地球科學(xué)概論第6講地?zé)釋W(xué)課件

第

6

講地

熱申文斌，鄧洪濤，徐新禹，羅佳2014.5.91第6講地?zé)嵘晡谋螅嚭闈?，徐新禹，羅佳1內(nèi)容提要1引言2地?zé)釤嵩醇皳p耗3地?zé)崾?熱傳遞5地球上的地?zé)岱植?內(nèi)容提要1引言21引言1.1地?zé)釋W(xué)的定義及分類定義：是研究地球熱狀態(tài)、熱源、溫度、熱流分布規(guī)律及有關(guān)物理性質(zhì)和現(xiàn)象的科學(xué)。包括理論地?zé)釋W(xué)、應(yīng)用地?zé)釋W(xué)和測量地?zé)釋W(xué)（或?qū)嶒?yàn)地?zé)釋W(xué)）三個(gè)研究領(lǐng)域，構(gòu)成完整的學(xué)科體系。理論地?zé)釋W(xué)研究的基本任務(wù)在于認(rèn)識和掌握地球這個(gè)大熱庫中的一切熱現(xiàn)象的表現(xiàn)形式、熱能的空間分布和變化的發(fā)展過程、熱能的來源及其變化規(guī)律。應(yīng)用地?zé)釋W(xué)則依據(jù)理論地?zé)釋W(xué)知識，應(yīng)用在勘探、開發(fā)地?zé)豳Y源及相關(guān)生產(chǎn)開發(fā)活動(dòng)。測量地?zé)釋W(xué)是通過對熱量在巖石中的傳遞方式和影響因素的理論研究、建立實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)和提供巖石熱物理參數(shù)等途徑為理論地?zé)釋W(xué)和應(yīng)用地?zé)釋W(xué)服務(wù)。31引言1.1地?zé)釋W(xué)的定義及分類31引言地?zé)釋W(xué)的意義地?zé)崾切履茉吹闹匾蓡T常規(guī)的化石能源是十分有限的。據(jù)估計(jì)，全世界的各種化石能源總量僅為360000EJ（Daveetal.1990)，其中相對潔凈的石油、天然氣的資源量更是極為有限。按今天的消費(fèi)量，全世界的石油僅可供人類使用50年左右的時(shí)間，而煤炭等固體燃料的使用，對人類生存環(huán)境造成了極大的污染。[1Exa=10E18]綠色、可再生（水力資源、太陽能、風(fēng)能等）地?zé)崤c火山噴發(fā)、侵入體、地震、造山運(yùn)動(dòng)、變質(zhì)作用等現(xiàn)象聯(lián)系緊密。地?zé)釋W(xué)對于進(jìn)行地球構(gòu)造與結(jié)構(gòu)、地球動(dòng)力演變的研究有重要作用。41引言地?zé)釋W(xué)的意義41引言地?zé)崮艿厍騼?nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的熱量，這種天然熱能就是我們所稱的地?zé)崮?。但狹義上說，地?zé)崮苁侵阜忾]在地球中距地表足夠近的距離內(nèi)，并可被經(jīng)濟(jì)開采的天然熱能，故又稱地?zé)豳Y源。分類：根據(jù)熱源類型5地?zé)豳Y源分類火山型非火山型天然熱水系統(tǒng)人工熱水系統(tǒng)深層熱水系統(tǒng)蒸汽型熱水型高溫巖體火山巖漿地?zé)豳Y源分類示意圖根據(jù)地?zé)崮艿馁x存形式,熱能可分為蒸汽型、熱水型、干熱巖型、地壓型和巖漿型等五類。1引言地?zé)崮?地?zé)豳Y源分類火山型非火山型天然熱水系統(tǒng)人工熱1引言地?zé)崮芨缓瑹崮艿膮^(qū)域：冰島、意大利、日本、新西蘭、肯尼亞、美國等。61引言地?zé)崮?1引言地?zé)崮艿責(zé)岚l(fā)電地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)全流發(fā)電系統(tǒng)干熱巖發(fā)電系統(tǒng)地?zé)崮艿闹苯永玫責(zé)峁┡責(zé)嵩诠I(yè)方面的利用地?zé)嵩谵r(nóng)業(yè)方面的利用地?zé)嵩卺t(yī)療保健和旅游方面的利用71引言地?zé)崮?1引言地?zé)崮苤袊責(zé)豳Y源中國地?zé)豳Y源多為低溫地?zé)幔饕植荚谖鞑?、四川、華北、松遼和蘇北。有利于發(fā)電的高溫地?zé)豳Y源，主要分布在滇、藏、川西和臺灣。據(jù)估計(jì)，喜馬拉雅山地帶高溫地?zé)嵊?55處達(dá)到5800MW。迄今運(yùn)行的地?zé)犭娬居?處共27.78MW，中國尚有大量高低溫地?zé)?，尤其是西部地?zé)嶝酱_發(fā)地?zé)岚l(fā)電信息。中國最著名的地?zé)岚l(fā)電在西藏羊八井鎮(zhèn)。羊八井地?zé)嵛挥诶_市西北90公里的當(dāng)雄縣境內(nèi)，據(jù)介紹，這里有規(guī)模宏大的噴泉與間歇噴泉、溫泉、熱泉、沸泉、熱水湖等。81引言地?zé)崮?1引言地?zé)犸@示定義：地球上露出地表、并能被人們直接感知的與地球內(nèi)熱相關(guān)的自然現(xiàn)象，即地表地?zé)犸@示，或地?zé)岬穆┬癸@示。地?zé)犸@示具有重大的科學(xué)身價(jià)，它能把很多重要的地質(zhì)、地球化學(xué)、地下溫度等重要信息攜帶上來，為人們揭示地表深層的奧秘提供可靠的依據(jù)。分類：微溫地面或放熱地面；溫泉和熱泉；沸泉；濕噴汽孔；間歇噴泉，包括泥火山；干噴汽孔；水熱爆炸；火山噴發(fā)；水熱蝕變；水熱礦化91引言地?zé)犸@示91引言地?zé)犸@示溫泉是地球上分布最廣又最常見的一種地?zé)犸@示，它較為集中地出露在高山峽谷、溝谷、河谷以及盆地的邊緣地帶。溫泉是一種由地下自然涌出的泉水，其水溫高于該環(huán)境年平均溫?cái)z氏5℃，或華氏10℉以上。101引言地?zé)犸@示101引言溫泉(地下)110℃-10℃：冰水、冷水

20℃：一般水

30℃：洗澡水溫

40℃：溫水

50℃：溫泉60℃：治療風(fēng)濕痛最佳水溫

1引言溫泉(地下)110℃-10℃：冰水、冷水

1引言溫泉（溫瀑布）121引言溫泉（溫瀑布）121引言水熱爆炸13高溫水熱區(qū)的地震、大氣壓突變以及熱補(bǔ)給量突增等均可觸發(fā)水熱爆炸活動(dòng)1引言水熱爆炸13高溫水熱區(qū)的地震、1引言間歇熱噴泉（Geyser）14地下有一個(gè)水室，形狀可能千差萬別，但要具有一個(gè)較大容量，以便儲存足夠的熱水供噴發(fā)之用；熱水溫度多在200℃以上1引言間歇熱噴泉（Geyser）14地下有一個(gè)水室，形狀可1引言泉華15當(dāng)泉水流出地表時(shí)，因壓力降低、溫度升高，地下水中的礦物質(zhì)發(fā)生沉淀，沉淀在泉口的疏松多孔物質(zhì)叫泉華1引言泉華15當(dāng)泉水流出地表時(shí)，因壓力降低、溫度升高，地下1引言火山噴發(fā)161引言火山噴發(fā)161引言如何研究地?zé)釋W(xué)？近地表的溫度與熱流是可直接觀測計(jì)算的，而地球深部的地?zé)釁?shù)信息則難以獲得。深部的熱結(jié)構(gòu)可通過推斷手段獲得：外推法，熱傳導(dǎo)公式，地震觀測數(shù)據(jù)，高溫高壓下的材料模擬實(shí)驗(yàn)，地球的地?zé)嵫莼?guī)律，鉆井等171引言如何研究地?zé)釋W(xué)？172地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)釤嵩磧?nèi)部熱源：放射熱源：放射性元素衰變所釋放的能量，是主要熱源，可使溫度上升1500°。（鈾(U)、釷(Th)、鉀(40K)）地球轉(zhuǎn)動(dòng)能：它是由于地球及其外殼物質(zhì)密度的不均勻分布和地球自轉(zhuǎn)時(shí)角速度變化，引起巖層水平位移和擠壓所產(chǎn)生的機(jī)械熱?；瘜W(xué)反應(yīng)熱：主要包括硫化物和有機(jī)物的氧化作用。重力分異熱、原始地球余熱等。182地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)釤嵩?82地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)釤嵩赐獠繜嵩矗禾栞椛洌禾栞椛涞哪芰恐?，大約有34%經(jīng)大氣散射、地表面反射等，然后又返回宇宙空間，余下66%為大氣和地表所接受的熱量。潮汐摩擦熱：由月亮和太陽對海水的吸引而釋放的能量。其他熱源：宇宙射線、隕石撞擊等。192地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)釤嵩?92地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)崮軗p耗地表熱流損耗：主要的熱能損耗火山損耗：巖漿攜帶溫泉熱即蒸汽熱損耗：比重較小地震熱損耗：比重極其微小地球產(chǎn)生的“大地?zé)崃鳌?，?jù)估算約為1.4×1021J／a(焦／年)。這相當(dāng)于20世紀(jì)70年代末全球煤、石油、天然氣總耗量的3—4倍。202地?zé)釤嵩醇皳p耗地?zé)崮軗p耗202地?zé)釤嵩醇皳p耗地球的地?zé)崞胶庵饕a(chǎn)熱源：放射熱：2.37×10E20cal/a潮汐摩擦熱：5.00×10E18cal/a總量：2.42×10E20cal/a主要熱損耗：地表熱損耗：2.45×10E20cal/a火山熱損耗：7.80×10E18cal/a其他熱損耗：1.20×10E18cal/a熱損耗總量：2.54×10E20cal/a地球變冷速率：0.12×10E20cal/a【變?yōu)槔淝颍枰嗌倌?？】注?cal=4.19J=1.16Wh,[1J=107erg]212地?zé)釤嵩醇皳p耗地球的地?zé)崞胶?12地?zé)釤嵩醇皳p耗地球的地?zé)崞胶獾厍虻目偵崃柯源笥诘厍騼?nèi)部的總生熱量，基本處于熱平衡狀態(tài)。222地?zé)釤嵩醇皳p耗地球的地?zé)崞胶?23地?zé)崾穼τ诘責(zé)崞鹪粗饕袃煞N假設(shè)存在：高溫起源假說：從太陽上分離出的一個(gè)火球形成了原始的地球。所以當(dāng)?shù)厍蚶鋮s后，原始地球的余熱就成為了現(xiàn)在的地?zé)帷５蜏仄鹪醇僬f：原始地球由冷卻的星際塵埃形成。而后的各種運(yùn)動(dòng)等使得原始地球被逐漸加熱。自1940s起，大多數(shù)科學(xué)家接受了低溫起源假說。233地?zé)崾穼τ诘責(zé)崞鹪粗饕袃煞N假設(shè)存在：233地?zé)崾返責(zé)崾坊謴?fù)方法簡介恢復(fù)一個(gè)地區(qū)沉積巖系的受熱史就是要定量查明該區(qū)在各地史時(shí)期中的地溫場及其變化。而一個(gè)地區(qū)的地溫場是由大地?zé)崃餍再|(zhì)、局部熱源及巖石傳導(dǎo)能力等多種地質(zhì)因素綜合作用的產(chǎn)物。古熱史的研究方法可以概括為兩大類：一是經(jīng)驗(yàn)推理，即采用各種方法確定古地溫參數(shù)，如（1）地質(zhì)類比法，（2）以定溫(或標(biāo)志)礦物為標(biāo)準(zhǔn)來恢復(fù)古地溫和有關(guān)參數(shù)。另一類研究古熱史的方法是理論歸納法即數(shù)值模擬法，它可看作是由古至今的熱史演繹方法。243地?zé)崾返責(zé)崾坊謴?fù)方法簡介243地?zé)崾?53地?zé)崾?5地球年齡估算*（開爾文）補(bǔ)充材料（2011級地球物理班

蘇靖堯）

有修改！26地球年齡估算*（開爾文）補(bǔ)充材料26開爾文還曾涉足地球年齡的計(jì)算，給出了自己的結(jié)果：2000萬年~1億年，此觀點(diǎn)曾長期作為權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)治學(xué)界長達(dá)數(shù)十年，甚至達(dá)爾文在其進(jìn)化論學(xué)說中都不得不為其讓步。據(jù)說，開爾文曾把測量地球年齡的工作看作是他所有發(fā)現(xiàn)中最重要的。不過遺憾的是，隨后大量的科學(xué)事實(shí)推翻了具有諸多漏洞的開爾文觀點(diǎn)。開爾文還曾涉足地球年齡的計(jì)算，給出了自己的結(jié)果：2000萬年康德-拉普拉斯星云說理論基礎(chǔ)基本觀點(diǎn)：星云群在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中漸漸瓦解，并因?yàn)槿f有引力而壓扁，然后成為星體與行星。形成太陽系的星云大致呈球狀，基本狀態(tài)是一團(tuán)巨大的、灼熱的、轉(zhuǎn)動(dòng)著的氣體。康德-拉普拉斯星云說理論基礎(chǔ)基本觀點(diǎn)：星云群在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中漸開爾文以該康德-拉普拉斯星云說為前提，認(rèn)為地球形成于星云的冷卻過程。當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象基礎(chǔ)是，地球表面和地球內(nèi)部的溫度不同，地表溫度低而越往地球深處溫度越高，這就形成了一個(gè)溫度梯度。據(jù)此，他假定地球的原始狀態(tài)是熾熱的熔體，后來逐漸冷卻凝固，而地核仍是熱的，于是地球從其原始狀態(tài)冷卻到現(xiàn)今狀態(tài)所需的時(shí)間長度就是地球的年齡。地球由熔融狀態(tài)逐漸冷卻凝固計(jì)算思路開爾文以該康德-拉普拉斯星云說為前提，認(rèn)為地球形成于星云的冷（1）地球是剛性的（2）地球的物理性質(zhì)均勻（3）地球和太陽都沒有未知熱源基本假設(shè)（1）地球是剛性的基本假設(shè)（1）布豐發(fā)現(xiàn)古象牙齒——地球變暖（2）開爾文發(fā)現(xiàn)太陽在冷卻（3）當(dāng)時(shí)沒有未知熱源（4）火山活動(dòng)在減弱事實(shí)依據(jù)（1）布豐發(fā)現(xiàn)古象牙齒——地球變暖事實(shí)依據(jù)開爾文假設(shè)地球最初是熔融狀態(tài)，并且表面始終維持常量的初始溫度

我們假定地球表面（z=0）的最終冷卻溫度為0°C

（Carslaw,Jaeger,1959）

開爾文假設(shè)地球最初是熔融狀態(tài)，并且表面始終維持常量的初始溫度地球表面溫度梯度為可得：在給定的時(shí)間t內(nèi)，熱量可以擴(kuò)散的平均距離大約是因此，在任意時(shí)間t，大于的深度處的物質(zhì)仍處于初始溫度。則近似的將地表溫度梯度表示為地表上將t用溫度梯度G和熱通量Q表示為地球表面溫度梯度為因此，在任意時(shí)間t，大于的深度

開爾文推導(dǎo)的基本思路，他進(jìn)一步考慮了溫度梯度和熱導(dǎo)率的不確定性后，針對不同深度給出了不同的溫度梯度值深度溫度梯度100,000英尺1/510F/英尺400,000英尺1/1410F/英尺800,000英尺1/25500F/英尺

開爾文計(jì)算得到的時(shí)間為9800萬年，考慮上述誤差，他將最終結(jié)果修訂為2000萬-4億年。

蘇靖堯同學(xué)據(jù)此思路計(jì)算得到地球年齡為約9400萬年，接近開爾文的結(jié)果，基本符合原方法思路。開爾文推導(dǎo)的基本思路，他進(jìn)一步考慮了溫度梯度和熱導(dǎo)率的？地?zé)釋W(xué)角度分析地球的導(dǎo)熱率（1）剛體假設(shè)嚴(yán)重污染了計(jì)算結(jié)果（2）簡單的算術(shù)平均與實(shí)際熱導(dǎo)率值差距明顯熱源與熱運(yùn)輸（1）放射性生熱是地球內(nèi)部的主要熱源（2）深部重力分異和潮汐摩擦也會(huì)明顯生熱（3）地球內(nèi)部有三種熱運(yùn)輸方式？地?zé)釋W(xué)角度分析

1904年，年僅33歲的物理學(xué)家盧瑟福在英國皇家學(xué)院作了一次關(guān)于放射性增溫對估算地球年齡的影響的著名講演，指出了這一點(diǎn)。由于盧瑟福的老師、八十高齡的開爾文勛爵參加了這次會(huì)議，盧瑟福的講演就成了使地球年齡之爭達(dá)到高潮并發(fā)生決定性轉(zhuǎn)折的劃時(shí)代的事件。盧瑟福在回憶當(dāng)時(shí)的情景時(shí)說：“當(dāng)我走進(jìn)那間燈光朦朧的房間，很快發(fā)現(xiàn)開爾文勛爵就安詳?shù)淖诼牨娤?dāng)中，我下意識地預(yù)感到我的講演的最后部分會(huì)引起麻煩，因?yàn)槲业挠^點(diǎn)與開爾文勛爵的觀點(diǎn)是針鋒相對的。開爾文似乎在打瞌睡，這讓我松了一口氣，但是在我講到關(guān)鍵部分時(shí)，我看到老家伙老人坐直了，張開眼睛，用深邃莫測的目光盯著我！我突然靈機(jī)一動(dòng)，說：‘開爾文勛爵已限定了地球的年齡，條件是沒有發(fā)現(xiàn)新的熱源。這個(gè)高瞻遠(yuǎn)矚的觀點(diǎn)指的就是我們今晚討論的東西，鐳！’瞧！老家伙老人對我發(fā)出了微笑?！?904年，年僅33歲的物理學(xué)家盧瑟福在英國皇家學(xué)院作了計(jì)算海洋鹽分的累計(jì)物理學(xué)觀測沉積巖沉積的速度地質(zhì)學(xué)計(jì)算潮汐摩擦使地球自轉(zhuǎn)變慢的速度天文學(xué)利用放射性同位素測定年齡地球化學(xué)計(jì)算海洋鹽分的累計(jì)物理學(xué)觀測沉積巖沉積的速度地質(zhì)學(xué)計(jì)算潮汐摩

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）

其中發(fā)射率：474熱傳遞熱輻射474熱傳遞熱傳導(dǎo)法則熱流密度：表示單位時(shí)間內(nèi)通過地球表面單位面積流出的熱量。傅里葉法則：在各向同性體中，k為巖石的導(dǎo)熱系數(shù):廣義傅里葉法則：在各向異性體中，484熱傳遞熱傳導(dǎo)法則484熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程假設(shè)對于無窮小的立方體dV，其溫度變化為dT/dt，導(dǎo)致該微小立方體溫度增加的原因有兩個(gè)：1）流入的熱凈流2）dV內(nèi)部的產(chǎn)熱熱流總量：（負(fù)號表示流入）產(chǎn)熱量：

表示產(chǎn)熱率。494熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程494熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程溫度變化引起總熱量變化：c指比熱容，又稱比熱容量，簡稱比熱，是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即是單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。

代表密度。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：所以，50即熱傳導(dǎo)微分方程4熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程50即熱傳導(dǎo)微分方程4熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程一維熱傳導(dǎo)方程：在地表，設(shè)定：得出：對于恒定相位：最終得到熱傳播速率514熱傳遞熱傳導(dǎo)的微分方程515地球的熱分布地殼熱分布：地殼地溫分布大體可分為三個(gè)帶變溫帶：地表最上層，主要受太陽輻射熱源影響，為可變溫度帶。其溫度是隨其深度遞增呈規(guī)律性遞減。影響深度為：日變溫帶一般在1-1.5m深；年變溫帶深度在20-30m。常溫帶：指變溫帶以下的地殼，在一定深度內(nèi)太陽輻射影響逐漸減弱至最低限，已經(jīng)不能使地溫再發(fā)生溫差變化的地帶。各地區(qū)的年常溫帶溫度各不一樣，主要與當(dāng)?shù)厮幍木暥?、地理位置、氣候條件、巖石性質(zhì)以及植被等因素有關(guān)，一般常溫帶的溫度要比當(dāng)?shù)囟嗄昴昶骄鶜鉁馗?~2度。525地球的熱分布地殼熱分布：地殼地溫分布大體可分為三個(gè)帶525地球的熱分布地殼熱分布：地殼地溫分布大體可分為三個(gè)帶增溫帶：指常溫帶以下的地殼，主要受地球內(nèi)部熱能影響的地帶。其溫度隨深度的增加而