地球科学概论--地热场

第6讲 地热场申文斌，邓洪涛，徐新禹，罗佳 2014.5.9 1地热场及其利⽤用 2内容提要 l 1引言 l 2地热热源及损耗 l 3地热史 l 4热传递 l 5地球上的地热分布 31引⾔言 l 地热学的意义 p 地热是新能源的重要成员 Ø 常规的化石能源是十分有限的。据估计，全世界的各种化石能源总量仅为360000EJ（Daveetal.1990)，其中相对洁净的石油、天然气的资源量更是极为有限。按今天的消费量，全世界的石油仅可供人类使用50年左右的时间，而煤炭等固体燃料的使用，对人类生存环境造成了极大的污染。 Ø 绿色、可再生（水力资源、太阳能、风能等） p 地热与火山喷发、侵入体、地震、造山运动、变质作用等现象联系紧密(产生热量传输与交换)。 p 地热学对于进行地球构造与结构、地球动力演变的研究有重要作用。 41引⾔言 l 1.1地热学的定义及分类 p 定义：是研究地球热状态、热源、温度、热流分布规律及有关物理性质和现象的科学。包括理论地热学、应用地热学和测量地热学（或实验地热学）三个研究领域，构成完整的学科体系。 p 理论地热学研究的基本任务在于认识和掌握地球这个大热库中的一切热现象的表现形式、热能的空间分布和变化的发展过程、热能的来源及其变化规律。 p 应用地热学则依据理论地热学知识，应用在勘探、开发地热资源及相关生产开发活动。 p 测量地热学是通过对热量在岩石中的传递方式和影响因素的理论研究、建立实验测试系统和提供岩石热物理参数等途径为理论地热学和应用地热学服务。 51引⾔言 l 地热能 p 地球内部蕴藏着巨大的热量，这种天然热能就是我们所称的地热能。但狭义上说，地热能是指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能，故又称地热资源。 p 分类： Ø 根据热源类型Ø 根据热能赋存形式ü 蒸汽型 ü 热水型 ü 干热岩型 ü 地压型 ü 岩浆型 6地热资源分类 ⽕火⼭山型 ⾮非⽕火⼭山型 天然热⽔水系统 ⼈人⼯工热⽔水系统 深层热⽔水系统 蒸汽型 热⽔水型 ⾼高温岩体 ⽕火⼭山岩浆 地热资源分类⽰示意图 （根据热源类型） 1引⾔言 l 地热能 p 富含热能的区域： Ø 冰岛、意大利、日本、新西兰、肯尼亚、美国等。 71引⾔言 l 地热能 p 地热发电 Ø 地热蒸汽发电系统 Ø 地热双循环发电系统 Ø 全流发电系统 Ø 干热岩发电系统 p 地热能的直接利用 Ø 地热供暖 Ø 地热在工业方面的利用 Ø 地热在农业方面的利用 Ø 地热在医疗保健和旅游方面的利用 81引⾔言 l 地热能 p 中国地热资源 Ø 中国地热资源多为低温地热，主要分布在西藏、四川、华北、松辽和苏北。有利于发电的高温地热资源，主要分布在滇、藏、川西和台湾。Ø 据估计，喜马拉雅山地带高温地热有255处达到5800MW。迄今运行的地热电站有5处共27.78MW，中国尚有大量高低温地热，尤其是西部地热亟待开发地热发电。 Ø 中国最著名的地热发电在西藏羊八井镇。羊八井地热位于拉萨市西北90公里的当雄县境内，据介绍，这里有规模宏大的喷泉与间歇喷泉、温泉、热泉、沸泉、热水湖等。 91引⾔言 l 地热显示 p 定义：地球上露出地表、并能被人们直接感知的与地球内热相关的自然现象，即地表地热显示，或地热的漏泄显示。 p 作用：地热显示具有重大的科学身价，它能把很多重要的地质、地球化学、地下温度等重要信息携带上来，为人们揭示地表深层的奥秘提供可靠的依据。 p 分类：微温地面或放热地面；温泉和热泉；沸泉；湿喷汽孔；间歇喷泉，包括泥火山；干喷汽孔；水热爆炸；火山喷发；水热蚀变；水热矿化 101引⾔言 l 地热显示 p 温泉是地球上分布最广又最常见的一种地热显示，它较为集中地出露在高山峡谷、沟谷、河谷以及盆地的边缘地带。温泉是一种由地下自然涌出的泉水，其水温高于该环境年平均温摄氏5℃，或华氏10℉以上。 111引⾔言 l 温泉 121引⾔言 l 水热爆炸 131引⾔言 l 间歇喷泉（Geyser） 141引⾔言 l 泉华 15棉花堡,⽯石灰泉华阶地 1引⾔言 l 火山喷发 161引⾔言 l 如何研究地热学？ p 近地表的温度与热流是可直接观测计算 p 而地球深部的地热参数信息则难以获得，可通过一些推断手段获得：外推法，热传导公式，地震观测数据、高温高压下的材料模拟实验、地球的地热演化规律、钻井等等。 172地热热源及损耗 l 地热热源 p 内部热源： Ø 放射热源：放射性元素衰变所释放的能量，是主要热源，可使温度上升1500°。（铀(U)、钍(Th)、钾(40K)） Ø 地球转动能：它是由于地球及其外壳物质密度的不均匀分布和地球自转时角速度变化，引起岩层水平位移和挤压所产生的机械热。 Ø 化学反应热：主要包括硫化物和有机物的氧化作用。 Ø 重力分异热、原始地球余热、外层生物作用等。  182地热热源及损耗 l 地热热源 p 外部热源： Ø 太阳辐射：太阳辐射的能量中，大约有34%经大气散射、地表面反射等，然后又返回宇宙空间，余下66%为大气和地表所接受的热量。 Ø 潮汐摩擦热：由月亮和太阳对海水的吸引引起的潮汐摩擦而产生的热量。 Ø 其他热源：宇宙射线、陨石撞击等。 192地热热源及损耗 l 地热能损耗 p 地表热流损耗：主要的热能损耗 p 火山损耗：岩浆携带 p 温泉热即蒸汽热损耗：比重较小 p 地震热损耗：比重极其微小 l 地球产生的“大地热流”，据估算约为1.4×1021J／a(焦／年)。这相当于20世纪70年代末全球煤、石油、天然气总耗量的3—4倍。 20思考：如何能够将这些热能搜集起来？2地热热源及损耗 l 地球的地热平衡 p 主要产热源： Ø 放射热：2.37×10E20cal/aØ 潮汐摩擦热：5.00×10E18cal/aØ 总量：2.42×10E20cal/ap 主要热损耗： Ø 地表热损耗：2.45×10E20cal/aØ 火山热损耗：7.80×10E18cal/aØ 其他热损耗：1.20×10E18cal/aØ 热损耗总量：2.54×10E20cal/ap 地球变冷速率：0.12×10E20cal/a 注：1cal=4.19J=1.16Wh,[1J=107erg] 212地热热源及损耗 l 地球的地热平衡 p 地球的总散热量略大于地球内部的总生热量，基本处于热平衡状态。 223地热史 l 对于地热起源主要有两种假设存在： p 高温起源假说：从太阳上分离出的一个火球形成了原始的地球。所以当地球冷却后，原始地球的余热就成为了现在的地热。 p 低温起源假说：原始地球由冷却的星际尘埃形成。而后的各种运动等使得原始地球被逐渐加热。自1940s起，大多数科学家接受了低温起源假说。 233地热史 l 地热史恢复方法简介 p 恢复一个地区沉积岩系的受热史就是要定量查明该区在各地史时期中的地温场及其变化。而一个地区的地温场是由大地热流性质、局部热源及岩石传导能力等多种地质因素综合作用的产物。 p 古热史的研究方法可以概括为两大类：一是经验推理，即采用各种方法确定古地温参数，如（1）地质类比法，（2）以定温(或标志)矿物为标准来恢复古地温和有关参数。另一类研究古热史的方法是理论归纳法即数值模拟法，它可看作是由古至今的热史演绎方法。 243地热史 l 目前广泛使用镜质体反射率作为定温标志 254热传递 l 地热学常用物理量 p 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”。某一瞬间温度的空间分布称为温度场(或称热场）。 p 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。 p 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，热也可转换为其他形式的能。根据热力学第一定律，物体吸收热量(Q)等于物体所做的功(w)加上物体内能的变化(ΔE)，即Q＝W+ΔE。 264热传递 l 热传递的方式：传导、对流和辐射 l 热传导 p 发生于固体中，非金属：通过晶格振动发生热交换[地壳]，金属：通过电子扩散发生能量交换[内核] 27固体通过晶格振动的热传导的示意图4热传递 l 热传导 p 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，1000℃冷却到地表温度要用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，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。 284热传递 l 热对流 p 定义：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。 p 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。 294热传递 l 热对流 p 对流运动按发生的原因分为两类： Ø 1）自由热对流：由温度差引起 Ø 2）强迫热对流：由压力差引起 p 热对流现象多发生于液体和气体中，当温差或热膨胀系数较高时发生，会受到高粘度和高热传导率的抑制作用。 p 牛顿的冷却定律： Afa指表面传热系数。 3021()solidgasqTTcalcmsα−−=−⋅⋅4热传递 l 热辐射 p 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。 p 它不需要借助任何传热介质，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。 314热传递 l 热辐射 p 吸收、反射及传播： p 热辐射法则：（黑体，  ）  其中 p 发射率： 321artfff++=(,)1ATλ=421()blackqTcalcmsσ−−=⋅⋅8225.6710WmKσ−−−=×realblackqqε=4热传递 l 热传导法则 p 热流密度：表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量。 p 傅里叶法则：在各项同性体中， p k为岩石的导热系数: p 广义傅里叶法则：在各向异性体中， 33QqSt=qkT=−∇21()calcms−−⋅⋅(10−3−10−2cal/(cm⋅s⋅K))jjiiijjTqkkTx∂=−≡−∂∂4热传递 l 热传导的微分方程 p 假设对于无穷小的立方体dV，其温度变化为dT/dt，导致该微小立方体温度增加的原因有两个： Ø 1）流入的热净流 Ø 2）dV内部的产热 p 热流总量：（负号表示流入） p 产热量： p 表示产热率。 34iidVdQqddtτ=−∂∫0dVdQAddtτ′=∫0A4热传递 l 热传导的微分方程 p 温度变化代表的总热量变化： p c指比热容，又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。代表密度。 p 根据热力学第一定律，有： p 所以， 35dVTdEcddttρτ∂=∂∫ρdEdQdQ′=+0iidVdVdVTcddtqddtAddttρτττ∂=−∂+∂∫∫∫01iiATqtccρρ∂=−∂+∂即热传导微分⽅方程 4热传递 l 热传导