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    地球結構與地熱能

    2016-12-08 15:21:02

     

     

    一. 地 球 內 部 結 構 

     

    根據科學家們的研究,地球內部大致可分為三個組成物質和性質不同的同心圈層,最外麵的一層稱為地殼,最中心部分稱為地核,中間一層稱為地幔。如果把地球內部結構做個形象的比喻,它就像一個雞蛋,地核就相當於蛋黃,地幔就相當於蛋白,地殼就相當於蛋殼

     

    1.地殼

    地殼是地球表麵以下、莫霍麵以上的固體外殼,地殼的厚度是不均勻的,地殼平均厚度約17千米,大陸部分平均厚度約33千米,高山、平原地區(如青藏高原)地殼厚度可達60~70千米;海洋地殼較薄,平均厚度約6千米。地殼厚度的變化規律是:地球大範圍固體表麵的海拔越高,地殼越厚;海拔越低,地殼越薄。地殼的物質組成除了沉積岩外,基本上是花崗岩、玄武岩等。花崗岩的密度較小,分布在密度較大的玄武岩之上,而且大都分布在大陸地殼,特別厚的地方則形成山嶽。

     

    地殼上層為沉積岩和花崗岩層,主要由矽-鋁氧化物構成,因而也叫矽鋁層;下層為玄武岩或輝長岩類組成,主要由矽-鎂氧化物構成,稱為矽鎂層。海洋地殼幾乎或完全沒有花崗岩,一般在玄武岩的上麵覆蓋著一層厚約0.40.8千米的沉積岩。地殼的溫度一般隨深度的增加而逐步升高,平均深度每增加1千米,溫度就升高30℃。

                                                                                                   地球內部結構

    2.地幔

    地幔是介於地表和地核之間的中間層,厚度將近2900千米。主要由致密的造岩物質構成,這是地球內部體積最大、質量最大的一層。它的物質組成具有過渡性。靠近地殼部分,主要是矽酸鹽類的物質;靠近地核部分,則同地核的組成物質比較接近,主要是鐵、鎳金屬氧化物

     

    地幔又可分成上地幔下地幔兩層。下地幔頂界麵距地表1000公裏,密度為4.7/立方厘米,上地幔頂界麵距地表33公裏,密度3.4/立方厘米,因為它主要由橄欖岩組成,故也稱橄欖岩圈。一般認為上地幔頂部存在一個軟流層,是放射性物質集中的地方,由於放射性物質分裂的結果,整個地幔的溫度都很高,大致在1000℃到2000℃或3000℃之間,這樣高的溫度足可以使岩石熔化,可能是岩漿的發源地。但這裏的壓力很大,約50萬~150萬個大氣壓。在這樣大的壓力下,物質的熔點要升高。在這種環境下,地幔物質具有一些可塑性,但沒有熔成液體,可能局部處於熔融狀態,這已從火山噴發出來的來自地幔岩漿得到證實。下地幔溫度、壓力和密度均增大,物質呈可塑性固態。

     

    地球各層的壓力和密度隨深度增加而增大,物質的放射性及地熱增溫率,均隨深度增加而降低,近地心的溫度幾乎不變。

     

    3.地核

    地核又稱鐵鎳核心,其物質組成以鐵、鎳為主,又分為內核和外核。內核的頂界麵距地表約5100公裏,約占地核直徑的1/3,可能是固態的,其密度為10.5—15.5/立方厘米。外核的頂界麵距地表2900公裏,可能是液態的,其密度為9—11/立方厘米。推測外地核可能由液態鐵組成,內核被認為是由剛性很高的,在極高壓下結晶的固體鐵鎳合金組成。地核中心的壓力可達到350萬個大氣壓,溫度是6000攝氏度。在這樣高溫、高壓的條件下,地球中心的物質的特點是在高溫、高壓長期作用下,猶如樹脂和蠟一樣具有可塑性,但對於短時間的作用力來說,卻比鋼鐵還要堅硬。

    4.地球內部劃分

                                                                                                                               

                                                                二.  地   熱   能  

     

    地熱能〔Geothermal Energy〕是由地殼抽取的天然熱能,這種能量來自地球內部的熔岩,並以熱力形式存在,是引致火山爆發及地震的能量

     

    地熱能是一種新的潔淨能源,在當今人們的環保意識日漸增強和能源日趨緊缺的情況下,對地熱資源的合理開發利用已愈來愈受到人們的青睞。其中距地表2000米內儲藏的地熱能為2500億噸標準煤。全國地熱可開采資源量為每年68億立方米,所含地熱量為973萬億千焦耳。在地熱利用規模上,我國近些年來一直位居世界首位,並以每年近10%的速度穩步增長

     

    1. 地熱能的來源

    關於地熱的來源,有多種假說。一般認為,地熱主要來源於地球內部放射性元素蛻變放熱能,其次是地球自轉產生的旋轉能以及重力分異、化學反應,岩礦結晶釋放的熱能等。在地球形成過程中,這些熱能的總量超過地球散逸的熱能,形成巨大的熱儲量,使地殼局部熔化形成岩漿作用變質作用

     

    現已基本測算出,地核的溫度達6000℃,地殼底層的溫度達9001000℃,地表常溫層(距地麵約15米)以下約15公裏範圍內,地溫隨深度增加而增高。地熱平均增溫率約為3/100米。不同地區地熱增溫率有差異,接近平均增溫率的稱正常溫區,高於平均增溫率的地區稱地熱異常區。地熱異常區是研究、開發地熱資源的主要對象。地殼板塊邊沿,深大斷裂及火山分布帶等,是明顯的地熱異常區。

     

    2. 地熱能的傳遞

    地熱能傳遞的方式有傳導、對流、輻射。地幔對流是熱量由地心向地表傳輸的主要途徑。地球內部高溫熔融的地核,使其周圍的地幔被加熱熔化,產生上升熱流,遇到地殼降溫後,向四周分流,密度增大,又向地幔下部沉降,在地核附近再遇熱上升,如此往複,形成地幔對流。地幔對流,帶動了其上方的地殼大陸板塊或海洋板塊的上升、下沉與平移,形成山脈、海洋、大陸,形成大洋中脊裂穀和大陸裂穀,同時也是地表熱點的分布、地震和火山活動,以及某些礦物生成的重要因素。地幔的熱對流就像運動的傳送帶,被認為是地球演化變遷最可能的原始驅動力。

                                                 地熱能的傳遞

     

    3. 地熱能的表現方式

    46億年長河中,運動的地球不斷的蓄積和釋放著能量。地球釋放能量的形式多樣,其中主要有以下四種:

     

    熱傳導 地通過岩石向外傳導熱能,是地球熱能釋放的主要渠道,稱為大地熱流。地球每年通過熱傳導從地球表麵散失的熱量約為1.399×1021焦耳。

       中國大陸地區熱流分布

     

    火山噴發 地下的岩漿循著地殼的薄弱帶攀援上升,噴出地表形成火山爆發,使地球內部積聚的熱能得到釋放,之後再形成新的平衡。地球每年通過火山噴發釋放的熱量大約為3.3×1019焦耳。

     

     

    地震 地殼快速釋放能量過程中造成振動,期間會產生地震波的一種自然現象。據不完全統計,地球上每年發生大大小小五百萬次地震,其中能對一個地區造成巨大災難的大地震約十來次。地球每年通過地震活動釋放的熱量大約為5×1017焦耳。

     地震成因

     

    溫泉 地球每年通過地熱帶溫泉釋放的熱量估計約為2×1018焦耳。 

    地熱溫泉

     

    4. 地熱能的分類

    按賦存狀態分類

    通常,AG亞遊集團把地熱資源按它在地下的儲存形式可分為五大類:蒸汽型、熱水型、地壓型、幹熱岩型和岩漿型。

     

    1)蒸汽型地熱資源:指以溫度較高的蒸汽為主的地下對流水熱係統,這類地熱資源由於需要特殊的地質條件才能形成,因此儲量較少。一般蘊藏在 1.5 km左右的地表深度。

    2)熱水型地熱資源:指地下以水為主的對流水熱係統 ,是存在於地熱區的水從周圍儲熱岩體中獲得能量形成的,包括噴出地麵的熱水和濕蒸汽。這類資源分布廣泛,儲量豐富。

    3)地壓型地熱資源:蘊藏深度為2km3km,以高壓水形式存在,溶解大量碳氫化合物,開發時可同時得到壓力能,熱能,化學能。

    4)幹熱岩型地熱資源:在地殼深處,岩石具有很高的溫度,儲存了大量得熱能,幹熱岩型地熱資源主要指地表下10km左右深處的幹燥無水的熱岩石。這類資源十分豐富,是當下開發的重點。

    5)岩漿型地熱資源:指蘊藏在地層深處的呈完全熔融狀態或半熔融狀態的岩漿中所具有的巨大能量

     

    按溫度分類

    按照溫度,地熱資源可以分為高溫、中溫和低溫三類。

     

    1)高溫地熱:溫度大於150℃的地熱以蒸汽形式存在,叫做高溫地熱。

    2)中溫地熱:90~150℃的地熱以水和蒸汽的混合物形式存在,叫做中溫地熱。

    3)低溫地熱:溫度大於25℃,小於90℃的地熱以溫水(25~40),溫熱水(40~60)、熱水(60~90℃)等形式存在,叫做低溫地熱。

     

    高溫地熱一般存在於地殼活動較強的板塊邊界,即火山、地震、岩漿侵入多發地區,著名的冰島地熱田、新西蘭地熱田、日本地熱田以及我國的西藏羊八井地熱田、雲南騰衝地熱田、台灣大屯地熱田都屬於高溫地熱田。中低溫地熱田廣泛分布在板塊的內部,我國華北、京津地區的地熱田多屬於中低溫地熱田。

     

    5.地熱的開發利用

    隨著我國向西部轉移的戰略目標的實施,中西部地區的地熱工作已逐步得到加強,並已取得顯著進展。在地熱發電、采暖、溫室、養殖、康複醫療、工業、旅遊以及瓶裝礦泉水等方麵已獲得廣泛利用。

     

    地熱發電

    我國擁有150℃以上的高溫溫泉區近百處,集中分布在藏南、滇西和川西地區,成為我國開發利用高溫地熱能資源最有遠景的地區。

     

    著名的羊八井地熱田是我國興建的第一座地熱電站,自19779月建成試驗發電以來,裝機容量已達25.15兆瓦,占拉薩電網總裝機容量的41.5%,在冬季枯水季節,地熱發電量占拉薩電網的60.0%,成為其主力電網之一。

     

    地熱發電站

     

    地熱采暖

    我國地熱采暖有很大的增長,尤其在北方,如北京、天津、大港、任丘、大慶、西安、鹹陽、開封等地,取得了良好效果,既節約了常規能源,又減少了環境汙染。

    地熱供暖

     

    地熱農業利用

    我國中西部大部分地區屬農業區,無論是山區或平原地區,地熱資源均十分豐富,為地熱在農牧副漁等方麵的廣泛利用提供了優越的資源條件。地熱資源已有效地利用於溫室種植(蔬菜、花卉等)、水產養殖、禽類孵化等方麵,效益顯著。

                                                   


                                                   


     

     

    地熱工業利用

    地熱可以用於烘幹和蒸餾過程,用於簡單的工藝供熱,或者用於各種采礦和原材料處理工業的加溫和除冰。在某些情況下,地熱流體本身也是一種有用的原料,具有工業利用價值,如某些熱水含有的各種鹽類和其他化學物質,以及天然蒸汽中的不凝氣體等。

     

    地熱醫療與旅遊

    由於地熱水具有較高的溫度、特殊的化學成分、氣體成分、少量生物活性離子以及放射性物質等,並在一些地熱區形成礦泥,對人體具有明顯的醫療、保健作用,用於醫療、保健早為人們所關注。我國中西部的許多地區既擁有醫療礦水資源,又擁有溫泉旅遊觀光資源,不少已成為著名的礦泉旅遊療養勝地,如陝西省臨潼的華清池、河南省的汝州、內蒙古自治區的阿爾山等地,均在溫泉區建有療養院。

     

    礦泉飲料業

    我國中西部地區的許多熱礦水中,含有鋰、鍶、溴、碘、鋅、硒等微量元素和碳酸氣等,已分別達到我國飲用天然礦泉水國家標準,有的不隻單項達標,而是多項達標,對人體具有良好的醫療保健作用。礦泉飲料業已取得一定進展,效益顯著。