关于大地热流介绍

[拼音]：dadi reliu

[外文]：terrestrial heat flow

简称热流，地球内部热能传输至地表的一种现象。大地热流的量值称大地热流量，它是地热场最重要的表征。在一维稳态条件下，热流量(q)是岩石热导率(k)和垂直地温梯度(dT/dZ)的乘积，即q=k(dT/dZ)。热流量的单位为微卡（厘米2·秒），通称热流量单位(HFU)，也有用毫瓦/米2表示的，两者的关系为：1HFU=1微卡/（厘米2·秒）＝41.86毫瓦／米2。

测定热流量可以归纳为测定参数k和dT/dZ。在大陆地区，地表附近的垂直地温梯度， 由测量深钻孔的温度随深度增加的变化率来确定；岩石热导率，通常是选取测段内有代表性的岩心标本在实验室用热导仪测定。在海洋地区，因深海（水深大于2000米）水温在大面积范围内是均匀的，并且几乎不随时间变化，用2～5米的测温探针插入洋底松软沉积层内，即可测出地温梯度，沉积物的热导率由采取到的标本测得。许多情况下热流量的计算还需考虑正常地温场的干扰因素，要对地温梯度进行校正。

大陆热流量测量始于1939年，海洋热流量于1952年获得首批可靠数据。到1975年，全球共获得热流量数据5417个，其中海洋的3718个，陆地的1699个。热流量数据的地理分布极不均匀。到1981年，热流量数据有所增加，全球已逾7000个，但其地理分布不均匀的状况并无多大改变。中国热流量测量工作开展较晚，1978年发表了在华北地区获得的17个数据。近年来，这一工作有所进展，1983年藏南地区测得两个高热流值，中国东部地区测得数十个新数据。

对全球热流量数据和有关资料进行综合研究和分析，得到了一些很有意义的结果。

海、陆热流量几近相等。50年代初期，人们曾预期大陆热流量的平均值比海洋的高得多，因为当时普遍认为地表所测得的热流量，大部来源于地壳花岗岩质层中放射性元素的衰变，而海洋地壳却缺失该层。1970年李汯(W.H.K.Lee)对全球3127个数据的统计表明，q全球=1.47±0.74HFU，q大陆=1.46±0.46，q海洋=1.47±0.79。陆、海热流量等值的事实，提出了一个很重要的问题：是由于陆壳、海壳之下的上地幔在物质组成或性质存在着差异，还是由于其他原因所致？对此，目前多数学者倾向于用对流模型来解释，即海、陆之下物质的总放射性元素含量不相等，海洋热流量的不足部分，由洋壳下的地幔热对流来提供。

热流量的分布与现代地壳运动和构造活动之间呈相关性。按板块构造学说，高温炽热物质在洋脊处上升并产生新洋壳，至海沟处冷却下来的岩石层(圈)板块又重新插入地幔软流层(圈)中而渐趋消亡。因此，热流量随着海底年龄的增长和至海脊距离的增大而减小。海底最古老部分是距海脊最远处，在海沟附近的热流量值最小。洋脊热流量平均值为1.90±1.48HFU，海盆为1.27±0.53，海沟为1.16±0.70。现代构造运动剧烈的部分，热流量变化大，以热流量的标准偏差值(σ)作图，发现 σ≥0.5的地方，恰好同板块边界相吻合。大陆地区热流量的分布同地质构造单元及其年龄之间明确的依存关系，首先由苏联的斯米尔诺夫(Я．Б．Смирнов)和波利亚克（П．Г．Поляк）在60年代末期提出。一般而言，愈古老愈稳定的地区，热流量愈低，反之则高。例如，前寒武纪地盾为0.91±0.02HFU，前寒武纪台坪为1.04±0.05，加里东造山带为1.11±0.07，海西造山带为1.24±0.03，中生代褶皱区为1.42±0.06，新生代冒地槽区为1.75±0.06。这是因为一般情况下，愈是古老的地区，大陆地壳分异程度愈高，长期的剥蚀作用使富集于地壳表层放射性的含量日益减小，总的生热量越来越小，使该地区热流量降低。斯克莱特(J.G.Sclater)和弗朗谢托(F.Francheteau)则认为，大陆热流量的高低，不仅取决于其所属的地质构造单元及其年龄，而且同该构造单元所经历的最后一次构造运动或热事件的时间有密切的关系。因之，根据一个地区所属的大地构造单元以及该区的地质发展历史，可以大致推断出这个区域应具有的大地热流量。查普曼(D.S.Chapman)和波拉克(H.N.Pollack)正是根据上述研究结果，以70年代中期得到的热流数据为基础，对一些没有实测数据的地区进行预测，通过12阶球谐分析，得到了全球热流量分布图（见图）。

热流量和近地表岩石的生热率呈线性关系，即

q =q0+DA，

这个经验公式于60年代末期首先为罗伊（R.F. Roy）和伯奇（F.Birch）等人发现，它对研究地壳和上地幔的热结构有重要作用。上式中，q及A分别为某个地区的地表热流量和地表岩石的生热率;直线截距q0及其斜率D均为常数，分别具有热流量和厚度的量纲；DA为地壳表层放射性元素集中层提供的热流量;q0为来自该层之下和上地幔的热流量，称为深部热流量或地幔热流量。上式说明，同一地质构造单元以具有相同的q0值和 D值为特征，就意味着区内来自深部的地幔热流各处相等，并具有统一的地质和地球物理过程。世界几处古老而稳定的前寒武纪地盾，如加拿大地盾、澳大利亚地盾和波罗的地盾，q0＝0.70 HFU，D＝6.3 km；美国中、东部的北美陆台，q0＝0.80，D＝7.5；构造活动区，如美国盆地山脉新生代构造活动区，q0＝1.4，D＝9.4；美国西部内华达山区q0=0.4，D=10。上述资料说明，地质上古老而稳定的地区，同地幔热流量低值相联系；构造活动区之下，则存在一股强大的来自地壳下部和上地幔的热流，而内华达山区的q0值很低，则是一种特殊情况。目前多数学者把该区很低的地幔热流量归因于该区之下存在着一个可视为冷源的古老岩石层(圈)板块所致。至于D值的大小，除地盾区之外，其他地区的D值变化不大，一般在10公里左右；说明各区地壳上部放射性元素集中层的厚度没有多大变化。一个地区的深部热状况主要取决于q0值的大小，为此，罗伊(R.F.Roy)等人建议，划分具有不同地壳热结构的热流量区，主要依据q0值。把热流量和放射性元素生热量两种因素结合起来研究，为了解地壳和上地幔的温度变化提供了一种合理的研究方向。而对地球内部温度的了解，有助于对各种地质作用和地球物理作用的更深刻的理解。

热流量和岩石层（圈）厚度有关联。波拉克和查普曼于70年代中期根据地表热流量数据和岩石高温高压的实验结果，提出了确定岩石层（圈）厚度的方法及其所得的结果。这对于研究热流量同地壳深部温度、上地幔低速层的埋藏深度、岩石层（圈）的厚度和区域构造活动性之间的联系有着重要意义。确定岩石层（圈）厚度的方法是：给定不同热流量，分别对大陆和海洋地区作出温度随深度变化的曲线，其中大陆地区采用一维稳态传导模型计算，海洋地区采用非稳态传导模型计算。地温曲线同上地幔岩固相线之交点，即为上地幔物质开始熔融的深度，也即上覆刚性不熔岩石层(圈)的厚度。考虑到地球内部的实际情况，波洛克等取少量含水的地幔岩固相线作为确定岩石层（圈）厚度的依据。从所得结果来看，海洋地区的地温曲线簇普遍高于大陆。例如，地表热流量为40毫瓦／米2，于150公里深处，海洋与大陆地区的温差可达 230℃。大陆地区地温曲线在地壳浅部几作直线变化，这是由于地壳浅部放射性元素含量较高所致。所有海洋的地温曲线均与地幔岩固相线相交，但大陆地区地表热流量小于45毫瓦/米2的地温曲线则与之不相交，这表明以低热流为特征的古老地盾区，上地幔低速层埋藏很深或不发育。据上述研究结果，可以得到大陆和海洋地区不同热流量相对应的岩石层（圈）厚度，在此基础上，依据全球热流量图，可以计算全球岩石层（圈）的厚度。总的来看，从热流量推求而得的岩石层（圈）厚度，同从地震波研究所得的上地幔低速层的埋藏深度，即岩石层（圈）的厚度，是相符的。例如大洋中脊和大陆上的构造活动区，岩石层(圈)厚度最薄，仅数十公里，构造稳定区普遍大于100公里，而古老的地盾区则达300公里或更大。

参考书目

1. W.H.K.Lee， On the Global Variations of Terrestrial Heat Flow，Phys. Earth Planet Interiors，Vol.2，pp.232～341，1970.
2. R.F.Roy，D.D.Blackwell and F.Birch， Heat Generation of Plutonic Rocks and Continental Heat Flow Provinces，Earth Planet Sci. Letters，Vol.5，pp.1～12，1968.
3. H. N. Pollack and D.S.Chapman， On the Regional Variation of Heat Flow，Geotherms and Lithospheric Thickness，Tectonophysics，Vol.38， pp.277～296，1977.