1、地热学 Geothermometry 地球物理专业用,成都理工大学 Mao Lifeng 2010年10月23日,课程性质,专业任选课 学 分 数 ：2.5分 总学时数 ：40学时 适用专业 ：地球物理学 先修课程 ：大地构造学 主要教学参考书 ：地热学导论 联邦德国 邦特巴斯著 1988年版 考核方式 ：考查,课程内容与学时分配,Chp1 地热学及地热资源概论 3学时 Chp2 岩石的热性质 3学时 Chp3 地温场的热传递方程 6学时 Chp4 地球内部热状态 5学时 Chp5 大地热流与环球地热带的分布 4学时 Chp6 地温测量 3学时 Chp7 地热资源的勘探方法 8学时 Chp8
2、我国地温分布的基本特征及开发利用 6学时 复习课 2学时,Chp1 地热学及地热资源概论,1.1 地热是新能源的重要成员 1.2 地热学的概念 1.3 地球上的地热显示 1.4 地球内热的来源 1.5 地热能及其开发利用 1.6 世界驰名地热田巡礼,1.1 地热是新能源的重要成员,能源是人类社会存在与发展的物质基础，过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，也带来了大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。寻找新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统是当务
3、之急。 在国内石油产量增长极缓慢的情况下，我国国民经济的高速发展迫使石油进口量快速增长。以原油进口量看，20002005年的年进口量增加81，年增长率为12.58；20052008年的3年间增加41，年增率为12.07。 2008年中国原油总产量1.89亿吨 位居世界第五位。各大油田产量产油能力下降，价格接近中东石油价格。 我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。,1.1 地热是新能源的重要成员,而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
4、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。 尽管核能的和平利用得到了全世界的认可，但核安全问题已越来越引起高度重视，核废料的处置也成了世界难题。 鉴于此，包含中国在内的世界上许多国家为了寻找可替代能源，掀起了一个以开发新能源和可再生能源的热潮。通过研究和开发，使今天以化石能源为主的能源消费结构逐步转变为以水力资源、地热资源、太阳能、风能等绿色可再生能源为主的能源消费结构，是全世界的基本能源战略。,1.1 地热是新能源的重要成员,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，
5、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。目前国际上所指的地热资源是仅以地壳浅部5km以内储存的天然热量14.2e23KJ为依据，相当于5000亿吨标准煤的热量。 按地热资源的温度不同，通常把热储温度大于150C称为高温地热能、小于150C而大于90C的称为中温地热资源、小于90C的称为低温地热资源。 根据地热资源的性质和赋存状态，可将其分为五种类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。前两种为水热型，是现在开发利用的主要地热资源。后两类属于今后大量开发利用时可以加以考虑的潜在地热资源。而地压型地热资源虽然生成条件不太普遍（往往在含油盆地深部）
6、，但其能量潜力巨大，而且除热能之外，它往往还储存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能。,1.1 地热是新能源的重要成员,也可根据热源类型将地热资源分为两种类型，即天然热水系统（hydrothermal system)和人工热水系统（artificial hydrothermal system)，其热源分别为火山性与非火山性的。更细的类型如下图。,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,图1 地热资源分类示意图,1.2 地热学的研究内容,地热学是一个新兴的地球科学分支，它包括理论地热学、应用地热学和测量地热学（或实验地热学）三
7、个研究领域，构成完整的学科体系。理论地热学是后两者的基础，而应用地热学和实验地热学的发展又不断以大量实际资料和实验数据丰富前者。 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。它所研究的主要内容包括地球热场的时空变化规律、地球内部的热源、地球内部的热状态、热历史以及与此相关的地球起源演化等问题。另外，在地震研究中可以认为热因素参与地震孕育发展的全过程。无论是在地震能量的积累过程中，还是在岩石破裂的瞬间都有热量的作用。因此查明地球热场的规律，对于研究震源物理和探索地震预报都具有重要意义,1.2 地热学的研究内
8、容,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。它主要研究地热资源的赋存状态和形成机制，地热系统的分布特点和资源的定量评价，研究矿区地温状况、沉积盆地构造热演化特征。按不同的范畴其主要表现在：（1）构造地热学 :研究构造热演化、圈定地壳深部构造（闭合构造和区域性断裂）及确定断裂的活动性; （2）探矿地热学:油气、金属和非金属矿等；（3）水文地热学：研究和解决水文地质学中的某些实际问题，根据地下水温度和围岩温度的平衡条件、地热参数及等温线在水平方向和垂直剖面内的变化形态等确定地下水的流速和流向以及自流盆地或承压水系统的补给、径流和泄流条件等；（4）工程地热学 ：矿
9、山地温研究工作，在地热学研究中，地热资源形成的构造地质条件、地热资源形成的机制极其定量评价方法的研究也是地热学研究的重要内容，在地热资源的勘探和评价中，查明地热异常的空间分布极其随时间的变化，确定地热资源的构造地质条件，热源性质、地热流体分布及形成的特征、热资源定量评价模型是一分十分重要的工作，但迄今为止，一个完整有效的研究地热资源的形成机理、赋存特征以及定量评价的理论方法尚未完成。,1.2 地热学的研究内容,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的；同时为定性的深部地质研究逐渐向定量的地球物理研究过
10、渡创造必要的数据和装备等物质基础。 事实上，通过地层温度测量，岩石热导率、比热、放射性生热率的测定，即可获得大地热流数据，从而探讨区域地温场形成、深部构造热作用机制和演化等理论地热学问题，也可解决地热资源的生成、类型和分布，矿井深部温度预测，油气资源的预测和评价，乃至矿井巷道中围岩热交换等一系列应用地热学课题。,1.3 地球上的地热显示,地球是个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，自有文明史以来，世界上许多地区就有人利用地热温泉洗浴疗疾，这种初始利用方式持续了数千年之久。真正大规模利用地热能发电、采暖是从20世纪初开始的。 地热显示：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
11、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。,1.3 地球上的地热显示,地热显示的科学意义和价值： 地热显示的出露预示着该区域地下深处有热异常，亦作为进一步勘探的重要依据，探查可能存在的潜伏地热田、矿田或油田。 地热显示的流体，自身不仅携带有多种微量元素、化合物、气体及溶解的各类矿物盐等，而且还有一些金属和非金属能从流体中淀积出来形成矿物，诸如金-银矿化、硫磺矿以及高岭土等矿化，这些地表的矿化现象，通常是“找热探热”的重要标志。 另一方面，对地热流体化学组分特征的研究，有助于了解流
12、体上升过程中周围岩石的物理化学特性；对热流体温度、流量、压力等条件变化的研究，有助于了解地球深处岩石增温、岩石渗透率、地质构造等特征。地热的地表显示是揭示地球内部的一个重要窗口,1.3 地球上的地热显示,地表地热显示的类型 微温地面或放热地面，有水蒸气释放时，地面上容易形成特殊的晨雾。 温泉和热泉，包括与它相关的各种泉塘和热水湖。 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,温泉,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，其水温该环境年平均温摄氏
13、5，或华氏10以上。是水温热到可以洗澡、煮水饺、川烫青江菜、涮羊肉的泉水就称之为温泉。当然，不同人种，对温泉的温度高低有不同的定义：0-10 ：这叫冰水、冷水，不叫温泉。 20：这叫一般水，不过对于怕烫的美帝及欧洲国家的人来说，已经是温泉了。 30：这个温度对中国人而言，正好是可以洗澡的水温。 40：对于皮厚的日本人来讲，凡是水温低于40通通叫冷水。 50：在北海道，若是没有这个温度就没有资格叫温泉。 60：对于有风湿痛的欧巴桑而言，这是治疗风湿痛的最佳水温。 70：如果有人想边泡温泉边煮茶鸡蛋来吃，这个水温刚刚好。 80：对于爱吃水饺或是吃汤圆的人而言，这种水温正好可以满足你的需求。 90：
14、这个水温正好可以满足一边泡温泉一边吃火锅的娱乐享受，当然有人想顺便吃关东煮，也是不错的点子。 100：因为青江菜没有超过100的水温会烫不熟，因此如果有人想边洗边川烫青江菜来吃，最好别泡水温低于100以下的温泉。 110：如同烫青江菜一样，想吃涮涮锅的话没有这个水温的话，同样肉片也会涮不熟。不过，我要提醒你，如果你的皮不够厚或者你不是无敌铁金钢，想涮肉还是在池边涮就行了，否则边泡边涮的后果如何，没有人能保证。据传东瀛女优国长野县的白骨温泉就是让人吃涮涮锅专用的温泉。 依化学组成分类，温泉中主要的成份包含氯离子、碳酸根离子、硫酸根离子，依这三种阴离子所占的比例可分为氯化物泉、碳酸氢盐泉、硫酸盐泉
15、。,温泉,温泉,温泉,温泉,温泉,中国古代对温泉的记载：我国是世界上最早利用温泉和治疗疾病的国家之一，最早文字记载利用温泉洗浴是先秦时期， 在礼记中有“头有创则沐，身有病则浴”。此外在内经、辛氏三秦记、水经著、本草纲目等众多古典文献中均有记载。 我国的温泉区大约有3000余处，出露数量最多的前5个省份为云南、西藏、广东、四川和福建。其中云南被誉为“温泉之乡”，历代文人墨客对其考察和记载之多，可谓举不胜举。如永昌府文集文卷27，由尹家令作的热海记非常详细地描述了热海硫磺塘水热活动的壮观景象。 古代对我国温泉的记载大体包含3个方面：一是对出露温泉区自然景观的描述；二是温泉利用的记载；三是对温泉疗疾
16、的神奇功效的歌颂。 “春寒赐浴华清池，温泉水暖洗凝脂” 。,温泉何处来？,地球内部源源热流是温泉的热源：一种是以特殊的局部热源来加热地下水，诸如出露在现代火山区或地下有年轻侵入体存在的地区的温泉，他们是被地下埋藏不深的岩浆囊的热加温所致，这类温泉水温高，甚至形成汽水两相赋存于地下，称之为高温温泉。另一种是不在火山和岩浆活动区内的而且是数量远远大于高温温泉的低温温泉，它们的升温是地球的内热，如地壳浅层内部温度随深度的增加而增加，如在华北平原钻井施工时，当钻至1000m时，井下温度为46.8 ，钻进2100m时，井底温度升到84.5 ，平均每百米增温3.4 ，地下水随其深度以当地的地热增温率来增温
17、，一般情况下，地下水每百米的平均增温在2.5-3 。 水源：地球内热是加热温泉的“锅炉”，那么“锅炉”中的源源不断的水又是从哪里来呢？温泉水来源于大气降水在循环过程中，一部分渗入到地下深处被加热，同时化学成分也发生明显变化，形成温泉水。 温泉形成的通道：如果没有理想的上升通道，也形成不了温泉。强烈的地质构造运动导致地层产生断裂、错动、上升、下陷等一系列地质运动现象，从而在岩层中形成不同方向、不同类型的断裂带、破碎带等一系列的“通道”。使得地下的热水得以涌升至地表形成温泉。,我国温泉的分布态势,我国包含微温泉、温泉、热泉、沸泉、喷汽孔等在内的热水区超过3000处，上海、天津之外的各省市自治区均有
18、分布。山区、平原、城市和农村等地均有分布。山地温泉主要集中在4个热水带上：藏南-川西-滇西水热活动带，是我国大陆沸泉、热泉出露最集中地区；台湾水热活动密集带，也是我国沸、热泉出露密集区；东南沿海地区水热活动密集带和胶辽半岛水热活动密集带，该区的活动强度和温度相对要弱和低，主要以温泉和热泉出露为主。盆地温泉主要集中在我国内陆几个大盆地中，东部的华北、松辽、苏北、汉中、汾渭等盆地中，中部的四川和鄂尔多斯等盆地，西部包括塔里木、柴达木、准噶尔等盆地，均有大量的温泉、热泉以及热卤水的出露。 上述温泉的分布直接受区域地质构造的影响，反之，温泉分布的态势又能进一步印证地壳内部地质环境和地质构造的特征，两者
19、是相辅相成的，综合考虑它们之间的关系，能更清楚地了解和掌握我国温泉的分布规律，从而为充分合理地开发温泉资源奠定基础。,水热爆炸,水热爆炸,饱和状态或过热状态的地热水,因围压变化产生突发性汽化(闪蒸),体积急剧膨胀并爆破上覆松散地层的一种现象。水热爆炸是高温地热区一种极其猛烈的水热活动,爆炸时有巨大声响,夹带大量泥砂的汽水流射向空中,爆炸后地面遗留深度不等的坑穴,周围由碎石散落物堆积成垣体,坑内及其周边多见喷气孔、冒汽地面、沸泉以及硫华等。 中国的水热爆炸仅见于西藏南部和云南西部,其中西藏已发现有11处之多。 1976年7月21日云南龙凌县附近的清凉山发生6.6级地震时，在邦腊掌的下硝水热区发生
20、了多次水热爆炸，后来留下3个爆炸后的穴口，现在形成沸泉塘。,水热爆炸的发生条件,水热爆炸一定只出现在高温水热区域内，它与现代地热活动关系密切。 爆炸时携带出来的除高温汽水外，夹杂有大量的泥沙及岩石碎屑物，爆炸之后留下的爆炸坑穴都在第四纪松散地层中，也就说明爆炸源的埋深很浅。 通过对爆炸后泉水的化学分析与测算，发生爆炸区域的地下热储温度均在200 左右。 触发水热爆炸的外在因素很多，诸如高温水热区的地震，大气压突变以及补给系统热量的突增等,间歇喷泉（Geyser）,冰岛西南部的间歇温泉区，是Geyser单词的发源地，拥有世界著名的大间歇喷泉（Great Geyser）和斯特罗古间歇温泉等。美国西
21、海岸的黄石国家地质公园有个典型的间歇喷泉“老忠实”泉。具有间歇性，间歇期是定时的。,间歇喷泉（Geyser）,间歇喷泉并非处处都有，它是热水温度超过沸点，在适当的地质条件配合下才能产生的自然景观。其形成条件是：地下有一个水室，形状可能千差万别，但要具有一个较大的容量，以便储存足够的热水供喷发之用；热水温度多在200 以上，温度越高蒸汽压力越大，喷发的气势就越壮观；水室上方有一导管（喷射喉管）通达地面，导管愈是深长笔直且口径适中，愈容易提升水柱高度，反之亦然。 由于水室容量、补给水源的充足程度、喷射喉管的长度以及热源的强弱等因素的差异，不同的间歇喷泉喷发的时间间隔与喷发的高度千差万别。如黄石公园
22、的老忠实泉间歇期为30-120分钟，喷发高度为80-160m；冰岛的斯特罗古喷泉则每10-15分钟喷发一次，喷发高度约为20-30m；我国西藏的搭各加喷泉则间歇时间极不规则，喷高约20m。,泉华,泉华,泉华沉积物：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。泉华的成分为CaCO3时，称为钙华或石灰华；以SiO2为主时称为硅华。由于泉华物质成分、沉淀数量及泉口地形的差异，泉华可堆积成锥状、台阶状或扇状地貌。 无论是硅质的泉华，还是钙质的泉华，它们的形成都与泉水中的一些植物（如藻类、苔藓等）有关。这些植物不仅会促使矿物质沉积下来，而且它们混杂于
23、沉积物中，也形成了泉华的多孔性。在一些上水石中就经常可以发现植物残存的遗迹。 水热出露活动区还可能有盐华、硫华等奇观。,五颜六色的水热蚀变,水热蚀变现象只有在高温地热区内可以见到的一种显示，很特殊但肉眼十分好识别，其特点是地面呈一片黄、一片红，或一片白、一片绿，如同水彩彩色板，为地热区又新增上一项异彩。 水热蚀变是指高温热水或蒸汽沿构造运动形成的通道运移过程中，与围岩岩体相互作用所产生的一系列复杂的重结晶、溶解和沉淀等相应反应，如热水失去一些钾，得到一些钙，则围岩发生方解石化、白云岩化、绢云母化、高岭石化、沸石化等，这就叫水热蚀变。 水热蚀变是地热活动留下来的重要痕迹,是研究地热活动的重要依据
24、，包括水热溶蚀、永热围岩蚀变、水热沉淀和水热胶结四个方面。由于水热蚀变现象常常能较准确地预示其深部存在高温热储，因此有高温地热资源的新西兰、美国、日本、冰岛等国地热工作者均十分重视对地热区域出现的水热蚀变进行研究，并取得大量有价值的研究成果。,水热矿化,当地下热水或蒸汽沿着构造裂隙通道上升至地表时，由于温度、压力等因素的变化，除了淀积出泉华或形成水热蚀变带之外，同时还能沉淀出一些金属或非金属矿物。高温热水区常见与水热活动相关的矿化现象，有些甚至能形成有经济意义的矿床，如硫磺矿等，但金属矿化现象一般构不成有开采价值的矿床。 世界上许多高温地热带都已发现过各种金属和非金属矿化现象，如新西兰的怀特岛
25、火山、日本那须火山以及我国西藏羊八井、云南腾冲地区均发现有开采价值的硫磺矿。1917年维苏威火山爆发时，仅10天内就在火山通道内形成与热液活动有关的1m厚的镜铁矿；意大利埃特纳火山子1983年3月28日开始喷发至4月20日为止，不仅喷发了大量的熔岩，而且随火山烟气一直喷出金、银及大量的其他金属；我国的西藏羊八井热田内就发现有零星的辉锑矿、辰砂和黄铁矿。这些矿化现象无疑是水热活动的产物，但对西藏水热区出现的汞、锑、砷等物质是否来源于“岩浆热液”，尚待有其它旁证。,火山喷发,火山（Volcano）喷发,火山喷发是一种正常的地质现象，是地壳运动的一种表现形式，是地球内部巨大热能通向地表的最强烈的显示
26、，也是地热能出露地表的最强烈显示。一次猛烈的火山喷发所释放出来的能量，比氢弹或原子弹的爆炸释放能量大上几十甚至上百倍。 火山是孕育变化的熔炉。它们骇人听闻的毁灭力量令人胆战心惊。可使丛林变为荒漠，使地球气候发生重大改变，甚至埋葬整座的城市，但火山最终还是仁慈的。生命得以起源的海洋和维持人类生存的湖泊、河流和地下水均是过去几十亿年岁月里火山无数次喷发、凝结的产物；我们呼吸的空气也是火山蒸汽的产物。肥沃的火山土壤在热带和温带地区，为千百万人口生产了维持生命的作物。火山地热系统形成的热泉是清洁、安全和可再生的能源。高大的火山挡住了过往云彩的水分，产生冰川和溪流，为我们提供水电。,地热资源与火山活动,
27、全球的火山区经常伴生很多的温泉区，地热资源与火山活动密切相关，当今地球表面最重要地热异常区的出现都和地球内的上行岩浆活动密切相关，也就是与现代火山活动有关。 晚新生代的火山活动最有可能与现代高温热水系统的出现与形成有直接或间接的热源关系。但我国晚新生代火山出没的地区，与现代我国高温水热活动区是不相呼应的。 我国大陆上的现代高温热水区几乎全部都出现在喜马拉雅地热带内。,地热区的神秘奇观,扯雀塘、醉鸟井与死亡谷的出现：云南腾冲县曲石乡小鱼塘村东南约1.5km的小江右岸边，几十年前曾有过热泉，其上方数米处即是有名的扯雀塘。凡从泉区上空掠过的小鸟，能被这里释放的气体从天上扯下来毒死而得名。考察人员做过
28、实验：把燃烧充分的汽油喷灯，自上而下位移到临近地面0.3m高度时，火焰立即熄灭；把一只活公鸡放进扯雀塘沟，5分钟后致死。（CO2） 醉鸟井出露在腾冲热海热田内的松木箐，这里曾挖一深1.5m的小探井，飞禽从井区上方飞过时，能“醉”落而下，松木箐附近的小走兽松鼠，也经常光顾井区舔硝，结果是有来无回，死在原处。 地热活动能使非水热区早已绝灭的生物继续生存。西藏高原和横断山区，海拔高度超过4000m的山区和高原面上，根本不会有喜暖性的动物蛙和蛇的生存，不会有绿油油的植物群生长，但在温泉活动区，在热水沼泽地里，却能奇迹般见到蛙群和蛇群，能在热水塘和温泉水径流区域见到多种水草和藻类植物群的生长。,1.4
29、高温岩体地热资源,高温岩体（hot dry rock)地热资源指温度在200 以上的岩体中的蕴藏的地热资源，其温度的确定，大致是考虑人工开发时，可以从该岩体中直接提取过热水蒸汽用于发电。 基于岩石的热容系数、地热梯度、热储尺度、钻井能力、期望的利用温度等多因素的综合考虑，针对目前的开采技术水平，科学家考虑：地下10km以内，温度高于150的高温岩体地热资源都可以开发。据此估计全世界地壳10km以内高温岩体地热资源总量为40-400M quads，相当于化石燃料的100-1000倍。因此，高温岩体地热资源资源是巨大的、未开发的、安全的可供人类用上几千年的绿色能源，也是全世界应该大力开发的新能源。
30、,1.4 高温岩体地热资源,中国高温岩体地热资源及成因：从构造上讲，中国西南受印度洋板块挤压，形成了不断运动的喜马拉雅山运动，也形成了青藏高原地热异常带。比较典型的是西藏羊八井地热显示区和云南腾冲地区。东南部受菲律宾板块的挤压，在我国的台湾、海南和东南沿海形成了一个高地热梯度区。东部受太平洋板块的挤压，形成了长白山、五大连池等休眠火山或火山喷发区和天津、北京、山东等高地热梯度区。 到目前为止，我国仍没有对高温岩体地热资源进行评价，但上述提及的地热异常区却有极其丰富的高温地热资源量，也是极经济的高温岩体地热资源优先开发区。,1.4 高温岩体地热资源 中国典型高温岩体地热田分布,根据地球物理探测资
31、料和地质调查推断，西藏地区于距今0.5-1.25Ma前在深10-20km处地壳浅处可能有局部熔融的花岗岩岩浆体（或岩浆囊）的近期岩浆活动，构成局部热源，从而导致高温地热田。根据对中国区域地质构造特征、大地热流分布特点、地温分布规律、高地温梯度分布以及火山与岩浆活动的研究分析，在中国存在或可能存在高温岩体地热资源的地区主要是第四纪以来的火山活动区和年轻岩侵区。主要集中在青藏高原的南部、云南西部腾冲地区、东北的长白山和五大连池区、海南琼北火山地区等。,1.5 地球内热的来源,地球是庞大的热库，它既有源源不断产生的热能，也有自身储存丰厚的热能，所以是一种巨大的自然能源。它通过火山爆发、温泉以及岩石的
32、热传导等形式不断地向地表传送和流失。那么如此巨大的热量释放靠什么来维持？地球内热的来源又是什么呢？,1.4 地热来源（一）：地球内部结构,地球的形状与起源：地球是太阳系中一个赤道部分较为突出（半径6378.5km），两极部分较为扁平（半径6357km）的近似球形的行星，它给数百万种生命提供了家园。今天最能接受的关于宇宙和我们这个星系起源的理论就是所谓的“大碰撞（big bang)”理论：宇宙是在约100-150亿年前的一次大碰撞中产生的，在漫长的岁月里，宇宙膨胀、变稀薄而形成了无数的星系与星星，包括我们的太阳系和地球。地球大约形成于46亿年前，重力、无数高度压缩的太空物质和内部的放射性物质的衰
33、变加热了这个环绕太阳运动的岩团。由于温度的升高，岩团中铁镍开始液化，诱发了地球的分层。熔化了的铁镍往地球的中心下沉，较轻的物质则往上浮，最终形成了地壳、地幔与地核。,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,地壳。地球最外面的一层，厚度因地而异，在海洋底下的地壳厚度只有515km(在大洋中脊甚至只有3km)，平均810 km；大陆地壳厚度较大。从20一65km不等，大部分介于30一50 km之间，平均厚约40 km。大陆地壳的平均密度为2800 kgm3，由富含硅、铝的岩石(如花岗岩类)组成；海洋地壳的平均密度为2900一3000 kgm3，由基性火成岩(如玄
34、武岩类)及其变质岩组成。,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,地慢。从地壳以下至2885 km深的一层。它可分为上地幔与下地幔。土地幔厚约370 km，其下为一过渡带。过渡带和上地幔的塑性部分称为软流圈。上地慢最上层的刚性部分与地壳构成了岩石圈。岩石圈是固体地球表层，在大陆下面厚约100一150 km，海洋下面则为60一70 km。它一方面像盾牌一样抵御着外层空间陨石等小天体物质的袭击，另一方面又阻隔内部热能和化学能的外泄，使地球内部物质的相互作用处于一个相对封闭的体系之中。下地幔，又称中间层厚度大致为2215km。上地幔平均密度为3300-3400 kgm3，由超基性岩如橄榄岩类)组成，下
35、地慢的密度和物质组成与上地慢近似，但矿物种类不同，密度更大，为4500-5500m3。,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,地核。2885km以下至地心的部分，可分成内核与外核。由于压力巨大，尽管温度高达70008500华氏度（约38704700摄氏度），过热的内核被认为仍保持固体状态，且主要由铁组成，这一固体内核占地球体积还不到1，直径为2413.5km，比月球稍小。外核处于液体状态，主要成分亦为铁，还有镍和其他一些较轻的元素。地核的这种物质组成，是地球具有强磁场的重要原因。地核的密度可能高达940013000 kgm3，这是其组成物质(铁、镍合金)的改变与超高压的双重结果。 值得注意的是
36、，近年来的资料表明，地球内部并不像鸡蛋那样圈层分明，即总的来说有一定的层次，但边界很复杂横向上也有明显变化，因此上述壳幔核的分层结构模式是近似的，还值得人们进一步探索。,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,地球内核一个未解的谜参考消息1996年7月24日第7版的一则报道：美国哥伦比亚大学地震学家宋晓东博士和保尔理查兹博士一起，首次利用地震波测量了地球固态铁质内核，发现它的旋转速度比地球本身的旋转速度快，内核跟地球朝同一方向旋转，内核赤道每年比位于赤道的地壳多旋转了19.31km，内核在地球完成相对转动一周需要大约400年。这一发现，立即在全世界引起了轰动。科学家称这一发现为令人震惊的重大发现
37、，具有划时代的意义。因为在此之前，人们普遍认为地核的转速最慢。两位博士一起首次利用五十多次地震现场和1967年到1995年期间重大核试验现场发出的地震波测到的数据，观测地球内核。其方法就象给孕妇做CT、超声波观察肚子里的活动着的胎儿一样。其结果发现了地球固态内核在高速自转。在发生大地震和爆炸时，地震波就象池塘中的涟漪一样向外辐射传播，根据接收信号的数据反演内核的状态与构造，比较不同时间的内核震波的走时，发现90年代穿过内核震波的时间比80年代明显地快，从而得到内核在相当于地表旋转。,1.5 地热来源（一）：地球内部结构,地球内核内核快速自转的原因地学家认为：地球内核的旋转很可能是由于内核与地球
38、熔态外核流体所产生的巨大磁场的相互作用而引起的。这些磁场所产生的力矩使得内核旋转较快，这与电动机的旋转磁场引起电机枢纽旋转的原理相同。哥伦比亚大学的研究小组发表在自然上的论文指出：外核的低粘度、低摩擦力使得内核易于旋转。这就象一台巨大的电动机，产生了巨大的电流。这又在地球周围产生了磁场。但科学家也发现了一些问题，诸如：内核的旋转速度是否发生变化？内核旋转是否会对地球表面的引力场强度产生明显的变化？这需要进行许多其它的研究，不仅要探索与其它科学领域的关系，还要进一步证实与精确计算内核旋转速度。不管怎样，地球内部的热量的运动才使得地球表面的地壳层产生运动，形成山脉和海洋，大陆分离，引起地震。,1.
39、5 地热来源（二）：地球内部温度,地球内部实际上是个大火球，为什么我们生活在这个火球之上却并不觉得灼热难忍呢?这得归功于组成地壳的岩石，它是良好的热绝缘体，既有效地防止了地球内部的热量向太空散失，又很好地保护了我们免遭地下高温烫伤。,1.5 地热来源（二）：地球内部温度,根据地质与地球物理学家的研究，地球内部的温度在正常情况下是愈往深处愈高。通过钻孔和钻井的温度测定，人们已经知道，温度随深度的增高约为2530 km。但如何估计温度测量不可触及的深部温度呢?人们不能简单地认为从地表到地心温度随深度的增长速率都和在近地表观察到的结果一样。如果温度随深度的增加按那种速率进行的话，则地心的温度将高达数
40、万摄氏度，那样地球的内部大部分将处于融熔状态，而地震学的研究结果并非如此。一些地质学家们认为地球内部的温度随深度的增加曲线可能如上图所示。他们综合分析了起源于地幔和在火山中出现的熔岩的温度、铁和岩石开始融熔温度的实验数据，以及由地震学研究得出的地表到地心的温度变化结果，认为地心的温度大约在4000 5000 之间。另外一些地学家们则认为，他们的实验数据表明地心的温度可能高达6000一8000而熔点则更高。这两种推断哪一种较为准确，还需作进一次的实验研究。,1.5 地热来源（二）：地球内部温度,不管地心温度到底有多高，地球内部蕴藏着巨大的热量却是不争的事实。这种高温的热量，透过厚厚的地层，每时每
41、刻都在不断地向太空释放，这种现象就是第五章要讲的“大地热流”。尽管这种热量分散在辽阔的地球表面，人们挥然不觉，但是实际上总量巨大，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。或者说，每年流出地球表面的热能约为441012W相当于全球电能消耗(1012w)的44倍数字十分惊人。难怪李四光先生说“地球是个庞大的热库”呢！,1.5 地热来源（二）：地球内部温度,地壳上的温度主要受到两个方面的热量影响，一是太阳的辐射热，二是来自地球内部的热源。对开发利用地球内部热能的实用性来讲，深入研究和准确掌握地表以下35km的地壳温度更为现实。根据地壳表层至
42、3km以内的地温观测资料的综合研究，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1-2m深；年变温带深度在15-20m。,1.5 地热来源（二）：地球内部温度,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。 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
43、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。 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。,1.5 地球内热的热源（三）,目前，几乎一致认为，放射性元素衰变所释放的能量是地球内热的主要来源，另外还有重力分异热、潮汐摩擦热、化学反应热等。但在当今地球热量平衡中后三者不占主要地位。 放射性元素虽然很多，但只有具备下
44、述三个条件，才能成为地球内热的主要来源：第一，具有足够的丰度；第二，放射性生热量大；第三，半衰期同地球的年龄相当。第三个条件很重要半衰期短的元素(如26Al、10Be、126Ce、60Fe)只在地球历史早期起过作用；半衰期过长者，至今尚未充分发挥作用。目前已知能具备上述三个条件的放射性元素为：铀(U)、钍(Th)、钾(40K)三种。,1.5 地球内热的热源（三）,地球化学研究表明，放射性元素U、Th、40K在地球分异演化过程中集中于地壳上地慢顶部、以大陆地壳上部的酸性岩如花岗岩中最为富集，而在基性岩、超基件岩(如玄武岩、橄榄岩、榴辉岩)中含量甚低。地球内部不同深度上的热源估计如下：0100 k
45、m 50% 100一200 km 25% 200一300 km 15% 300一400 km 8% 400km 2%,1.5 地球内热的其它热源（四）,地球收缩的重力能也是一种长期产出的热源。 地球转动动能也属于热源之一，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，这一热源在地球内热中所起的作用是很小的。 化学反应热，主要包括硫化物和有机物的氧化作用。虽然它在地球内部热源中经常起作用，在地壳中有机物的氧化反应过程具有很强的热效应，且分布十分广泛，但化学反应热是次要的。,1.5 地球的外部热源（五）,太阳辐射热：太阳辐射的能量中，大约有3
46、4%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。太阳辐射能对陆地和海洋的影响深度显著有别，海洋的影响深度可达150-500m，但对陆地仅只10-20m的影响深度，此深度以下对地温起主导作用的则不是太阳能，而是地球内部的热能。 潮汐摩擦热：由月亮和太阳对海水的吸引而释放的能量。它也和太阳辐射一样具有经常性和全球性的能源。 宇宙射线、陨石坠落释放的能量等。,1.6 地热能的开发利用,地热利用的历史与人类的历史同样久远，即使是原始人类，在寒冬季节也都有趋近温泉或喷汽孔取暖的本能。比较现代的地热利用可以追溯到19世纪初，意大利人拉德瑞罗在拉德瑞罗地热区利用所产蒸汽
47、提炼天然热水内的硼砂，真正令他闻名天下的是1904年利用地热蒸汽点燃的那4个小小的电灯泡，开世界地热发电之先河。此后，特别是二战后，地热发电为世界各国所重视，如今全球地热发电总量已近800万KW。非电直接利用也得到了众多国家的注意，如冰岛20世纪30年代就铺设了一条长3km的供热管道，并建立了当时世界上最先进的城市供热系统。地热能在温室、干燥、制冷、养殖等方面也陆续在世界各国得到了应用。标志着地热利用跨入了一个新的时代。,1.6 地热能的开发利用,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
48、 地热在医疗保健和旅游方面的利用,1.6 地热能的开发利用,地热发电是将地热能转换为机械能，再将机械能转变为电能的能量转变过程。地热发电在过去30年里发展很快，1975-1995年间，全球范围内地热发电的年增长率达9%，这是单个能源利用增长率中最大的一个。1995-2000年间，地热发电的年增长率更高达16.7%。在未来20-30年里，地热发电的年增长率大致可温度在10%左右。 但受到资源特性、地理位置、勘探技术以及和其他能源竞争等多种因素的制约，目前地热发电在能源构成中的比例很微小，只是一种战略的能源。,1.6 地热能的开发利用,地热能的直接利用：具有三大优点，一是热能利用率高达50%-70
49、%，比传统的地热发电的热能利用效率5%-20%高出很多；二是开发时间短得多且投资也远比地热发电少；三是地热直接利用，既可利用高温地热资源也可利用中低温地热资源，因之应用范围远比地热发电广泛。地热能直接利用也受到热水分别区域的限制，因为地热蒸汽和热水难以远距离输送。 不同温度区位直接应用领域为：180度：高浓度溶液的脱水、氨吸收制冷、纸浆蒸煮；170度：提高硫化氢过程生产重水、硅藻土干燥；160度：鱼类食品干燥、圆木干燥；150度：地热发电低限，拜尔法过程生产氧化铝；140度：高速干燥农产品、食品罐头制造；130度：食糖精炼中的脱水、用蒸发和结晶法提取盐类；,1.6 地热能的开发利用,120度：蒸馏生产淡水、用蒸发法和结晶法提取盐类；110度：用于轻型水泥制版的养护和干燥； 100度：有机物质、海草、牧草以及蔬菜等干燥、羊毛的洗涤和干燥；90度：储存鱼的干燥、强化融冰融雪；80度：建筑群冬季采暖、农作物种植温室采暖、牛奶消毒；70度：制冷的温度下限、甜菜糖提取；60度：动物饲养房舍采暖、温室空间和地下的增温；50度：种植蘑菇、矿泉疗养；40度：土壤加温；30度：游泳池、生物作用退化、发酵作用以及供寒带区全年采矿用温水，防冻；20度：养鱼、水浮莲养殖。,
