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固体地球物理学导论(6).ppt
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1、固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第六章第六章第六章第六章 地热场与地球的热状态地热场与地球的热状态地热场与地球的热状态地热场与地球的热状态pp热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征pp地球内部的热源与大地热流地球内部的热源与大地热流地球内部的热源与大地热流地球内部的热源与大地热流pp地球内部的温度分布地球内部的温度分布地球内部的温度分布地球内部的温度分布pp地球的热历史地球的热历史地球的热历史地球的热历史.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 The earth
2、 is a warm planet.The heat on the surface of the earth comes from the radiation of the sunlight and the diffusion of the internal heat of the earth.The heat from the latter is far less than that from the sun,their ratio is about 1:1000.In the earth,however,the heat mainly comes from the inner of the
3、 earth due to poor thermal conductivities of rocks.地球是一个温暖的行星,地球表面的热量主要来自于太阳光的辐射和地球是一个温暖的行星,地球表面的热量主要来自于太阳光的辐射和地球内部热量的扩散,但太阳的辐射热量远多于地球内部的扩散热量,两地球内部热量的扩散,但太阳的辐射热量远多于地球内部的扩散热量,两者之比约为者之比约为1000:11000:1。然而,在地球内部的热量主要来源于地球自身,其原因就是地壳岩石然而,在地球内部的热量主要来源于地球自身,其原因就是地壳岩石的导热性很差。的导热性很差。温暖的地球温暖的地球温暖的地球温暖的地球.固体地球物理学
4、概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论6.16.1热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征热场概念与岩石热物理特征 6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 地热场与热流密度概念地热场与热流密度概念地热场与热流密度概念地热场与热流密度概念 地热场地热场 地球的地热场地球的地热场(或温度场或温度场)是地球的物理场之一,它表示地球内部各圈是地球的物理场之一,它表示地球内部各圈层中的温度分布状态。地球内部温度分布不仅与空间位置有关,而且还随层中的温度分布状态。地球内部温度分布不仅与空间位置有关,而且还随时间变化。我们把地温度场内某点的温度是随
5、时间变化,则称之为非稳定时间变化。我们把地温度场内某点的温度是随时间变化,则称之为非稳定地热场,不随时间变化称为稳定地热场。地热场,不随时间变化称为稳定地热场。热量热量(Q)根据热力学第一定律,热量是能量的一种形式,在一定条件下它可以根据热力学第一定律,热量是能量的一种形式,在一定条件下它可以与其它形式的能量互相转化。如某系统与其它形式的能量互相转化。如某系统(或物体或物体)所吸收的热量所吸收的热量(Q),等于,等于该系统该系统(或物体或物体)对外界所做的功对外界所做的功(W)与系统与系统(或物体或物体)内能的改变或转化量之内能的改变或转化量之和。和。地热场与热量地热场与热量地热场与热量地热场
6、与热量.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 热流密度热流密度 热流密度被定义为在热流密度被定义为在单位时间单位时间内流过内流过单位面积单位面积的热量,它是一个矢量,的热量,它是一个矢量,以温度降低的方向为正。地球的大地热流密度是表征地球地温场的一个重以温度降低的方向为正。地球的大地热流密度是表征地球地温场的一个重要物理量,一般用它表示地球内部热能向地球表面散失的状况。所以大地要物理量,一般用它表示地球内部热能向地球表面散失的状况。所以大地热流密度系指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热流量。根据稳热流密度系指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热流量
7、。根据稳定热传导原理,它等于岩石热导率与相应地温梯度的乘积。定热传导原理,它等于岩石热导率与相应地温梯度的乘积。热流密度热流密度热流密度热流密度.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 岩石热物理性质岩石热物理性质岩石热物理性质岩石热物理性质 (岩石)热导率(岩石)热导率(Thermalconductivity)k(W/m2)k:W/(mK).Orq=-kT Here q is the thermal flux,T is the temperature.Generally the thermal conducti
8、vity k decreases with the increment of the temperature.岩石热导率岩石热导率岩石热导率岩石热导率.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 (岩石岩石)比热容比热容 HeatcapabilityCp热比(容)热比(容)Cpis the thermal energy which unit mass obtains as its temperatureincreasesonedegree(K)比比热热容容(Cp)是是表表征征岩岩石石存存储储热热的的能能力力,其其物物理理意意义义是是:单单位位质质量量的的物物质温度
9、升高一度所吸收的热量。其表达式为质温度升高一度所吸收的热量。其表达式为Cp=Q/(MT)岩石的比热容岩石的比热容岩石的比热容岩石的比热容.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 热扩散率热扩散率 (Thermaldiffusivity)=k/(Cp)式中式中表示岩石密度,热扩散率表示岩石密度,热扩散率()是表征岩石在加热或冷却时各部分温是表征岩石在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力。因岩石的比热容变化不大,对热扩散率影响较小,所度趋于一致的能力。因岩石的比热容变化不大,对热扩散率影响较小,所以,岩石的热扩散率主要与岩石热导率及密度有关以,岩石的热扩散率主要与
10、岩石热导率及密度有关。岩石热扩散率随岩。岩石热扩散率随岩石含水量的增加而增加,一般在顺岩石层理方向比垂直层理方向要大,具石含水量的增加而增加,一般在顺岩石层理方向比垂直层理方向要大,具有方向性。有方向性。岩石热扩散率岩石热扩散率岩石热扩散率岩石热扩散率.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 生热率(热产率)生热率(热产率)Thermalproductivity单位体积的物体(热源)在单位时间内所产生的热量。单位体积的物体(热源)在单位时间内所产生的热量。岩石热产率(或生热率)系指单位岩石体积内放射性元素衰变所释出岩石热产率(或生热率)系指单位岩石体积内放射性
11、元素衰变所释出的热量。研究表明,热产率可以通过地球中丰度较高且其衰变半周期与地的热量。研究表明,热产率可以通过地球中丰度较高且其衰变半周期与地球年龄相当的放射性同位素的含量来确定,地球中球年龄相当的放射性同位素的含量来确定,地球中U235,U238,Th232,K40符符合这些条件。许多学者通过研究提出了岩石中合这些条件。许多学者通过研究提出了岩石中U、Th、K的含量与热产率的含量与热产率A的关系的关系式中式中表示岩石密度表示岩石密度(kg/m3),CU、CTh、CK分别表示分别表示U(ppm)、Th(ppm)、K(%)的浓度,这里,热产率的浓度,这里,热产率A的单位为的单位为(W/m3)。岩
12、石生热率岩石生热率岩石生热率岩石生热率.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 热传递方式热传递方式热传递方式热传递方式 传导传热传导传热Heatconduction(phononheattransfer)热传导热传导热传导是由物质晶格原子或质子热运动传递热量的形式,这种形式也热传导是由物质晶格原子或质子热运动传递热量的形式,这种形式也称称“声子传热声子传热”,其沿温度梯度方向向外传播。在,其沿温度梯度方向向外传播。在10001000以下,地壳以下,地壳岩石主岩石主要以要以“声子传热声子传热”方式进行热传递。方式
13、进行热传递。热传导传热率为:热传导传热率为:ka=K03/2Vp3p1/2T-5/4其中其中K0为实验常数,为实验常数,为密度,为密度,Vp为纵波速度,为纵波速度,p为压力,为压力,T为温度为温度Rocks are not good conductive media.They are semi-conductors or dielectric media.No free electrons like metals can be engaged to transfer heat.Real process is the particle vibration of the crystal latti
14、ce by heat.岩石热传导传热岩石热传导传热岩石热传导传热岩石热传导传热.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 辐射传热辐射传热热辐射(光子传热)热辐射(光子传热)Heatradiation(photonheattransfer)辐射传热率为辐射传热率为kb=(16/3)(n2/)T3n为折射率,为折射率,为暗度(辐射强度按为暗度(辐射强度按e-z衰减),衰减),是波尔兹曼是波尔兹曼(Boltzmann)常数,常数,T为温度。热辐射是地幔物质主要的传热方式。为温度。热辐射是地幔物质主要的传热方式。As the temperature excesses
15、750,the heat transfers mainly in infrared rays instead conduction,i.e.kbka.岩石热辐射传热岩石热辐射传热岩石热辐射传热岩石热辐射传热.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论岩石热激发传热岩石热激发传热岩石热激发传热岩石热激发传热 热激发热激发热激发热激发(激子传热激子传热)Heatexcitation(excitonheattransfer)In the situation of certain temperature and pressure the atoms of material
16、s in the earth will excite by action of thermal radiation.Since the radiation energy is not enough to produce free electrons,the results of excitation only transfer the heat to unexcited atoms.This mechanism is called heat excitation.热激发传热率为热激发传热率为kc=K0e-E/TK0:常数,常数,E:激发能量,:激发能量,:波尔兹曼(:波尔兹曼(Boltzman
17、n)常数,)常数,T:温度:温度.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论“波波波波”的形式传播热量的形式传播热量的形式传播热量的形式传播热量激子的传热在地球的浅部是微不足道的,但在地表激子的传热在地球的浅部是微不足道的,但在地表100km以下深度,以下深度,它的作用不可忽略,相应的热导率称为它的作用不可忽略,相应的热导率称为“激子热导率激子热导率”。岩石温度越高,。岩石温度越高,其热传导能量就越大,在地幔中激子热导率比上述两种热导率更大。其热传导能量就越大,在地幔中激子热导率比上述两种热导率更大。以以上上三三种种热热传传递递机机制制都都是是以以“波波”的的形形
18、式式传传播播热热量量,在在地地球球内内部部不不同同深度上贡献不一样,通常用统一的形式表示热导率,即深度上贡献不一样,通常用统一的形式表示热导率,即 k=ka+kb+kc.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论热传导方程热传导方程热传导方程热传导方程热传导方程:热传导方程:If the temperature and heat do not change with time,which means they are stable,the equation is If there is no source inside the media,the equation
19、 is.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论热对流传热热对流传热热对流传热热对流传热 对流传热对流传热Heatconvection(热对流热对流)当物质由高温移向低温区内,所携带的热能也随之发生迁移,这就当物质由高温移向低温区内,所携带的热能也随之发生迁移,这就是热对流。在地球内部,这种物质迁移是经常发生的,例如火山活动、是热对流。在地球内部,这种物质迁移是经常发生的,例如火山活动、热水活动、岩浆活动、地幔对流等。热水活动、岩浆活动、地幔对流等。若若液液体体某某部部分分下下方方受受热热,体体积积膨膨胀胀,而而周周围围未未受受热热液液体体将将对对其其产产生生压
20、力,即导致它受到向上的浮力压力,即导致它受到向上的浮力F浮浮g(g:重力,:重力,:体膨胀系数,:体膨胀系数,:温度梯度):温度梯度)向上运动液体同时受到来自液体自身的粘滞阻力向上运动液体同时受到来自液体自身的粘滞阻力F阻阻(:动力粘滞系数,:动力粘滞系数,:热扩散率):热扩散率)两者之比称为瑞雷数(两者之比称为瑞雷数(RayleighNumber):当瑞雷数超过当瑞雷数超过103(临界值)时,将产生对流。(临界值)时,将产生对流。.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论6.26.2地球内部的热源与大地热流地球内部的热源与大地热流地球内部的热源与大地热流地球内
21、部的热源与大地热流 6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 地球内部的热源地球内部的热源地球内部的热源地球内部的热源一般认为地球是由冷尘埃物质聚集而成,原始温度不可能很高。原始一般认为地球是由冷尘埃物质聚集而成,原始温度不可能很高。原始温度决定于地球的堆积条件以及地球形成过程中短寿命放射性元素的含量,温度决定于地球的堆积条件以及地球形成过程中短寿命放射性元素的含量,根据测量,地球表面单位时间单位面积的热流密度平均约为根据测量,地球表面单位时间单位面积的热流密度平均约为1.54.1868102W/m2,则地球的总热流密度每年约为则地球的总热流密度每年约为Q2.4110204.1868J/
22、a地球内部热源地球内部热源地球内部热源地球内部热源.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地面热流密度、地球内部的加温等的能量来源都需要地球内部的能源地面热流密度、地球内部的加温等的能量来源都需要地球内部的能源来解释。目前一致认为,放射性元素衰变所发出的热量是地球内部热源的来解释。目前一致认为,放射性元素衰变所发出的热量是地球内部热源的主要来源。此外,还有其他可能的热源,加重力分异热、潮汐摩擦热、化主要来源。此外,还有其他可能的热源,加重力分异热、潮汐摩擦热、化学反应热等。学反应热等。另一方面,地球还通过火山、地震、温泉以及造山运动等形式从局部另一方面,地球还
23、通过火山、地震、温泉以及造山运动等形式从局部地区间断地释放能量,估计它们的数值比地面总热流密度小,其中地震波地区间断地释放能量,估计它们的数值比地面总热流密度小,其中地震波释放的能量大部分转换成热能消失在地球之内。释放的能量大部分转换成热能消失在地球之内。以下讨论几种可能的热源。以下讨论几种可能的热源。地球内部热源地球内部热源地球内部热源地球内部热源 (续)(续).固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 地球形成时的温度地球形成时的温度在冷尘埃相陨石积聚而成地球的过程中。物质的引力位降低。释放出在冷尘埃相陨石积聚而成地球的过程中。物质的引力位降低。释放出大量的
24、能量,约为大量的能量,约为31032J,其中一部分能量用于加热地球。由于地球收,其中一部分能量用于加热地球。由于地球收缩时,内部压力增高,产生绝热压缩,估计这部分热量仅能使地球温度升缩时,内部压力增高,产生绝热压缩,估计这部分热量仅能使地球温度升高几百度,但总的结果是,所放出的热能不可能使地球熔化。据此认为地高几百度,但总的结果是,所放出的热能不可能使地球熔化。据此认为地球形成时的内部温度不超过球形成时的内部温度不超过1200。地球形成时的温度地球形成时的温度地球形成时的温度地球形成时的温度.固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 放射性元素生热放射性元素生热
25、放射性元素生热是指由放射性元素衰变时所产生的热能。在构成地球放射性元素生热是指由放射性元素衰变时所产生的热能。在构成地球的岩石和矿物中,存在着多种放射性元素,但这些放射性元素并不可能都的岩石和矿物中,存在着多种放射性元素,但这些放射性元素并不可能都成为地球内部的主要热源,其中只有满足以下三个条件的放射性元素才能成为地球内部的主要热源,其中只有满足以下三个条件的放射性元素才能认为是地球内部加热的主要热源,即认为是地球内部加热的主要热源,即放射性元素在构成地球的岩石中具有足够的丰度;放射性元素在构成地球的岩石中具有足够的丰度;放射性元素在衰变时能产生足够多的热量(生热率大);放射性元素在衰变时能产
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