地热学-chp4

地热学Geothermometry成都理工大学MaoLifeng2009年9月1日Chp4地球内部的温度分布及影响因素•4.1地球的圈层结构•4.2地球内部的温度–4.2.1地壳浅层的温度–4.2.2地壳深层温度估算–4.2.3地球深部的温度估算–4.2.4地球的热历史•4.3上地壳地温场的影响因素–4.3.1气候变化对浅表层温度的影响–4.3.2地质构造对地温场的影响–4.3.3火山与岩浆活动对地温场的影响–4.3.4地下水活动对地温场的影响Chp4地球内部的热状态•深矿井温度增高、温泉和火山喷出炽热的岩浆等等事实，都告诉我们地球内部是热的。•地壳浅层热层分布：–外热层–常温层–增温层•地球深部热状态–温度分布–热历史Chp4地球内部的热状态•外热层：在地壳表层，由于太阳辐射热的影响，其温度常有昼夜变化、季节变化和多年周期变化。外热层受地表温差变化的影响由表部向下逐渐减弱，外热层的平均深度约15m，最多不过几十米。•常温层：在外热层的下界处，温度常年保持不变，等于或略高于年平均气温。•增温层：在常温层以下，由于受地球内部热源的影响，温度开始随深度逐渐增高。–世界上不同地区地温梯度并不相同。如我国华北平原约为1～2℃，大庆油田可达5℃。据实测，地球表层的平均地温梯度约为3℃；海底的平均地温梯度为4～8℃，大陆为0.9～5℃，海底的地温梯度明显高于大陆。地温梯度是据地壳浅部实测所得的平均值，一般只适合于用来大致推算地球浅层（地壳以内）的地温分布规律，并不适用于整个地球内部。如果按平均100m增温3℃计算，至地壳底部地温将超过900℃，到地心将高达200000℃的惊人数值，在这样的温度条件下，地球内部除了地壳以外当绝大部分处于熔融甚至气体状态，这与地球内部绝大部分可以通过地震波横波（即主要为固态）的观测事实不符。Chp4地球内部的热状态•根据放射性年龄测定，地球的平均年龄约为46亿年。自从地球形成之后，它经历了连续不断的热演化过程。地球目前所处的热状态可用直接和间接的方法作出估计。但是随着深度的增加，估计地球内部的温度越来越困难。目前，即使在研究程度较高的地区，都难以绘出10km深度范围内地壳精确的温度图，根据计算现代温度状态的不定性，就可以想象在描述地球46亿年历史的热演化时是何等困难和不确定。•地球内部的热状态必须用时间和空间的函数来加以描述，尽管作了很大的努力，这种因数关系仅对现今地球表层才比较清楚。因此将上地壳的热动力学与地球内部深处的热动力学分别对待比较恰当。•为了弄清发生于地球内部的各种作用过程。必须研究地震学、重力测量、大地测量以及地磁测量的间接观察结果。根据各种地球物理方法辨认出来的异常，将相变的平衡条件赋予地球内部。只有这样，才有可能估计出地球内大部分区域的温度。第一节地球的圈层结构为了了解地球内部的温度分布状况，弄清楚地球的圈层结构是前提条件如何了解地球的内部圈层构成？2、划分依据：地震波3、圈层的划分(如下图所示)分类特点传播速度所经物质状态共同点纵波(P)横波(S)较快较慢固体、液体、气体固体都随所通过物质的性质而改变当地震发生时，陆地上的人们有什么感觉？先感觉上下震动,再感觉到水平摇晃1.了解地球内部知识主要通过对地震波的认识332900速度{千米/秒)地震波的速度与地球内部圈层的划分莫霍界面古登保界面地壳地幔地核上地幔下地幔外核内核圈层名称不连续面深度（km)特征莫霍界面古登堡界面290033地壳地幔地核上地幔下地幔外核内核上地幔上部存在一个软流层，这里可能为岩浆的主要源地温度、压力和密度很大1、由岩石组成的固体外壳2、厚度不均，大洋部分薄，大陆部分厚圈层的划分：除了可以依靠地震波，想一想还能通过哪些渠道或方法获取地球内部的信息？火山喷发的物质温泉、热泉遥感技术其他改进钻探技术外部圈层内部圈层地球的同心圈层结构大气圈水圈岩石圈地壳地幔地核——生物圈地壳和上地幔的顶部——岩石圈（软流层之上）地壳大陆地壳含：大陆：七大陆地大陆架大陆坡大洋地壳含：海沟、海盆、海岭等29％上地幔顶部地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据4.2地球内部的温度•地壳浅层的温度。可以用直接或间接的物化探手段测量得到。•地球深部的温度。藉助于深钻孔也只能直接测量地壳表层的温度，而地壳内部的温度无法直接测到，姑且不说地球内部温度有多高，就是硬岩石层也不好钻探，目前钻孔最深记录是在俄国的科拉半岛，钻孔深度达13千米，但是这与地球的厚度(6400千米)相比，则好像是用指甲挠西瓜的皮似的，显然，这样直接探测地球内部温度是相当困难的，地壳深部和地球内部的温度只能根据间接的方法加以推测。4.2地球内部的温度•地球深部温度的主要推测方法：–根据浅部的测温资料向地壳深部外推；–根据地球物理及地球化学资料间接推断地球内部温度；–此外还可通过理论估算地球剖面的温度。4.2.1地壳浅层的温度地壳浅层是目前能直接测量温度的深度范围。地壳浅层的温度分布状态从地表向下大致可分为三带：变温带（外热层）、恒温带（中性层）和增温层（内热带）。如下图。4.2.1地壳浅层的温度•变温带的温度：–地表的温度取决于接受太阳的辐射热量与地壳热景损耗之间的平衡，地表接受太阳辐射的总热量约为1.3×l023J/a，而地壳表面吸收的总热量5.8×l019J/a，前者比后者大4个数量级，所以地表的温度状况，主要由太阳辐射热所决定。由于太阳辐射热存在着日变化、年变化和多年变化的周期性变化，故地下温度也随之变化，形成了变温带。温度的变化大体与正弦曲线相符，其幅度随深度而减小。一般情况下，日变的影响深度在1～2m，年变温带的深度为15～30m左右。多年变温带中长周期性(35一100a)的影响深度可达数百米。温度对深海沉积物表层的影响一般是很小的，可以忽略。4.2.1地壳浅层的温度•恒温带的温度：变温带之下，地球内部的热能与太阳辐射热能的影响达到相对平衡的地带。–恒温带一般很薄．它为内热带与外热带二者的分界面。其深度范围因地区而异，且温度在各地也不一样，主要与地区纬度、气候条件、地质环境及植被等有关，一般高于当地平均气温1～2℃。–在实际工作中，通常所谓的年恒温带的深度，是年温度变比幅度小于观测精度的埋藏深度(目前所用仪器精度为±0.1℃)。其深度一般为20～30m，比理论值略大。–恒温带的深度和其相应的温度，在一定程度上反映了一个地区近地表处浅层的热状况。在实际工作中，它对于地温场的评价、深部地温场预测及地热资源的普查和勘探，都是很有用的参数。4.2.1地壳浅层的温度•恒温层的含义地壳最上层的温度受地面温度周期件变化的影响，是随着深度的增加而衰减的，至一定的深度，地表温度变化对深部的影响渐趋于消失，太阳辐射热影响已察觉不到的深度。该深度的地温基本保持恒定。这里所谓基本保持恒定，有两方面的原因：一是指观测精度有限，如果我们所用的仪器的测温精度为±0.1℃，则小于此数量级的变化就观测不到；另一是因气温和地面温度的变化每年都不同，严格来说，向地下传播影响的深度每年都随之变化，只是这个变化比较微小、缓慢，实际工作中我们完全可以看作不变。4.2.1地壳浅层的温度•一个地区的恒温带深度与温度，可在一个或一组浅钻孔通过地温长期观测来确定。必需注意，所选观测孔位要能够代表该地区的自然条件。在矿区和农田井灌区附近，要避开排水及灌溉的影响，在地下水位过深时，不宜作观测孔。一年之内，地温观测的次数最好每月一次，也可以每季一次。按各次的观测数据作出深度-温度曲线图，找出温度变化趋于恒定的层段，从而确定年恒温带的深度和温度。•根据我国的钻井数据，我国各地区恒温带的深度一能为20~30米，比理论计算值大，实际应用时可作为下限看待。恒温带深度大于30米的，主要与地下水位埋深较大有关(10~15米)。至于恒温带的温度，略高于当地多年的平均气温，而与多年地面平均温度相接近，并呈现出随纬度增高而递降的规律。4.2.1地壳浅层的温度•一个地区如无直接观测资料，在实际工作中，可将一个地区的年恒温带深度大体估算为该地区气温日变化影响深度的20倍。气温日变化影响深度，在当地气象台站可直接查到。年恒温带的温度，也可按下述经验公式估算：•式中，为该区深度1.6~3.2米的多年平均温度(℃)；H为相对高程(米)，高于测点时取减号，低于测点时取加号。以河南平顶山为例，气象站测到的平均温度为16.6℃，因气象站的标高和101孔测点的标高相近，故恒温带的温度为16.8℃，与实测的17.2℃相差无几。H006.02.0m2.3~6.1m2.3~6.1米6.14.2.1地壳浅层的温度•恒温带之下为增温带，此带的地温状况和温度场主要受控于地球的内热。一般情况下，越向深处温度超高，但到一定的深度后，增温的速度逐渐变缓，也就是说，地壳浅层的温度随深度不是线性的关系。从地质角度来讲，浅部沉积盖层的地温梯度大于其下部基岩的梯度.4.2.2地壳深层温度估算•利用浅部测温结果进行地壳深部温度估算，必须具备三个基本参数：大地热流值、岩石热导率及生热率。基于热传导方程，当岩石热导率及生热率不随时间及位置而变化和在稳定热流状态下，地壳深部温度可按下式估算：•(1)•若岩石生热率随深度减小，并按指数分布，则该层中深度z处的温度为:(2)以上两式中，为地下深度为z处的温度；为地表温度；q为地表热流；A为岩石生热率（随深度分布保持恒定）；k为岩石热导率；A0为地表生热率（随深度按指数分布）；q0为通过计算层底面的热流；D为常值，变化范围为7.5~10km。)2/()(/)()(20Azqzz/))/exp(1(/)()(2000DzDAzqz)(z04.2.2地壳深层温度估算•由上述可见，岩石生热率随深度分布的形式对温度计算影响很大，它涉及地壳放射性元素分布状况。总所周知，放射性元素集中在地壳最上部十几km范围内，但在这十几km范围内又作如何分布，目前大体有三种模型：1.热源强度不随深度而变化，称为“恒定模型”或“阶函数模型”；2.热源强度随深度作线性减小，称为“线性模型”；3.热源强度随深度作指数函数减小，称为“指数模型”。拉钦布拉认为指数模型与实际情况最为接近，并与地壳中放射性元素分布的地球化学资料相一致。4.2.3地球深部温度利用地壳浅部测温资料推测深部温度的方法，在岩石圈以下就不适用了。因为地球内部热状况与其明显的不同，一是放射性元素集中于地壳最表层十几km范围内，在地壳浅层测量到的地温梯度远比深处大；二是地球内部除热传导外，温度越高，辐射传热所起的作用越大，这就增加了深处地球物质总的传热能力，使地温梯度相应降低。如以地壳浅部地温梯度2.5～3oC/100m直接推测至地下6371km处的地心，温度将高达一、二十万度，整个地球将被熔化，这与客观事实不符。•目前，人们对地球内部温度状况的了解主要通过两个途径：一是根据有关的地球物理、地球化学资料加以间接推断；二是藉助于理论计算。4.2.3地球深部的温度估算•间接推断需依据两部分资料：1.地震波在地球内部传播的情况，藉以确定地球各圈层物质状态。总所周知，剪切波（S波）不能穿过液体物质，压缩波（P波）在各种介质中的传播速度也不相同。上地幔顶部局部熔融软流圈即为P波低速带(～7.8km/s).综合各类地震波在地球内部传播情况及其它地球物理资料，目前推断地幔基本为固态，外核为液态，内核为固态。2.高温高压室内试验资料，以此确定地球物质在不同压力下的熔点，从而判断出不同深度上的温度。普雷斯（1974）根据安德森等人所做的高压下铁的熔融曲线，结合地球物理探测资料给出了地球内部温度分布的推测曲线，看来比较合理：4.2.3地球深部的温度估算•FPress（1974）给出的地球内部温度分布曲线中的几处典型的温度值为：1.100km（上地幔顶部局部熔融开始）1100～1200oC2.400km(上地幔橄榄石－尖晶石相变带）1500oC3.700km(尖晶石－FeO、MgO、SiO2相变带，上下地幔界面）1900oC4.2900km(地幔地核分界面）3700oC5.5100