异常地表热流值是高生热率的岩体(平均值约10 μW/m3)所决定的。对庐枞盆地岩浆活动的时空综述显示，高生热率的岩体主要集中在盆地北部，时间对应早期正长-二长岩时期(133-131Ma) (图3)。盆地内不同类型岩石的Nb/U、Nb/Ta-La/Yb、La/Yb-Nb/La、Pb-Pb/Ce等微量元素的统计分析和详细研究表明(图3)，新元古代晚期和中生代两次俯冲过程造成的元素富集是高生热率岩石形成的主要原因。
图3 (a)庐枞盆地不同时期的生热率值与年龄的关系图，阴影区域的下限由生热率的中值定义，上限由平均值定义；(b-e)庐枞盆地不同类型岩石微量元素图解，图d据Abdel-Rahman and Nassar, 2004，图e据Othman et al., 1989；生热率高于5μW/m3的岩石被归类为红色的高生热率岩石；红色阴影区域代表庐枞盆地高生热率岩石分布区
目前为止，在大多数深层钻孔中，很少有热流和生热率变化相匹配的现象，但不能否认放射性生热率对地表热流的贡献（Jones, 1987；Perry et al., 2006）。LZSD钻孔中热流和生热率的垂直变化具有很好的耦合性，表明地壳的高放射性生热率在很大程度上造成了高热流的结果。同时，该研究重构了LZSD钻孔中天然伽马射线与生热率之间的定量关系："GR-A"经验公式（总体误差＜1%）。研究成果对于深入理解热流和生热率垂向变化、高生热率岩石的成因机制以及高生热率岩体对岩石圈热结构的影响具有重要的启示意义。
研究成果发表于国际学术期刊GRL (王一波*, Kevin Furlong, Sven Fuchs*, 何丽娟, 胡圣标. Terrestrial heat flow variation with depth caused by anomalously high radiogenic heat production[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(8): e2022GL102312. DOI: 10.1029/2022GL102312)。研究得到国家重点研发计划(2021YFA0716003)、国家自然科学基金面上项目(42074096)、岩石圈演化国家重点实验室开放课题(SKL-K202104)和国家留学基金委(202104910163)的联合资助。
