地球科学概论-第6讲-地热学R2

第6讲地热申文斌，邓洪涛，徐新禹，罗佳2014.5.91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21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。31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（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。[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、地球动力演变的研究有重要作用。41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。61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71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。81引言地热显示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。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91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。101引言温泉(地下)110℃-10℃：冰水、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）121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161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172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。182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而释放的能量。其他热源：宇宙射线、陨石撞击等。192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。202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【变为冷球，需要多少年？】注：1cal=4.19J=1.16Wh,[1J=107erg]212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。223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。23地球年龄估算*（开尔文）补充材料（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22dTTdtzT(x,t)=T0exp(z2kt)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（Carslaw,Jaeger,1959）地球表面温度梯度为00zTTGztt0Tt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t2200TGKTQt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深度温度梯度100,000英尺1/510F/英尺400,000英尺1/1410F/英尺800,000英尺1/25500F/英尺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，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]KelvinWT.Onthesecularcoolingoftheearth[J].TransactionsoftheRoyalSocietyofEdinburgh,1863,23:157-170.[2]ThomsonW.OntheAgeoftheSun'sHeat[J].Macmillan'sMagazine,1862,5(5):288-93.[3]ThomsonW.OntherigidityoftheEarth[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,1863,153:573-582.[4]EnglandP,MolnarP,RichterF.JohnPerry'sneglectedcritiqueofKelvin'sagefortheEarth:Amissedopportunityingeodynamics[J].GSATODAY,2007,17(1):4.[5]StinnerA,TeichmannJ.LordKelvinandtheage-of-the-earthdebate:adramatization[J].Science&Education,2003,12(2):213-228.[6]PerryJ.Ontheageoftheearth[J].Nature,1895,51:341-342.[7]BurchfieldJD.LordKelvinandtheAgeoftheEarth[M].UniversityofChicagoPress,1975.[8]ChamberlinTC.LordKelvin'saddressontheageoftheearthasanabodefittedforlife[J].Science,1899,9:889