地熱源

地熱源，是指地球內部所蘊含的熱能，認識地熱的形成和分布規律涉及地球起源的各種學說。儘管目前對地熱源源眾說紛紜，但各種學說都認同岩石中放射性元素蛻變產生的熱量是地熱的主要來源，也就是說地球的熱源絕大部分來自深部放射性同位素的蛻變。

從地球內部通過傳導釋放出地表的熱量中，4/5是放射性同位素釋放熱，1/5是其他熱源的總和。

基本介紹

• 中文名：地熱源
• 外文名：Geothermal source
• 主要熱源：放射性元素釋放熱
• 熱源深度：集中於地殼及地幔上部
• 其他熱源：地球轉動能、生物作用、潮汐摩擦
• 學科：地熱學

放射性衰變放熱

放射性衰變熱又稱放射熱或放射能。地球內部岩石和礦物中具有足夠豐度、生熱率較高、半衰期與地球年齡相當的放射性元素衰變時產生的巨大能量。它是地球內部的主導熱源。

穩態熱源

放射性同位素在一定程度上均自然放熱，但Al²⁶、Be¹⁰、Ce¹³⁶、Fe⁶⁰等半衰期短的元素只在地球歷史早期起過作用，而半衰期過長者，至今尚未充分發揮作用。

地球化學研究證明在整個地球發展的歷史時期中，能為地球提供大量熱能的放射性元索僅為少量長壽命的放射性同位素鈾、釷和鉀等，與地球年齡相當，而且在地球中有較大的豐度和較高放射性熱效率對地熱的形成有著極為重要的意義。因而被認為是穩態熱源。

1、鈾有兩種長壽命的同位素：

U²³⁸，通過一長系列的中間產物衰變為鉛（Pb²⁰⁶）；

U²³⁵，也衰變為鉛（Pb²⁰⁷）；

2、釷只有一個長壽命同位素，即Th²³²它也通過一系列中間階段衰變為鉛（Pb²⁰⁸）；

3、鉀的稀有同位素K⁴⁰通過兩種途徑衰變，一種衰變為Ca⁴⁰，另一種衰變為Ar⁴⁰。

下表是上述放射性同位素的半衰期和熱產率。

同位素	半衰期	在元素中占比/%	熱產率/[J/（g.a）]
鈾^238	4.50	97.27	0.70
鈾^235	0.71	0.72	0.03
釷^232	13.90	1.00	0.20
鉀^40	1.31	0.012	0.22

由表中可以看到，同位素U²³⁸的生熱率最高，鉀在地殼岩石中的含量為（2~4）×10^-6（以1g岩石中的克數計）它在地球各層圈中分布是不均勻的。

據計算，地球自形成以來，其內部中長半衰期放射性元素蛻變產生的熱量平均每年約2.934×10¹⁷KJ，由於地殼中放射性元素逐漸消耗，目前產生的熱量，約為30億年前的40%。略少於地球每年向宇宙散失和由火山溫泉攜出的熱量的總和，因而地殼在最近的地質歷史時期正處在極其緩慢的冷卻過程中。

各類岩石放熱量

地球化學研究表明，這些長壽命的放射性同位素在地球演化、分異過程中集中在地殼及上地恢的頂部。主要放射性物質U、Th、K同位素的校定天然放熱量分別為9.525×10^-5W/kg、2.561×10^-5W/kg、3.477×10^-9W/kg，根據岩石的密度與放射性元素的含量可以計算出各類岩石單位體積的放熱量，如下表所示。

岩石類型		單位體積的放熱量	岩石密度	每千米厚對大地熱流的貢獻
岩類	岩石名稱
火; 成; 岩	花崗岩/流紋岩	2.45	2670	2.5
	花崗閃長岩/英安岩	1.49	2720	1.5
	閃長岩、石英閃長岩/安山岩	1.08	2820	1.1
	輝長岩/玄武岩	0.31	2980	0.3
	超鎂鐵質橄欖岩	0.012	3230	0.01
	橄欖岩	0.0019	3280	0.002
變; 質; 岩	綠片岩/低變質角閃岩相	3.15	2700	3.2
	高變質角閃岩相	1.17	2750	1.2
	低變質麻粒岩相	0.73	2750	0.7
	高變質麻粒岩相	0.45	2900	0.4
沉; 積; 岩	石灰岩	0.62	2600	0.6
	白雲岩	0.36	2600	0.4
	石英砂岩	0.33	2400	0.3
	長石砂岩	0.85	2400	0.8
	雜砂岩	1.0	2400	1.0
	頁岩	1.8	2400	1.8
	深海沉積物	0.78	1300	0.8

由以上表格可以看出，自然界的岩石中，沉積岩的輻射對大地熱流的貢獻不大；火成岩類僅花崗岩、流紋岩對地表熱流有一定貢獻；其餘岩石貢獻不大，尤其是玄武岩、橄欖岩、榴灰岩等基性、超基性岩放熱甚低;變質岩類也只有綠片岩和低變質角閃岩對地表熱源有所貢獻。

熱源深度

放射性同位素在地球分異演化過程中集中於地殼及地幔上部，但從計算數值來看，地殼岩層中放射性熱源最多只占大陸正常平均大地熱流值的5%，因此可以推斷大地熱流的來源主要來自於上地幔。岩漿侵入到較淺的地殼中對局部性地區是一種短時的熱源，這種熱源較為常見。其餘的熱源，諸如熱源反應、相變等則相對說來僅具有極為有限的重要性。

深度/km	熱產率比例/%
0~100	50
100~200	25
200~300	15
300~400	8
>400	2

從上表可以看出放射性元素主要聚集的地殼及上地幔段隨著深度的增加，放射性元素數量明顯減少。

其他熱源

1、地球內部的熱量除放射性元素產生的放射熱外，地球收縮的重力能也是一種長期產出的熱源。地球的半徑收縮1cm，放出的熱量有3.34×10²³J。由於地球的總熱容量為6. 27×10²⁷J/℃，地球的平均溫度上升5×10^-5℃。

2、地球轉動能也屬熱源之一，它是由於地球及其外殼物質密度的不均勻分布和地球自轉時角速度變化，引起岩層水平位移和擠壓所產生的機械熱。這一熱源在地球內部熱源中所起的作用是很小的。

3、外成生物作用產生的熱量稱之化學反應熱，雖然在地球內部熱源中經常起些作用，但是次要的。化學反應熱主要包括硫化物和有機物的氧化作用。有機物的氧化反應過程具有很強的熱效應，它通過化學反應釋放出平均為3.84×10⁵J/mol的熱量，而在地殼中這一化學反應分布十分廣泛。

4、按地球起源的高溫起源說，地球形成後，熾熱的火球雖然逐漸冷卻，但仍殘留下來一部分“殘餘熱"，這一熱源是否存在，以及它是否在地球內部仍起到熱源作用，這一問題至今在地質學界仍在爭論的課題。

5、潮汐摩擦熱等雖可算作熱源之一，但產出熱量對地球內部而言則顯微乎其微了。