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1、第 6 讲讲 地 热 申文斌，邓洪涛，徐新禹，罗佳 2014.5.9 1 内容提要 l 1 引言 l 2 地热热源及损耗 l 3 地热史 l 4 热传递 l 5 地球上的地热分布 2 1 引言 l 1.1 地热学的定义及分类 p 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。 p 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。 p 应用地热学则依据理论地热学知识，应用在勘探、开发地
2、热 资源及相关生产开发活动。 p 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。 3 1 引言 l 地热学的意义 p 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） p 地热
3、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。 p 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。 4 1 引言 l 地热能 p 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。 p 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 地热资热资 源分类类示意图图 根据地热热能的赋赋存 形式,热热能可分为为蒸 汽型、热热水型、干 热热岩型、地压压型和 岩浆浆型等五
4、类类。 1 引言 l 地热能 p 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 l 地热能 p 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 p 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 7 1 引言 l 地热能 p 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
5、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 l 地热显示 p 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。 p 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
6、；水热蚀变；水热矿化 9 1 引言 l 地热显示 p 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 l 温泉(地下) 11 0-10 ：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 l 温泉（温瀑布） 12 1 引言 l 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 l 间歇热喷泉（Geyser） 14 地下有一个水室，形
7、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 l 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 l 火山喷发 16 1 引言 l 如何研究地热学？ p 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。 p 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 l 地热热源 p 内部热源： 放射热源：放射性元素衰变所释放的能
8、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 l 地热热源 p 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。 19 2 地热热源及损耗 l 地热能损耗 p 地表热
9、流损耗：主要的热能损耗 p 火山损耗：岩浆携带 p 温泉热即蒸汽热损耗：比重较小 p 地震热损耗：比重极其微小 l 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 l 地球的地热平衡 p 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 p 主要热损耗： 地表热损耗： 2.45 10E20 cal/a 火山热损耗： 7.80 10E18 cal/a 其他热损耗： 1.20 10E18 cal/a
10、热损耗总量：2.5410E20cal/a p 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 l 地球的地热平衡 p 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 l 对于地热起源主要有两种假设存在： p 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。 p 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 1940
11、s起，大多数科学家接受了低温起源假说。 23 3 地热史 l 地热史恢复方法简介 p 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。 p 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） l 补充材料 （2011级地球物理班
12、苏靖尧） 有修改！ 26 开尔文还曾涉足开尔文还曾涉足地球年龄地球年龄的计算，给出了自的计算，给出了自 己的结果：己的结果：20002000万年万年11亿年，此观点曾长期亿年，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。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，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随后大量的科学事实推翻了具有诸多漏洞的 开尔文观点开尔文观点
13、。 康德康德- -拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说理论基础理论基础 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地球由熔融状
14、态逐渐冷却凝固计算思路计算思路 （1 1）地球是刚性的）地球是刚性的 （2 2）地球的物理性质均匀）地球的物理性质均匀 （3 3）地球和太阳都没有未知热源）地球和太阳都没有未知热源 基本假设基本假设 （1 1）布丰发现古象牙齿）布丰发现古象牙齿地球变暖地球变暖 （2 2）开尔文发现太阳在冷却）开尔文发现太阳在冷却 （3 3）当时没有未知热源）当时没有未知热源 （4 4）火山活动在减弱）火山活动在减弱 事实依据事实依据 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 我们假我们假定地球表面（定地球表面（z=0z=0）的最终
15、冷却温度为）的最终冷却温度为0 0 C C （ CarslawCarslaw,Jaeger,1959,Jaeger,1959） 地球表面温度梯度为地球表面温度梯度为 可得：在给定的时间可得：在给定的时间t t内，热量可以扩散的平均距离内，热量可以扩散的平均距离 大约是大约是 因此，在任意时间因此，在任意时间t t，大于，大于 的深度处的物质仍处于初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始温度。则近似的将地表温度梯度表示为 地表上将地表上将t t用温度梯度用温度梯度G G和热通量和热通量Q Q表示为表示为 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开尔文推导的基本
16、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开尔文计算得到的时间为98009800万年，考虑上述误差，他将最终结果修万年，考虑上述误差，他将最终结果修 订为订为20002000万万-4-4亿年。亿年。 苏靖尧同学苏靖尧同学据此思路计算得到地球年龄为约据此思路计算得到地球年龄为约94009400万万年，接近开尔文的年，接近开尔文的 结果，基本符合原方法思路。结果，基本符合原方法思路。 ？ 地热学角度分析 p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 p热源与热运输
