增温级为20m/℃,北京房山为50m/℃。地热增温级的平均数值是33m/℃C。 地热增温级的倒数叫地热梯度,即每深100m所增加的温度,单位是℃/100m 地热梯度的平均数值是3c/100m。 地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈(图1-7)。据地球物理资 料推断,整个地球的平均温度约为2000℃。 地壳地慢外核内核 4000 温 唐2000 100 深度〔k 图1-7地球内部推測温度分布曲线 地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的,如铀(U238,U235)、钍 (Th23)、钾(K40)等(表1-2)。这些放射性元素衰变析出的总热能值 现有各种不同的估计,根据侯德封等1973年资料,至少为2.14×1021J/a 此外,也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球 旋转能等转换而来的。还有人认为地热是地球形成时残余下来的,这就是所 谓“残余热说”。 表1-2各类岩石放射性元素含量(1/106)及生热率 放射性元素含量 平均总生热率 铀(U)钍(Th)钾(K) 4.2× 4.2 沉积岩 5.00 200001557.64 49.40 花岗岩 4.75 18.50 37900 3424.80 108.02 玄武岩 2.7 8400 502.42 5.89 橄榄岩 0.015 0.05 地球内的热能可以通过不同形式进行释放,如火山喷发、热水活动以及 构造运动等都是消耗地热的形式。但地热释放最经常和持续的形式是地球内 部热能从地球深部向地表的传输,这种现象称为大地热流。地球通过大地热 流放热的现象是十分普遍的,只是单位面积(1cm2)的放热量很小,平均每 秒钟只有6.15×10-6J。热流量的单位为4.1868×10-6J/cm2·s,通称地热 流量单位(HFU)。虽然地表单位面积的每秒热流量很小,但整个地球表面 在一年中的放热总量可以达到963×1020-1.09×1021J,这个数字相当于燃 烧300多亿吨煤放出的热量。可见地球本身是一个庞大的热库。地热流量或 地热流值(Q)的计算公式是岩石导热率(K)和垂直地热梯度(dT/dZ)的
增温级为 20m/℃，北京房山为 50m/℃。地热增温级的平均数值是 33m/℃。 地热增温级的倒数叫地热梯度，即每深 100m 所增加的温度，单位是℃/100m。 地热梯度的平均数值是 3℃/100m。 地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈（图 1-7）。据地球物理资 料推断，整个地球的平均温度约为 2000℃。 地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的，如铀（U238，U235）、钍 （Th232）、钾（K40）等（表 1-2）。这些放射性元素衰变析出的总热能值， 现有各种不同的估计，根据侯德封等 1973 年资料，至少为 2.14×1021J/a。 此外，也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球 旋转能等转换而来的。还有人认为地热是地球形成时残余下来的，这就是所 谓“残余热说”。 表 1—2 各类岩石放射性元素含量（1/106）及生热率 岩类 放射性元素含量 平均总生热率 铀（ U ） 钍（ Th ） 钾（ K ） 4.2 × 10 -8J/ga 4.2 × 10 -8J/ga 沉积岩 3.00 5.00 20000 1557.64 49.40 花岗岩 4.75 18.50 37900 3424.80 108.02 玄武岩 0.60 2.7 8400 502.42 5.89 橄榄岩 0.015 0.05 63 9.46 0.30 地球内的热能可以通过不同形式进行释放，如火山喷发、热水活动以及 构造运动等都是消耗地热的形式。但地热释放最经常和持续的形式是地球内 部热能从地球深部向地表的传输，这种现象称为大地热流。地球通过大地热 流放热的现象是十分普遍的，只是单位面积（1cm2）的放热量很小，平均每 秒钟只有 6.15×10-6J。热流量的单位为 4.1868×10-6J/cm2·s，通称地热 流量单位（HFU）。虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面 在一年中的放热总量可以达到 9.63×1020-1.09×1021J，这个数字相当于燃 烧 300 多亿吨煤放出的热量。可见地球本身是一个庞大的热库。地热流量或 地热流值（Q）的计算公式是岩石导热率（K）和垂直地热梯度（dT/dZ）的
乘积,即Q=K(dT/dZ),式中T代表温度,Z代表深度。一般是在室内测定 岩心标本的导热率,在钻井中测量地热梯度,两个数值相乘,即得出地热流 值。但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难,例如岩心标本离开它原来 的位置,其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化,有时岩心发 生破裂,或者岩心取自松散岩层,凡此等等,都会使测量的数值产生很大误 差。近年来研究成功一种地热流原位测定的仪器,特别适用于测量海底淤积 层的导热率,大大推动了海洋地热流测定进度。到20世纪80年代末,全球 地热值已测得1万多个,其中有2/3的数值是测自海洋。对全球热流量的研 究得到一些有意义的结果 (1)近年对全球地热流值的统计数字表明:全球平均地热流值为1.47 ±0.74HFU,大陆平均地热流值为1.46±0.46HU,海洋为1.47±0.79HFU, 大陆和海洋平均地热流值几乎相等。 (2)但地热流值的分布却具有明显的时空差异。以海洋而论,在洋中 脊最高,为1.90±1.48HU,海盆地区为1.27±0.53HFU,而距离洋中脊最 远的海沟其平均值最低,只有1.16±0.70HFU (3)从岩石的新老或大地构造活动阶段来看,从古到新,地热流值表 现为由低到高的趋向。如最古老的前寒纪地块为0.91±0.02HFU,早古生代 加里东褶皱带为1.11±0.07HU,晚古生代海西褶皱带为1.24±0.03HFU, 中生代褶皱带为1.42±0.06HU,新生代喜马拉雅褶皱带为1.75±0.06HFU (4)研究还表明,地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄,则地热 流值越大;反之,则越小。因此根据地热流值的大小可以推算岀岩石圈的厚 度,其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。 地热流所带出的热能是很分散的,目前只有在一定地质条件下富集起来 的地热能,才能当作资源看待。在大陆地区,地热流值大于2HFU,一般被认 为是具有良好地热资源的地区。大陆地热资源分布很不均匀,上面所述中生 代褶皱带(相当于环太平洋带)、新生代喜马拉雅褶皱带(相当于地中海- 喜马拉雅带)是两条著名的地热带,也是地球上著名的地震带和火山活动 带。在这样的地带有很多地方的地热流值或地热梯度高于平均值,这种地方 称为地热异常区。在地热异常区,地热传导给地下水,使之变成热水或蒸汽, 然后再沿断层或裂隙上升到地表,这样就会形成温泉、热泉、沸泉或者喷汽 孔、冒汽地面等,有时还会形成热水湖。所有这些现象都称之为地热活动的 地表显示。凡是具有地热的地表显示或地热异常现象的地区,叫地热田。但 热水的形成必须具备热源、水源、储集层和盖层等条件(图1-8 我国东部沿海地区(包括台湾在内)和西南地区西藏、云南等地,正好 分别位于世界的两条地热带范畴内,所以地热资源很丰富,目前我国已发现 热泉点2800多处(西藏地区未计入内)。据近年科学考察,西藏全区的水 热活动区不下600处。其中拉萨西北羊八井热汽井,钻井深只30m,而温度 达130℃的热水汽喷高30多m,是大型地热田之一。热泉、温泉之外,也可
乘积，即 Q=K（dT/dZ），式中 T 代表温度，Z 代表深度。一般是在室内测定 岩心标本的导热率，在钻井中测量地热梯度，两个数值相乘，即得出地热流 值。但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难，例如岩心标本离开它原来 的位置，其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化，有时岩心发 生破裂，或者岩心取自松散岩层，凡此等等，都会使测量的数值产生很大误 差。近年来研究成功一种地热流原位测定的仪器，特别适用于测量海底淤积 层的导热率，大大推动了海洋地热流测定进度。到 20 世纪 80 年代末，全球 地热值已测得 1 万多个，其中有 2/3 的数值是测自海洋。对全球热流量的研 究得到一些有意义的结果： （1）近年对全球地热流值的统计数字表明：全球平均地热流值为 1.47 ±0.74HFU，大陆平均地热流值为 1.46±0.46HFU，海洋为 1.47±0.79HFU， 大陆和海洋平均地热流值几乎相等。 （2）但地热流值的分布却具有明显的时空差异。以海洋而论，在洋中 脊最高，为 1.90±1.48HFU，海盆地区为 1.27±0.53HFU，而距离洋中脊最 远的海沟其平均值最低，只有 1.16±0.70HFU。 （3）从岩石的新老或大地构造活动阶段来看，从古到新，地热流值表 现为由低到高的趋向。如最古老的前寒纪地块为 0.91±0.02HFU，早古生代 加里东褶皱带为 1.11±0.07HFU，晚古生代海西褶皱带为 1.24±0.03HFU， 中生代褶皱带为 1.42±0.06HFU，新生代喜马拉雅褶皱带为 1.75±0.06HFU。 （4）研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄，则地热 流值越大；反之，则越小。因此根据地热流值的大小可以推算出岩石圈的厚 度，其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。 地热流所带出的热能是很分散的，目前只有在一定地质条件下富集起来 的地热能，才能当作资源看待。在大陆地区，地热流值大于 2HFU，一般被认 为是具有良好地热资源的地区。大陆地热资源分布很不均匀，上面所述中生 代褶皱带（相当于环太平洋带）、新生代喜马拉雅褶皱带（相当于地中海- 喜马拉雅带）是两条著名的地热带，也是地球上著名的地震带和火山活动 带。在这样的地带有很多地方的地热流值或地热梯度高于平均值，这种地方 称为地热异常区。在地热异常区，地热传导给地下水，使之变成热水或蒸汽， 然后再沿断层或裂隙上升到地表，这样就会形成温泉、热泉、沸泉或者喷汽 孔、冒汽地面等，有时还会形成热水湖。所有这些现象都称之为地热活动的 地表显示。凡是具有地热的地表显示或地热异常现象的地区，叫地热田。但 热水的形成必须具备热源、水源、储集层和盖层等条件（图 1-8）。 我国东部沿海地区（包括台湾在内）和西南地区西藏、云南等地，正好 分别位于世界的两条地热带范畴内，所以地热资源很丰富，目前我国已发现 热泉点 2800 多处（西藏地区未计入内）。据近年科学考察，西藏全区的水 热活动区不下 600 处。其中拉萨西北羊八井热汽井，钻井深只 30m，而温度 达 130℃的热水汽喷高 30 多 m，是大型地热田之一。热泉、温泉之外，也可
以通过钻井把地下一二千米以内的热水抽到地面上来,加以利用。热水除直 接利用外,还可用以建立地热发电站。70年代以来,我国已在广东丰顺、河 北怀来以及湖南、山东、江西、辽宁等省建成小型地热发电站。在西藏羊八 井还建立了第一座直接利用地热汽发电的地热试验站。 目前全世界对地热的利用还主要限于地表和地下热水方面,但近年已注 意到如何进行“高温岩体”的利用问题。如日本正在进行开发高温岩体热能 试验。其方法是在岩浆岩体上开凿一破碎井(或利用废井),在井下采取措 施,使下面岩体产生龟裂,然后注水到地下岩体龟裂处,同时在地面另凿 生产井,提取利用基岩热产生出来的蒸汽,推动涡轮机发电。1992年在山形 县挖掘了一口深2200m的实验井,成功地进行了第二次制造龟裂的实验,并 准备继续进行破碎井与生产井之间水汽通过连续循环实验。据认为如果能开 发4000m以下岩体热能,则仅日本的这项可以利用发电的能源资源即可达到 4亿kw以上。由此说明,地热资源的开发利用,蕴育着无限广阔的前景
以通过钻井把地下一二千米以内的热水抽到地面上来，加以利用。热水除直 接利用外，还可用以建立地热发电站。70 年代以来，我国已在广东丰顺、河 北怀来以及湖南、山东、江西、辽宁等省建成小型地热发电站。在西藏羊八 井还建立了第一座直接利用地热汽发电的地热试验站。 目前全世界对地热的利用还主要限于地表和地下热水方面，但近年已注 意到如何进行“高温岩体”的利用问题。如日本正在进行开发高温岩体热能 试验。其方法是在岩浆岩体上开凿一破碎井（或利用废井），在井下采取措 施，使下面岩体产生龟裂，然后注水到地下岩体龟裂处，同时在地面另凿一 生产井，提取利用基岩热产生出来的蒸汽，推动涡轮机发电。1992 年在山形 县挖掘了一口深 2200m 的实验井，成功地进行了第二次制造龟裂的实验，并 准备继续进行破碎井与生产井之间水汽通过连续循环实验。据认为如果能开 发 4000m 以下岩体热能，则仅日本的这项可以利用发电的能源资源即可达到 4 亿 kw 以上。由此说明，地热资源的开发利用，蕴育着无限广阔的前景
第二节地球的结构 地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层 可以分成内部圈层与外部圈层,即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气 圈、水圈和生物圈,内三圈包括地壳、地幔和地核(表1-3)。 表1-3地球各圈层质量 圈层 质量(t) 占地球总质量% 大气圈 5×1015 0.00009 水圈 1.41×1018 0.024 生物圈 大气圈质量的1/300 地壳 5×1019 0.8 地幔 1.88×1021 、地球的外部圈层 )大气圈 从地表(包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体)到16000km高空都存 在气体或基本粒子,总质量达5×1015t,占地球总质量的0.0000%。主要 成分氮占78%;氧占21%;其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等, 占1%。地球的表面为什么形成大气圈,这是与地球的形成和演化分不开的。 地球在其形成和演化的过程中,总是要分异出一些较轻的物质,轻的物质上 升,积少成多形成大气圈。我国古代也有这样的话:“混沌初开,乾坤始奠, 轻清者上升为天,重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升 的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中,其主要原因是地球的引力 把大气物质给拉住了,形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度 是11.2km/s,尽管气体物质很轻,其运动速度也很快,如氧分子的运动速度 是0.5km/s,氢分子的运动速度是2km/s,但这种速度并不能使气体物质脱 离地球的引力场。只有一部分氢和氦,在宇宙射线作用下可以被激发,产生 很高的速度而跑掉一些。所以,大气圈中氧和其它气体的成分就相对增加 了 在太阳系中的其他星球,如月球、水星、火星等,则不同于地球的情况 月球的表面重力只有地球重力的1/6,物质脱离月球的速度为2.38km/s。所 以月球上分异出的气体物质,很容易脱离月球,使月球不可能形成大气圈 水星离我们地球最近,其表面重力是地球的1/3,脱离速度是4.2km/s,气 体比较容易跑掉,所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的 引力差不多,但火星的表面温度较低,气体分子运动的速度相对比较慢,所
第二节 地球的结构 地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层 可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气 圈、水圈和生物圈，内三圈包括地壳、地幔和地核（表 1-3）。 表 1-3 地球各圈层质量 圈 层 质 量（ t ） 占地球总质量％ 大气圈 5 × 10 15 0.00009 水 圈 1.41 × 10 18 0.024 生物圈 大气圈质量的 1/300 地 壳 5 × 10 19 0.8 地 幔 4.05 × 10 21 67.8 地 核 1.88 × 10 21 31.5 一、地球的外部圈层 （一）大气圈 从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到 16000km 高空都存 在气体或基本粒子，总质量达 5×1015t，占地球总质量的 0.00009％。主要 成分氮占 78％；氧占 21％；其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等， 占 1％。地球的表面为什么形成大气圈，这是与地球的形成和演化分不开的。 地球在其形成和演化的过程中，总是要分异出一些较轻的物质，轻的物质上 升，积少成多形成大气圈。我国古代也有这样的话：“混沌初开，乾坤始奠， 轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升 的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中，其主要原因是地球的引力 把大气物质给拉住了，形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度 是 11.2km/s，尽管气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度 是 0.5km/s，氢分子的运动速度是 2km/s，但这种速度并不能使气体物质脱 离地球的引力场。只有一部分氢和氦，在宇宙射线作用下可以被激发，产生 很高的速度而跑掉一些。所以，大气圈中氧和其它气体的成分就相对增加 了。 在太阳系中的其他星球，如月球、水星、火星等，则不同于地球的情况。 月球的表面重力只有地球重力的 1/6，物质脱离月球的速度为 2.38km/s。所 以月球上分异出的气体物质，很容易脱离月球，使月球不可能形成大气圈。 水星离我们地球最近，其表面重力是地球的 1/3，脱离速度是 4.2km/s，气 体比较容易跑掉，所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的 引力差不多，但火星的表面温度较低，气体分子运动的速度相对比较慢，所
以火星的四周还可以保存一部分大气物质,但比起地球来,气体是非常稀薄 的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多,因此在这 些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些 行星的引力大,连氢、氦这些轻气体分子都能被吸引住,所以这些星球上的 气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似,也存 在有大气圈,但金星上没有植物进行光合作用,所以二氧化碳的含量很大。 这样的条件也不适于生物的发展与生存。 地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到 百分之几十,大约在3亿年前,由于植物大规模繁盛,才演化成接近现今的 大气成分,目前大气中的二氧化碳只有万分之46。大约在1亿年前,大气 的温度才接近现今的温度。从地史发展来看,二氧化碳的多少是影响地表温 度的一个重要因素。若二氧化碳增多,地球的温度将会增高。根据有关资料, 自工业革命以来,二氧化碳的含量已增加13%,因此人们推测地球的大气温 度将会越来越高。 大气圈是地球的重要组成部分,并有重要的作用 (1)大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素 (2)大气可以保护生物的生长,使其避免受到宇宙射线的危害。 (3)防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失,如若没有大气 圈,地球上将不会存在水分。 (4)一切天气的变化,如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。 (5)大气是地质作用的重要因素 (6)大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染,大气环 境的质量直接关系着人类健康。 (二)水圈 水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊、冰 川、地下水等,形成一个连续而不规则的圈层。水圈的质量为1.41×1018t 占地球总质量0.024%,比大气圈的质量大得多,但与其他圈层相比,还是 相当的小。其中海水占97.2%,陆地水(包括江河、湖泊、冰川、地下水 只占2.8%;而在陆地水中冰川占水圈总质量的2.2%,所以其他陆地水所 占比重是很微小的。此外,水分在大气中有一部分;在生物体内有一部分 生物体的3/4是由水组成的;在地下的岩石与土壤中也有一部分。可见,水 圈是独立存在的,但又是和其他圈层互相渗透的。 地球上有水,这好像是很平常的现象,与其它星球相比,则显得特殊了。 如,月球、水星、金星上都没有水。金星的表面温度较高,水都变成蒸汽跑 掉了。火星上的水不少于地球,但火星上的水几乎都是以冰的形式存在的。 火星以外的行星表面温度更低,难于存在液态水,如土星光环,据查明是由 冰块组成的。 大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一,但它的重要意义是不
以火星的四周还可以保存一部分大气物质，但比起地球来，气体是非常稀薄 的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，因此在这 些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些 行星的引力大，连氢、氦这些轻气体分子都能被吸引住，所以这些星球上的 气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存 在有大气圈，但金星上没有植物进行光合作用，所以二氧化碳的含量很大。 这样的条件也不适于生物的发展与生存。 地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到 百分之几十，大约在 3 亿年前，由于植物大规模繁盛，才演化成接近现今的 大气成分，目前大气中的二氧化碳只有万分之 4.6。大约在 1 亿年前，大气 的温度才接近现今的温度。从地史发展来看，二氧化碳的多少是影响地表温 度的一个重要因素。若二氧化碳增多，地球的温度将会增高。根据有关资料， 自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加 13％，因此人们推测地球的大气温 度将会越来越高。 大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用： （1）大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。 （2）大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害。 （3）防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气 圈，地球上将不会存在水分。 （4）一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。 （5）大气是地质作用的重要因素。 （6）大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染，大气环 境的质量直接关系着人类健康。 （二）水圈 水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊、冰 川、地下水等，形成一个连续而不规则的圈层。水圈的质量为 1.41×1018t， 占地球总质量 0.024％，比大气圈的质量大得多，但与其他圈层相比，还是 相当的小。其中海水占 97.2％，陆地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水） 只占 2.8％；而在陆地水中冰川占水圈总质量的 2.2％，所以其他陆地水所 占比重是很微小的。此外，水分在大气中有一部分；在生物体内有一部分， 生物体的 3/4 是由水组成的；在地下的岩石与土壤中也有一部分。可见，水 圈是独立存在的，但又是和其他圈层互相渗透的。 地球上有水，这好像是很平常的现象，与其它星球相比，则显得特殊了。 如，月球、水星、金星上都没有水。金星的表面温度较高，水都变成蒸汽跑 掉了。火星上的水不少于地球，但火星上的水几乎都是以冰的形式存在的。 火星以外的行星表面温度更低，难于存在液态水，如土星光环，据查明是由 冰块组成的。 大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一，但它的重要意义是不