5 地球的能量和地震

    5．1 地球内部的温度

    火山喷发、温泉以及矿井随深度而增温的现象表明，地球内部储存有很大的热能，可以说地球是一个巨大的热库。但从地面向地下深处，地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的。地面以下按温度变化的特征可以划分为三层：

     外热层（变温层） 该层地温主要是受太阳光辐射热的影响，其温度随季节、昼夜的变化而变化，故也称作变温层。日变化造成的影响深度较小，一般仅1～1.5m，年变化影响较大，其影响的范围可达地下20～30m。

     常温层 该层地温与当地的年平均温度大致相当，且常年基本保持不变，其深度大约为20～40m。一般情况下在中纬度地区较深，在两极和赤道地区较浅；在内陆地区较深，在滨海地区较浅。

     增温层 在常温层以下，地下温度开始随深度增大而逐渐增加。大陆地区常温层以下至约30km深处，大致每往下30m，温度会增加1℃。大洋底到15km深处，大致每加深15m，地温增高1℃。为规范计算地下温度变化的规律，将深度每增加100m时所增高的温度，称作地温梯度，其单位是℃／100m。由于地下的地质结构和组成物质不同，地温梯度在各地是有差异的。例如在我国华北平原的地温梯度一般为2～3℃／100m；在靠近大断裂带的安徽庐江则为4℃／100m。

    在地下更深处，由于受到压力、密度增大等因素的影响，地温的增加逐渐趋于缓慢。通过多种间接方法估算的结果表明，在地表以下100km处的温度约为1300℃；1000km处的温度约为2000℃；2900km处地温约2700℃；地核的温度最近的估算表明可能达到5500℃，大大高出早先高于3200℃的估计。

    5．2 地球的能量

    如本章3．4节所述，地球是由内、外两部发动机驱动的，这两部发动机提供了地球的全部能量来源。其中热能是地球最主要的能源。

    地球从太阳吸收的能量每年大约为4.2×1024J，超过地球上全部煤储量完全燃烧后所能够获得的热能的300倍。但在地球吸收的太阳能中，有1／3左右的能量被大气圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的2／3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。

    地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.14×1021J。其次，因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量的热能。

    从地球内部传导出来的热流量平均为1.5×10-6J／cm2·s，据一年有3.2×107s和地球的总表面积为5.1×1013km2，可以计算出在一年时间内，由热传导从地球内部传出的热量应为1.0×1021J。

    地内热场的其他分量，受到地球内部或深部的多种作用所控制。不同区域的能量变化相差很大。但这种热源一般是相当稳定的，并且维持从深部到地表的热流约为6.3×10-6J／cm·s。这也即意味着在一年内每平方厘米约为1989J。

    铀、钍和钾的放射性同位素是衰变热源的主要供给者。构成地壳上部的花岗岩和沉积岩层，具有放射性元素含量最高的特点。在玄武岩中，它们的含量低好几倍，而且在上地幔岩石中最少。在球粒陨石和铁陨石中，放射性含量是微不足道的，可以与地幔下层和地核中的含量相对应。

    根据放射性元素的实际含量，由厚度分别为15km的花岗岩和玄武岩组成的大陆地壳，能够产生约为4.2×10-6J／cm2·s的热流。因为地壳的厚度通常超过30km，所以测量到的热流的主要部分是在地壳中形成的。与大陆地壳的产热能力相比，大洋地壳由放射性元素含量较低的玄武岩组成，热流值应相当低。但测量结果表明，大洋区的热流平均值接近于大陆区的数值，而且个别地段，如大洋中脊处，热流值实际上可以高达34×10-6J／cm2·s，比大陆区平均值几乎高出一个数量级。这有可能是由于大洋下面的地幔活动物质和地幔中的热对流所补充的热所造成。因此，在结构不同的大陆和大洋中，热流机制有本质的不同。在大陆上，热能的主要部分产生在地壳中，而且主要是在花岗岩中，大陆玄武岩和来自地幔的热是不大的；但大洋中的热主要来自地幔，只有很小部分的热流产生于厚度和产热率都较小的玄武岩中。

    深部热能的其他来源是地核物质的分异作用。这种来源比起放射性物质的衰变热要小得多。根据地球的“冷起源假说”，原始的陨石物质分异伴随着地幔中的重金属的熔融，使铁镍地核独立出去。在这种情况下可以释放出大约为9.6×1032J的热量。除以上所说的热源外，深部补充来源还包括地球重力绝热压缩所形成的热和化学反应释放的热。后者如成矿过程中的地球化学反应和某些矿物的深部结晶过程等，都在不同程度上伴随有热的释放。但它们比起前面的几种热源来说，除了在影响局部地区的热过程和热状态方面有一定作用外，对于深部热场总的平衡所起的作用则很小。

    岩石因放射性衰变产生热量的能力并不相同。花岗岩产热能力最大，数值却很小，如果用1cm3花岗岩中释放的热来烧开一杯水大约需要108年时间。但是从全球规模上看，放射性热对形成和维持地球热场的作用仍相当大。研究表明，如果地球中的放射性元素含量和它们在地壳中的含量相当，那么地球所释放的热量不仅足够使整个地球熔化，而且能够使它全部被气化蒸发掉。

    5．3 地幔部分熔融

    如前所述，地幔基本上是固态的，但其中仍有部分层位处于熔融状态。地幔部分熔融就是指在地幔的上部层位，有部分岩石因受到复杂的地质作用而发生部分熔解，从而显示为高度可塑甚至液态的现象。地幔是否部分熔融，直接影响到大洋中脊的形成、海底扩张、大陆板块内伸展作用和裂谷型玄武岩喷发的动力学机制，故一直在地球科学的前沿研究中占有一席之地。但在过去对壳-幔部分熔融过程的模拟，基本上是在静态即无差异应力的条件下进行的。结果所得到的熔融结构有较高的强度，使矿物颗粒产生滑移变形的可能性大为减少。这对壳-幔物质运动是一种不利的限制。金振民等（1994）通过模拟动态条件下的高温高压实验，发现实际上由于低差异应力的加入，岩石流变强度产生了强烈的弱化现象，使流动应力减少到20～10MPa（兆帕），岩石的有效粘度随之也降低了几个数量级。这些改变大大降低了对地幔物质的运动限制。同时，这种熔融流体的分布特征对岩石圈物质的物理性质——弹性与非弹性，岩石导电性、蠕变活化能和化学元素的分配等，也产生了直接的约束作用。对阐明壳-幔物质的分布规律，合理解释上地幔中的低速高导层的形成机制，地壳大尺度增厚的原因和板块运动的动力学等，提供了有力的实验证据。
　　本文标题：地球的能量和地震-地球的物理性质和圈层结构
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