Dòng nhiệt trên mặt đất và Địa nhiệt học

Trái Đất liên tục mất nhiệt qua bề mặt của nó, và việc lập bản đồ dòng nhiệt này, cùng với gradient nhiệt độ mà nó ngụ ý, cho thấy cấu trúc nhiệt của hành tinh và năng lượng thúc đẩy động cơ bên trong của nó.

Definition

Dòng nhiệt trên mặt đất là tốc độ nhiệt được dẫn ra khỏi Trái Đất trên một đơn vị diện tích bề mặt, được xác định từ gradient địa nhiệt và độ dẫn nhiệt; địa nhiệt học là nghiên cứu rộng hơn về trường nhiệt độ và sự truyền nhiệt của Trái Đất.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc đo lường và diễn giải dòng nhiệt bề mặt của Trái Đất: cách xác định dòng nhiệt từ gradient nhiệt độ và độ dẫn nhiệt trong các lỗ khoan và trên đáy biển, sự phân bố dòng nhiệt toàn cầu và mối quan hệ của nó với tuổi vỏ Trái Đất và môi trường kiến tạo, và đường địa nhiệt mô tả nhiệt độ theo độ sâu. Nó đề cập đến sự truyền nhiệt dẫn nhiệt và đối lưu, sự nguội đi của thạch quyển đại dương được ghi nhận trong dòng nhiệt, và sự đóng góp của nhiệt phóng xạ từ vỏ Trái Đất. Trọng tâm là ngân sách nhiệt quan sát được ở bề mặt và chế độ nhiệt mà nó giới hạn.

Core questions

• Dòng nhiệt bề mặt được đo từ gradient nhiệt độ và độ dẫn nhiệt như thế nào?
• Dòng nhiệt thay đổi như thế nào theo tuổi vỏ Trái Đất và môi trường kiến tạo?
• Đường địa nhiệt tiết lộ điều gì về nhiệt độ theo độ sâu?
• Dẫn nhiệt và đối lưu chia sẻ sự truyền nhiệt của Trái Đất như thế nào?

Key concepts

• Gradient địa nhiệt và độ dẫn nhiệt
• Dòng nhiệt bề mặt và sự phân bố toàn cầu của nó
• Dòng nhiệt lục địa so với đại dương
• Đường địa nhiệt và hồ sơ nhiệt độ-độ sâu
• Sản sinh nhiệt phóng xạ từ vỏ Trái Đất

Key theories

Dòng nhiệt dẫn nhiệt và định luật Fourier

Dòng nhiệt qua vỏ Trái Đất được điều chỉnh bởi định luật Fourier, là tích của gradient địa nhiệt và độ dẫn nhiệt, do đó việc đo nhiệt độ theo độ sâu và độ dẫn của đá cho ra dòng nhiệt bề mặt cục bộ.

Dòng nhiệt và sự nguội đi của thạch quyển

Dòng nhiệt đại dương giảm theo tuổi của đáy biển khi thạch quyển nguội đi do dẫn nhiệt ra xa các sống núi giữa đại dương, phù hợp với các mô hình tấm nguội đi, trong khi dòng nhiệt lục địa phản ánh nhiệt phóng xạ từ vỏ Trái Đất và các đóng góp từ lớp phủ.

Mechanisms

Nhiệt được dẫn lên theo gradient địa nhiệt về phía bề mặt mát hơn với tốc độ được xác định bởi định luật Fourier; trong vỏ đại dương trẻ, tuần hoàn thủy nhiệt cũng mang nhiệt theo kiểu đối lưu, trong khi ở các lục địa, vỏ trên tạo ra nhiệt bổ sung thông qua phân rã phóng xạ, do đó dòng nhiệt bề mặt đo được kết hợp nhiệt từ lớp phủ sâu, sự nguội đi của thạch quyển và sự sản sinh phóng xạ nông.

Clinical relevance

Các phép đo dòng nhiệt giới hạn cấu trúc nhiệt và ngân sách năng lượng của Trái Đất, xác định các khu vực thuận lợi cho năng lượng địa nhiệt, và cung cấp thông tin cho các mô hình trưởng thành lưu vực được sử dụng trong thăm dò dầu khí và đánh giá các chế độ nhiệt của vỏ Trái Đất.

History

Bullard đã tiên phong trong cả các phép đo dòng nhiệt trên lục địa và đáy biển vào giữa thế kỷ XX, sự giảm có hệ thống của dòng nhiệt đại dương theo tuổi đã xác nhận các mô hình nguội đi của thạch quyển, và các tổng hợp toàn cầu đã tinh chỉnh ước tính tổng lượng nhiệt mất đi của Trái Đất lên khoảng 47 terawatt.

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

Dòng nhiệt từ Trái Đất được đo như thế nào?

Các nhà khoa học đo sự tăng nhiệt độ theo độ sâu trong một lỗ khoan hoặc đầu dò đáy biển và nhân gradient địa nhiệt này với độ dẫn nhiệt của đá; tích số này cho ra nhiệt lượng chảy ra trên một đơn vị diện tích tại vị trí đó.

Tại sao dòng nhiệt cao hơn gần các sống núi giữa đại dương?

Tại các sống núi, vật chất nóng từ lớp phủ dâng lên và thạch quyển trẻ, mới hình thành, do đó vỏ Trái Đất nóng nhất ở đó; khi thạch quyển già đi và di chuyển ra xa, nó nguội đi, và dòng nhiệt bề mặt tương ứng giảm theo tuổi của đáy biển.