地球热流

大地热流 等地热学重要术语的概念与应用何丽娟㊀汪集旸(中国科学院地质与地球物理研究所,北京㊀100029;中国科学院地球科学研究院,北京㊀100029;中国科学院大学,北京㊀100049)摘㊀要:大地热流是地热学乃至地球物理学中的重要术语,在地球科学中的使用频率很高㊂与之近似的术语包括热流㊁热流密度㊁热通量㊁地表热流等㊂文章详细介绍了大地热流的定义㊁目前使用过程中存在的问题,以及在第二届地球物理学名词审定委员会对‘地球物理学名词“修订过程中对相关术语定义所做的思考与取舍㊂关键词:热流;热流密度;热通量中图分类号:N04;P314㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.12339/j.issn.1673-8578.2021.03.001Concept and Application of Some Important Terms in Geothermics and Geophysics Such as TerrestrialHeat Flow //HE Lijuan,WANG JiyangAbstract :Terrestrial heat flow is an important term in Geothermics and Geophysics,which is frequently used in the Geo-periodicals.The synonyms include heat flow,heat flow density,heat flux and surface heat flow.This paper introduces in detail the definition of the terrestrial heat flow,the corresponding problems in its application,as well as the considerations and choices during the defining of the related terms in the second revision of Geophysical Terms .Keywords :heat flow;heat flow density;heat flux收稿日期:2021-03-24基金项目:国家自然科学基金项目 热岩石圈-流变边界层-软流圈相互作用与克拉通稳定性:数值模拟研究 (42074095);国家自然科学基金项目 四川盆地构造-热演化及其对震旦-寒武系天然气成藏的约束 (41830424)引言地热学(geothermics)是地球物理学中研究地球内热及其应用的分支学科,而大地热流(terres-trial heat flow)是地热学科最重要的术语之一㊂大地热流是 窥视 地球内热的窗口,反映了发生在地球深部的各种作用过程和能量平衡的信息㊂它不仅为岩石圈热结构-热演化㊁地球热收支㊁克拉通稳定性㊁板块俯冲等地球动力学基础研究提供关键约束,同时还为传统的盆地油气生成㊁运移与聚集研究以及新兴的天然气水合物研究等提供重要热参数㊂全球大地热流的测量工作始于20世纪30年代末㊂早期工作进展较为缓慢,50年代期间,全球热流数据不足100个㊂20世纪60年代以来,随着全球板块构造理论的兴起和测量方法及仪器的改进,大地热流测量工作进展迅速,数据积累加快㊂1963年在国际地震与地球内部物理协会(Interna-tional Association of Seismology and Physics of theEarth s Interior,IASPEI)下面成立了 国际热流委员会 (International Heat Flow Commission,IHFC),负责全球大地热流数据的汇编与研究工作㊂最新全球大地热流汇编数据已达70000个[1]㊂随着全球热流数据的增加,大地热流在地球科学领域正发挥着越来越重要的作用㊂第二届地球物理学名词审定委员会修订‘地球物理学名词“时,与热流(heat flow)一词相关的术语超过20个㊂大地热流这一术语的使用历史很长,在使用过程中出现了不少问题,在国际刊物上关于这个词的定义和使用也不尽一致,而且有许多派生的词汇㊂本文重点介绍大地热流一词的定义㊁目前存在的问题,同时介绍地热学中与热流相关的一些重要术语及其逻辑关系㊂1㊀大地热流的定义在已出版的地球物理学书籍中,关于大地热流或热流的定义不尽相同㊂在第一版‘中国大百科全书“中关于大地热流的定义是, 指地球内部热能传输至地表的一种现象,简称热流㊂大地热流的量值称大地热流量,它是地热场最重要的表征 [2]㊂在第二版‘中国大百科全书“中,大地热流的定义是 地热在地表直接的显示,能给出发生于地球内部深处各种过程间能量平衡的信息 [3]㊂而‘地球科学大辞典“中收录的术语是大地热流密度,指的是 单位时间内热量由壳幔深部垂向上通过单位面积地球表面向大气散发的热量,简称为热流,其单位为mW/m2,实质为地球表面的散热功率,具有深刻的深部地质和地球物理内涵 [4]㊂‘地热学及其应用“一书中,大地热流定义为 地球表面单位时间内单位面积上由地球内部以传导方式传至地表而后散发到宇宙太空中去的热量 [5]㊂‘地热学导论“采用的术语是热流密度(heat flow density),即 单位时间内流过单位面积的能量流 [6]㊂Mor-gen[7]在2011年Gupta主编的‘地球物理百科全书“ 热流,大陆 一章中,将热流㊁热流密度㊁热通量(heat flux)和大地热流视为同义词㊂其中,热流定义为 从地球内部通过地球固体表面传导出去的热能 ㊂同时给出的大陆热流(continental heat flow)的定义是 来自大陆地壳或岩石圈的热流,这些地区的板块不是通过大洋中脊的海底扩张直接形成的,且通常不被俯冲㊂ 然而,Davis和Fisher[8]在该百科全书的 热流,海底:方法与观测 一章中指出,热流密度和热通量才是同义词,而传统上将热流视为热通量的同义词是不准确的㊂他们将热流定义为 通过传导或对流方式在介质中传递的热能速率㊂标准单位为W㊂这个术语也用来描述地球物理学的一个分支学科 ㊂同时还给出传导热通量(conductive heat flux)的定义是 单位面积内沿地热梯度传导的热流,由地热梯度和热导率的乘积确定,标准单位为W/m2 ;对流热通量(convective heat flux)的定义是 单位面积内通过介质移动造成的热传递速率,与介质的速度和热容量成正比,标准单位为W/m2 ㊂在第二版‘地球物理名词“[9]中,大地热流定义为 以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送热能的现象,或单位时间内以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送的热能,标准单位是W ㊂大地热流密度定义为 通过单位面积的大地热流,标准单位是W/m2 ㊂由于从早期到现在国际文献中(terrestrial)heat flow density[10-13]与(terrestrial)heat flow[1,14-20]以及heat flux[21-26]一直作为同义词使用,考虑到地球物理学上约定俗成的使用习惯,故在第二版‘地球物理名词“的定义中又将大地热流视为大地热流密度的简称㊂大地热流包括大陆热流和海洋热流(o-ceanic heat flow,marine heat flow),海洋热流也称海底热流(seafloor heat flow)㊂最新的全球热流数据库(New Global Heat Flow)收录大地热流数据约70000个,其中大陆热流数据51621个,海洋热流15333个[1]㊂在早期的文献中热流的单位是热流单位(heat flow unit,HFU)或热流密度单位㊂定义为:1HFU= 10mCal/cm2㊃s,它与国际单位制(S.I.)的单位换算关系为:1HFU=41.868mW/m2㊂该热流单位目前已不再使用㊂尽管大地热流的标准单位是W/m2,但考虑到地球实测数据的数量级,实际常用单位为mW/m2,比如目前全球大陆热流平均值为67mW/m2[1]㊂2㊀关于大地热流的含义在地球浅部传热过程中传导和对流经常交织在一起㊂关于大地热流含义的争议多在于其只包含传导热流还是同时包含传导热流和对流热流㊂热传导(heat conduction,thermal conduction)是指由于物质分子㊁原子或电子的运动,热量从物体内高温处向低温处,或者热量从高温物体向低温物体传递的过程㊂而热对流(thermal convection)指的是热量通过流动介质由空间的一处传播到另一处的现象㊂关于大地热流的定义目前国际上并未达成共识,因而分为两派㊂一派多为研究大陆热流的学者,强调大地热流的传热方式应该是纯传导[7,27]㊂另一派多为研究海洋热流的学者,则认为大地热流的传热方式既包含传导也包含介质运动[8,20],或者在大地热流定义中不区分传热方式[1]㊂考虑到大地热流同时包括大陆热流与海洋热流,故在第二版‘地球物理名词“中关于大地热流的定义与Davis和Fisher[8]一致,即认为大地热流为单位时间内以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送的热能㊂这样定义主要是考虑到以下三方面㊂2.1㊀水热活动的影响相对于从几百米至几千米深钻孔获取的大陆热流,海洋热流更容易受到水热循环的影响㊂海洋热流数据主要由两种途径获得:一种是类似大陆热流通过钻孔测温来获得,也为钻孔热流,另一种是通过几米长的海底地热探针测量来得到,也称为探针热流(probe heat flow)㊂最新全球热流数据库中海洋热流变化范围是-302~33448mW/m2[1],这些极端的高或低热流数据无疑含有对流分量㊂Lister[28]首先指出大洋岩石圈广泛存在热液活动; Harris和McNutt[29]研究了<65Ma的海洋地壳上的全球海洋热流数据,再次证明热液流动传输热量的普遍性;Davis和Fisher[8]指出在大洋中脊附近,浅层地壳中有巨大的开放裂缝,许多热量是通过热液的运动输送的㊂大洋中脊热通量中的对流分量是造成大洋板块(传导)冷却模型的理论预测热流值与实际观测值差异的重要原因[30],一些实测热流值相比预测传导热流甚至超过2000mW/m2[17]㊂要想确保观测值不受对流通量引起的偏差的影响,必须证明在几十千米的距离内,没有暴露的渗透性岩石㊁断层或火山构造[8]㊂热液循环是影响深部热通量测定的主要因素,是一个重要的地质过程,一直是研究焦点㊂2.2㊀其他方式的物质运动除了地下水活动,其他方式的物质运动也会对大地热流造成扰动,使其含有对流分量,比如沉积/剥蚀作用㊁岩石圈变形以及岩浆热对流㊂沉积或剥蚀所造成的地表高程变化会产生与地球表面变化有关的热对流㊂当较冷的低热导率物质持续地以较快速率堆积在高热导率地层或者基底上会产生沉积物热披覆作用,导致地温梯度和热流值降低㊂相反,剥蚀作用将使地层地温梯度和热流值增大㊂沉积作用的热披覆程度不仅与沉积速率㊁沉积持续时间密切相关,而且与沉积物热参数以及沉积物质压实参数㊁孔隙流体活动等有关[31]㊂当沉积速率为100m/myr,持续10myr的沉积会造成地表热流减少10%;而当沉积速率为10m/myr,持续100myr的沉积仅造成地表热流减少几个百分点[20]㊂当岩石圈内存在相对于其顶部边界的变形或净垂直运动时,也会通过运动方式传递热量从而导致地表热流的对流分量㊂一般而言,拉张变形导致岩石圈变薄,岩石圈物质相对于其表面有一净向上运动,岩石圈等温线压缩,地表热流增加[32]㊂相反,挤压变形导致岩石圈增厚,岩石圈内物质相对于其表面有一净向下运动,岩石圈等温线间距加大,地表热流降低㊂因此,在岩石圈变形过程中,地表热流会包含岩石圈变形造成的对流分量㊂岩浆热对流也是一种重要的热传输机制,通常伴随着构造变形的热对流㊂在火山作用过程中,上升的岩浆将热量平流到岩石圈中,此时岩浆的传热过程类似于地下水的传热过程㊂如果地壳内部有岩浆在流动,热异常无疑会传到浅部乃至地表,大地热流会受到岩浆流动(热对流)的扰动㊂如果采用该大地热流数据基于热传导方程计算岩石圈热结构及热岩石圈厚度时,无疑是有问题的㊂2.3㊀大地热流数据的分类由于测试条件㊁测试方法以及区域地质条件的不同,热流数据的质量必然有所差异㊂综合地温测量㊁岩石样品热导率测试㊁热流计算段的选取和测点的地质背景等情况,汪集旸㊁黄少鹏[33]将收集的热流数据区分为A㊁B㊁C㊁D四个质量类别㊂其中A 代表质量高,指地温曲线属稳态热传导型,岩石热导率数据或来自测温段岩心样品测试结果,或通过测区综合热物性柱状图确定㊂B代表质量较高,指资料情况基本同上,但或是测温段(或热流计算段)长度较小,或是岩石热导率样品数量不足,岩石热导率数据采用邻区测试结果或文献值㊂C代表质量较差或质量不明,测量结果不确定性较大或热流测试参数报道不齐,无法判定其真实质量类别㊂D代表局部异常值,测试结果明显存在浅层或局部因素的干扰,或测点位于明显地热异常区㊂也就是说,那些明显受到浅层因素(如地下水流动)干扰的实测值仍是被称为大地热流,在历次热流汇编中,都被纳入大地热流数据库中[33-35],只是数据质量被归于D类㊂在中国大陆地区大地热流数据第四版汇编[35]中,大地热流数据共计1230个,其中A㊁B㊁C和D类数据分别占49.3%㊁34.2%㊁12.6%和3.9%㊂含对流成分的热流数据被归于D类并收录到大地热流数据库中,这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流㊂Pollack等[36]在全球热流数据Global Heat Flow dataset(GLOBHEAT)汇编时根据热流随深度的变化将热流数据质量分为四类,其中A表示热流随深度的变化小于10%,B和C分别表示变化小于20%和30%,D则表示变化大于30%㊂在最新的全球热流数据汇编中D类数据约占6.7%[1]㊂并不是受干扰的热流测量结果就不能用,含对流成分的大地热流也有其应用价值㊂D类数据对于研究该地区的新构造活动㊁水文地质条件以及热异常成因等仍然具有重要的参考价值㊂但若要基于大地热流数据计算深部热状态㊁岩石圈热结构及热岩石圈厚度,就必须慎重选择,选取只包含传导热流的大地热流,必要时应对热流数据进行热流校正(heat flow correction)㊂热流校正的内容包括地形起伏㊁古气候的变化㊁抬升剥蚀㊁沉降与沉积作用等㊂3㊀热流相关术语在地球物理学名词中,与热流相关的术语很多㊂在地球不同深度,热流各有命名,如地表热流㊁基底热流㊁地幔热流等,皆指某一深度的热流值㊂其中,地表热流(surface heat flow)指在近地表数百米至数千米深处测定的热流密度,又称大地热流;基底热流(basement heat flow)指盆地基底的热流值;地幔热流(mantle heat flow)则指由地球深部垂直向上传至岩石层上地幔顶部(壳幔边界处的莫霍面)的热流(如图1所示)㊂图1㊀地球不同深度热流的定义与地幔热流命名类似的还有地壳热流,但地壳热流却没有深度的含义㊂地壳热流(crustal heat flow)指的是由地壳内各类岩石所含放射性元素的衰变产生的热流㊂与岩石的生热率(heat genera-tion rate,heat production rate)有关㊂生热率是指单位体积的岩石在单位时间内由于其所含的放射性元素衰变而产生的热量,单位为W/m3或μW/m3㊂在稳态热传导的情况下,大地热流(Q0)等于地壳热流(Q crust)加上地幔热流(Q m),即Q0=Q crust +Q m㊂岩石圈热结构(lithospheric thermal struc-ture)指的就是关于一个地区地壳㊁地幔两部分热流的配分比例及其组构关系,以及岩石层内部温度场分布㊂也称壳幔热流配分(partition of crustal and mantle heat flow),即为界定热流测区所在地质块体的深部热属性将地表热流分解为地壳热流分量和地幔热流分量两部分的做法㊂因此地幔热流又称剩余热流(reduced heat flow),即从地表观测到的热流总量中扣除地壳生热(地壳热流)部分所剩的热流㊂当地壳热流小于地幔热流时,该岩石层热结构属于冷壳热幔,反之,称为热壳冷幔(如图2所示)㊂(a)冷壳热幔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)热壳冷幔图2㊀壳幔热流配分例如,华北东部岩石圈属于冷壳热幔,而藏南则具典型的 热壳冷幔 热结构㊂值得指出的是,该定义是指同一地区地壳热流与地幔热流之间的相对值,并不涉及二者及地表热流本身的大小,也就是说并未考虑其绝对值的大小㊂有时也会将大地热流分解为三个分量:Q0= Q crust+Q lith+Q b,其中Q crust和Q lith分别代表地壳和岩石圈地幔中放射性生热的贡献,Q b是岩石圈底部的热通量[37]㊂其他与热流相关的术语还有:热流省(heat flow province),指具有相同或相近地质-地球化学演化背景,且地表热流与近地表岩石生热率之间存在着线性关系的地质单元;热流亚省(heat flow subprov-ince),即次级 热流省 ;热流佯谬(heat flow para-dox),又称圣安德烈斯佯谬(San Andres paradox),指当断层滑动时摩擦生热应产生大量的热从而导致热流异常,但在圣安德烈斯断层所做的热流测量并没有观测到高热流异常这一实际观测与理论推测之间存在的矛盾㊂4㊀结语大地热流作为地球物理学中的重要术语其定义与使用目前较为混乱,本文详细介绍了大地热流的定义和目前存在的争议,以及第二版‘地球物理名词“的修订中对该词定义过程中所做的思量与取舍㊂考虑到地球物理学科本身约定俗成的习惯,将大地热流㊁热流㊁热流密度和热通量视为同义词㊂关于大地热流的争议在于其传热方式是否包含对流传热㊂相对于从几百米至几千米深的钻孔获取的大陆热流,海洋热流更容易受到水热循环的影响㊂除了地下水活动,其他构造运动也会对大地热流造成扰动,使其含有对流分量,如沉积/剥蚀作用㊁岩石圈变形以及岩浆热对流㊂在历次全球或全国热流数据汇编中,含对流成分的热流数据均被收录,这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流㊂然而获取大地热流的主要目的是探索地球深部的热信息,对深部动力学过程进行约束,因此测量热流时还是要竭力避免浅部因素的影响,必要时要对浅部影响因素进行校正㊂如果基于现有大地热流数据研究岩石圈热结构和深部热状态时,须对数据仔细筛选,慎重选取传导热流数据㊂鉴于以往许多热流数据发表时,信息并不全面,严重影响读者对数据质量的判断,建议在今后的热流数据发表时要更加规范,不仅要详细列出位置(经纬度)㊁测温深度㊁温度曲线㊁地温梯度㊁热导率㊁生热率等信息,还要分析论证其数据质量,进行必要的热流校正㊂参考文献[1]LUCAZEAU F.Analysis and mapping of an updated ter-restrial heat flow data set[J].Geochemistry Geophysics Geosystems,2019,20:4001-4024.[2]‘中国大百科全书“总编委会.中国大百科全书㊃固体地球物理学㊁测绘学㊁空间科学[M].北京:中国大百科全书出版社,1993.[3]‘中国大百科全书“总编委会.中国大百科全书㊃固体地球物理学㊁测绘学㊁空间科学[M].2版.北京:中国大百科全书出版社,2009.[4]地球科学大辞典编委会.地球科学大辞典:基础学科卷[M].北京:地质出版社,2006.[5]汪集暘,等.地热学及其应用[M].北京:科学出版社,2015.[6]邦特巴思.地热学导论[M].易志新,熊亮萍,译;汪集旸,校.北京:地震出版社,1988.[7]MORGAN P.Heat flow,continental[M]//GUPTA H K. Encyclopedia of Solid Earth Geophysics.Dordrecht,The Netherlands:Springer International Publishing,2011:573-581.[8]DAVIS E E,FISHER A T.Heat flow,seafloor:methods and observations[M]//GUPTA H K.Encyclopedia ofSolid Earth Geophysics.Dordrecht,The Netherlands: Springer International Publishing,2011:582-592. [9]第二届地球物理学名词审定委员会.地球物理学名词[M].2版.北京:科学出版社,2021(出版中). [10]HAENEL R,RYBACH L,STEGENA L.Handbook ofTerrestrial Heat-Flow Density Determination[M].Dor-drecht,Holland:Kluwer Academic Pubilshers,1988.[11]PFISTER M,RYBACH L,SIMSEK S.Geothermal recon-naissance of the Marmara Sea region(NW Turkey):sur-face heat flow density in an area of active continental ex-tension[J].Tectonophysics,1998,291(1/2/3/4):77-89.[12]SPRINGER M,FÖRSTER A.Heat-flow density acrossthe Central Andean subduction zone[J].Tectonophys-ics,1998,291(1/2/3/4):123-139. [13]MARESCHAL J C,PINET C,GARIÉPY C,et al.Newheat flow density and radiogenic heat production data inthe Canadian Shield and the Quebec Appalachians[J].Canadian Journal of Earth Sciences,2011,26(4):845-852.[14]BENFIELD A F.Terrestrial heat flow in Great Britain[J].Proceedings of the Royal Society of London:SeriesA,1939,173:428-450.[15]ANDERSON R N,LANGSETH M G,VACQUIER V,etal.New terrestrial heat flow measurements on the Nazcaplate[J].Earth and Planetary Science Letters,1976, 29:243-254.[16]POLLACK H N,CHAPMAN D S.On the regional varia-tion of heat flow,geotherms,and lithospheric thickness [J].Tectonophysics,1977,38:279-296. [17]STEIN C,STEIN S.A model for the global variation inoceanic depth and heat flow with lithospheric age[J].Nature,1992,359:123-129.[18]JAUPART C,MARESCHAL J C,GUILLOU-FROTTIERL,et al.Heat flow and thickness of the lithosphere in the Canadian Shield[J].Journal of Geophysical Re-search,1998,103(B7):15269-15286. [19]HE L,HU S,HUANG S,et al.Heat flow study at theChinese Continental Scientific Drilling site:Bore hole temperature,thermal conductivity,and radiogenic heat production[J].Journal of Geophysical Research,2008, 113:B02404.[20]HASTEROK D,CHAPMAN D S,DAVIS E E.Oceanicheat flow:Implications for global heat loss.Earth and Planetary Science Letters,2011,311(3/4):386-395.[21]BAKER E T,CANNON G A.Long-term monitoring ofhydrothermal heat flux using moored temperature sen-sors,Cleft segment,Juan de Fuca Ridge[J].Geophys-ical Research Letters,1993,20(17):1855-1858.[22]PASQUALE V,VERDOYA M,CHIOZZI P.Heat fluxand seismicity in the Fennoscandian Shield[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors,2001,126(3/4): 147-162.[23]KORENAGA J.Eustasy,supercontinental insulation,and the temporal variability of terrestrial heat flux[J].Earth and Planetary Science Letters,2007,257(1/2):350-358.[24]LÉVY F,JAUPART C,MARESCHAL J C,et al.Lowheat flux and large variations of lithospheric thickness in the Canadian Shield[J].Journal of Geophysical Re-search,2010,115:B06404.[25]PETRUNIN A,ROGOZHINA I,VAUGHAN A,et al.Heat flux variations beneath central Greenland s ice dueto anomalously thin lithosphere[J].Nature Geoscience,2013,6:746-750.[26]ARTEMIEVA I M.Lithosphere thermal thickness andgeothermal heat flux in Greenland from a new thermal i-sostasy method[J].Earth-Science Reviews,2019,188:469-481.[27]SASS J H,BEARDSMORE G.Heat flow measurements,continental[M]//GUPTA H K.Encyclopedia of Solid Earth Geophysics.Dordrecht,The Netherlands:Springer International Publishing,2011:569-572. [28]LISTER C.On the thermal balance of a Mid-Ocean ridge[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical So-ciety,1972,26:515-535.[29]HARRIS R N,MCNUTT M K.Heat flow on hot spotswells:Evidence for fluid flow[J].Journal of Geophysi-cal Research,2007,112:B03407.[30]MARESCHAL J C,JAUPART C.Energy budget of theearth[M]//GUPTA H K.Encyclopedia of Solid Earth Geophysics.Dordrecht,The Netherlands:Springer Inter-national Publishing,2011:285-290. [31]HUTCHISON I.The effects of sedimentation and com-paction on oceanic heat flow.Geophysical Journal of theRoyal Astronomical Society,1985,82:439-459. [32]MCKENZIE D P.Some remarks on the development ofsedimentary basins[J].Earth and Planetary ScienceLetters,1978,40:25-32.[33]汪集旸,黄少鹏.中国大陆地区大地热流数据汇编(第二版)[J].地震地质,1990,12(4):351-366.[34]胡圣标,何丽娟,汪集旸.中国大陆地区大地热流数据汇编(第三版)[J].地球物理学报,2001,44(5):611 -626.[35]姜光政,高堋,饶松,等.中国大陆地区大地热流数据汇编(第四版)[J].地球物理学报,2016,59(8): 2892-2910.[36]POLLACK H N,HURTER S J,JOHNSTON J R.Heatloss from the Earth s interior:Analysis of the global dataset[J].Review of Geophysics and Space Physics, 1993,31:267-280.[37]JAUPART C,MARESCHAL J C.Lithosphere,continen-tal:Thermal structure[M]//GUPTA H K.Encyclopedia of Solid Earth Geophysics.Dordrecht,The Netherlands: Springer International Publishing,2011:681-692.作者简介:何丽娟(1968―),女,博士,中国科学院地质与地球物理研究所研究员㊂现任国际热流委员会委员,‘地球物理学报“编委,第二届地球物理学名词审定委员会委员,‘中国大百科全书“第三版地球物理学科编委会委员㊁地球热学分支主编㊂长期从事大地热流㊁盆地热历史和岩石圈构造-热演化数值模拟等方面的研究㊂通信方式:ljhe@mail.iggcas.ac.cn㊂㊀㊀汪集旸(1935―),男,中国科学院院士,地热和水文地质学家,中国科学院地质与地球物理研究所研究员㊂第二届地球物理学名词审定委员会副主任,国家地热能中心技术委员会名誉主任,国家地热能中心指导委员会委员㊂获得国家科学技术进步二等奖1项,中国科学院及其他部委自然科学及科学技术进步一等奖4项,以及刘光文科技成就奖(2016)㊁何梁何利基金科学与技术进步奖(2006)㊁李四光地质科学奖荣誉奖(2003)㊂通信方式:jywlpx@㊂‘中国科技术语“稿约‘中国科技术语“(原称‘科技术语研究“)创刊于1998年,是我国唯一致力于术语学研究的学术期刊㊂本刊由中国科学院主管㊁全国科学技术名词审定委员会主办,主编为中国科学院白春礼院士㊂‘中国科技术语“发表范围主要包括:术语学学科体系建设㊁术语学基本原理研究的成果,特别是利用实证方法和实验数据进行的术语研究,包括术语的标准化㊁定量研究㊁实验研究等;术语学研究的技术和方法研究的成果,特别是利用网络和大数据等现代信息技术进行术语发现㊁标引㊁挖掘㊁组织等的技术和方法研究的成果;术语及术语学在各学科领域应用研究的成果,特别是在领域本体建设㊁知识图谱㊁语义分析㊁学科研究热点和发展态势分析中应用研究的成果等㊂本刊不收取版面费,并有薄酬㊂欢迎专家学者投稿㊂投稿请登录本刊官网(),点击 作者投稿 ,注册上传稿件㊂(‘中国科技术语“杂志社)。

地球物理学的基础知识地球物理学是科学探究地球物理特征寄托于地球物理现象的地球学的分支。

它通过对地球的重力、磁场、热力、振动等物理现象的研究，揭示了地球内部隐蔽的物质构造、演化过程和地球系统的动态行为，具有重要的理论和实际应用价值。

地球物理学的基础知识包括：1. 重力场。

重力场是由于地球的引力而产生的。

它存在于在地球表面和其较高层次上，对地球物理探测的结果产生了很大的影响。

在地球表面上，重力的大小和方向不同，这是由于地球表面各个地方的质量、形状和旋转的影响。

可以通过测量重力场的变化获得地球的质量和尺寸以及地球内部结构的部分信息。

2. 磁力场。

磁力场是由地球内部产生的，它带有磁性，拥有磁极和磁场线。

由于地球的运动和转动，磁力场在不断地变化着。

磁力场的变化可以用来解释地球的磁性和地球内部的运动，如地震的发生。

通过对地磁场的研究，可以获得地球内部的结构和演化过程的一些信息。

3. 电磁场。

电磁场是由于地球内部电流而产生的，它存在于地球的大气层中，对地球物理探测的结果也有很大影响。

电磁场可以用来解释地球上的电漏电现象、地震、火山活动等，同时还可以提供一些地球物理学研究的新技术。

4. 地震学。

地震学是研究地球内部物质运动和地震现象的科学分支，它可以揭示地球的构造、地壳运动的特征和地球内部的能量分布。

地震学主要研究地震波，根据不同类型的地震波的传播特性和速度，可以推断出地球内部的物质结构。

5. 热力学。

热力学的研究对象是地球的热流，包括地球表面的热流和地球内部的热流。

热流是由于地球内部热能的流动而产生的。

通过热流的研究，可以揭示地球内部物质的深度和性质，同时还可以研究地球上的一些热现象。

总结：地球物理学是一门涉及地球内部结构和物质运动的学科。

它通过对地球的重力、磁力、电磁、地震、热力等物理现象的研究，揭示了地球内部隐蔽的物质构造、演化过程和地球系统的动态行为，对人类理解地球及其环境、资源的形成和发展，探索未来的可持续发展都具有重要意义。

地热能是新能源吗地热能作为一种可再生能源，确实可以被认为是一种新能源。

下面我将从地热能的来源、开发利用方式以及其优点等方面进行阐述。

首先，地热能是指利用地球内部的热能资源来产生能量的一种能源形式。

地热能的来源有两种主要途径：一是地球内部的热流；二是地表和地下的太阳能。

地球内部的热流主要来自于地球的核心和地壳的热传导，这种热能在地热地区尤其丰富。

地表和地下的太阳能主要来自于太阳辐射并通过大气层热传导至地表和地下，形成地热能。

其次，地热能的开发利用方式多种多样。

最常见的方式是利用地热能进行发电，即通过提取地热能源将其转化为电能。

目前，地热能发电主要通过地热发电厂进行，利用地下高温水或蒸汽带动涡轮机发电。

此外，地热能还可以被用于供暖和供热水，减少对传统能源的依赖。

同时，地热能还可以用于温室种植和养殖等领域，提供必要的热量。

再次，地热能作为一种新能源有许多优点。

首先，地热能是一种可再生的能源，源源不断地产生，不会因使用而消耗。

其次，地热能的开发利用对环境的影响较小。

相比于化石燃料，地热能的发电过程不会产生二氧化碳等温室气体，对气候变化产生的影响较小。

此外，地热能的离子浓度较低，污染物排放少，对周围环境的污染也较少。

再者，地热能具有稳定性，不受气候等因素的影响。

无论是供电、供暖还是温室种植，地热能都可以长期稳定地提供能源，增加能源供应的可靠性。

然而，地热能作为新能源仍然存在一些挑战和限制。

首先，地热能的开发利用需要特定的地理条件。

地热能丰富的地区主要分布在地热带，而且需要有地下热水或蒸汽等资源，因此并不是所有地区都适合进行地热能的开发。

其次，地热能的开发成本较高。

虽然地热能的使用过程中减少了燃料成本，但是建设地热发电厂等设施需要投入较大的资金。

此外，地热能开发和利用过程中也存在技术难题，如地热资源的有效开采和热量传输等方面。

综上所述，地热能确实可以被认为是一种新能源。

地热能从地球内部获取热能资源，通过多种方式开发利用，具有可再生性、环境友好性和稳定性等优点。

地表热过程与地理变化地球是一个复杂的系统，地表热过程与地理变化密切相关。

地表热过程包括辐射、传导和对流，这些过程不仅影响着地球的能量平衡，还对地理变化产生着重要影响。

1. 辐射过程太阳辐射是地球主要的能量来源，地表对太阳辐射的反射、吸收和发射过程决定了地球的能量收支。

太阳辐射穿过大气层，到达地表后，一部分被反射回空间，一部分被地表吸收。

被地表吸收的太阳辐射转化为热能，导致地表升温。

2. 传导过程地表热量的传导是指地热在物质间传递的过程，它取决于物质的热导率和温度梯度。

在地球的地壳中，地下热流导致地下岩石的加热和融化，形成火山和地热资源。

地表的传导过程还影响着地球的温度分布和大气环流。

3. 对流过程地球表面存在大气运动，也就是对流过程。

太阳辐射使得地表升温，导致空气加热，形成气候和天气。

对流过程包括热对流和动力对流两个方面。

热对流是指由温度差异驱动的对流，如热气团的形成。

动力对流是指由于地转和地表地理特征等因素造成的大气运动，如风。

地表热过程对地理变化有重要影响。

1. 地质活动地表热过程是地球内部能量的释放和传递方式之一，它驱动了地壳运动和地震活动。

地球内部的地热能量使得板块运动、地壳抬升等地质现象成为可能。

2. 气候变化地表热过程是全球能量平衡的关键因素，它直接影响着气候的形成和变化。

太阳辐射的分布和地表的反射、吸收等过程，决定了地球的能量输入和输出，从而影响全球气候。

辐射过程中的温室效应，使得地球保持了适宜的气温范围。

3. 地表变化地表热过程影响着地表温度分布的不均匀性，进而导致地表的变化。

例如，气候变化引起的冰川退缩、海平面上升等地理现象，与地表热过程密切相关。

地球的地貌、植被、水循环等都与地表热过程有关。

综上所述，地表热过程是地球能量平衡和地理变化的重要环节。

辐射、传导和对流是地表热过程的主要形式，它们与地质活动、气候变化和地表变化相互作用，共同塑造着地球的面貌。

了解地表热过程与地理变化的关系，有助于我们深入理解地球的运行方式，同时也为环境保护和气候变化的研究提供了重要的参考。

热力环流的原理热力环流是指地球大气和海洋中的能量传递过程，在全球范围内形成的大规模流动现象。

其原理主要包括热量的净输入与输出、热力平衡和斜压等因素。

首先，热力环流的原理与热量的净输入和输出密切相关。

太阳辐射通过地球大气层和海洋被吸收，从而使地表得到持续的热量输入。

这些热量在全球范围内不均匀分布，形成了热量净输入区和净输出区。

热量净输入区位于赤道地区，而热量净输出区则位于极地地区。

这种不平衡导致了热力环流的产生。

其次，热力环流的原理还涉及到地球系统的热力平衡。

由于地球自转，地球表面的温度分布不均匀，形成了赤道附近的低气压区和极地附近的高气压区。

这种压力差异引起空气的垂直运动和水平运动，从而形成了热力环流。

具体而言，低纬度地区的热空气上升，形成热带低气压气流，向高纬度地区运动。

在高纬度地区，冷空气下沉形成高气压，再向低纬度地区流动。

这种垂直和水平的空气运动，构成了热力环流的基本运动通道。

另外，斜压也是热力环流的重要原理之一。

由于赤道地区接收到的太阳辐射明显高于极地地区，所以上升的热空气会在高空层由于地球的自转惯性导致向东偏转，即所谓的科氏力。

这种向东偏转使得空气在高空层流向高纬度地区，进一步影响着热流和能量传递的形式。

而在地表层，由于地球自转造成的离心作用使得空气在低纬度地区向赤道方向流动。

这种赤道上升空气和赤道下沉空气在全球范围内的运动，形成了热力环流的斜压运动。

综上所述，热力环流是地球大气和海洋中能量传递的重要过程之一，其原理涉及到热量的净输入与输出、热力平衡和斜压等因素的综合作用。

这些原理共同促使了大气和海洋中的能量分布和运动，形成了复杂而有序的热力环流系统。

第3章中国陆地大地热流地球内部蕴藏着巨大的热能，地球无时无刻不在向外释放热量。

火山口奔腾而出的熔岩流，温泉口和蒸汽地面上热气腾腾的蒸汽与伴生气体，直观而强烈地显示了热对流型的热传递，但地球内热更普遍的向外传递是无声无息的隐性方式，即通过地表的热传导或热传导与非强烈热对流的复合方式。

全球以热传导方式向外传递的热量为44～47TW( Pollack and Hurter，1993)，即1. 3～1.5×l021J/a，相当于当今人类年消耗总能（源）量的1000倍或火山喷发释放热量(3×l019J/a)、地震(10×l017J/a)、水热活动（2×l018 J/a）所释放能量之总和的100倍。

由此可见，热传导是地球散热的主导方式，而大地热流或热流密度（简称热流）正是表征地球向外通过传导所释放热量的一个基本的物理参数，也是研究地球内部热状态，如地壳深部温度，岩石圈热结构的一个不可或缺的参量。

通常热流值不是直接测量得到的，而是通过地温测量和岩石热导率测试间接测量的。

3.1 地温测量地温测量是人类得以认知地表和地下热状态的最直接的手段。

地温测量按测量方式分为直接测量和间接测量两类：直接测量是在地下条件如钴井、坑道或海（深湖）底沉积物中进行的温度测量；间接测量则是指利用其他地球物理探测手段和地球化学分析方法估算及通过测量地球表面辐射或反射的红外电磁波进行的遥感温度测量。

直接测量根据测温目的的不同和测温深度的差异，可以分为浅层测温和深部测温。

浅层测温的深度范围通常在0～20m，这类测量所获得的资料可用于发现浅部热异常，服务于埋藏浅的地热田或隐伏热储的发现，这是一种常规的浅层地热勘探手段；在特定条件下，浅层测温也是一类热流测试方法，即海底（详见第4章）或湖底热流测量(沈显杰等，1990)方法。

相对而言，浅层温度受到的近地表（如长周期气候变化、气温日变化、地形起伏等）干扰比较大，需要经过校正方能反映深部热状态。

地热能介绍地热能是指地球内部的热能，是一种清洁、可再生的能源。

地热能的开发利用可以为人类提供热水、电力、温室等多种用途。

下面将从地热能的形成、开发、利用等方面来详细介绍。

一、地热能的形成地球内部的热源来自于地球形成时的凝聚热、放射性元素的衰变和地球内部的热流。

地球内部的温度随着深度的增加而增加，每深入100米温度就会升高1℃。

地球内部的热能不仅存在于地球的岩石中，还存在于地下水、地下蒸汽、火山、地热区等地方。

二、地热能的开发地热能的开发可以分为浅层地热能和深层地热能两种。

浅层地热能是指地下深度在500米以内的地热能，主要利用地下水中的地热能，比较容易开发利用。

深层地热能是指地下深度在500米以上的地热能，主要利用地下岩石中的地热能，开发难度较大。

浅层地热能主要利用地下水的温度差来提供热能，常见的浅层地热能开发方式有浅层地源热泵系统和温泉利用系统。

浅层地源热泵系统是利用地下水的稳定温度来进行热泵的加热和冷却，可以达到节能降耗的目的。

温泉利用系统则是利用天然温泉来提供热水和温泉浴的服务，对于旅游业的发展有着重要的促进作用。

深层地热能的开发主要是通过钻井来获取地下热能，目前主要应用于地热发电领域。

地热发电是利用地下的高温热水或蒸汽来带动发电机发电的技术。

地热发电的优点是稳定可靠，不受天气影响，且能够实现自给自足。

三、地热能的利用地热能的利用主要是用于供热、供电、温室等领域。

地热能的供热方式主要是通过地源热泵系统、温泉利用系统等方式来提供热水和供暖。

地热能的供电方式主要是通过地热发电来实现。

地热能的温室利用主要是利用地下热能来维持温室内的温度和湿度，为植物生长提供良好的生长环境。

除了以上应用领域，地热能还可以用于制氢、矿山加热、水处理等领域。

制氢是利用地下高温蒸汽来分解水分子，制造出氢气。

矿山加热是利用地下高温热水或蒸汽来加热矿物，从而提高采矿效率。

水处理则是利用地下热能来对污水进行处理，达到净化水质的目的。

井筒温度计算方法一、地球内部温度变化规律地球的内部由核心、地幔和地壳组成，温度随着深度的增加而逐渐升高。

地球的热流主要来自于地球内部的放射性衰变和地球表面的太阳辐射。

地球内部的温度梯度可以通过斯特茨曼公式进行计算：ΔT=(Q/4πk)r其中ΔT为温度梯度，Q为热流强度，k为导热系数，r为距离井口的深度。

根据地球内部温度变化规律，可以利用以下三种方法估算井筒深处的温度。

1.经验公式法经验公式法是利用已有的观测数据和经验公式来估算井筒温度的方法。

根据观测得到的温度数据，可以建立一些经验公式和模型，通过对地下温度进行插值和外推，从而得到井筒深处的温度。

这种方法的优点是简单易行，但精度较低。

2.热传导方程法热传导方程法是使用计算机进行数值模拟，根据热传导方程求解井筒深处的温度分布。

通过建立模型，考虑不同地质条件以及热流强度的变化，利用数值解法求解热传导方程，得到井筒深处的温度分布。

这种方法的优点是较为准确，能够考虑到更多因素的影响，但需要大量数据和复杂的计算。

3.测井资料法测井资料法是利用地层信息和测井资料，通过测井曲线上的温度响应特征，推测井筒深处的温度。

测井曲线上的温度响应受到地下温度分布、地层温度导热性质以及测井时的井筒状态等多种因素的影响，通过分析测井曲线上的温度变化规律，可以估算井筒深处的温度。

这种方法的优点是相对简单且实用，但需要有一定的经验和专业技术。

三、井筒温度计算的应用井筒温度计算的结果可以应用于地热能开发和利用的设计和规划中。

井筒温度是地热系统的重要参数之一，它直接影响到热交换效果和能源的利用效率。

通过对井筒温度的计算，可以为地热能的开发提供技术支持和指导，帮助选择合适的井筒深度和热交换方式，提高地热能的利用效率。

总结起来，井筒温度计算方法主要包括经验公式法、热传导方程法和测井资料法。

这些方法各有优缺点，可以根据具体情况选择合适的方法进行计算。

井筒温度计算的结果对于地热能的开发利用具有重要的指导意义，可以为地热能项目的设计和规划提供科学依据。

大地热流值:
地球内部的热能通过岩层传导和地热流体对流作用不断向地球表面散失，热流方向总是垂直于地面，以大地热流值表征热流状况，定义为单位时间内通过地球表面单位面积的热流值。

该值是一个非常重要的综合性参数，是地球内热在地表唯一可以量测的物理量，比其他地热参数更能确切地反应某个地区地温场的特点。

其计算公式：
q = - 100 Kr （dT/dz）
式中，
q ——大地热流，μcal/(cm·s)，通常缩写为HFU（Heat Flow Unit）；Kr ——岩石导热率，cal/（cm·s·℃）；
dT/dz ——地温梯度，℃/hm，负号表示垂向坐标向地表为正；
T ——温度，℃；
z ——深度，m。

地质学视角下的地球内部热力学与热流地球是一个复杂而神秘的行星，它内部隐藏着许多未知的秘密。

地质学通过观察地球表面的岩石、地壳运动以及地震等现象，揭示了地球内部热力学与热流的一些基本原理和规律。

本文将从地质学的角度来探讨地球的热力学过程和热流分布。

一、地球的热力学过程地球内部的热力学过程主要包括热源、热传导和热对流三个方面。

1. 热源地球内部的热源主要来源于地球形成和衰减过程中的放射性衰变。

地球的物质主要由铁、镁、铝、钙等元素组成，其中含有放射性元素如铀、钾、钍等。

这些放射性元素在衰变的过程中会释放出大量的热能，形成地球内部的热源。

2. 热传导热传导是指热通过物质内部的传递过程。

在地球内部，热传导是主要的热传递方式。

地球内部的岩石、矿物等物质具有不同的导热性能，导致热传导的速度和路径也各不相同。

热从高温区域传导到低温区域，形成热梯度，驱动地球内部的热流动。

3. 热对流热对流是指热通过物质的流动而传递的过程。

在地球内部，高温物质的上升和低温物质的下沉形成了热对流的过程。

地球内部的物质运动，如岩石圈的板块运动、火山喷发等现象，都与热对流有关。

二、地球内部热流分布地球内部的热流分布主要受到热源、热传导和热对流等因素的影响。

地球内部的热流分布不均匀，存在一定的规律和特点。

1. 大陆地区的热流大陆地区的热流主要受到地壳厚度和岩石导热性等因素的影响。

一般来说，地壳厚度越厚，热流强度就越小；岩石导热性越高，热流强度就越大。

所以，通常情况下，大陆地区的热流较小。

2. 海洋地区的热流海洋地区的热流主要受到洋壳的生成和消亡过程的影响。

洋壳的生成是指地幔中的岩浆通过海底喷发形成新的洋壳，这个过程会释放出大量的热能；而洋壳的消亡则是指洋壳在地下俯冲带向地幔下沉，这个过程会带走部分热能。

因此，海洋地区的热流较大。

3. 热点地区的热流地球内部存在一些特殊区域，被称为热点地区。

热点地区的特点是地壳上的火山活动频繁，这与地球内部的热源和热对流有关。