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1、第 6 讲,地 热,申文斌，邓洪涛，徐新禹，罗佳2014.5.9,1,内容提要,1 引言2 地热热源及损耗3 地热史4 热传递5 地球上的地热分布,2,1 引言,1.1 地热学的定义及分类定义：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。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。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。测量地热学是通过对热量在岩石中的传递方
2、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。,3,1 引言,地热学的意义地热是新能源的重要成员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（Dave et al. 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。1Exa =10E18绿色、可再生（水力资源、太阳能、风能等）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。地热学对于进行地球构造与结构、地球动力演变的研
3、究有重要作用。,4,1 引言,地热能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。分类：根据热源类型,5,地热资源分类,火山型,非火山型,天然热水系统,人工热水系统,深层热水系统,蒸汽型,热水型,高温岩体,火山岩浆,地热资源分类示意图,根据地热能的赋存形式,热能可分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型等五类。,1 引言,地热能富含热能的区域：冰岛、意大利、日本、新西兰、肯尼亚、美国等。,6,1 引言,地热能地热发电地热蒸汽发电系统地热双循环发电系统全流发电系统干热岩发电系统地热
4、能的直接利用地热供暖地热在工业方面的利用地热在农业方面的利用地热在医疗保健和旅游方面的利用,7,1 引言,地热能中国地热资源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 。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信息。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。,8,1 引言,地热显示定义：地球上露
5、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。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。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,9,1 引言,地热显示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。,10,1 引言,温泉(地下),11,0-10 ：冰水
6、、冷水20：一般水30：洗澡水温40：温水50：温泉60：治疗风湿痛最佳水温,1 引言,温泉（温瀑布）,12,1 引言,水热爆炸,13,高温水热区的地震、大气压突变以及热补给量突增等均可触发水热爆炸活动,1 引言,间歇热喷泉（Geyser）,14,地下有一个水室，形状可能千差万别，但要具有一个较大容量，以便储存足够的热水供喷发之用；热水温度多在200 以上,1 引言,泉华,15,当泉水流出地表时，因压力降低、温度升高，地下水中的矿物质发生沉淀，沉淀在泉口的疏松多孔物质叫泉华,1 引言,火山喷发,16,1 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的，而地球深部的地热参数信息则难以
7、获得。深部的热结构可通过推断手段获得：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,17,2 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、原始地球余热等。,18,2 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，
8、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而释放的能量。其他热源：宇宙射线、陨石撞击等。,19,2 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1.41021Ja(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34倍。,20,2 地热热源及损耗,地球的地热平衡主要产热源：放射热： 2.37 10E20 cal/a 潮汐摩擦热： 5.00 10E18 cal/a总量：2.4210E20cal/a主要热损耗：地表热损耗： 2.45 10E2
9、0 cal/a火山热损耗： 7.80 10E18 cal/a 其他热损耗： 1.20 10E18 cal/a热损耗总量：2.5410E20cal/a地球变冷速率：0.12 10E20 cal/a 【变为冷球，需要多少年？】注： 1 cal = 4.19 J = 1.16Wh , 1 J = 107 erg,21,2 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。,22,3 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
10、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。,23,3 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。,24,3 地热史,25,地球年龄估算*（开尔文）,补充材料
11、（2011级地球物理班 苏靖尧） 有修改！,26,开尔文还曾涉足地球年龄的计算，给出了自己的结果：2000万年1亿年，此观点曾长期作为权威标准统治学界长达数十年，甚至达尔文在其进化论学说中都不得不为其让步。据说，开尔文曾把测量地球年龄的工作看作是他所有发现中最重要的。不过遗憾的是，随后大量的科学事实推翻了具有诸多漏洞的开尔文观点。,康德-拉普拉斯星云说,理论基础,基本观点：星云群在转动的过程中渐渐瓦解，并因为万有引力而压扁，然后成为星体与行星。 形成太阳系的星云大致呈球状，基本状态是一团巨大的、灼热的、转动着的气体。,开尔文以该康德-拉普拉斯星云说为前提，认为地球形成于星云的冷却过程。当时已经
12、发现的现象基础是，地球表面和地球内部的温度不同，地表温度低而越往地球深处温度越高，这就形成了一个温度梯度。据此，他假定地球的原始状态是炽热的熔体，后来逐渐冷却凝固，而地核仍是热的，于是地球从其原始状态冷却到现今状态所需的时间长度就是地球的年龄。,地球由熔融状态逐渐冷却凝固,计算思路,（1）地球是刚性的（2）地球的物理性质均匀（3）地球和太阳都没有未知热源,基本假设,（1）布丰发现古象牙齿地球变暖（2）开尔文发现太阳在冷却（3）当时没有未知热源（4）火山活动在减弱,事实依据,开尔文假设地球最初是熔融状态，并且表面始终维持常量的初始温度,我们假定地球表面（z=0）的最终冷却温度为0 C （Cars
13、law,Jaeger,1959）,地球表面温度梯度为,可得：在给定的时间t内，热量可以扩散的平均距离大约是,因此，在任意时间t，大于 的深度处的物质仍处于初始温度。则近似的将地表温度梯度表示为地表上将t用温度梯度G和热通量Q表示为,开尔文推导的基本思路，他进一步考虑了温度梯度和热导率的不确定性后，针对不同深度给出了不同的温度梯度值,开尔文计算得到的时间为9800万年，考虑上述误差，他将最终结果修订为2000万-4亿年。 苏靖尧同学据此思路计算得到地球年龄为约9400万年，接近开尔文的结果，基本符合原方法思路。,？,地热学角度分析地球的导热率（1）刚体假设严重污染了计算结果（2）简单的算术平均与
14、实际热导率值差距明显热源与热运输（1）放射性生热是地球内部的主要热源（2）深部重力分异和潮汐摩擦也会明显生热（3）地球内部有三种热运输方式,1904 年，年仅33岁的物理学家卢瑟福在英国皇家学院作了一次关于放射性增温对估算地球年龄的影响的著名讲演，指出了这一点。由于卢瑟福的老师、八十高龄的开尔文勋爵参加了这次会议，卢瑟福的讲演就成了使地球年龄之争达到高潮并发生决定性转折的划时代的事件。卢瑟福在回忆当时的情景时说： “当我走进那间灯光朦胧的房间，很快发现开尔文勋爵就安详的坐在听众席当中，我下意识地预感到我的讲演的最后部分会引起麻烦，因为我的观点与开尔文勋爵的观点是针锋相对的。开尔文似乎在打瞌睡，
15、这让我松了一口气，但是在我讲到关键部分时，我看到老家伙老人坐直了，张开眼睛，用深邃莫测的目光盯着我！我突然灵机一动，说：开尔文勋爵已限定了地球的年龄，条件是没有发现新的热源。这个高瞻远瞩的观点指的就是我们今晚讨论的东西，镭！瞧！老家伙老人对我发出了微笑。”,计算海洋盐分的累计,物理学,观测沉积岩沉积的速度,地质学,计算潮汐摩擦使地球自转变慢的速度,天文学,利用放射性同位素测定年龄,地球化学,1 Kelvin W T. On the secular cooling of the earthJ. Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 186
16、3, 23: 157-170.2 Thomson W. On the Age of the Suns HeatJ. Macmillans Magazine, 1862, 5(5): 288-93.3 Thomson W. On the rigidity of the EarthJ. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1863, 153: 573-582.4 England P, Molnar P, Richter F. John Perrys neglected critique of Kelvins age
17、for the Earth: A missed opportunity in geodynamicsJ. GSA TODAY, 2007, 17(1): 4.5 Stinner A, Teichmann J. Lord Kelvin and the age-of-the-earth debate: a dramatizationJ. Science & Education, 2003, 12(2): 213-228.6 Perry J. On the age of the earthJ. Nature, 1895, 51: 341-342.7 Burchfield J D. Lord Kelv
18、in and the Age of the EarthM. University of Chicago Press, 1975.8 Chamberlin T C. Lord Kelvins address on the age of the earth as an abode fitted for lifeJ. Science, 1899, 9: 889-901.9 Jean Goguel. GeothermicsM. McGraw-Hill, 197610 Frankel H. The Dating Game: One Mans Search for the Age of the Earth
19、J. Eos, Transactions American Geophysical Union, 2001, 82(25): 280-280.11 杨庆余.地球年龄的确定20世纪最伟大的物理学成果之一J.物理与工程, 2002, 12(2): 58-6212 班武奇,张大卫.地球年龄之争J.湖北师范学院学报, 1982, 8(2):52-5913 崔云昊,陈云彦.地球年龄的探索J.科学中国人,1998(10):57-5814 杨学祥,牛树银,深部物质与深部过程J,地学前沿,1998,5(3):77-8415 黄尚瑶,汪集旸,地热研究现状及其发展趋势J,水文地质工程地质,1979(4):36-6
20、316 晓锋,关于地球年龄的争论J,百科知识,2001(10)17 方舟子,科学大争论地球年龄有多大？（上）J.飞碟探索.2010(12):48-4918 方舟子,科学大争论地球年龄有多大？（中）J.飞碟探索.2011(1):48-4919 方舟子,科学大争论地球年龄有多大？（下）J.飞碟探索.2011(2):34-35,启示？,从苏靖尧同学的研究中你获得了什么启示？考虑了各种热源之后，你能较精确地估算地球的年龄吗？,39,4 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
21、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。热力学第一定律【永动机是不可能制造的】，物体吸收热量(Q)等于物体所做的功(w)加上内能的变化(E)等于外界所做的功与吸收热量之和 E=W+Q【第二定律：第二种永动机是不可能制造的（不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响）】【第三定律：绝对零度不可能达到】,40,4 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,41,
22、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,42,4 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。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，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。那么，地球为何冷却得较快呢？,43,4 热传递,热对流定义：是流体特有的一种传热方式。对流现象
23、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。,44,4 热传递,热对流两种类型的热对流：1）自由热对流：由温度差引起2）强迫热对流：由压力差引起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。牛顿的冷却定律： Afa指表面传热系数。,45,4 热传递,热辐射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
24、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。,46,4 热传递,热辐射吸收、反射及传播：热辐射法则：（黑体， ） 其中发射率：,47,4 热传递,热传导法则热流密度：表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量。傅里叶法则：在各向同性体中，k为岩石的导热系数:广义傅里叶法则：在各向异性体中，,48,4 热传递,热传导的微分方程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：1）流入的热净流2）dV内部的产热热流总量：（负号表示流入）产热量： 表示产热率。,49,4 热传递,
25、热传导的微分方程 温度变化引起总热量变化：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。根据热力学第一定律，有：所以，,50,即热传导微分方程,4 热传递,热传导的微分方程一维热传导方程：在地表，设定：得出：对于恒定相位：最终得到热传播速率,51,5 地球的热分布,地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带变温带：地表最上层，主要受太阳辐射热源影响，为可变温度带。其温度是随其深度递增呈规律性递减。影响深度为：日变温带一般在1-1.5m深；年变温带深度在20-30m。常温带：指变温带以下的地壳，在一定深度内太阳辐射影响逐渐
26、减弱至最低限，已经不能使地温再发生温差变化的地带。各地区的年常温带温度各不一样，主要与当地所处的纬度、地理位置、气候条件、岩石性质以及植被等因素有关，一般常温带的温度要比当地多年年平均气温高12度。,52,5 地球的热分布,地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带增温带：指常温带以下的地壳，主要受地球内部热能影响的地带。其温度随深度的增加而增高,但从宏观上讲，地热增温率（每百米温度升高的度数）是随着深度的增加而递减的。通过等温面和等温线对温度场进行描述：表面（浅层地壳）分布：由太阳辐射，表面热流测算及热传导方程得到。深层地壳分布：放射源与热传导,53,5 地球的热分布,大地热流密度地球表面能直
27、接量测到的热流场，是地球内热在地表最为直观的显示。,54,地面热流分布图,5 地球的热分布,大地热流密度,55,5 地球的热分布,地球内部的热分布热分布的决定因素：地幔与外核：热对流与热辐射内核：热传导地幔与内核的边界条件（CMB、ICB）:相变，熔点温度,56,5 地球的热分布,地球内部的热分布(Press.F and Siever.R, 1974),57,据F.Press的结论：上地幔顶部局部熔融开始的100km以深的温度为1000-1200度；进入上地幔橄榄石、尖晶石相变区的400Km以深的温度为1500度；地幔-地核边界2900km以深的温度为3700度；内、外地核边界处的5100km以深，温度为4300度，地心6370km的温度4500度。,5 地球的热分布,地球内部的热分布,58,一条横贯欧洲的温度深度剖面图,6 地热与其他*,温差电动势及净电荷地热能及地磁发电机,59,练习题,基于边界条件及多种观测数据，了解地球内部的温度分布情况基于地热史，考察地球的年龄探索温度分布与电荷分布的关系,60,总结,本讲主要讲授了地热学的定义、地热开发、地热热源及损耗、地热史、热传递方式、地热分布等。重点地热学定义、地热能、地热显示地热热源分类、地热史热传导、热对流、热辐射地壳热分布以及内部热分布下次讲授内容：第7讲： 地磁,61,联系方式：,谢 谢下次见,
