大地熱流

大地熱流亦稱熱流密度(Heat flow density)，簡稱熱流(Heat flow)，是指單位面積、單位時間內由地球內部傳輸至地表，而後散發到太空去的熱量，是地殼或岩石圈深部熱狀態在地表的綜合量化表徵。地球內部藴藏着巨大的熱能，無時無刻不在向外釋放熱量。火山口奔騰而出的熔岩流，温泉口和蒸汽地面上熱氣騰騰的蒸汽與伴生氣體，直觀而強烈地顯示了熱對流方式的熱傳遞，但地球內熱更普遍的向外傳遞是以無聲無息的隱性方式，即通過地表的熱傳導或熱傳導與非強烈的熱對流複合方式。全球以熱傳導方式向外傳遞的熱量約為1.3～1.5×10²¹ (焦耳/年)，相當於2015年全球一次能源消耗總量（5.5×10²⁰焦耳/年）的2.5倍或火山噴發釋放熱量(3×10¹⁹焦耳/年)、地震(10×10¹⁷焦耳/年)、水熱活動(2×10¹⁸焦耳/年)所釋放能量之總和的100倍。由此可見，熱傳導是地球散熱的主導方式，而熱流正是表徵地球向外通過傳導所釋放熱量的一個基本的物理參數，也是研究地球內部熱狀態，如地殼深部温度、岩石圈熱結構的一個不可或缺的參量。通常熱流值不是直接測定的，而是通過地温測量和岩石熱導率測試間接測得的。在一維穩態傳導條件下，熱流量(q)是岩石熱導率(K)和垂向地温梯度(dT/dz)的乘積，即q=K×(dT/dz)。早期熱流單位為微卡/（平方釐米·秒）（μcal/(cm²·s)），縮寫HFU（Heat flow unit），現在通用國際熱流單位為毫瓦平方米（mW/m²）。二者的關係為：1HFU=1 μcal/(cm²·s)=41.868 mW/m²。

熱流測量可以歸結為地温梯度(dT/dz)測量和對應層段的介質熱導率(K)測試。陸地上，地温梯度通常由鑽井温度測量獲得；岩石熱導率，通常是選取測温井段內代表性的岩心標本在實驗室用岩石熱導儀測定。海域內，熱流同樣可以利用鑽井進行熱流測量，當海水深度＞2000米時，海底温度幾乎不隨時間變化，亦可用2～5米的測温探針插入洋底鬆軟沉積層內測出地温梯度，沉積物的熱導率由採取到的沉積物標本測定。鑑於近地表淺層地温可能受到多種淺部因素（如陸地或海底地形起伏、古氣候變遷、地下水活動等）的擾動，在這種情況下需要對實測熱流值進行校正。

地表所觀測到的熱流值(q0)由三部分構成： (1)地殼的放射性生熱(qc)；(2)構造—熱事件引起的熱擾動，也稱構造熱(qt)；(3)岩石圈底部的地幔熱流(qm)，其值在一定的地質時間和區域範圍內基本保持不變，也稱為背景熱流；因此，地表熱流的構成可表達為：q0=qc+qt+qm。大陸地殼主體由花崗質岩石(花崗岩、花崗閃長巖等)組成，富含放射性元素，生熱率高，因而熱貢獻大，地幔熱流貢獻相對較小。大洋地殼則由玄武岩構成，其生熱率相對低，地殼熱流貢獻不大，大洋熱流主要是來自岩石圈冷卻熱和底部的地幔熱流。qt只存在於新生代構造活動區；其它古老且穩定的構造區該分量趨於零。通常用地殼熱流與地幔熱流的配分關係（qc /qm）來描述一個構造單元不同層圈的熱構成，即岩石圈熱結構。

國際上最早的熱流測量始於1939年在南非開展的地熱測量；1952年在太平洋首次獲得首批可靠海洋熱流數據。由於海底熱流測量簡便易行，在隨後的10～20年中，海洋熱流數據快速增長，為闡明板塊學説創立提供了地熱學證據。1976年，全球共獲得熱流量數據5417個，其中海洋的3718個，陸地的1699個。1985年時，全球共獲得熱流量數據8782個，其中海洋的5181個，陸地的3601個。截止2013年，全球共獲得熱流量數據38347個，其中海洋的22014個，陸地的16333個。由於陸域熱流測量受控於鑽井的存在，熱流量數據的地理分佈極不均勻。我國系統的熱流測試工作始於20世紀70年代末。1978年，中國科學院地質研究所地熱組正式發表了在華北地區獲得的首批17個數據。鑑於發表熱流數據的刊物相當分散，且數據質量參差不齊，不利於數據的有效利用和分析，迄今中國科學院地質與地球研究所已經先後10次彙編了中國大陸地區熱流數據，並四次公開發表彙編數據。1988年，汪集暘、黃少鵬首次彙編並發表了《中國大陸地區大地熱流彙編》，共收錄熱流數據167個； 1990年，汪集暘、黃少鵬發表了《中國大陸地區大地熱流彙編（第二版）》，中國大陸地區熱流數據達366個；2001年，胡聖標等將自第二版數據公佈以來新增熱流數據彙編成《中國大陸地區大地熱流數據彙編（第三版）》（中國大陸地區熱流數據達到862個）；2016年，姜光政等完成了我國新一輪熱流數據彙編，形成了《中國大陸地區熱流數據（第四版）》，至此中國大陸地區熱流數據已達1230個。中國周邊海域眾多含油氣盆地也積累了相當數量的熱流數據。2001，何麗娟等彙編了中國南海海域的582個熱流數據並繪製了中國南海海域熱流分佈圖；2003，施小斌等彙編了中國南海海域592個熱流數據並進行了統計分析；隨後唐曉音、徐行、袁玉松、楊樹春等也在南海、東海及黃海開展了大地熱流測量與彙編工作，但截止目前沒有新的海域熱流彙編數據發佈。

熱流值的空間變化既是板塊構造學説的地球物理證據之一，同時全球板塊活動格局也控制了熱流的區域分佈。全球熱流分佈呈現顯著的橫向差異特徵，高熱流區與板塊邊界有很好的對應關係。高熱流區主要集中在三大洋的洋中脊、環太平洋火山帶（俯衝帶）及非洲板塊和歐亞板塊的碰撞拼貼帶（＞70mW/m²）；這種構造-熱相關關係表明，板塊構造控制了全球熱流分佈，特別是控制了高熱流區的分佈。現代板塊邊界部位是新生代構造活動區，諸如火山、地震、岩漿活動和造山等構造—熱事件頻繁，特別是作為離散板塊邊界的大洋中脊，隨着海底擴張，岩石圈張裂，深部熱物質上湧，形成新的洋殼，也帶來了大量的深部熱量。而板內構造穩定區，諸如加拿大地盾、東歐地台等穩定的克拉通，因為構造活動早已停止，深部熱過程趨於穩定，地幔熱流低至10~15 mW/m2，因故地表熱流也相對偏低(~40 mW/m²)，同時，板內新生代構造活動區，如東非裂谷系、汾渭地塹等，則表現出高熱流(＞80mW/m²)，此外，一些局部構造活動或者熱事件也能引起熱流異常。比如，岩漿活動、熱點和地幔柱等能引起板塊內部的局部熱流異常。總體上，熱流與最後一期構造熱事件的年齡呈負相關關係。我國大陸地區大地熱流具有“東高、中低，西南高、西北低”的變化趨勢，平均值為60.4±12.3 mW/m²，這是由於中新生代以來東部受太平洋板塊俯衝的強烈影響，西南部受南部印度板塊碰撞擠壓作用所造成的結果。

熱流量和近地表岩石的生熱率呈線性關係，即

q =q0+DA，這個經驗公式於60年代末期首先為羅伊（R.F. Roy）和伯奇（F.Birch）等人發現,它對研究地殼和上地幔的熱結構有重要作用。上式中，q及A分別為某個地區的地表熱流量和地表岩石的生熱率;直線截距q0及其斜率D均為常數，分別具有熱流量和厚度的量綱；DA為地殼表層放射性元素集中層提供的熱流量;q0為來自該層之下和上地幔的熱流量，稱為深部熱流量或地幔熱流量。上式説明，同一地質構造單元以具有相同的q0值和 D值為特徵，就意味着區內來自深部的地幔熱流各處相等，並具有統一的地質和地球物理過程。世界幾處古老而穩定的前寒武紀地盾，如加拿大地盾、澳大利亞地盾和波羅的地盾，q0=0.70 HFU，D=6.3 km；美國中、東部的北美陸台，q0=0.80，D=7.5；構造活動區，如美國盆地山脈新生代構造活動區,q0=1.4，D=9.4；美國西部內華達山區q0=0.4，D=10。上述資料説明，地質上古老而穩定的地區，同地幔熱流量低值相聯繫；構造活動區之下，則存在一股強大的來自地殼下部和上地幔的熱流，而內華達山區的q0值很低，則是一種特殊情況。目前多數學者把該區很低的地幔熱流量歸因於該區之下存在着一個可視為冷源的古老岩石層(圈)板塊所致。至於D值的大小,除地盾區之外,其他地區的D值變化不大，一般在10公里左右；説明各區地殼上部放射性元素集中層的厚度沒有多大變化。一個地區的深部熱狀況主要取決於q0值的大小，為此，羅伊(R.F.Roy)等人建議,劃分具有不同地殼熱結構的熱流量區，主要依據q0值。把熱流量和放射性元素生熱量兩種因素結合起來研究，為了解地殼和上地幔的温度變化提供了一種合理的研究方向。而對地球內部温度的瞭解，有助於對各種地質作用和地球物理作用的更深刻的理解。

熱流量和岩石層（圈）厚度有關聯。波拉克和查普曼於70年代中期根據地表熱流量數據和岩石高温高壓的實驗結果，提出了確定岩石層（圈）厚度的方法及其所得的結果。這對於研究熱流量同地殼深部温度、上地幔低速層的埋藏深度、岩石層（圈）的厚度和區域構造活動性之間的聯繫有着重要意義。確定岩石層（圈）厚度的方法是：給定不同熱流量，分別對大陸和海洋地區作出温度隨深度變化的曲線，其中大陸地區採用一維穩態傳導模型計算，海洋地區採用非穩態傳導模型計算。地温曲線同上地幔巖固相線之交點，即為上地幔物質開始熔融的深度，也即上覆剛性不熔岩石層(圈)的厚度。考慮到地球內部的實際情況，波洛克等取少量含水的地幔巖固相線作為確定岩石層（圈）厚度的依據。從所得結果來看,海洋地區的地温曲線簇普遍高於大陸。例如,地表熱流量為40毫瓦/米2，於150公里深處，海洋與大陸地區的温差可達 230℃。大陸地區地温曲線在地殼淺部幾作直線變化，這是由於地殼淺部放射性元素含量較高所致。所有海洋的地温曲線均與地幔巖固相線相交，但大陸地區地表熱流量小於45毫瓦/米2的地温曲線則與之不相交，這表明以低熱流為特徵的古老地盾區，上地幔低速層埋藏很深或不發育。據上述研究結果，可以得到大陸和海洋地區不同熱流量相對應的岩石層（圈）厚度，在此基礎上，依據全球熱流量圖，可以計算全球岩石層（圈）的厚度。總的來看，從熱流量推求而得的岩石層（圈）厚度，同從地震波研究所得的上地幔低速層的埋藏深度，即岩石層（圈）的厚度，是相符的。例如大洋中脊和大陸上的構造活動區，岩石層(圈)厚度最薄，僅數十公里，構造穩定區普遍大於100公里,而古老的地盾區則達300公里或更大。

W.H.K.Lee, On the Global Variations of Terrestrial Heat Flow,Phys. Earth Planet Interiors,Vol.2,pp.232～341,1970. 　R.F.Roy,D.D.Blackwell and F.Birch, Heat Generation of Plutonic Rocks and Continental Heat Flow Provinces,Earth Planet Sci. Letters,Vol.5,pp.1～12,1968. 　H. N. Pollack and D.S.Chapman, On the Regional Variation of Heat Flow,Geotherms and Lithospheric Thickness,Tectonophysics,Vol.38, pp.277～296,1977.

姜光政等, 中國大陸地區大地熱流數據彙編(第四版). 地球物理學報, 2016. 59(8): 第2892頁.