地球热流

地球热流
热可以以四种不同的方式运移：辐射，平流，传导，对流（radiation, advection, conduction, and convection）。

图1：示意图（不按比例）显示四种热传递。

从岩浆侵入体上来的热，在那里发生对流，传导到附近冷的岩石，通过加热的地下水平流穿过破裂将热传导远方。

热主要通过熔岩传导和辐射消散到大气。

那里空气扩大有浮力向上平流传递热，冷的空气下沉再被加热扩大上升。

常见两个或三个，协调行动，如在（图1）熔岩流冷却。

辐射涉及到一个热的物体的表面散发电磁能量到周围冷的透明空间，如太阳进入大气层或高温熔岩散发到大气层。

在真空，这个能源以277800km/秒移动，以光的速度。

辐射在冷的岩石是微不足道的，因为他们是不透明的，但在1200度以上岩石变透明，辐射传输以指数增加温度。

平流涉及流体通过不同温度的岩石。

由于接近地球表面的岩石断裂的规模相同，因为这些断裂，至少部分蓄水，平流是一个重要的传热过程。

例如，岩浆侵入加热热水通过岩石裂缝中到冷的岩石，加热岩石。

水的比热比岩石大，能使平流热输送更有效。

对流换热在岩浆穿透岩石时也很重要。

传导，有任何材料的振动的原子来进行动能传递，被称为热传导。

热在真空无法进行传导是因为缺乏原子。

想像一个充满刚性球框（代表原子），相互联系的是弹簧（代表原子连结。

如果在一个角落里的球框设置成运动（即给予动能或内部的热能）在框中的球，最终都将运动和有动能，但运动和任何个人的能量小于在角落里的球的能量，因为初始能量输入在整个框传递时会消退。

整个框内部动能运动，表现为热传导。

热总是从较热的地区流动，那里原子动能更大，到冷的地区，那里的动能少。

清凉的金属锅在热炉子上变得热了，就是一个通过金属传导热的结果。

从热岩浆侵入获热到附近去冷却岩石，然后岩石变热，而岩浆冷却。

（若这种情况下，传导与水的对流通过在墙壁石缝间的行为一致。

）对于给定的体积，如果其接触面积较大，物体传导热量更快的进行，这就是为什么空气冷却引擎附散热板散热得更快。

在相邻热和冷的物体温度差异，称为热梯度（thermal gradient），有足够的时间，热梯度会减少并最终可能消除，但热物体提供的热量不会恢复。

在一个单位表面积上经一段时间传导热的速率，称为热通量或热流，是热梯度和热导率的产物，或热流=热流传导率*热梯度
与熟悉的金属相比岩石有其极低的热传导率（thermal conductivity），岩石被认为是热绝缘体。

在所有其他因素相同下，铜的导热性是近200倍的岩石。

由于岩石低导热系数和地球大尺寸（半径约六三七零公里），基本无热量已经从深的内部经45亿年传出。

（Verhoogen，1980）
自1950年代以来的地球各地的数千的测量显示，从较热的内部到表面热流平均约0.09（W/m2）。

如果回顾了普通的白炽灯灯泡瓦数，是60-100w，这是一个极少的热量！热流和相应的地温梯度的重大差异取决于板块构造背景。

地热梯度（geothermal gradient）或地温线，表达为温度的改变除以发生地方深度的变化，ΔT /Δ Z，已发现在扩张洋中脊下每公里地下改变数百度温度，沿汇聚板块边的活动的板内造山带是20-30度/km，在深海海沟附近温度变化低至7度/km。

热梯度这些变化可能反映了由岩石的热传导，透明的辐射，或由另一机制引发的全球横向变化。

作为前两个岩性横向变化的可能性是不合理的，另一个的传热机制的可能性，应予以考虑。

另一种说法表明，全球热流量可能不会完全由传导形成。

如果一个适度地20度/km地热梯度来推断深度，也就是说，200公里，温度将有200公里* 20度/km = 4000度。

这是一个不可能的温度，因为它已超过了在这个深度的地幔岩石的熔融温度（下图2;实验室测量），因为地震横波（不能通过液体）在整个地幔传播。

显然，测量近地表的地热无法推断到地球内部去取得的温度，这就是说，地温梯度对于深度并不是固定。

至少有两个大大降低了深部地热梯度，使地球大规模融化不会发生。

其一是另一种更有效的传热机理表现在深部地幔，另一个是存在一个近地表岩石的集中的产热。

双方都是正确的。

图2 这是关于压力，温度，矿物组成，密度和熔融条件与地球地幔和外核深度关系图。

硅酸盐地幔岩石和核心Fe合金的开始熔化温度已确定在实验室（方框1.2）。

地温梯度，或地热（虚线）必须位于固体地幔熔融温度以下，在通过适当的410 和670公里的两个相变面，为橄榄石相变为尖晶石和尖晶石相变为镁铁钙铝钙钛矿加方铁矿，这导致地震波速度间断。

注意到地热在通过地幔或多或少是个不变的坡面只有0.3度/km，传热为对流。

在D”层地热和岩石圈的要高得多，因为效率较低的传热传热这些上下热边界层占主要地位。

注意到扩大的大陆地壳在图的顶部，平均只有约35公里的厚度。

对流，有差异温度，导致物质运动从一个地方到另一个地方叫对流。

运动是由于在材料不同部位的密度有差异，这样，在重力的影响，密度较小物质上升和密度更大的物质下沉。

例如，在一个热炉子上锅中的汤对流，因为在底部它变暖和膨胀，密度变得小，和上升浮起，取代了锅上面的冷的密度大的汤，这些汤沉到底部完成循环。

对流密度差异也可以联系到成分差异。

例如，水面，在炎热干旱地区盐湖表面蒸发增加了盐的浓度，使水密度变大，导致它下沉，即使它可能会比下面根本少盐度的咸水温暖。

应该强调的是，不同的热传导和辐射，对流需要重力。

没有重力，没有采取行动的浮力使有密度差异的物体移动。

因为对流一般以流体，如在一个锅中的汤和水体，且大气气体也可，它可能看起来令人吃惊，这样的热量传输模式在固体岩石地幔也是存在的。

事实上，地幔对流的事实不是地质学家原先想的那样，直到在20世纪60年代板块运动和大陆漂移思想的接受。

矛盾的，一方面，一个坚固的地幔传送地震横波，并在另一方面，流体的地幔有对流的能力，这个思想能被解决是因为考虑地幔的粘性因素。

粘度（Viscosity），一个流动的阻力，最好的例证是焦油（沥青）。

在每天平均24度焦油的粘稠体，如脆性固体，可以被一槌击分解成锐利的碎片。

但在这个同一机构的焦油经数小时，根据其自身的重量化为平坦的一团。

在24度焦油粘性比蜜还大。

因为热地幔岩石是比24度焦油粘性约是1018，或18个数量级或更粘。

在地幔对流量相对与焦油不是以厘米/小时来衡量，而是以厘米/年的速度岩性板块移动。

一个定义流体和固体的方式就是不同的时间尺度的流动测量。

冷的大洋岩石圈板，主要是地幔岩石，太粘无法自己对流，沉到下层热的，密度相对较低的地幔。

在利用地球的X射线断层摄影计算地震波（而不是X射线，在扫描一个人的身体使用）表明，至少有一些岩石圈俯冲板片，通过地幔在最密集的金属核心部分停止移动。

对流上升流热地幔在洋脊和相关的海底扩张补充岩石圈的俯冲。

即使地幔对流速度是几厘米/年，看来非常小，但是却远远超过热传导的传热。

事实上，岩石圈板可以经超过数千万年的对流，下沉约2800公里，通过热地幔，但仍保持我们所认识的冷的温度（通过大约100公里厚度），表明传导加热非常缓慢。

相反，如果热传导较对流迅速，俯冲板块会吸收热量，下沉后会改变密度差异和特性。

地幔对流的第二形式，显然可以独立于板块运动独立运作，由相对热地幔柱组成，直径几百公里，它垂直上升到岩石圈的底部。

首先由摩根（1971）提出，地幔柱（mantle plumes），在本世纪末已被确定存在（通过地震断层显像），（见，例如，文章在1999年3月19日和1999年5月14日，科学期刊）。

这些柱状来源显然是在地幔底部中所谓的D ”层。

也许10-20%驱动地幔对流热来自冷却的核心，也许这种驱动都以柱状。

地震调查发现D”层有大量的缓层（（Jeanloz 和 Romanowicz，1997年），从不同的时间及地点，厚的膨胀变得有足够浮力上升，有着热的低粘度，但仍是固体岩石柱，驱使附近D”层与它一起上升。

熔岩灯的装饰，在一些家庭是丰富多彩的模型。

许多地质学家相信在浅地幔的柱状头部分熔融，生产流到上地壳的大规模的玄武岩岩浆，形成了巨大的大陆和大洋玄武岩高原。

柱状的尾部，它可以持续的几千万年，被认为是与火山岛链相关，如夏威夷。

最后，在岩石圈板块的运动主要是上地幔传热这是明显的，而地幔柱由地核和最低层地幔出向上传热。