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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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2-7 地球內部的溫度和熱源

地球內部的溫度

地球表面的溫度,因地因時而異。但是,全球地面的平均溫度大致保持在15C左右。同地表的溫度相比,地球內部的溫度要高得多。礦井內的地溫、溫泉的水溫和來自地球內部的熔岩的溫度都說明了這一點。火山熔岩就是熔化狀態的岩石。岩石在地表的熔點在1000C以上。所以,地球內部的溫度必定遠遠高於地表。

地下的溫度隨深度而增加。溫度隨深度而增加的速度為地溫梯度。擄陸上和海底的地溫梯度測定,在不同地區,由於岩石性質和周圍環境的差異,地溫梯度有很大的差異。但是,所有的測量都表明:在地球內部,深度愈大溫度就愈高。在大陸上,地溫梯度變化範圍為每米0.01-0.1C。在海底,每米0.04-0.08C。這樣,就可以找到一個合理的平均值,例如,每公里30C。
按照每公里30C的地溫梯度來推算,地下70公里深處的溫度將是2,100C。即使在地下160公里深處大約5萬大氣壓的條件下,橄欖岩的熔點也只是2,140C。因此,像橄欖岩那樣極其難於熔化的岩石,在地下70公里深處就已經熔化了,像玄武岩那樣的岩石就更不用說了。如果事情真是這樣,地球除幾十公里的外層外,將全部處於熔融狀態。

但是,地震波的傳播情況表明地幔全部是固體。這說明:地下的溫度遠不是那樣高的;地下的地溫梯度遠不是那樣大的。例如,玄武岩是超基性岩石經過部分熔化以後產生的。地面附近的玄武岩的熔點是1,100C,在100公里深處是1,300C,在300公里深處是2,000C。地幔全是固態的事實說明,在100公里深處,地內溫度不會超過1,300C。在300公里深處不會超過2,000C。另外,在夏威夷和堪察加,玄武岩流來自地下60公里的深處。看來在這些地區,在60公里深處,地內溫度大概是1250-1300C。當然,不同的地點會有不同的情況。但是,太大的差別是不合理的。
前面講過:地幔是固體,而地球外核是液體。這個對比是關於地內溫度的重要線索。存在於地下2,900公里處的十分明顯的界面,既是地幔和地核之間的界面,也是從固體到熔體的界面。為什麼地內物質在這個深度由固體變成液體呢?從密度上看,構成地幔的是較輕的硅酸鹽,構成地核的大體是較重的鐵和鎳。在地幔和地核中,溫度隨深度而升高估計不會是很大的。但是,由於較輕的硅酸鹽是高熔點的,而較重的鐵和鎳是低熔點的。在大體相同的溫度下,地幔保持固態,而地球外核就熔化了。

地球外核是液態,而地球內核是固態。這個對比也是關於地內溫度的重要線索。看來,地球外核和內核間的界面是熔點和溫度雙重變化的結果。在地核裏,由於壓力隨深度而增加,物質的熔點隨深度而增加,同時,溫度也因深度而稍有增加。比較起來,熔點的增加較快,而溫度的增加較慢。因此,在熔點較低時,溫度稍高於熔點,物質就熔化了,這就是外核的情況。反之,在地球內核,熔點已經顯著升高,而溫度的升高是很有限的。這樣,溫度就相對地低於熔點了,物質也就以固態存在了。

以上討論的主要是地內熔點和地內溫度的相對高低。地球內部不同深度的溫度的高低,目前還是眾說紛紜,尚待進一步研究。圖2-23表示的熔點和溫度的高低,只是一家之言。但是,它所表示的地內熔點和溫度的相對高低,還是比較可信的。

                                                                      


總之,從地面到地心,地內溫度一直在升高。因此,地心的溫度是全球最高的。但是,溫度升高的速度卻隨深度的增加而降低。在地殼的表層,溫度升高是很快的,大體上每公里上升30C。進入地幔以後,升高的勢頭就已經不大。到了地球外核和內核,儘管溫度還在繼續上升,但是速度已經很緩。因此,在地球內部,地心的高溫並不是突出的。

地球內部的熱源和溫度的演變

地球表面的熱能主要來自太陽。同太陽能相比,地球表面從地球內部得到的熱能是微不足道的。但是地球表層是熱的不良導體。所以,來自太陽的巨大熱能只有極少一部分能穿透到地下極淺的深處。太陽熱能的周日變化只能影響厚約1.5米的一層岩石,它的周年變化只能影響厚約30米的一層岩石。在冰期和間冰期之間的長期而巨大的溫度變化,也只能影響到地下幾公里的深處。因此,對於地球的絕大部分地球內部來說,熱能的主要來源不是太陽,而是地球本身。

據目前對於地球起源的理解,地球由低溫的顆粒物質積聚而成行星時,積蓄了大量的位能。在形成星球之後,地球所含放射性物質因衰變而放出大量的熱能。例如,1克鈾235每年要產生4.3卡的熱能。在鈾衰變成鉛的過程中,如果質量減小1克,所產生的熱能達2.2x1013卡之多。

不同的岩漿岩所含的放射性元素的數量是大不相同的。其中含量最多的是酸性岩,其次是基性岩,最少的是超基性岩,因為放射性元素的重原子總是以硅酸鹽的結晶中的雜質的形式存在的,而酸性岩漿岩就是硅酸鹽含量最高的岩石。例如,在1噸岩石中,花崗岩含鈾元素4.75克,釷元素18.5克和鉀元素37,900克。1噸玄武岩所含的鈾、釷和鉀,分別是0.6克,2.7克和8,400克。

按照目前的研究,每噸花崗岩每年要產生8.2卡的熱能。每年從地球內部到達地面的熱能大約是2.4x1020卡。按照花崗岩產生熱能的速度,地球內部只要有3.0x1019噸,即1.1x1010立力公里的花崗岩就能彌補這種外流的熱量。這樣多的花崗岩平均分布在整個地球表面,其厚度不過20公里。
如果把地球內部含有放射性元素的岩層都折合成花崗岩層,其厚度顯然超過20公里。因此,地球內部應該有過增溫的過程。從地球形成到現在,地球內部一共產生了多少熱能?向地面流出了多少熱能?人們曾經根據不同的模式進行推算。其推算結果都是相當接近的。一般的結果是:產生的熱能較多,輸出的較少。二者的差別一般是2-3倍。因此,可以說,地球的歷史是增溫的歷史。

根據地幔和地核的物質組成進行計算的結果表明:即使沒有熱能外流,地球在歷史上所產生的全部熱能,遠不足以把全部地球熔化成液體。因此,僅憑這些放射性元素放出的熱能,地球是不可能熔成液體的。

以花崗岩為代表的酸性岩石是一種密度較低的岩石。較輕的岩石大體上集中在地球的上層,特別是地殼。因此,它所產生的熱能,自然應該集中在地球的上層。我們知道,熱總是從高溫地區向低溫地區傳導的。既然放射性元素產生的熱能集中在地球的上層,又怎樣理解地球中心的高溫呢?很明顯,地內還有其它能源。

地球的形成是在壓力逐步增高的情況下進行的。這樣,地內物質有一個因受到壓縮而增溫並放出熱量的過程。但是,據估計,所放出的熱能只可使溫度提高幾百度而已。

地球形成以後,由於地球本身的生熱和加溫,地內物質分化成地殼、地幔和地核。在這過程中,重物質下沉和輕物質上升,降低重力位能,也產生了大量熱能。據估計,這種熱能可以提高地球溫度1,500C。

此外,從地球形成最初到現在,地球自轉速度基本上一直在減慢,自轉周期自3小時增加到目前的24小時。減速過程中所消耗的動能,一部分轉化為熱能。這部分熱能主要消耗在淺海中,對於地球內部的作用不大。

由此來看,地球大致不曾有過全部熔化的歷史。
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