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地热学Geothermometry成都理工大学MaoLifeng2010年10月25日Chp2岩石的热性质•2.1热传递的基本概念–2.1.1温度与温度场–2.1.2温度梯度–2.1.3热量–2.1.4热传递的方式•2.2地壳岩石的热性质–2.2.1热导率–2.2.2热流密度–2.2.3比热容–2.2.4热扩散率–2.2.5放射性生热•2.3岩石热物理性质测试样品的选取与制备–2.3.1岩石热物理性质测试项目的确定–2.3.2岩石试样的采集、包装和编录2.1.1温度与温度场•温度温度是地球最重要的物理性质之一。地球温度既有空间变化又与时间相关。时间的尺度可以从一年内地表温度的变化直到数十亿年内的整个地球的热演化。地球的不同温度是小范围内以及整个地球范围内侧向和垂向温度差异所造成的结果。这些温度差将通过热传递达到平衡。但是，温度的平衡过程仅以有限的速度进行，因而与时间相关。在大范围内，平衡过程进行得非常缓慢，以至常常受到干扰。缓慢而稳定的板块运动（在板块构造意义上）和山脉的形成、裂谷及其伴随而来的岩浆活动都影响到地球的温度分布。地球内部的热源，由于机械力的作用，正在不断地进行分配并产生出来，通过这种被迫的质量传输能够增大或减小温差。2.1.1温度与温度场•温度是热力学特有的一个物理量，是热强度的一个指标，它表示物体的“热度”或“冷度”。是反映物体分子运动快慢的一个物理量。要定量地确定温度的数值，必须对不同的冷热程度给以数值的表示，即确定温标。国际上规定以热力学温标为一切温度测量的基本温标，它是通过理想气体温标来实现的，又称开氏温标（K）。此外，常用的还有摄氏度温标（oC）和华氏温标（oF），开氏温标（绝对温标）：把气体从0oC起进行等体积冷却，每降低1度，它的压强降低1/273，在-273oC时气体压强会降到零,理论上把物质中分子全部停止运动之点作为0度。华氏温标：在标准大气压下，把水的冰点温度定为32oF，水的沸点定为212oF。在沸点和冰点间有180oF。摄氏温标：在标准大气压下，把水的冰点定为0oC，水的沸点定为100oC。这是日常用得最广泛的一种温标。三种温标的转换：1oF=(9/5)oC+32o1oC=(5/9)(oF-32)o1K=1oC+273o•在地热学中还定义了一些专业的地球化学地热温标，例如SiO2温标是用热水溶液中的含量来测定地下热水的温度，类似的还有钾钠钙温标，它们都可以用于地热资源的估计评价；此外还有同位素温标。2.1.1温度与温度场•温度场：–某一瞬间温度的空间分布称为温度场(或称热场）。一般来讲，温度在介质中的分布状况是坐标和时间的函数，式中x、y、s为座标，t为时间。场内任何点的温度不随时间而变化的为稳定温度场，随时间而变化的为不稳定温度场。在稳定温度场中，–具有稳定温度场的热传导称为稳定热传导。在一般情况下，当t趋于无穷时，不稳定温度场渐趋于稳定温度场。介质中温度场可以是三向的、二向的和一向的，即分别在三向、两向和一向上有温度变化。–物体的温度场可以用等温面或等温线来表示。把相同温度的各点相连接则成为等温面。等温面与任一平面相交则为等温线。同一个点上不可能同时存在两个温度值。只有穿过等温面或等温线才可以观察到温度的变化。在等温面或等温线的法线(n)方向上，单位长度的温度变化值最大。2.1.2温度梯度•温度梯度是等温面法线方向上单位长度内温度的增量，它是一个矢量，即它的正方向朝着温度升高的一面。负的温度梯度叫做温度降度。热传导的方向与温度梯度的方向相反，与温度降落的方向一致。在地热学中，温度梯度的单位常以℃／100米或℃／公里表示。地温梯度:资料表明，地球内几百米深度以下，已经完全不受地表温度的变化的影响了，其温度随着深度增加而增加的。我们把地球内部随深度的增高率叫做地温梯度。用公式表示。H是深度，其单位一般用℃/Km表示。测量结果表明：地下的温度总是在随深度而增加，但平均增加率（即温度梯度）不同，在非火山区是每加深100米温度增加2-3摄氏度；在火山、海岭及构造活动激烈的地区，地温梯度高；在地盾海沟以及构造活动弱的地区，温度梯度低。同一地区，不同深度的温度梯度也是不一样的。一般，随深度的增加而减小。在核幔边界的梯度约为0.715℃/Km，在地核内的温度梯度恐怕就更低了。dHdTT/2.1.3热热与热量：热是其他形式的能发生转换的一种形式。在一定条件下，热也可以转换为其他形式的能。根据热力学第一定律，物体吸收的热量(Q)等于物体所做的功(w)加上物体内能的变化(ΔE)，即Q＝W+ΔE。如果Q及ΔE用热量单位(卡)表示，W用功的单位(焦耳)表示，因1卡热量的定义为1克的水在15℃附近提高1℃所需的热量。按热功当量的意义，4.186焦耳的功可能使物体增加的内能恰好与1卡的热量传递所增加的相同，故1卡＝4.186焦耳。各种物体都有贮热的能力，其大小以比热来表示，即为每克物质温度升高1℃所需要的热量。对于温度由升至，质量为m克的物质需要总热量为Q=cm(-)，这里，C为比热(卡／克℃)。12212.1.3热•2.1.3（一）热力学的第一定律热力学第一定律是能量守恒与转化定律，它是热现象领域内的特殊形式；在一定意义上可以说，它又构成了能量守恒与转化定律的核心。其表达式为:式中，为系统内能的增加，W为环境对体系所做的功，Q为体系所吸收的热量。在无限小的过程中，则如取环境对外做功的方向为负，系统对外做正功，则上式可写成在一个循环过程中，由于u是态函数，所以可以得到即此式表示：在一个循环过程中（内能不变），系统只有吸收热量才可能对外做功。QWuQWduQWdu0WQQWduWQu2.1.3热•2.1.3（二）热力学的第二定律①克劳修斯（1850）：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的)指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。②开尔文（1851）：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响。自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。2.1.4热传递的方式•热传递是一种复杂的物理过程，可分为三种基本形式：传导、对流和辐射。•热传导：通常发生在固体中发生。传热方式有二：在非金属的结晶固体中，通过分子晶格震动而发生热交换；在金属中，则通过自由电子的扩散而引起能量的交换。地壳大部分为固体岩石构成，温度不很高，其热状况几乎为晶格传导所支配；内地核可能由高压力作用下固化了的铁质组成，以金属传导占优势。在非金属固体中，热能以原子振动形式存在，振动的强度取决于温度。温度越高，原子振动的强度越入。当处于热激发状态的原子或分子相互碰撞时，热即被传递。2.1.4热传递的方式•如图所示，振动运动机械地由热区传至冷区，任意两点间的热流随两点问的温差增减而增减。当物体所有的分子以这种方式获得一定的平均能量．使其不同部位的温度相等时．就达到了平衡状态。固体的热传导的示意图2.1.4热传递的方式不同的物质传导热的能力不同。如金属的导热性就比塑料的强。你想想炒锅的金属手柄和塑料手柄何者热得更快就会明日这种差异。岩石和土壤是很差的热导体，这正是地下管线比地表管线更不容易冻裂的原因尽管地表季节温度变化很大，而地窖的温度几乎能长年保持恒定也是这个道理。2.1.4热传递的方式•由于岩石的不良导热性能，100m厚的熔岩流要花300年才能从1000℃冷却到地表温度。按照这种逻辑和计算方法，一块厚400km的岩板，热从一面传到其另一面要用50亿年，这比地球已经存在的时间还长。换句话说，45亿岁的地球如果仅靠传导来冷却的话，400km深度以下的热量就会至今尚未到达地表。在地球的早期历史中即已处于熔融状态的地慢就会依然保持液体状态。但我们从地震波的研究已经知道，事实并非如此。因此我们必须寻找一种比传导更有效的传热方式来解释在过去40多亿年里地球的冷却和地幔的固化。这种机制就是对流作用。2.1.4热传递的方式•热对流：是流体特有的一种传热方式。对流现象与流体本身的运动密切相关，由于流体各部分发生相对位移而引起热量的转移。在流体中，对流现象的同时还伴有热的传导。在地球内部存在流态物质大量运移的地方，例如在大陆上的地热区和海底扩张中心，热对流有重要意义。在地壳浅部地下水运动所及的地方，在钻探和采矿活动过程中，热对流作用也十分明显。•对流运动按发生的原因分为两类，即自然对流和受迫对流。流体被冷却或加热造成各部分密度差而引起的运动叫自然对流，流体受外力的影响产生压力差所引起的运动叫受迫对流。2.1.4热传递的方式•自然对流现象较为常见，一杯冷却中的水或一壶正被加热的水都能见到自然对流现象（如下图)。由于水导热极慢，假若没有对流传热，将一水壶加热到沸点将需要很长时间(用采暖设备加热室温，也是对流在起作用)。流体受热密度变小而上升，冷的流体下降来补充，受热后再上升，如此反复的过程把全壶水煮沸或使室温升高。如图中所示的这种上升暖流和下降冷流的规则循环称为“对流胞”。对流传热比传导传热更为有效，因为对流传热时，受热物质携带热能一起运动。2.1.4热传递的方式•一般来说，流体上下界面的温差大、热膨胀系数高时，有助于热对流的产生，因为两者均可增加热区和冷区的密度差。冷热面的间隔增加也有助于对流。流体的粘滞度大则抑制对流。流体高的热导率也抑制对流，因为热导率高的物质由传导方式传热更为有效。2.1.4热传递的方式•热辐射：它不需要藉助任何传热介质，直接以电磁波向外直线发射传热。这种传热方式和上述二者有本质的区别，它不仅产生热量的转移，同时也伴随能量形式的转化。即热能转变为辐射能，被物体吸收后又变为热能。一切物体只要其温度高于绝对零度，就会从表面向外界放出能量。物体的温度愈高，放出的辐射能就愈多。辐射能的载体是电磁波，故热辐射在真空中也能进行。例如，太阳把热传给地球，中间要经过很长距离，这段空间中并无传热介质，地球得到的热量是太阳的热辐射所致。能被物体吸收后又重新变为热能的射线，大部分位于红外线波段，小部分位于可见光波的范围内。这些射线称热射线，其传播过程称热辐射。地球深部温度很高，也可发生辐射传热。2.1.4热传递的方式•尽管固体通常仅靠传导来冷却，但在较长时间里对流在”流动”的固体中也可出现一种称作西里帕帝的硅酮化合物可以告诉我们固体是怎样流动的。西里帕帝可以像球一样弹起．也可以因突然的击打而破裂。球形的西里帕帝一夜之间可因自重而变成薄饼状。就地球而言，在以秒到以年计的短时间内，地幔表现为一个刚性的固体，但如以百万年计算，在高温高压条件下，地幔则表现为一种极端粘滞的流体，可以蠕动和流动。因此，对流在地幔中的确可能存在。这促使地学家们提出这样一些关键问题：对流是地球内部传热的一种重要机制吗?对流是否现在正在出现?它在过去已经出现过吗？2.1.4热传递的方式•海底扩张和板块构造是对流在起作用的直接证据。在大洋中脊上升的热物质形成了新的岩石圈，当它们向两侧扩展开去时而逐渐冷却，最终又返回地慢(如下图)。这就是对流，热由于物质的运动而从地球内部被带到地表。板块构造与地幔对流2.1.4热传递的方式•某些地学家认为，只有上部几百公里的地幔才有驱动板块运动的对流作用存在，见上图。这意味着上下地慢并不混合。另一些地学家则认为，对流作用涉及整个地幔。还有一些人认为，热点下面上升的热柱提供了对流作用的驱动力。不管这些细节如何，现在地学家们相信，海底扩张时热能从地球内部向地球表面释放是地球在地质历史上冷却