大地熱流

簡稱熱流，地球內部熱能傳輸至地表的一種現象。大地熱流的量值稱大地熱流量，它是地熱場最重要的表徵。在一維穩態條件下，熱流量(q)是岩石熱導率(k)和垂直地溫梯度(dT/dZ)的乘積，即q=k(dT/dZ)。熱流量的單位為微卡（厘米·秒），通稱熱流量單位(HFU)，也有用毫瓦/米表示的，兩者的關係為：1HFU=1微卡/（厘米·秒）=41.86毫瓦/米。

測定熱流量可以歸納為測定參數k和dT/dZ。在大陸地區，地表附近的垂直地溫梯度, 由測量深鑽孔的溫度隨深度增加的變化率來確定；岩石熱導率，通常是選取測段內有代表性的岩心標本在實驗室用熱導儀測定。在海洋地區，因深海（水深大於2000米）水溫在大面積範圍內是均勻的，並且幾乎不隨時間變化，用2～5米的測溫探針插入洋底鬆軟沉積層內，即可測出地溫梯度，沉積物的熱導率由採取到的標本測得。許多情況下熱流量的計算還需考慮正常地溫場的干擾因素，要對地溫梯度進行校正。

大陸熱流量測量始於1939年，海洋熱流量於1952年獲得首批可靠數據。到1975年，全球共獲得熱流量數據5417個，其中海洋的3718個，陸地的1699個。熱流量數據的地理分佈極不均勻。到1981年，熱流量數據有所增加，全球已逾7000個，但其地理分佈不均勻的狀況並無多大改變。中國熱流量測量工作開展較晚，1978年發表了在華北地區獲得的17個數據。近年來，這一工作有所進展,1983年藏南地區測得兩個高熱流值，中國東部地區測得數十個新數據。

對全球熱流量數據和有關資料進行綜合研究和分析，得到了一些很有意義的結果。海、陸熱流量幾近相等。50年代初期，人們曾預期大陸熱流量的平均值比海洋的高得多，因為當時普遍認為地表所測得的熱流量，大部來源於地殼花崗岩質層中放射性元素的衰變，而海洋地殼卻缺失該層。1970年李汯?(W.H.K.Lee)對全球3127個數據的統計表明，q全球=1.47±0.74HFU,q大陸=1.46±0.46,q海洋=1.47±0.79。陸、海熱流量等值的事實，提出了一個很重要的問題：是由於陸殼、海殼之下的上地幔在物質組成或性質存在著差異，還是由於其他原因所致？對此，目前多數學者傾向於用對流模型來解釋，即海、陸之下物質的總放射性元素含量不相等，海洋熱流量的不足部分，由洋殼下的地幔熱對流來提供。

熱流量的分佈與現代地殼運動和構造活動之間呈相關性。按板塊構造學說，高溫熾熱物質在洋脊處上升併產生新洋殼，至海溝處冷卻下來的岩石層(圈)板塊又重新插入地幔軟流層(圈)中而漸趨消亡。因此，熱流量隨著海底年齡的增長和至海脊距離的增大而減小。海底最古老部分是距海脊最遠處，在海溝附近的熱流量值最小。洋脊熱流量平均值為1.90±1.48HFU,海盆為1.27±0.53，海溝為1.16±0.70。現代構造運動劇烈的部分，熱流量變化大，以熱流量的標準偏差值(σ)作圖，發現 σ≥0.5的地方，恰好同板塊邊界相吻合。大陸地區熱流量的分佈同地質構造單元及其年齡之間明確的依存關係，首先由蘇聯的斯米爾諾夫(Я．Б．Смирнов)和波利亞克（П．Г．Поляк）在60年代末期提出。一般而言，愈古老愈穩定的地區，熱流量愈低，反之則高。例如，前寒武紀地盾為0.91±0.02HFU,前寒武紀台坪為1.04±0.05，加里東造山帶為1.11±0.07,海西造山帶為1.24±0.03,中生代褶皺區為1.42±0.06，新生代冒地槽區為1.75±0.06。這是因為一般情況下，愈是古老的地區，大陸地殼分異程度愈高，長期的剝蝕作用使富集於地殼表層放射性的含量日益減小，總的生熱量越來越小，使該地區熱流量降低。斯克萊特(J.G.Sclater)和弗朗謝托(F.Francheteau)則認為，大陸熱流量的高低，不僅取決於其所屬的地質構造單元及其年齡，而且同該構造單元所經歷的最後一次構造運動或熱事件的時間有密切的關係。因之，根據一個地區所屬的大地構造單元以及該區的地質發展歷史，可以大致推斷出這個區域應具有的大地熱流量。查普曼(D.S.Chapman)和波拉克(H.N.pollack)正是根據上述研究結果，以70年代中期得到的熱流數據為基礎，對一些沒有實測數據的地區進行預測，通過12階球諧分析，得到了全球熱流量分布圖。

熱流量和近地表岩石的生熱率呈線性關係，即

q =q0+DA，這個經驗公式於60年代末期首先為羅伊（R.F. Roy）和伯奇（F.Birch）等人發現，它對研究地殼和上地幔的熱結構有重要作用。上式中，q及A分別為某個地區的地表熱流量和地表岩石的生熱率；直線截距q0及其斜率D均為常數，分別具有熱流量和厚度的量綱；DA為地殼表層放射性元素集中層提供的熱流量;q0為來自該層之下和上地幔的熱流量，稱為深部熱流量或地幔熱流量。上式說明，同一地質構造單元以具有相同的q0值和 D值為特徵，就意味著區內來自深部的地幔熱流各處相等，並具有統一的地質和地球物理過程。世界幾處古老而穩定的前寒武紀地盾，如加拿大地盾、澳大利亞地盾和波羅的地盾，q0=0.70 HFU，D=6.3 km；美國中、東部的北美陸台，q0=0.80，D=7.5；構造活動區，如美國盆地山脈新生代構造活動區,q0=1.4，D=9.4；美國西部內華達山區q0=0.4，D=10。上述資料說明，地質上古老而穩定的地區，同地幔熱流量低值相聯繫；構造活動區之下，則存在一股強大的來自地殼下部和上地幔的熱流，而內華達山區的q0值很低，則是一種特殊情況。目前多數學者把該區很低的地幔熱流量歸因於該區之下存在著一個可視為冷源的古老岩石層(圈)板塊所致。至於D值的大小，除地盾區之外，其他地區的D值變化不大，一般在10公里左右；說明各區地殼上部放射性元素集中層的厚度沒有多大變化。一個地區的深部熱狀況主要取決於q0值的大小，為此，羅伊(R.F.Roy)等人建議，劃分具有不同地殼熱結構的熱流量區，主要依據q0值。把熱流量和放射性元素生熱量兩種因素結合起來研究，為了解地殼和上地幔的溫度變化提供了一種合理的研究方向。而對地球內部溫度的了解，有助於對各種地質作用和地球物理作用的更深刻的理解。

熱流量和岩石層（圈）厚度有關聯。波拉克和查普曼於70年代中期根據地表熱流量數據和岩石高溫高壓的實驗結果，提出了確定岩石層（圈）厚度的方法及其所得的結果。這對於研究熱流量同地殼深部溫度、上地幔低速層的埋藏深度、岩石層（圈）的厚度和區域構造活動性之間的聯繫有著重要意義。確定岩石層（圈）厚度的方法是：給定不同熱流量，分別對大陸和海洋地區作出溫度隨深度變化的曲線，其中大陸地區採用一維穩態傳導模型計算，海洋地區採用非穩態傳導模型計算。地溫曲線同上地幔岩固相線之交點，即為上地幔物質開始熔融的深度，也即上覆剛性不熔岩石層(圈)的厚度。考慮到地球內部的實際情況，波洛克等取少量含水的地幔岩固相線作為確定岩石層（圈）厚度的依據。從所得結果來看，海洋地區的地溫曲線簇普遍高於大陸。例如，地表熱流量為40毫瓦/米2，於150公里深處，海洋與大陸地區的溫差可達 230℃。大陸地區地溫曲線在地殼淺部幾作直線變化，這是由於地殼淺部放射性元素含量較高所致。所有海洋的地溫曲線均與地幔岩固相線相交，但大陸地區地表熱流量小於45毫瓦/米2的地溫曲線則與之不相交，這表明以低熱流為特徵的古老地盾區，上地幔低速層埋藏很深或不發育。據上述研究結果，可以得到大陸和海洋地區不同熱流量相對應的岩石層（圈）厚度，在此基礎上，依據全球熱流量圖，可以計算全球岩石層（圈）的厚度。總的來看，從熱流量推求而得的岩石層（圈）厚度，同從地震波研究所得的上地幔低速層的埋藏深度，即岩石層（圈）的厚度，是相符的。例如大洋中脊和大陸上的構造活動區，岩石層(圈)厚度最薄，僅數十公里，構造穩定區普遍大於100公里，而古老的地盾區則達300公里或更大。

W.H.K.Lee, On the Global Variations of Terrestrial Heat Flow,Phys. Earth Planet Interiors,Vol.2,pp.232～341,1970. 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. 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.