地球内部包含有巨大的热量，这些热量简称地球内热。

地球的内热以传导、对流、辐射等形式由地球内部向地表传输，形成火山、温泉，产生岩浆活动、地震活动以及构造运动。

地球表面不同区域及垂向尺度上的热源构成示意图

地球内热在全球范围主要以地表缓慢散热的形式释放热量。每年由地球内部流出的总热能约为14.6×10²⁰J/a。

地球内热的起因，主要源自两个方面：地球形成过程中重力位能转化储藏在核幔的热和壳幔放射性同位素衰变产生的热。除此之外，还有月球和地球之间相互摩擦吸引而产生的摩擦热、硫化矿物与地下水接触发生化学反应释放出的热等。

地热学是一门研究地球内热及其实际应用的科学。

理论上，它阐明地球的热状态、热历史以及全球热场分布；研究地球各圈层之间能量平衡的热信息，诸如岩石圈热结构、地幔热对流、地幔热柱等。同时它亦研究地球内热与太阳辐射外热之间的关系，根据现今地热资料推断过去地质历史时期中的古气候变化。应用上，它研究地热资源分布规律、形成机理及其开发利用途径；研究各类能源、矿产资源如石油、天然气、甲烷水合物等形成时的古地热条件，特别是含油气盆地的热体制、热历史；研究矿区、尤其是煤矿区的深部地温预测、矿井致热因素分析和矿山热害防治的地质-工程措施。等等等等。不难看出，以基础理论研究为主要对象的理论地热研究或“理论地热学”乃是地球物理学的一个分支学科，与“重、磁、电、震”一起构成地球物理学的重要组成部分。地热学的应用部分或称“应用地热学”涉及的面比较广，从内容上看应属地质学范畴。

地球内部结构与热扰动示意图

①陆根，②相变面，③地幔高速体，④热柱，⑤幔核过渡带，⑥内外核过渡带

地球的内热在向地表传输的过程中，受局部地质因素制约，在不同地区和不同深度形成地热异常区。依据地球结构以及构造运动模式，可以研究和探讨地球内热活动。例如液态外核、上地幔软流层、地壳低速层、地表岩浆活动等，都是地球内热在某种因素（相变、电磁场、各向异性、重力场等）影响下发生热扰动的结果。通过研究电磁场、应力场、重力场，可以深入了解地球内热状态。

必须指出，地球内热是推动整个地球发生发展和演化的原动力。在45~47亿年前的地球形成早期，地球内热促成了核、幔、壳的分异，使地球从一个太空中未曾分异的“混沌体”演变成现今所看到的多圈层的地球；在现今，地球内热驱动着诸如构造运动、岩浆活动、火山作用等一切内力作用，使地球发生着翻天覆地的变化；在将来，可以预见，地球内热仍将是各种内力作用的原动力。因此可以毫不夸张地说，地球就像是一架在宇宙太空中不停运转着的“热机”，其原动力就是地球的内热（汪集暘，1978a）。

地球内热演化历史

Lubimova曾于1958年计算表明，在地球不同深度，都出现增温过程。在图中给出的地幔熔点曲线（I）、地核熔点曲线（II）与计算地球内热演化地温曲线的交汇处，分别对应上地幔软流层、液态外核。此外，在地球的早期，由于吸积增温所释放出的热量有限，不足以使原始地球熔化，也就不存在地幔、地核的分异。

需要加以说明的是，地球目前正处于她的壮年期。据估算，每年从地球内部以传导方式传到地表，尔后散发到宇宙太空中去的热量为47TW的量级，远远超过全球每年通过地震、火山以及其他水热活动所释放出来的能量。众所周知，地球的年龄为46亿年，据地球主要放射性生热元素U、Th、40K丰度估算，地球还能再“活”46亿年。也就是说，地球目前正处于她的壮年期，因此有源源不断的能量要散发出来，这也就是为什么地球上当今地震频发、火山活动强烈、温泉广布的根本原因所在。与太空中其他星体相比，处于壮年期的地球是研究其内热的最好场所和最佳时期。我们知道，月球已经是一个“死”去的冷星体，目前在月球表面几乎已观测不到从其内部散发出来的热量。金星已处于其演化的“老年”阶段，最多只能再“活”15亿年，其内热已所剩无几。因此也不是研究行星内热的理想场所和最佳时期。

最后需要加以强调的是，地热学的两部分研究内容和/或研究对象是密不可分的。举例来说，地热资源的探测必须以区域地热场分布特点、地壳高温带的时空迁移规律作为其理论基础。矿区深部地温预测、井下热害防治等也要以区域热背景、产生矿井高温的各种地质因素等地热理论研究为依据。反之，许多实际问题的深入又提出了一系列有待解决的理论课题。譬如目前国际上十分热门的所谓“干热岩”（Hot Dry Rock）或“增强地热系统”（Enhanced Geothermal System）地热资源的开发利用，则更与地壳上部放射性生热元素分布、岩石圈热结构以及地幔热柱等理论问题密切相关。又如各种能源、矿产资源特别是油气资源形成时的古地热条件则更要求恢复整个地区或盆地的热演化历史，这又是理论地热课题。总之，理论和应用两方面的关系可以概括为：“应用”提出问题，“理论”解决问题；理论是基础，应用是目的（汪集暘，1978b）。

和一切自然科学一样，地热学研究方法可概括为观察（Observation）-实验或模拟（Experiment or Modeling）-解释和/或推演（Interpretation or deduction）。这里观察是基础，实验或模拟是手段，解释或推演是结果。从地热学的发展来看也是如此。

众所周知，大地热流密度（简称大地热流或热流密度），即地球表面单位时间内单位面积上由地球内部以传导方式传至地表、而后散发到宇宙太空中去的热量，数值上它等于地温梯度（G）与岩石热导率（K）的乘积。为得到一个高质量的大地热流值，人们首先要在钻孔中测量地温随深度的变化，从而得到地温梯度值，同时还需获取足够的岩石样品在实验室内测量岩石热导率。大地热流是在地球表面能直接观测到的表征地球内热的一个基本物理量，是研究地热的基础，因而国内外地学界都对其特别关注。国际上1939年E.C.Bullard和A.E.Benfield分别在南非及英国本土首次进行陆地大地热流测量并得到全球第一批陆上热流数据。1952年，R.Revelle 和 A.E.Maxwell在太平洋海底热流测试获得成功，取得第一批海洋热流数据。由于国际地热学界对大地热流数据十分重视，1963年在国际地震与地球内部物理协会（IASPEI）下面成立了“国际热流委员会”（International Heat Flow Commission-IHFC），负责对全球大地热流数据的搜集、分析、整理工作，并作出各种地质-地球物理解释。

中国大陆地区热流测点分布图

随着热流测点的增加，中国大陆地区各构造单元均有热流测点分布，测点的覆盖率已得到明显改善，但测点的地理分布仍很不均匀。

另一个与地球内热有关的重要参数为岩石生热率或热产率（a），即单位时间内由单位岩体所产生的热量，只有通过实验进行测定。前已述及，地球内热的主要来源为放射性元素U、Th、40K的衰变，因此这三种元素在地壳中的含量和分布也就成为决定一个地区热状态的主要因素。经过大量的取样分析，人们发现U、Th、40K多分布在上地壳的最上部，并与岩性有关：其中花岗岩等酸性岩类最高，橄榄岩等基性、超基性岩类最低，沉积岩类居中。

中国大陆科学钻探揭示的生热率垂向分布特征（据He et al.,2009)

图（a）为岩性；图（b）中散点代表实测值，直线代表平均值，阴影为标准偏差

这里需要指出的是，岩石生热率是演绎岩石圈热结构的基础。所谓“热结构”是指大陆地区在地表所观测到的大地热流值的构成，即在不考虑“构造热”（Tectonic Heating）的情况下，多少来自地壳中放射性元素的衰变，多少来自地幔。我们上世纪90年代的研究表明，我国大地热流的分布具有“东高西低，南高北低”的特点，但“东高”和“南高”在热量的来源和组成上，即热结构上是完全不同的。东部主要为华北地区，高的大地热流总量大部分来自上地幔，而南部主要是藏南一带，高的大地热流总量却主要源于地壳。这与中新生代以来两个地区地壳稳定性和构造演化史直接相关，因此有很大的地球动力学涵义（汪集暘，黄少鹏，1998a）。

地热数值模拟是随着计算机技术的应用而快速发展起来的一种新方法，它能对许多地热问题进行正、反演计算并弥补实际观测、实验数据的不足。我们在上世纪80年代就已将有限单元法引进到地热研究中来（张菊明，熊亮萍，1986），并将该方法在华北盆地地热研究和南海莺歌海盆地的热史恢复重建中加以系统应用并取得了很好的效果。大家知道，华北盆地基底构造十分复杂，“隆”“坳”相间并有大量断裂存在，我们用有限单元法对盆地不同构造部位进行数值模拟计算，其结果与实际观测值十分吻合（熊亮萍等，1983，熊亮萍与高维安，1982）。南海是一个新生代的“热”盆，目前观测到的今地温即是盆地的最高古地温，因而无法采用古温标方法重建其热历史，而只有用盆地动力学的数值模拟方法才能奏效（何丽娟，1998）。

南海热流站位及热流趋势分布图

断裂1至8分别为莺歌海1号断裂、越东断裂、万安断裂、卢泊尔断裂、李准、廷贾断裂、乌卢根断裂、古南海俯冲带位置和马尼拉海沟。位于北部下陆坡的“XXX”带是新识别的高热流带

至于“解释”和/或“推演”应该说是一件既容易、又困难的工作。一般情况下，在拥有大量观测资料，同时又有大量实验数据的情况下，“解释”或“推演”起来比较容易，所得结果可信度也很高。但在观测和实验数据资料较少的情况下，要得出正确的结论就十分困难。这就需要科研工作者认真分析思考，去粗取精，去伪存真，将分散的断篇残简、蛛丝马迹汇集起来，变成一个完整的东西，也就像通常所说的那样，要“编”出一个完整的故事，并能“自圆其说”。就拿前面提到的南海来说，其热历史与整个南海盆地的构造演化史是密不可分的，而后者至今仍有很多不确定的因素在内。只有随着南海探测的实际资料不断积累，才能给出一个比较接近实际的结论。又如前几年我们作的有关四川盆地热体制的工作，只有当二叠纪峨眉山地幔热柱确定之后，才使许多反映当时古地温的地球化学指标如R0等数据变得更加有用起来，在解释当时四川盆地热体制时起到很大作用。

总之，地热学的研究方法多种多样，从学科层面来说，可以概括为地质、地球物理、地球化学三个方面。

众所周知，地球物理只能探测现今，如我们观测到的大地热流是现今从地球内部散发出来的热量。而地球化学可以记录过去，也就是要找到能记录过去地质历史时期中的各种古温标或地质温度计，这样才能恢复或重建一个地区、特别是含油气盆地的热历史。但大家必须牢记，上述三者中地质是基础，只有将各种地球物理、地球化学资料汇集起来，经过认真的分析、思考，才能将故事“编圆”，建立起一个比较符合实际的地质模型或对各种现象作出地质解释，这里“细致”和“耐心”是关键，只有孜孜以求、锲而不舍，才能得出比较接近实际的结论！

中国大陆地区热流图

我国大地热流测量始于20世纪70年代初。中国科学院地质研究所地热组1979年公布了我国华北第一批大地热流数据25个，而今热流数据总数已达921个，据此，我们更新了热流数据库并编制了中国大陆地区新版热流图

本文由刘四旦摘编自汪集暘等著《地热学及其应用》一书。标题为编者所加。

ISBN 978-07-03-045734-9

《地热学及其应用》分上、下两篇共计11章。上篇基础篇为理论地热学，从热传导基本概念说起，直到地球内热、海陆大地热流、全球热场分布和岩石圈热结构，基本涵盖了理论地热学的全部内容；下篇应用篇为应用地热学，包括资源地热学、含油气盆地地热学、矿山地热学、全球变化地热学和天然气水合物地热学五大部分。

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