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地球科学大辞典地热地质学地热地质学总论

【地热学】geothermics是经典地球物理学的一个分支学科。

研究内容涵盖三个方面。

一是理论方面，探索地球的热状态和热历史，包括地球内热的时空分布、形成演变、传输聚散等，尤其着重研究地球内热的驱动-诱发机制，即内热在生成、传输、积聚和耗散过程中驱动壳幔物质的构造变形或运动，以及岩石圈深度内不同规模、不同形式构造运动诱发相应的热效应。

由此可见，地热学是深部地质学，尤其是地球动力学研究的一项重要学科内容。

二是应用方面，它将地球视为一个蓄存巨大热能资源的热库，重点研究地热资源的形成、分布、富集机制和相应的勘探开发方法及利用途径等；同时，深部热作用对矿藏、煤炭，尤其是石油和天然气的形成、聚集、迁移起着重要的控制和制约作用；另外，当金属、煤炭等矿产资源进行深层开发时，将面临矿井内高温热害，此时地热学的研究任务乃是阐明热害形成的机制及相应的对策。

三是实验方面，包括钻孔温度测量、岩石热物理性质的实验测定，乃至实验仪器和装备的设计和研制等实验科学。

这三个方面分别归属理论地热学，应用地热学和实验地热学三个学科分支的研究内容。

【地热地质学】geothermicgeology地质学与地热学的交叉学科，应用地热学的一个分支。

其主要任务和目的是：

应用地质学和地热学的理论与方法研究地热资源形成与分布规律，划分热田成因类型，查明地热流体的物理性质及化学成分，确定其工业价值和预测开发前景等，为经济合理地进行勘探、开发与利用提供科学依据。

其主要研究内容包括：

①研究地热资源形成与分布的区域大地构造背景；②查明地层、岩性、热储赋存部位、形态、规模及分布范围；③研究构造控热规律，查明地热流体运移、上升的主流通道及其产状和位置；④研究地热田地表地热显示特征，查明热源性质和水源补给条件，划分地热资源类型（水热型、蒸气型、热干岩型、岩浆型或地压型等）；⑤研究地热田水动力场、地热场、地球化学场特征及其时、空变化规律，建立热田模型，预测热田寿命，制定确保热田可持续开发的有效措施；⑥根据地热流体的物理性质、化学成分、流量、温度等进行综合评价，综合勘探，制定合理开发利用方案。

随着现代科学技术的发展和地热开发利用的不断增长，地热地质学又可分为区域地热地质学、地热地球化学、同位素热水水文学、地热地球物理学等独立学科。

【应用地热学】appliedgeothermics地热学的一个分支，是研究地热能源和矿产资源的天然赋存、形成机理和勘查、开发条件及有关应用性地热问题的学科。

包括：

①地热地质学：

主要研究天然赋存地热资源的勘查探测和开发利用。

如地热地质勘查、物化探、地热钻探、地球物理测井和试井，直至建立热田水热系统模型和地热资源评价。

②热储工程学：

涵盖热储

工程测试、地热工程的设计、施工和运营、热储开发动态的监测，最终将地质和工程因素作

通盘考虑，建立热储计算模型及优化资源开发利用的热田管理模型。

③油气地热学：

石油与天然气的形成、运移和富集与地热密切相关，虽然油气田的形成取决于油源岩中有机质的类型和丰度，但最后能否生烃成藏仍受制于其所经历的受热历史。

因此，恢复古地温或古热史

成为油气地热学的核心研究内容，诸如镜质体反射率法（R0）、时温指数法、磷灰石裂变径

迹法、电子顺磁共振法等多种恢复古地温的方法相继投入应用。

随着电算技术的日臻完善，包括沉积埋藏史、地层受热史、油气成熟史、源岩生烃史、油气运移史的三史、四史乃至五史模拟方法也日趋成熟，其中热史反演和模拟始终起着举足轻重的作用。

④矿山地热学：

凡需通过矿井开采的矿产资源，包括煤炭、金属和非金属矿等，当达到一定开采深度时都会遇到矿井温度偏高的热害。

矿山地热学的任务是为查明热害的程度和温度异常形成的机理，并结合矿井降温技术，制定治理热害的综合地质工程措施。

【热储工程学】geothermalreservoirengineering应用地热学的分支，是研究达到最经济、最有效地开发地热资源的一套现代工艺技术的学科。

其研究内容主要包括：

①热储（孔隙热储、裂隙热储、岩溶热储）的基本物理性质，如地层压力、孔隙度、渗透率、流体饱和度等。

②地热流体（热水、蒸气、气体）的物理、化学性质，包括温度、矿化度、化学成分等。

③地热流体在不同温、压条件下的相态特征。

④多相地热流体在孔隙、裂隙、岩溶等热储中的渗滤和运移规律。

⑤根据地质、地球物理、地球化学、录井、试井等资料，建立热储模型，预测热储开采动态及开发时期可能获得的产量，热田地质环境变化，最终建立地热田开发利用的优化管理模型。

热储模型是通过计算机模拟得到验证的热储形态、参数变化及其边界条件。

包括有关剖面、图件和计算机程序。

热储模型按不同的勘查阶段一般可划分为概念模型、理论参数模型、参数模型及开发管理模型，分别应用于地热田普查、详查及勘探等阶段。

【水文地热学】hydrogeothermics应用地热学的一个分支学科。

它应用地热学理论与方法研究和解决水文地质学中某些实际问题。

由于地下水的运动是影响岩石圈上部温度场分布最活跃的因素，因此在不同的地质构造及水文地质条件下，它对围岩或起冷却作用，或起加热作用，并常常在隆起区相对低洼的地方，或平原区基底顶面相对隆起的地方，沿断裂构造带上涌形成局部热异常。

当地下水在缓倾斜或近水平透水层中运动时，水温与岩温基本处于平衡状态，水温一般能代表该深度上围岩的温度。

水文地热学主要研究内容：

①根据地下水与围岩温度的平衡条件、地热参数及等温线的变化形态，确定地下水的流速与流向，以及自流盆地或承压水系的补给、径流和排泄条件。

②根据岩溶地区气流和水流对围岩造成的温度差异，确定地下溶洞的位置。

③在干旱和半干旱地区，根据孔隙介质中气流和水流的温度差异，寻找地下水源。

④在水文地质勘查中，确定钻孔剖面内进水带和强烈吸水带的位置。

【找矿地热学】prospectinggeothermics又称矿产地热学（geothermicsofmineralresources）。

应用地热学的一个分支。

是应用地热学理论与方法研究和解决某些有用矿产，如地热、热液矿床、油气、煤等矿产地质与勘查中的有关问题。

其研究内容主要包括：

①探讨全球板块构造对地热、油气、煤、铀、石盐以及固体金属和非金属等有用矿产资源形成与分布的区域性控制作用。

②研究地球内部热能的传递和富集规律，包括地热异常的形成与地热水（汽）、石油、天然气、煤、盐丘和某些金属、非金属矿床之间的成生联系，寻找地热储、油气藏、矿体等有利的构造部位。

③应用现代热液成矿（包括热水、热卤水成矿）的理论研究某些矿床的成因，指导找矿勘探。

④根据钻孔地温曲线的变化特征，确定储热层、油气层、煤层、膏盐层及其他金属、非金属矿体或矿层的位置。

⑤开展油气田、煤田古地温、热演化史等研究。

通过上述各项找矿地热学研究，力求正确指出地热、油气、煤等能源资源及某些金属、非金属矿产资源的找矿勘探方向，进行综合勘探、综合评价，达到合理开发利用的目的。

【工程地热学】engineeringgeothermics应用地热学的一个分支学科。

是应用地热学理论与方法研究和解决矿山、大型隧洞等地下工程“热害”的预测与防治，以及大型工程如铁路、水库、核电站、高层建筑物所在地区的地热地质特征及区域稳定性评价等相关问题。

所谓“热害”，是指在矿井或隧洞等地下工程的开拓过程中，由于地温高对生产及职工健康所造成的威胁和危害。

其研究内容主要包括：

①研究矿井及大型隧洞工程等地下高温形成的地质构造条件及水文地质特征，划分矿床地温类型。

②研究地下工程的地温状况、预测深部温度，并根据矿区不同地温及矿井热害类型，制定防治“热害”与变害为利的技术措施。

③根据铁路沿线、水库坝址、核电站厂址以及高层建筑物基础所处的具体地质构造与地层岩性等条件，探讨地温、大地热流与岩石力学性质的关系，评价岩体的稳定性，预测可能出现的与温泉、沸泉、喷气孔等地表水热活动、高地温、高热流等有关的岩体变形、坍塌、滑坡、地面沉降等问题，并提出建议和防护措施。

【理论地热学】theoreticalgeothermics地热学的一个分支，是重点探索研究特定地质体的壳幔热结构、深部热状态和岩石圈构造热演化的形成机理和控制因素等地学理论课题的一门基础学科。

应强调指出，理论地热学虽与其他地球物理学分支在地球物质的物性研究方面有共同之处，岩石传输热量的能力——热导率，可与岩石传输地震波的能力——波速，壳幔物质的密度、磁化率和电导率相比拟，但并未构成类似于波速场、重力场、磁场、电场等的物性场，而代之形成以温度为场量的热场（或温度场）。

温度场具有环境场属性和动态演变两项特征。

作为环境因素，温度变化不仅引起岩石热导率自身的增减，而且导致波速、密度、磁化率、电导率等物性参数作相应变化，说明热场既是综合地球物理场的组成部分，又与重、磁、电、震等物性场有别；就动态演变而言，地球内的热量总是从高温区向低温区以传导、对流和辐射三种方式作动态传输，它既可反映某特定时刻壳幔物质的温度分布结构和所处的热状态，又可追溯其一定的动态演化历史。

可见理论地热学作为地球物理学的一个新学科分支，兼具物性场和环境场、静态展布和动态演变等双重特性，学科发展潜力巨大。

理论地热学最基本的物理参数是热流密度（通常简称热流），它是融热物性热量温度于一体的综合地热学参数。

【实验地热学】experimentalgeothermics为开展理论地热学和应用地热学研究必须进行热学领域的野外测量及室内测试、鉴定，在此基础上发展形成的一门学科。

其研究内容包括：

一是钻孔温度测量及岩石热物理性质的现场原位测定。

二是岩石热物理性质的室内实验测定：

包括岩石热导率κ（用于计算大地热流）；岩石（放射性）生热率A（用于根据实测热流演绎壳幔温度分布）、岩石热扩散率α（用于估算矿坑岩壁放热强度）、岩石体积热容cρ（其中c为比热容，ρ为密度，用于评估热储内静态赋存的地热资源）；同时还包括油气地热学中进行古热史推演时应用的镜质体反射率Ro和裂变径迹长度L两项镜下鉴定参数。

三是室内外实验测量装备和仪器的配置。

由于地热学尚是一门新兴的地质地球物理学科，迄今尚缺乏标准化的地热测量仪器和装备。

因此，仪器和装备的组装、设计、研制、标定自然成为实验地热学研究的重要组成部分。

包括：

①野外测温仪器的组装和室内标定装备的配置；②Ro和L等参数镜下鉴定装备的配置；③κ、cρ、A等岩石热物性测定装置和仪器的设计、研制；④参数α按公式α=κ/cρ计算求出，式中κ是应用最广泛、也是最重要的岩石热物性参数，通常需建立多种仪器和装备加以测定，包括稳态和非稳态的室内岩石热导仪，以及用于现场测试的便携式原位岩石热导仪。

四是岩石热物理性质及其他相关地球物理参数的高温高压试验：

当开展壳幔深部热状态和热作用研究时，进行模拟原位高温高压岩石热物性测试是十分必要的；同时考虑到热场与地球物理场的紧密联系，岩石波速、密度、电性和磁性随温度（压力）的变化也可纳入实验地热学的研究范围。

【地热地球化学】geothermalgeochemistry指地热勘查中的地球化学方法。

在地热田的最初调查阶段，对地表冷水、热泉水、喷气孔和冒汽地面的水汽样进行分析能够廉价地得到有关该地区地热田特征的许多信息。

它有助于评价热田的能量、地下温度、地热系统的类型、流体的来源、深部地质学和矿物学情况，将来开发时的腐蚀和结垢，是否存在垂向渗透带等诸多问题。

【地球热状态】ｔｈｅｒｍａｌｒｅｇｉｍｅｏｆｔｈｅＥａｒｔｈ地球内部的温度状态。

陆地上的平均地球热状态地热梯度约每千米25℃。

大地热流现象主要受地壳和上地幔

中50～100千米范围内热活动的控制。

更深处的热状态，还只能根据地震、重力和大地电磁测深等地球物理方法,以及地球化学方法或借助于理论计算进行推论（如图）。

根据地震资料得

知,整个地幔是固体,因此在地幔范围内的温度上限低于物质的熔点,但在700千米深处接近于

熔点。

外核物质处于流体状态,它的温度高于物质的熔点。

由于温度在地幔和地核的界面上没有出现突然变化,因此外核的熔融现象可能是物质成分的变化。

内核的温度,一般认为超过

地幔温度400～500℃。

地心的温度不低于2000℃,但也不超过10000℃。

关于地球内部温度分布的另一种推算结果是:

100千米处（上地幔顶部局部熔融开始）1100～1200℃;400千米处（上地幔橄榄石尖晶石相变带）1500℃;700千米处（尖晶石ＦｅＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２相变带,上、下地幔界面）1900℃;2900千米处（地幔地核分界面）3700℃;5100千米处（内、外地核分界面）4300℃;6371千米处（地心）4500℃。

地球热源分类】classificationoftheEarthsheatsources地球内部的热源是研究地球热状

态中最重要的问题。

长期以来，放射热是地球内部热能主要来源的观点，在地热界几乎获得公认。

但，还有学者认为除放射热外，地球的热能还有来自太阳的辐射热、地球转动热、地球的重力分异热，化学反应热等。

前苏联A.A.斯梅斯洛夫等人（1979）提出了地球内部热源及外部热源的分类和分布的图式。

地球热源分类

（据A.A.斯梅斯洛夫等，1979；引自黄尚谣等，1986）

1经常起作用的全球性热源；2间或起作用的局部热源；3混合热源

【放射热】heatfromradioactivity又称放射性衰变热、放射能。

是地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、半衰期与地球年龄相当的放射性元素衰变时产生的巨大能量，它构成了地球的主要热源。

多数学者认为，在整个地球发展的历史时期中，能为地球提供巨大热能的放射性元素是少量长寿命的放射性同位素铀（235U，238U）、钍（232Th）、钾（40K）等。

根据地球理论热模型估计，来自地球内部的热流有五分之四是由放射热提供的。

【地球转动热】heatfromtheEarthrotation又称地球转动能。

是由于地球及其外壳物质密度的不均匀分布和地球自转时角速度的变化，引起岩层水平位移和挤压而产生的机械热。

这一变化使地球的外壳产生巨大的应力集中，地壳遭到破坏。

地球转动热是地球内部热源中经常起作用的全球性热源之一，在地球热源中占有重要地位。

地球自转角速度的变化与地壳运动的发生密切相关，它严格控制着构造体系的形成与分布，也控制着各种矿产资源与地热资源的形成与发展。

【化学反应热】heatfromchemicalreaction又称化学能。

外成生物作用主要包括硫化物及有机物的氧化作用。

有机物的氧化反应具有最大的热效应，这种反应可以释放出平均3.84×105焦/摩的热量。

硫化物的氧化反应是地壳中发生的化学反应中分布最广和最重要的一种。

总的来说，化学反应热在地球内部热源中所起的作用是很微小的，但对局部地热异常的形成具有一定的意义。

如俄罗斯巴斯基尔央港塔乌“热山”就是由于外成作用而形成的。

这里，在巨厚的泥灰岩层中，由于有机物氧化作用的放热过程而形成高温异常中心。

地下50米深处温度为150～270℃，90米深处可高达380℃。

【太阳辐射热】heatfromsolarradiation又称太阳辐射能。

太阳辐射热是地球外部经常起作用的全球性能源，主要包括太阳和大气的辐射热以及地表的反射热。

因而，地球表面及近地表处的温度场，取决于这类能量的均衡。

太阳的辐射能可以用垂直于太阳光大气圈界面上每平方厘米面积每分钟所接受的辐射总量来表示，为1.36千瓦/米2。

在太阳辐射的能量中，

大约有34%经大气的散射、地表面的反射等又返回到宇宙空间，其余66%使大气和地表受

热。

太阳辐射热控制着大气层、水圈、生物圈及岩石圈发生的各种生物作用、化学作用及其他作用，成为地球表面风化、剥蚀等外力作用所需要的能量。

辐射能对海洋的影响深度为150～500米，对陆地的影响深度一般只有10～20米。

【潮汐摩擦热】tidalfrictionheat又称潮汐摩擦能。

是由月球和太阳对海水的吸引而释放的能量。

在地球的外部热源中，潮汐摩擦热仅次于太阳辐射热，也是地球外部热源中经常起作用的全球性能源。

据M.托普扎尔（1960）估算，每年由潮汐摩擦产生的热能量为2.09×109焦。

【岩石放射性生热率】radioactiveheatgenerationrateofrocks单位体积的岩石在单位时间内由其所含的放射性元素衰变而产生的热量，即为岩石放射性生热率，简称岩石生热率A，单位为微瓦/米3。

放射性元素的衰变生热是地球内部驱动众多深部构造热过程的重要动力来源，也是岩石圈内热场（温度场）分布的主要控制因素。

岩石中所含的天然放射性元素虽然很多，但只有铀、钍、钾3个元素因具有足够的丰度且其半衰期可与地球的年龄相比拟，而

被列为主要生热元素。

其中钾的分布较为均匀稳定，但总体生热贡献仅占总量的1/10～2/10；铀最为活跃，钍次之，两者在地球演化和分异淋滤过程中易受水热活动影响而迁移富集至地壳顶部。

A值并非是一项直接测量的参数，而是通过实验测定的铀、钍、钾含量，用下式换算求出：

{A}μW/m3=0.26{w（U）}10-6+0.011{w（Th）}10-6

+0.096{w（K）}%

式中w（U）、w（Th）和w（K）分别为铀、钍、钾的质量分数。

一般而言，A值按岩浆岩→沉积岩→变质岩的次序逐渐减小；深成岩的A值高于喷发岩，岩类越偏基性A值越低，超基性岩A值通常最低。

如花岗岩的A大于2～6微瓦/米3，而橄榄岩的A小于0.01～0.03微瓦/米3，两者的极值可有2～3个数量级的差异。

应指出，过去使用的岩石生热率单位为HGU。

【岩石生热率深度分布】heatproductionindifferentdepth放射性元素生热率随深度（Z）的分布呈指数规律减小，表达为A（z）=A（0）exp（-Z/H）式中：

A（0）为地表产热率；H为对数减缩量。

地球不同深度带的生热率估计如下：

0～100千米间产生的大地热流量为50%；100～200千米间为25%；200～300千米间为15%；300～400千米间为8%；＞400千米为2%。

【地热】ｇｅｏｈｅａｔ，ｇｅｏｔｈｅｒｍ又称地下热。

是存在于地球内部的热。

地球是一个巨大的热库，估计仅地球表面每年通过热传导扩散到空间的热量就有84×1020

焦，相当现代人类每年消耗总能量的10倍以上。

地球内部的总热能量约为地球上全部煤炭储量的17亿倍。

地球表层的热量主要来自太阳辐射热，其热量的大小随纬度高低、海陆分布、季节变化、昼夜更替、植被程度而异。

然而它的影响深度很小，平均为15米左右，称为太阳辐射热带，又称外热带或变温层。

这一层以下，为温度常年不变层，称常温层。

常温层以下几十千米的地壳，热量主要来自地球内部，称内热带或增温层。

地壳底部温度约在900～1000°C，地幔下部和地核温度约在2000～6000°C之间。

地热的来源有多种假说，主要认为是由地下放射性元素蜕变放热及地幔热流通过基岩传播而来，其次是地球转动能转变、重力分异、化学反应和结晶热等。

此外，在火山活动地带，地温较高，其热源主要来自与火山活动有关的岩浆。

中国拥有丰富的地热资源，大部分可供直接利用，而且利用已有悠久历史。

早在2000多年前的东汉，张衡（公元78～139年）在《温泉碑》中载：

“有病厉兮，温泉泊焉”，即利用温泉治病。

从1970年起，广东丰顺、河北怀来、北京、天津和西藏等地，利用地热发电、医疗、采暖、生活用水、工农业用水和从中提取矿产等。

研究地球热状态和热历史，对认识地球的发展、演化和地壳运动有十分重要的科学意义。

【地热热源】ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓｏｆｔｈｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ地热资源热能的直接补给源。

高焓地热流体（包括过热蒸气、饱和蒸气等干蒸气和湿蒸气）的热能主要

来源于近代至现代火山活动和地壳浅部的、时代不早于上新世的岩浆侵入体,它们统称岩浆

型热源。

大断裂的摩擦热,放射性物质衰变热,化学反应热以及其他物理热源在这种地热资源中所起的作用极其有限。

岩浆型热源是地热资源的最理想热源。

低焓地热流体的热源一般与火山或岩浆活动无直接关系,它的热能多数来源于地壳地热梯度的加热;它也可能是高焓地热流体的副产品,或者是高温地热系统的衰老阶段。

【地温梯度】ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｇｒａｄｉｅｎｔ又称地热梯度、地热增温率。

指地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。

在实际工作中,通常用每深100米或1千米的温度增加值来表示地热梯度;在地热异常区,也常用每深10米或1米的温度增加值来表示地热梯度。

地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃,大于这个数字就叫做地热梯度异常。

近地表处的地热梯度则因地而异,其大小与所在地区的大地热流量成正比,与热流所经岩体的

热导率成反比。

因此,地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化,也可能来源于近地表

岩体的热导率的变化。

地热梯度的方向一般指向温度增加的方向,称正梯度。

如果温度向下

即随深度的增加反而降低时,称负梯度。

热田钻孔穿透热储层后,常出现负梯度。

地热梯度的

倒数称地热增温陡度（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｅgree）,或称地热增温级（geothermal

degree）,其物理意义可以理解为温度相差1℃时两个等温面之间的距离。

【地温】geotemperature表示地下冷热的程度，称为地温或地球的温度。

【岩石热导率】ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｒｏｃｋｓ沿热流传递的方向单位长度（l）上温度（θ）降低一度时单位时间（τ）内通过单位面积（S）的热量（Q），表示岩石导热能力的大小。

按傅立叶定律,在热流量一定的条件下,通过热传导作用所流经的物质

的热导率（κ）与温度梯度成反比,可以下式表示:

κ＝Ｑ／（ΔθΔl·Ｓ·τ）［Ｗ/（ｍ·K）］岩石的热导率取决于岩石的成分、结构、形成条件、含水状况、温度和压力等。

一般情况下,岩石的热导率随压力、密度和湿度的加大而增高,随温度的增高而减小。

地壳上部的温度和

压力对岩石热导率的影响极小。

对于各向同性的均质材料来说,热导率可以用一个单一的数

值来表征;对于各向异性的非均质材料来说,热流密度向量和热导率很复杂。

由于各种岩石都是由大大小小的颗粒组成的,这些颗粒大部分是晶体,其中不少晶体的对称性都比较低,因此岩石的无限小单元一般不能用各向同性均质材料所适用的简单关系来对待。

当研究对象的体积足够大（与单个晶粒相比）,如果和各向同性现象之间不存在大幅度偏差,就可以采用上述简

单关系。