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地热学Geothermometry成都理工大学MaoLifeng2010年11月21日Chp5大地热流与环球地热带的分布•5.1地球内热的传递与大地热流–5.1.1大地热流–5.1.2地球内部热的热传递–5.1.3大地热流的测试•5.2地表热流分布特点–5.2.1海洋和大陆平均热流值近于相等–5.2.2热场分布与现代地壳运动的关系–5.2.3热场分布与大陆构造活动的关系–5.2.4热流密度与地质年代的关系–5.2.5热流密度与板块构造的关系•5.3环球地热带的分布–5.3.1板缘地热活动带的形成和分布–5.3.2板内地热活动带的形成和分布Chp5大地热流与环球地热带的分布•大地热流是地球内热在地表最为直接的显示,同时也能反映发生于地球深处的各种作用过程同能量平衡的宝贵信息。因此，在某种意义上也可以说，大地热流是在地球表面“窥测”地球内热的一个窗口。另外，大地热流反映了区域的地热状态和地质构造的性质，尤其对研究区域地质构造的发展、深部地壳构造的特征及活动更具有重要的理论意义。•环球地热带初露的位置正好都在地球上各大板块的边缘附近，而且它的热源又和板块的扩张或消亡有明显关系，所以又称板缘地热活动带。要想知道环球地热带的形成，应先从全球大地热流和构造活动的关系开始说起。5.1地球内热的传递与大地热流5.1.1大地热流•大地热流密度，又称大地热流、热流，为单位时间单位面积上流过的热流值，在数值上，热流密度等于岩石热导率与垂向地温梯度的乘积：•大地热流是一个矢量，仅指地球内部热以传导方式传输至地表，尔后散发到太空去的那部分热量。它是在各向同性的均质介质内部的任何点，热流的方向总是垂直于温度恒定的某一个等温面。。为地温梯度为岩石热导率为地表热流密度式中，＝－)/(dzd);/();/(dzdqo2kmCmKWmmWq5.1.1大地热流•大地热流密度是地热学研究中的一个贡要物理量。它不仅能反映一个地区的地温场特点，还可以推算地球深处的热状况，研究区域地壳活动性以及评价地热资源的潜力等。•然而，在地表浅部测量热流密度时，将受到周期低温度变化、地形影响和地下水活动等多种因素的干扰。为避免这种干扰，应选择适当的测量深度。通常部在数百米及更深的钻孔中进行测量。所测温度应是稳态或近似稳态的。但是在钻孔中进行测量，也还不问程度地要受到上述干扰因素和静井时间的影响，为了取得可靠的数据，常常还需要根据情况对测量数据进行校正。5.1.1大地热流•一般来说，从地幔向地壳热量的传递以传导为主，伴随有局部的自由对流。在地壳，特别处10km之内的地壳浅部，热量的传递除传导之外，还有地下水的被迫对流和自由对流，它们对热量的传递起着十分重要的作用。局部地区地下水对流所传递的热量大于传导热量几倍甚至几十倍。因此地表热流值按其组成可分为地表热流值和地壳热流值；按其热量传递的方式又可分为传导热流值和对流热流值。在钻孔中实测的热流值有时还包括地壳中局部热源(如岩浆侵入体)和热流的折射和再分配作用所产生的附加热流值。另外地表地形的起伏、气温变化等多种因素的影响，往往使许多实测到的热流值只有局部的意义，而不能真实反映区域长期的热状态。因此地表热流值的计算是一个既简单但又很复杂的问题。5.1.1大地热流•地球的平均热流量约等于1.50±0.5cal/(cm2‧s)或66.9mW/m2(1.5HFU，1HFU=1/23.9W/m2)。目前，全世界范围已测取到6000个以上的热流数据，通过不同测区资料的汇总与研究表明，不同构造单元的热流量是不一样的，也就是说全球热流道分布与地质构造有着内在的必然联系。实测热流数据表明，地域不同导致了热流值得差异，而海底和大陆的平均热流值大体相等，且与全球的平均热流值很接近。5.1.2地球内部热的传递•地球内部的核心温度高达3000～4500oC,这么高的温度必然要向地壳的冷端，也就是向地球的表层传递热量。传递的方式主要通过三种：一是以传导的方式通过固体岩石向外传递；二是通过加热地下的流体之后，对流方式向外传递；三是以炙热岩浆向上位移的方式来传递。•当然不定期的还有其他向外传递方式释放热量，但均属次要影响。上述三种传递方式分别称为大地热流，温泉活动和火山活动或岩浆侵入活动。5.1.2地球内部热的传递•（一）以传导的方式通过固体岩石向外传递通过热传导作用，从地球内部向地球表面传递的热量称为大地热流量，单位面积的大地热流量是岩石的热导率与地热梯度的乘积，即大地热流。通过计算现在已经知道，地球表面每年从地球内部获得的大地热流量为1.07×1021J，这一热量的量级比起地球表面从太阳获得的热量要小一千多倍。全球的大地热流平均值为6.7×10-16J/(cm2·s)。在地热学中，亦把4.18×10-16J/(cm2·s)定作一个热流单位，简称HFU，因此把全球的大地热流平均值就简化用1.6HFU表示。5.1.2地球内部热的传递•地球内热向上传热的多少受控于区域地质构造。–在大洋中脊上，由于海底的扩散，来自地幔炽热岩浆的出没，使大洋中脊的热流值明显高于其它地区，可达3～5HFU。–离开大洋中脊的热流值，由近至远逐渐降到1.2～1.5HFU。–如果“体温”很低的大洋板块向下俯冲到地幔时形成的海沟区域的热流值会下降到只有1HFU。–如果俯冲板块前端冲进到轻质量的上覆板块之下，由于板块间的重力摩擦后的生热作用会出现局部熔融的安山岩浆，当岩浆向上运动或喷出，将会形成高热流区，热流值可高达3～5HFU。5.1.2地球内部热的传递•我国各地大地热流情况在华北平原区实测的热流平均值为1.47HFU,与全球平均值1.6HFU相近。在西藏高原上的羊卓雍湖、博莫湖测量的大地热流值分别在3～4HFU之间。明显高出全球的平均值，这很可能与高压所处于南亚－欧亚大陆板块汇聚这一地质构造背景有关。有人曾对我国960万平方公里的大地，每年通过传导方式释放的热量进行过估算，若以全球热流平均值1.6HFU为基数,其排出热的总量应为2.03×1019J/a，折合成6336亿吨标准煤燃烧释放的热量.5.1.2地球内部热的传递（二）、通过加热地下流体,以对流方式向外传递的热量通常我们在野外对水热活动区的温泉考察时，必须测量到温泉的水温、流量以及调查到的当地多年年平均气温，只要有这三大要素，就能计算出对流热流量。假设，温泉水温为90℃，流量为1L/s，年平均气温为15℃，水的比热容为已知，即使1g水升高1℃所需热量为4.18J,则这一温泉所放出天然热流量为75000cal/s(313500J/s),或换算为2.37×1012cal/a(9.9×1012J/a)。假设我国有温泉2500处，水温70℃，流量1L/s，年平均气温区10℃，计算出通过对流释放的热量为4.7×1015cal/a(1.96×1015J/a)这一热量仅相当于大地热流量的千分之一。导致这一差别的出现，关键是出露温泉数量少，流量相对也小，当然对流传导所散失的热量也将相应减少。5.1.2地球内部热的传递（三）、火山与岩浆活动也是一种热传递方式来自上地幔而且其体温高达850～1250℃的岩浆，当它穿过地壳喷出地表形成火山活动区后，必然会释放出大量的热量。有人曾对1883年印度尼西亚的喀拉喀托火山喷发是喷出物所释放出的热量作过估算，大约为7.2×1020J。此次喷发为期2天，能放出如此数量的热，必须在每一秒钟内把热以持续喷发形式携带到地面上来。上述介绍的实例虽然能释放出很大的热量，但是这样的火山活动属于典型分散的，作为全球的活火山活动区分布，毕竟是有限的。5.1.2地球内部热的传递那么世界各地的火山活动究竟能够从地球内部携带出多少热量呢？假设地球在45亿年历程中，全部地球曾以熔融态的岩熔上升到地表，地壳大地质量假设为2.45×1025g，1g岩熔由1000℃温度冷却到0℃的热损耗量为1672J，则地幔岩熔流平均每年的热传输量为乘以1672J/g，再除以45亿年，得出每年的热传输量为9.2×1018J。然后用地球的表面积去除，得出的平均热流量仅只1.36×10-2HFU。它与大地平均热流值相差甚大。如果以45亿年历程中，火山活动释放热比较，大地热流传导释放热量则显得微乎其微了。5.1.2地球内部热的传递•那么地球内部究竟有多大的热含量？回答这一问题可以说既容易但也难。原因很简单，容易在于地球的热含量就是地球的质量与地球内部平均温度和地球内部平均比热容的3项乘积。但是难在这3项数据如何定量、如何取定。从目前科技发展的水平来看，3项数据只能推测、估计和假定，因此得出的数据也只能是估算、推算。即使这样它对我们研究地球内部的热来讲也是十分有参考价值的。有人把平均温度假定为2000℃，质量推测为6×1030g，平均比热容估计为1.05J/(g·℃)，估算出地球内部的热含量为1.25×1031J。上面已阐述过地球通过传导损失的热量为1.09×1021J。两数相比，前者要大于或者100亿倍，也就是今后的100亿年内，整个地球内部的温度由于变冷将达到目前地表的温度时，地球的内热至少能在下一个100亿年之内能够保持大地热流量的平衡。•上述的结论虽然建立在估算的基础上，但它仍能充分地说明问题，那就是地球名副其实的是个大热库。5.1.2地球内部热的传递•地球的热损耗：1.火山、温泉和地热带的热损耗：全球火山喷发每年可带出的热量为3.0×1019J/a，全球温泉和地热带每年释放的热量为2.0×1018J/a。火山喷发物要比温泉、地热带释放的热量大一个数量级。当然，由于海底热量的释放还无法搞清楚，实际上全球由于这种因素释放的热量应更大些。2.地震释放的能量：地震以波动能的形式释放能量，可根据熟知的古登堡-里氏公式进行计算lg{Es}J=1.5Ms+4.8，其中Es为地震释放能量；Ms为地震震级。总量取决于7级以上的地震数。对1900～1977年间7级以上地震数和上述公式计算的地震波能量的年变化有，年平均估算为Es＝7×1017J/a。金森（1977）估算地震释放的弹性波动能采用的公式：{Ews}J=M0/(2×104）。式中，M0为地震动量（瞬时）。金森将1920年至1976年统计的7级以上地震波动能的年变化。年平均释放能量估算为Ews=4.5×1017J/a。5.1.2地球内部热的传递3.大地热流：全球平均大地热流密度为61.5mW/m2，将其乘以全球表面积，得到一年间由地球内部流出的热量为9.88×1021J/a。这一数值远比由火山喷发的能量及地震释放的能量要大的多。但是，计算全球热流量中，可能包括一部分洋底的火山及岩浆活动释放的热能和地震波动转换的热能。然而，不管怎么说，地球内部传递到地表的能量，最主要的是由固体传导传热的形式形成的大地热流量。5.1.2地球内部热的传递•地球内部的热平衡：1.生热的热源：放射性元素生热、地球的重力热（原始地球是一个未曾分异、较为均质的低温尘埃、气体和陨石物质的“混合体”，它们发生聚集，体积收缩形成地球）、地球收缩时释放的重力能和物质碰撞动能转换的热能也是一种长期有效的热源，其中部分热能作为辐射能由地表向外空散失，另一部分将地球加热。这是地球物质在重力作用下，向地心集中时由位能转换成热能。它在地球形成初期及以后核、幔分异过程中曾起过很大作用。）、其它热源（潮汐摩擦热、化学反应释放热，前者是由于月球和地球之间相互吸引而产生的摩擦热量，有人估计为4×103J/a，占地球每年生热量的比例甚小；化学反应释放热：地壳中最主要的放热化学反应是硫化物的化学转变，这种作用形成局部热源，可以引起地热异常，但对地球的热能及热平衡并不重要)。2.地球的放热：火山喷发耗能、温泉、地热耗能、大地热流量等。地球内部的热平衡•地球自形成之后，经历了约45亿年的漫长演变过程，从全球的角度考虑其热运动及热源和热能量的损耗，地球每年的生热量与损耗热量，基本达到了平衡状态。下表为地球热能的收支情况，从统计结果看，地球热能损耗略大于生热量，然而这是非常粗略的估计，还有一些与热平衡有关的生热与损耗未被人们所认识。热能收支名称生热量J/a散热量J/a热能收入