地球科学概论 第6讲 地热场.pptVIP

1引言火山喷发*1引言如何研究地热学？近地表的温度与热流是可直接观测计算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。*2地热热源及损耗地热热源内部热源：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)）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。化学反应热：主要包括硫化物和有机物的氧化作用。重力分异热、原始地球余热、外层生物作用等。*2地热热源及损耗地热热源外部热源：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。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。其他热源：宇宙射线、陨石撞击等。*2地热热源及损耗地热能损耗地表热流损耗：主要的热能损耗火山损耗：岩浆携带温泉热即蒸汽热损耗：比重较小地震热损耗：比重极其微小地球产生的“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。*思考：如何能够将这些热能搜集起来？2地热热源及损耗地球的地热平衡主要产热源：放射热：2.37×10E20cal/a潮汐摩擦热：5.00×10E18cal/a总量：2.42×10E20cal/a主要热损耗：地表热损耗：2.45×10E20cal/a火山热损耗：7.80×10E18cal/a其他热损耗：1.20×10E18cal/a热损耗总量：2.54×10E20cal/a地球变冷速率：0.12×10E20cal/a[地球年龄?]注：1cal=4.19J=1.16Wh,[1J=107erg]*2地热热源及损耗地球的地热平衡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。*3地热史对于地热起源主要有两种假设存在：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。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。*3地热史地热史恢复方法简介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。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。*3地热史目前广泛使用镜质体反射率作为定温标志*4热传递地热学常用物理量温度与温度场：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）。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。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。*4热传递热力学三定律热力学第一定律：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。热力学第二定律：1）克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；2）开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。热力学第三定律：通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。*4热传递热传递的方式：传导、对流和辐射热传导发生于固体中，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]*固体通过晶格振动的热传导的示意图4热传递热传导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。*4热传递热传导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，在地球的早期历史中即已