地热流与地温学

地球通过其表面稳定地散失热量，绘制这种热流及其所隐含的温度梯度，可以揭示地球的热结构以及驱动其内部引擎的能量。

Definition

地热流是指单位面积地表传导出的热量速率，由地温梯度和热导率确定；地温学是更广泛地研究地球温度场和热传输的学科。

Scope

本主题涵盖地球表面热流的测量和解释：如何根据钻孔和海底的温度梯度和热导率确定热流，全球热流分布及其与地壳年龄和构造环境的关系，以及描述随深度变化的温度的地温线。它涉及传导和对流热传输，海洋岩石圈冷却在热流中的记录，以及地壳放射性生热的贡献。重点在于观测到的地表热预算及其所限定的热状态。

Core questions

• 如何根据温度梯度和热导率测量地表热流？
• 热流如何随地壳年龄和构造环境而变化？
• 地温线揭示了随深度变化的温度的哪些信息？
• 传导和对流如何共同传输地球的热量？

Key concepts

• 地温梯度和热导率
• 地表热流及其全球分布
• 大陆与海洋热流
• 地温线和深度-温度剖面
• 地壳放射性生热

Key theories

传导热流和傅里叶定律

通过地壳的热流受傅里叶定律支配，即地温梯度和热导率的乘积，因此测量随深度变化的温度和岩石导热性可以得出局部地表热流。

热流和岩石圈冷却

海洋热流随海底年龄的增长而降低，因为岩石圈通过传导从扩张脊向外冷却，这与冷却板模型一致，而大陆热流则反映了地壳放射性生热和地幔的贡献。

Mechanisms

热量沿着地温梯度向较冷的地表传导，其速率由傅里叶定律决定；在年轻的海洋地壳中，热液循环也以对流方式传递热量，而在大陆中，上地壳通过放射性衰变产生额外的热量，因此测得的地表热流结合了深部地幔热、岩石圈冷却和浅层放射性生热。

Clinical relevance

热流测量限定了地球的热结构和能量预算，识别了有利于地热能的区域，并为石油勘探和地壳热状态评估中使用的盆地成熟度模型提供了信息。

History

布拉德在20世纪中叶开创了大陆和海底热流测量，海洋热流随年龄系统性下降证实了岩石圈冷却模型，全球汇编完善了地球总热量损失的估计，约为47太瓦。

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

如何测量地球的热流？

科学家测量钻孔或海底探测器中温度随深度的增加情况，并将此地温梯度乘以岩石的热导率；其乘积即为该位置单位面积流出的热量。

为什么洋中脊附近的热流较高？

在洋中脊处，炽热的地幔上升并形成新鲜、年轻的岩石圈，因此地壳在该处最热；随着岩石圈老化并向外移动，它会冷却，地表热流也相应地随海底年龄的增长而下降。