地球能量和温度：热流和温度梯度的解析与预测

地球学科学家用热流和温度梯度来确定地球能量和温度。地球的热量由两部分组成：地球形成时产生的热量和地壳表层放射性元素的衰变产生的热量。Birch等人^[1]发现可以用表达式Q=Q^∗+DA来表示热通量，式中Q^∗是来源于下地壳或表层地幔的热量流动成分，DA表示地壳浅表层放射性元素衰变形成的热量。DA是深度（D）和每单位体积每秒（A）产生的能量的乘积。因为A随深度变化，所以不同深度的热流和温度的计算相当复杂。因此，在导热区的大多数热流研究中，生成的热量的变化以及与深度有关的热流的变化一般都是可以忽略不计的。

在深度（D）处的温度（T）表达成T=T_surface+DГ，式中，Г（地温梯度）与热流（q）和岩石的导电率（K）有关，可以表达为Q=KГ。Diment等人^[2]对地温梯度和热流进行了综述，特别强调了美国地区的热含量。给定深度的温度可以用公式T=T_surface^+DГ计算，其中T_surface是地表的平均温度。Tester等人^[3]，Wisian等人^[4]和Blackwell和Richards^[5]对岩石导热率和热流之间的关系进行了详细的探讨。除了在热流和地下地质很清晰的情况下可以通过钻探来预测与深度相关的温度梯度外，Tester等人还提出了其他的见解。

在大陆上一些比较古老的地区，比如洛基山脉东部北美的大部分地区，热流一般为40～60mW/m²。如果地表平均温度为20℃，这种热流再结合地壳上表层4km的平均岩石热传导率，会在4km的地壳深处产生20℃/km的地温梯度和90～110℃的温度。在地质年代短一些的4km深处，热流一般在70～90mW/m²、温度为150℃。尽管地热能直接利用的温度可以低到35℃，但是在大多数情况下适用于发电的最小的合适温度将近为150℃。因此，要想用地热能来发电，地温要稍微高出深度约为4km处的平均温度才可以。地热勘探者们要找到比平均温度高得多的地域才可以进行地热发电。正如后文将要讨论的，在能源价格高、环境约束限制了温室气体排放的地区，进行深层钻探可以有很好的经济效益。(www.xing528.com)

先前的讨论假设地球内部是导热的。对地热能开发者来说幸运的是，地幔中的地热能源的空间变化能够促使能源在地幔和地壳中形成对流传输，这种对流传输将引起地壳表层附近的热能浓度的提高。