固体地球物理学导论(6).ppt

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1、第六章地热场与地球的热状态热场概念与岩石热物理特征地球内部的热源与大地热流地球内部的温度分布地球的热历史第六章Theearthisawarmplanet.Theheatonthesurfaceoftheearthcomesfromtheradiationofthesunlightandthediffusionoftheinternalheatoftheearth.Theheatfromthelatterisfarlessthanthatfromthesun,theirratioisabout1:1000.Intheearth,however,theheatmainlycome

2、sfromtheinneroftheearthduetopoorthermalconductivitiesofrocks.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，两者之比约为1000:1。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的导热性很差。温暖的地球第六章6.1热场概念与岩石热物理特征6.1.1地热场与热流密度概念⑴地热场地球的地热场(或温度场)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，而且还随时间变化。我们把地温度场内某

3、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。⑵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与其它形式的能量互相转化。如某系统(或物体)所吸收的热量(Q)，等于该系统(或物体)对外界所做的功(W)与系统(或物体)内能的改变或转化量之和。地热场与热量第六章⑶热流密度热流密度被定义为在单位时间内流过单位面积的热量，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。根据稳定热传导原理

4、，它等于岩石热导率与相应地温梯度的乘积。热流密度第六章6.1.2岩石热物理性质⑴（岩石）热导率（Thermalconductivity）k(W/m2)k:W/(mºK).Orq=-k▽THereqisthethermalflux,Tisthetemperature.Generallythethermalconductivitykdecreaseswiththeincrementofthetemperature.岩石热导率第六章⑵(岩石)比热容HeatcapabilityCp——热比（容）Cpisthethermalenergywhichunitmassobtainsasits

5、temperatureincreasesonedegree(ºK)比热容(Cp)是表征岩石存储热的能力，其物理意义是：单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量。其表达式为Cp=Q/(MΔT)岩石的比热容第六章⑶热扩散率（Thermaldiffusivity）=k/(ρCp)式中ρ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。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，具有方向性。岩石热扩散率第六章⑷生热率（热产率）Th

6、ermalproductivity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U235,U238,Th232,K40符合这些条件。许多学者通过研究提出了岩石中U、Th、K的含量与热产率A的关系式中ρ表示岩石密度(kg/m3)，CU、CTh、CK分别表示U(ppm)、Th(ppm)、K(%)的浓度，这里，热产率A的单位为(µW/m3)。岩石生热率第六章6.1.3热传递方式⑴传导传热Heatconduction

7、(phononheattransfer)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，这种形式也称“声子传热”，其沿温度梯度方向向外传播。在1000℃以下，地壳岩石主要以“声子传热”方式进行热传递。热传导传热率为：ka=K0ρ3/2Vp3p1/2T-5/4其中K0为实验常数，ρ为密度，Vp为纵波速度，p为压力，T为温度Rocksarenotgoodconductivemedia.Theyaresemi-conductorsordielectricmedia.Nofreeelectronslik