609 地球内部的温度和热源

§ 609— 1 地球内部的温度

地面的温度因地因时而异，但全球地面的平均温度大致保持在 15℃左右。同地面温度比较起来，地内温度要高得多。矿井内的温度，涌出地面的温泉和火山喷发的熔岩，都说明了这一点。测量表明，在地球内部，深度愈大，温度就愈高。地内温度随深度而增加的速度叫地温梯度。在不同地区， 由于岩层性质和周围环境的不同，地温梯度有很大的差异，一个合理的平均值是每 km 约升高 30℃。

按这一地温梯度推算，地下 70km 深处，温度将高达 2100℃。即使在地下 160km 深处约 5 万大气压的条件下，最难熔化的橄榄岩的熔点也只有2140℃。若果竞如此，那么，地球除地表几十 km 的薄层外，将全部处于熔融状态。

但是，地震波的传播情况表明，地幔全部是固体。这一事实说明，地温梯度随深度的增加而明显地减小，地内温度远没有那样地高。地幔全部是固体的事实表明，地内 100km 深处，温度不会超过 1300℃；在 300km 深处， 不会超过 2000℃（这是各该深度的压力条件下，玄武岩熔化的温度）。当然， 不同地点会有不同的情况，但不会有太大的差别。

地球内部有两个界面，为探索地内温度提供了重要的线索：

——地幔是固体，外核是液体。这个对比是关于地内温度的重要线索。地内 2900km 深处的古登堡面，是一个十分明显的界面。它既是地幔与地核之间的界面，又是从固体到熔体的界面。为什么地内物质在这个深度由固态变成液态呢？看来，这个界面主要是熔点变化的结果。从密度上说，构成地幔的物质是较轻的硅酸盐，而构成地核的物质是较重的铁和镍。在地幔与地核之间，温度随深度的升高，估计不会是很快的。但是，硅酸盐的熔点很高， 而铁和镍的熔点较低；在大体相同的温度下，地幔保持固态，而外核却熔化了。

——外核是液态，而内核反而是固态。这个对比是关于地内温度的又一

个重要线索。看来，利曼界面是熔点和温度双重变化的结果。在地核内，由于压力随深度的增加，物质的熔点随之升高；同时，温度也随深度而稍有升高。比较起来，熔点的升高比温度升高要快。在外核，熔点较低的情况下， 温度略高于熔点，那里的物质便熔化了。而在内核，虽然它的温度高于外核， 但升高很有限，而那里的熔点已显著升高。这样，内核的温度就相对地低于它的熔点，以致物质仍保持其固态形式。

图 6—29 地球内部的温度

以上讨论的主要是地内熔点和地内温度的相对高低。关于地球内部不同深度的温度高低，目前还众说纷纭。图 6—29 所表示的地内温度和熔点随深度的变化，只是一家之言。但是，它所表示的地内温度和熔点的相对高低， 还是言之成理和令人可信的。

总之，地内温度随深度增加而升高，地心是全球最高温度的所在。另一方面，温度随深度而升高的速度，却随深度的增加而降低。在地壳表层，地温梯度很大，可达每千米约 30℃；进入地幔以后，温度随深度而升高的势头已大为减弱；到了地核，尽管温度继续随深度而上升，但地温梯度已很小。所以，地心的温度虽称全球之冠，可是并不显得突出。

§609—2 地球内部的热源和温度的演变

地面主要从太阳获得热能，同时也从地球内部获得一部分热能。比较起来，后者的数量是微不足道的。由于地球表层是热的不良导体，来自太阳的巨大热能，只有极小的一部分能被传到地下很浅的地方。据测定，地面以下1.5m 的岩石已不受温度日变化的影响；30m 以下的岩石已没有温度的周年变化。因此，对于地球内部来说，热能的主要来源不是太阳，而是地球本身。来自太阳的热量不能深入到地球内部，而来自地球内部的热量却散逸到宇宙空间。所以，地球有热量的外流。

按太阳系起源的理论，行星是由低温的颗粒物质积聚而成的，在吸积过程中，积蓄了大量的位能。地球形成之后，它所含的放射性物质因衰变而放出大量的热能。例如，1g 铀 235 每年要产生 18J 的热能；在铀衰变成铅的过程中，如果质量减少 1g，所产生的热能达 9 ×1013J 之多。这是地球内部热量的重要来源。

岩石中含放射性元素最多的是酸性的火成岩。例如，在 1 吨花岗岩中， 含铀元素 4.75g，针元素 18.5g 和钾元素 37900g； l 吨玄武岩中，所含的铀、钍和钾元素，分别为 0. 6g，2. 7g 和 8400g。

按目前的研究，每吨花岗岩每年要产生 34J 的热能，而每年从地球内部到达地面的热量大约是 1021。按照花岗岩的产能速度，地球内部只要有 3.0 × 1019 吨，即 1.l× 1010km3 的花岗岩，所产生的热量，就足以弥补外流的热量。上述数量的花岗岩，如果平均覆盖在地球表层，其厚度不超过 20km。若将地球内部含有放射性元素的岩层都折合成花岗岩，其厚度显然超过此数。因此， 地球内部应该有过增温的过程。

从地球形成以来，地球内部总共产生了多少热能？向地面输出了多少热能？据推算，产生的热量比输出的热量多 2—3 倍。因此，可以说地球的历史是增温的历史。计算还表明，即使没有热量的外流，地球在历史上由放射性元素所产生的全部热能，远不足以把整个地球熔化成液体。

以花岗岩为代表的酸性火成岩，密度较低。较轻的岩石大体上集中在地球的上层，特别是地壳。因此，它所产生的热能自然也集中在地球上层。热

的传导总是由高温向低温的，既然放射性元素产生的热量集中在地壳，又怎能说明地球中心是最高温度的所在？显然，地球内部还应该有其它方面的热源，它们是：

——地球的形成是在压力逐步增大的情况下进行的。这样，地内物质有一个因受到压缩增温而放出热量的过程。据估计，它所放出的热量可使地球内部的温度提高几百度。

——地球形成后，由于本身产生的热能和增温，地内物质分异成地壳、地幔和地核。在分异过程中，重物质下沉和轻物质上升，因降低重力位能而产生大量热能。据估计，这种热能可使地球内部温度提高 1500℃

——地球自转的速度不断减慢，白转周期从地球形成时的 3 小时，增长

为目前的 24 小时。减速过程中所消耗的动能，一部分转化为热能。这部分热能主要消耗在浅海中，对地球内部温度的影响不大。

由此看来，地球大致不会有全部熔化的历史。复习与思考

●什么是地磁要素？什么是偶极磁场和非偶极磁场？简单说明偶极磁场的地磁要素的分布。什么是地磁异常？什么是地球磁层和辐射带？

●地球内部物质密度怎样随深度而变？为什么在 2900km 深处，密度陡然升高？

●重力是什么？地面重力怎样因纬度而不同？地球内部重力怎样随深度而变化？为什么在 2 900km 深处，重力达到极大值？

●地球内部的压力随深度增加而增大，为什么接近地面和地心的层次压力增加较慢，而中间层次压力增加较快？

●地球内部温度怎样随深度而变化？什么叫地温梯度？它怎样随深度而变化？

●地幔（固体）和外核（液体）的对比，外核和内核（固体）的对比， 为地内温度的探索提供了什么重要线索？怎么知道地球内部有增温过程，而又不会有全部熔化的历史？修订后记

本书原著者金祖孟先生于 1991 年 11 月 5 日在上海不幸病逝。金先生是

《地球概论》课程的奠基人，地理教育界众望所归的一代宗师。他奋斗一生， 坎坷一生。我与他共事合作多年，直到他死后，我才知道，他生前蒙受的屈辱竟是如此深重。在清理他的遗物时，发现一份未写完的回忆录《我的不幸与不平》，诉说他蒙冤的经过。其遭遇之悲惨，令人不忍卒读。在那种沉重的精神和政治压力下，他仍兢兢业业，几十年如一日，教学科研，成效卓著。用他自己的话来说：“做到了‘风雨如晦，鸡鸣不已’！”“觉得自己一生坎坷，但始终光明磊落，无愧于皇天后土和社会主义！”他为未能完成本书第三版的修订抱憾终身，在病榻上嘱笔者替他完成这一遗愿，且授以“全权处理”。

师恩难忘。遵循著者生前拟定的方案，此番修订，教材体系基本保持不变，内容和文字着重教学法方面考虑，以利于学生自学。原书有丰富插图， 本书保持这一特色，并且修改、更换和补充了大部分插图。本书篇幅略作压缩，内容稍有增删，部分辅助性材料改排小号字体，供任课教师酌情取舍， 也可供学生课外阅读。

迄今为止，已出版的《地球概论》的同名或同类教材和参考书，共有九

种，可谓花色繁多，品种 齐全，连同本书在内，按出版先后列举如下：

《地球概论》（高等学校教材），311 千字，金祖孟编著，高等教育出版社，1983 年 1 月第 2 版；台湾五南图书出版公司，1991 年。

《地球概论》（中学教师进修试用教材），150 千字，教育学院系统地理教材协编组，海洋出版社，1982 年 11 月第 1 版。

《地球概论教程》（高等学校教材），270 千字，徐宝■、应振华编著， 高等教育出版社，1983 年 11 月第 1 版。

《地球概论》（初中教师进修用书），220 千字，金祖孟、陈自悟，安徽教育出版社，1985 年 2 月第 1 版。

《地球概论》（中学教师培训教材），386 千字，刘南编著，高等教育出版社，1987 年 7 月第 1 版。

《行星地球概观》（高等学校教学参考书），275 千字，刘南编著，高等教育出版社，1987 年 9 月第 1 版。

《地球概论》（高等师范专科地理专业教材），165 千字，郭瑞涛编著， 北京师范大学出版社，1988 年 1 月第 1 版。

《地球概论》（全国高等师范专科学校教材），310 千字，徐庆华主编， 北京师范大学出版社，1991 年 4 月第 1 版。

《地球概论》（高等学校教学用书），203 千字，彭清玲、方明亮、苏佩颜编著，西南师范大学出版社，1993 年 6 月第 1 版。

上列教材，按不同需要，各有千秋，可供相互借鉴和参考。但毋庸讳言， 也有标榜具有“自身特色”，实系粗制滥造和不负责任的低劣之作。笔者以为，《地球概论》所涵基础知识，对本、专科学生的要求，原无多大差别； 事实上，许多专科院校为《地球概论》安排的课时，并不比本科少。本书同样适用于专科教材，欢迎师专和教育学院同行教师采用。

本书修订过程中，曾得到华东师大物理系周志宗教授和安徽师大地理系王多文教授的指导和帮助。杭州大学地理系主任刘南教授主持了本书的审稿会，参与审稿的有全国高等师范院校地理系《地球概论》教研会本届（第六届）理事会的主要成员，他们是理事长方明亮教授，副理事长夏彦民和虞景伟教授，王多文教授，秘书长廖伟迅副教授，以及青年同行教师余明、朱光亮和高晓虹等同志。同行专家们的真知灼见，使笔者获益匪浅，弥补了本书的许多不足，在此谨表谢意！我还要特别感谢本书责任编辑黎勇奇同志，他为本书耗费了许多心血。没有他的支持和关怀，本书要渐臻完善是不可能的。

自知学浅，书中难免有不当和谬误之处，竭诚欢迎同行师生不吝赐正。

陈自悟于先师金祖孟先生逝世五周年