1、第 6 讲地热场地热场申文斌，申文斌，徐新禹徐新禹，霍学深，金涛勇，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月17-1917-191地热场及其利用2内容提要l 1 1 引言引言l 2 2 地热热源及损耗地热热源及损耗l 3 3 地热史地热史l 4 4 热传递热传递l 5 5 地球上的地热分布地球上的地热分布31 引言l 地热学的意义地热学的意义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
2、，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。 绿色、可再生（水力资源、太阳能、风能等）p 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(产生热量传输与交换)。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。41 引言l 1.1 1.1 地热学的定义及分类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
3、、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。51 引言l 地热能地热能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 根据热能赋存形式蒸汽型热水型干热岩型地压型岩浆型6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
4、热资源分类示意图（根据热源类型）1 引言l 地热能地热能p 富含热能的区域： 冰岛、意大利、日本、新西兰、肯尼亚、美国等。71 引言l 地热能地热能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81 引言l 地热能地热能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 27.78
5、MW，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。 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。91 引言l 地热显示地热显示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。p 作用：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；水
6、热蚀变；水热矿化101 引言l 地热显示地热显示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。111 引言l 温泉温泉121 引言l 水热爆炸水热爆炸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 间歇喷泉（间歇喷泉（GeyserGeyser）14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1 引言l 泉华泉华15棉花堡,石灰泉华阶地当泉水流
7、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 火山喷发火山喷发161 引言l 如何研究地热学？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p 而地球深部的地热参数信息则难以获得，可通过一些推断手段获得：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、钻井等等。172 地热热源及损耗l 地热热源地热热源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
8、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、外层生物作用等。182 地热热源及损耗l 地热热源地热热源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引起的潮汐摩擦而产生的热量。 其他热源：宇宙射线、陨石撞击等。192 地热热源及损耗l 地热能损耗地热能损耗p 地表热流损耗：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 的地
9、球 产 生 的 “ 大 地 热 流大 地 热 流 ” ， 据 估 算 约 为， 据 估 算 约 为1.41.410102121J Ja(a(焦年焦年) )。这相当于。这相当于2020世纪世纪7070年代末年代末全球煤、石油、天然气总耗量的全球煤、石油、天然气总耗量的3434倍。倍。20思考：如何能够将这些热能搜集起来？2 地热热源及损耗l 地球的地热平衡地球的地热平衡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/ap 主要热损耗： 地表热损耗： 2.45 10E20 cal/a 火山热损耗： 7.8
10、0 10E18 cal/a 其他热损耗： 1.20 10E18 cal/a 热损耗总量：2.5410E20cal/ap 地球变冷速率：0.12 10E20 cal/a地球年龄?注： 1 cal = 4.19 J = 1.16Wh , 1 J = 107 erg212 地热热源及损耗l 地球的地热平衡地球的地热平衡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。223 地热史l 对于地热起源主要有两种假设存在：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
11、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。233 地热史l 地热史恢复方法简介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。243 地热史l 目前广泛使
12、用镜质体反射率作为定温标志目前广泛使用镜质体反射率作为定温标志254 热传递l 地热学常用物理量地热学常用物理量p 温度与温度场：温度是热力学特有的一个物理量，是热强度的一个指标，它表示物体的“热度”或“冷度”。某一瞬间温度的空间分布称为温度场(或称热场）。p 温度梯度：是等温面法线方向上单位长度内温度的增量，它是一个矢量，即它的正方向朝着温度升高的一面。p 热与热量：热是其他形式的能发生转换的一种形式。在一定条件下，热也可转换为其他形式的能。264 热传递l 热力学三定律热力学三定律p 热力学第一定律：物体吸收热量(Q)等于物体所做的功(w)加上物体内能的变化(E)，即QW+ E。p 热力学
13、第二定律：1）克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；2）开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。p 热力学第三定律：通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K即-273.15）不可达到。274 热传递l 热传递的方式：传导、对流和辐射热传递的方式：传导、对流和辐射l 热传导热传导p 发生于固体中，非金属：通过晶格振动发生热交换地壳，金属：通过电子扩散发生能量交换内核28固体通过晶格振动的热传导的示意图 4 热传递l 热传导热传导p 由于岩石的不良
14、导热性能，100m厚的熔岩流要花300年才能从1000冷却到地表温度。294 热传递l 热传导热传导p 按照这种逻辑和计算方法，一块厚400 km的岩板，热从一面传到其另一面要用50亿年，这比地球已经存在的时间还长。换句话说，45亿岁的地球如果仅靠传导来冷却的话，在地球的早期历史中即已处于熔融状态的地幔就会依然保持液体状态。但我们从地震波的研究已经知道，事实并非如此。p 为什么地球冷却的较快呢？304 热传递l 热对流热对流p 定义：是流体特有的一种传热方式。对流现象与流体本身的运动密切相关，由于流体各部分发生相对位移而引起热量的转移。在流体中，对流现象的同时还伴有热的传导。p 在地球内部存在
15、流态物质大量运移的地方，例如在大陆上的地热区和海底扩张中心，热对流有重要意义。在地壳浅部地下水运动所及的地方，在钻探和采矿活动过程中，热对流作用也十分明显。314 热传递l 热对流热对流p 对流运动按发生的原因分为两类： 1）自由热对流：由温度差引起 2）强迫热对流：由压力差引起p 热对流现象多发生于液体和气体中，当温差或热膨胀系数较高时发生，会受到高粘度和高热传导率的抑制作用。p 牛顿的冷却定律： Afa指表面传热系数。3221()solidgasqTTcal cms4 热传递l 热辐射热辐射p 一切物体只要其温度高于绝对零度，就会从表面向外界放出能量。物体的温度愈高，放出的辐射能就愈多。p
16、 它不需要借助任何传热介质，直接以电磁波向外直线发射传热。这种传热方式和上述二者有本质的区别，它不仅产生热量的转移，同时也伴随能量形式的转化。即热能转变为辐射能，被物体吸收后又变为热能。334 热传递l 热辐射热辐射p 吸收、反射及传播：p 热辐射法则：（黑体， ） 其中p 发射率：341artfff( , )1AT421()blackqTcal cms8225.67 10 Wm Krealblackqq4 热传递l 热传导法则热传导法则p 热流密度：表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量。p 傅里叶法则：在各项同性体中，p k为岩石的导热系数:p 广义傅里叶法则：在各向异性体中，35Q
17、qStqk T 21()cal cms (103102cal/(cmsK)jjiiijjTqkkTx 4 热传递l 热传导的微分方程热传导的微分方程p 假设对于无穷小的立方体dV，其温度变化为dT/dt，导致该微小立方体温度增加的原因有两个： 1）流入的热净流 2）dV内部的产热p 热流总量：（负号表示流入）p 产热量：p 表示产热率。36iidVdQq d dt 0dVdQA d dt 0A4 热传递l 热传导的微分方程热传导的微分方程p 温度变化代表的总热量变化：p c指比热容，又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。 代表密度。p
18、 根据热力学第一定律，有：p 所以，37dVTdEc d dtt dEdQdQ0iidVdVdVTc d dtq d dtA d dtt 01iiATqtcc 即热传导微分方程4 热传递l 热传导的微分方程热传导的微分方程p 一维热传导方程：p 在地表，设定：p 得出：p 对于恒定相位：p 最终得到热传播速率38222TTatz0sin()TCt2sin()2zaTCetza2210.01kacmscp121,2416.82cmh a()2tza常量 vdzdta2 0.001cms15 地球的热分布l 地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带p 变温带
19、：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1-1.5m深；年变温带深度在20-30m。p 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。395 地球的热分布l 地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带地壳热分布：地壳地温分布大体可分为三个带p 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
20、增高,但从宏观上讲，地热增温率（地温梯度：每百米温度升高的度数）是随着深度的增加而递减的。p 通过等温面和等温线对温度场进行描述： 表面（浅层地壳）分布：由太阳辐射，表面热流测算及热传导方程得到。 深层地壳分布：放射源与热传导405 地球的热分布l 大地热流密度大地热流密度p 大地热流：地球表面能直接量测到的热流场，是地球内热在地表最为直观的显示。p 热流密度：表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量。41QqStqk T k为岩石的导热系数。Q热量，S截面积，t时间。各项同性体，热传导法则5 地球的热分布l 大地热流密度大地热流密度p 大地热流：地球表面能直接量测到的热流场，是地球内热在
21、地表最为直观的显示。42地面热流分布图5 地球的热分布l 大地热流密度大地热流密度435 地球的热分布l 地球内部的热分布地球内部的热分布p 热分布的决定因素： 地幔与外核：热对流与热辐射 内核：热传导p 地幔与内核的边界条件（CMB、ICB）: 相变，熔点温度445 地球的热分布l 地球内部的热分布地球内部的热分布( (Press.FPress.F and and Siever.RSiever.R, 1974), 1974)455 地球的热分布l 地球内部的热分布地球内部的热分布(Press.F and Siever.R, 1974)(Press.F and Siever.R, 1974)p
22、 上地幔顶部局部熔融开始的100km以深的温度为1000-1200度；p 进入上地幔橄榄石、尖晶石相变区的400Km以深的温度为1500度；p 地幔-地核边界2900km以深的温度为3700度；p 内、外地核边界处的5100km以深，温度为4300度，地心6370km的温度4500度。465 地球的热分布l 地球内部的热分布地球内部的热分布47一条横贯欧洲的温度深度剖面图总结l 本讲主要讲授了地热学的定义、地热开发、地热本讲主要讲授了地热学的定义、地热开发、地热热源及损耗、地热史、热传递方式、地热分布等。热源及损耗、地热史、热传递方式、地热分布等。l 重点重点p 地热学定义、地热能、地热显示p 地热热源分类、地热史p 热传导、热对流、热辐射p 地壳热分布以及内部热分布l 下一讲：第下一讲：第7 7讲讲 地磁学地磁学48练习题l 基于边界条件及多种观测数据，了解地球内部的温度分布情况基于边界条件及多种观测数据，了解地球内部的温度分布情况l 基于地热史，对地球的年龄进行调查研究基于地热史，对地球的年龄进行调查研究l 探索温度分布与电荷分布的关系探索温度分布与电荷分布的关系49
