地熱流量と地熱学

地球は表面から常に熱を失っており、この熱流量とその結果生じる温度勾配をマッピングすることで、地球の熱構造と内部エンジンを駆動するエネルギーが明らかになります。

Definition

地熱流量とは、地温勾配と熱伝導率から決定される、地球の単位表面積あたりに地球から伝導される熱の速度を指します。地熱学は、地球の温度場と熱輸送に関するより広範な研究分野です。

Scope

このトピックでは、地球表面の熱流量の測定と解釈について扱います。熱流量がボーリング孔や海底における温度勾配と熱伝導率からどのように決定されるか、地球規模の熱流量分布と地殻年代およびテクトニクス環境との関係、そして深さに対する温度を示す地温勾配についてです。伝導的および対流的な熱輸送、熱流量に記録される海洋リソスフェアの冷却、地殻の放射性熱の寄与についても論じます。表面で観測される熱収支と、それが制約する熱レジームに重点を置いています。

Core questions

• 表面熱流量は温度勾配と熱伝導率からどのように測定されますか？
• 熱流量は地殻年代とテクトニクス環境によってどのように変化しますか？
• 地温勾配は深さに対する温度について何を明らかにしますか？
• 伝導と対流は地球の熱輸送をどのように分担していますか？

Key concepts

• 地温勾配と熱伝導率
• 表面熱流量とその地球規模分布
• 大陸性熱流量と海洋性熱流量
• 地温勾配と深さ-温度プロファイル
• 地殻の放射性熱生成

Key theories

伝導熱流量とフーリエの法則

地殻を通る熱流量は、地温勾配と熱伝導率の積であるフーリエの法則によって支配されます。したがって、深さに対する温度と岩石の熱伝導率を測定することで、局所的な表面熱流量が得られます。

熱流量とリソスフェアの冷却

海洋熱流量は、拡大する海嶺から離れるにつれてリソスフェアが伝導によって冷却されるため、海底の年代とともに減少します。これは冷却プレートモデルと一致しています。一方、大陸熱流量は、地殻の放射性熱とマントルからの寄与を反映しています。

Mechanisms

熱はフーリエの法則に従い、地温勾配に沿ってより低温の表面に向かって伝導されます。若い海洋地殻では、熱水循環も対流によって熱を運びます。一方、大陸では、上部地殻が放射性崩壊によって追加の熱を生成するため、測定される表面熱流量は、深部マントル熱、リソスフェアの冷却、および浅部の放射性熱生成を組み合わせたものとなります。

Clinical relevance

熱流量の測定は、地球の熱構造とエネルギー収支を制約し、地熱エネルギーに適した領域を特定し、石油探査や地殻熱レジームの評価に用いられる堆積盆地成熟モデルに情報を提供します。

History

20世紀半ばにブラードが大陸および海底の熱流量測定を開拓し、海洋熱流量の系統的な年代依存性の減少がリソスフェア冷却モデルを裏付けました。そして、地球全体の熱損失の推定値は、世界的なデータ集積により約47テラワットにまで洗練されました。

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

地球からの熱流量はどのように測定されますか？

科学者は、ボーリング孔や海底プローブで温度が深さとともにどのように上昇するかを測定し、この地温勾配に岩石の熱伝導率を掛け合わせます。この積が、その場所の単位面積あたりに流出する熱量を示します。

中央海嶺付近で熱流量が高いのはなぜですか？

海嶺では、高温のマントルが上昇し、新しく若いリソスフェアが形成されるため、地殻が最も高温になります。リソスフェアは年代とともに移動して冷却され、それに伴い表面熱流量も海底の年代とともに減少します。