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地热,地球的体温

地热,地球的体温
2022年05月30日 19:32 新浪网 作者 石头科普工作室

  在疫情时期,我们进出人群密集的地方时,总会被一只测温枪拦去了前路,滴一声,就能准确获取我们的体温。有着正常的体温,意味着我们的身体正常产热,不用被拉去检查了。那么地球有体温吗?地球的体温正常吗?今天我们来聊聊地球的体温。

  首先大家应该都已经对地球有着基本的了解了,包括分层与板块构造等。那基本上的规律就是,越往地球深处,地球各层温度也应当是越大的。比如地壳深部温度可达1000℃,到地幔深部可能达到1000-2000℃,最热的就是我们的地核,地核中心甚至高达5000℃及以上。

地球内部分层(来源:地球新观察)

  当然,我们平常测人的体温也不太可能测内部器官的体温,基本上只测皮肤上的温度。对于地球,我们直接测量其内部的温度可能性实在太小,我们能做的,或者我们需要的就是浅层的地温,也就是地壳部分的。就算是测量浅层的地温,我们能够针对稍深部的直接测量手段也是少之又少。目前直接测量地温,只有钻探地地温测量井这一条路,由于目前资金、技术手段等限制,世界上最深的一口井也只打到了约12km左右(前苏联的科拉超深钻孔)。因此稍深部的地温直接测量也是做不到的,但是我们能够通过浅层的地温测量计算地温梯度,这样可以推测深部的温度。但是浅层的地温梯度受限的因素很多,时间影响、气候影响等等,想要实现在世界范围内同时测量可能性等同无,因此选择合适的参数代表地温特性显得非常重要,这个参数就是地热流值(Heat Flux)。

科拉超深钻孔(来源:百度百科)

  大地热流值定义为单位时间内通过地球表面单位面积的热流值。这个参数消除了时间的影响,是目前最能表征地球表面温度的参数,其公式如下:

  q = - 100 Kr (dT/dz)

  其中Kr为岩石导热率,dT/dz 是地温梯度,因此热流值包含了该地的岩石热性特征。利用各地的获取的地温梯度等数据,再结合各地的地质岩性等情况,能够计算各地的热流值,由此合成了地热的数据集。众多科学家研究者利用这些数据集进行了全球的表面地热特征模拟,这就像是在给地球测体温。我们可以看到2010年Davies给出的全球的地温特征结果,热源的分布基本上在新生的洋壳,也就是板块边界。不过由于海洋数据以及两极数据的稀疏性,估计的误差也会偏大。

  全球热流值分布图(Davies et al.,2010)

  偶尔地球也会长青春痘或者发烧,比如火山爆发等。有时,我们会去泡天然温泉,你有想过温泉到底是咋回事吗?其实,这就是地热异常导致的。这是我们今天要聊的第二个话题,地热能。

  2020年,双碳提出后,利用可再生能源替代传统能源成为了社会的共识。这其中,地热能作为主要的可再生能源之一,具有低成本、可持续利用和环保的特性,越来越受到社会的关注。

美国黄石公园间歇泉(来源:搜狐)

  地热资源按照热流体传输、开发模式等可分为地热资源可分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能(增强型地热系统)三种类型(周总瑛等,2015)。这其中干热岩具有能量大、分布广、利用率极高、安全性好、无污染、不需尾水回灌、拥有优质资源的大陆边缘海盆、建发电站效能高用地省、热能稳定持续、发电可控性强、减灾减排效果好等特点,是地热能开发的重要目标。目前比较认同的干热岩定义是一种不含水或蒸气、埋深3-10km、温度为150-650℃的致密热岩体(李德威等,2015)。目前许多地区发现的干热岩,大多数为花岗岩。这样比较:科拉超深钻孔12km深,最高地温也才200℃,而干热岩钻井4km可能就达到了300摄氏度左右。这就是干热岩的温度!

花岗岩(来源:百度)

  干热岩的分布几乎遍布全球,各个大陆地下都有干热岩资源。干热岩开发利用潜力最大的地方还是一些新的火山活动区,或者地壳较薄的地区,这些地区主要位于全球板块或者构造地体的边缘(蔺文静等,2012)。2011年, 中国地质调查局开展了中国陆区干热岩资源潜力评估, 结果显示我国陆区干热岩资源量巨大,分布广泛,可采资源量占比大,具有巨大开发潜力(汪集旸等,2011)。

  2014年国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、松辽盆地、海南等高热流区域进行了干热岩资源地质勘查, 并在青海贵德和共和、山东利津、广东惠州、四川康定等地相继开展干热岩初步钻探(许天福等,2018)。我国的干热岩资源十分丰富,但是干热岩勘查开发还处于初步的阶段,需要进一步的研究。;另外,干热岩的后续开发依然会面临众多的挑战,比如有可能会诱发地震、引发社会影响等,这些都需要更多更深入的研究。中国干热岩开发利用之路还有很长。

干热岩开发系统图(来源:国际新能源网)

  全球的热流值可以应用于地球动力学的研究,推动地球热机制的研究。而局部的地温异常可以作为绿色能源进行开发利用。不得不感叹,我们的地球是个宝!

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