地球演化的能源与温度场

地球化学的任务之一是研究地球内各种组分、温度、压力之间的关系及其随时间、空间的变化。温度是地球内部能量—热能的直接表现，是体系发生演化的重要控制因素。造成地球体系演化的能源主要是放射能和重力能。放射能由放射性元素蜕变所产生，重力能则是地球物质重力作用的直接结果。造成地球演化的其它能源有太阳能，生物能，化学能，相变能等，它们相对处于次要或从属的地位。

地球演化的主要能源——放射能与重力能

放射能地球形成之前，太阳系物质主要被短寿命的放射性元素如 244Pu， 247Cm，237Np，26Al 等（半衰期在 106～107 年左右）的放射性衰变能所加热，使太阳系星云凝聚时温度达到 2000K 左右。在行星体形成以后支持其进一步演化的主要放射性能源则是长寿命的放射性元素 238U，235U，232Th，和 40K 的放射性衰变能，它们对于地球演化和地球化学研究具有特别重要的意义。

上述长寿命放射性元素生热率，238U 为 0.71Cal/g（卡/克），235U 为4.3Cal/g，232Th 为 0.2Cal/g，元素钾为 2.5×10-5Cal/g。由于 235U 目前只有 238U 的 1/137.88，钾的含量是铀含量的 104 倍，因此现代地球的热源贡献是 238U，232Th 和 40K，而地球历史早期，235U 也曾起过主要作用。

对于小的行星体（如小行星、月球等），它的放射成因热几乎完全由热传导释放，不能产生其后的岩浆作用及引起物质的分异和演化。如球粒陨石就保持了小行星体的原始物质状态，或者只在太阳系历史的早期具有热的积累，产生壳、幔的分异和岩浆活动，如月球和无球粒陨石的母体等。而对于像地球这样大的行星体，放射性生成热在地球历史早期能大量积累，其内部温度可以不断升高，因此可以造成壳、幔、核的高度分异。并进一步通过地幔对流、板块运动、岩浆作用及造山运动等将能量释放出来。在地球历史的后期阶段，地球内部的热能可很快通过地幔对流作用到达地球的上层，然后主要以热流形式释放出来。因此可以通过研究地表热流了解地球内部的放射性元素含量与分布，以及地球内部的温度分布状况。

通过全球不同构造单元的热流研究，得到全球地表的平均热流值接近1.32HFU（热流单位值，即微卡/厘米 2 ·秒）。海洋区和大陆区的平均值大体相同。但不同区域的热量变化还是存在的，主要表现为：（a）海洋板块的热流在大洋中脊和海岛地幔热点较高，前者可大于 2HFU，后者最高可达 10HFU以上。洋中脊两侧外伸，随年龄增加，热流逐渐减少，最后稳定在 1.1— 1.3HFU。海槽区热流小于 1HFU。（b）大陆区热流的大小也与岩石年龄密切相关，年轻造山带比较高，可达 2HFU，地盾区仅 0.8—1.0HFU 左右。（c）在同一构造单元内，特别是在正常的稳定大陆内，热流与地表热产生值（单位体积岩石在单位时间内的生热量，单位为 HGU，相当于 10-13 卡/厘米 3·秒）具有良好的线性正相关和正截距（见图 8.2）。图中截距为 0.8HFU，它相当于来自地幔的热流。斜率约为 8km，它代表了大陆地区主要含 U，Th，K 的上地壳厚度。

按地表平均热流 1.32HFU 计算，地球每年约释放出 2.1×1020 卡的热量。这一能量相当于平均每年地震所释放的能量的 1000 倍，也相当于 25 万颗百万吨级核弹爆炸所发出的能量。根据全球放射性元素含量（K，U，Th）和总放射能估计，它每年产生的热能大约在 2.0～2.3×1020 卡，即全球的放射性生热和地表热流能量基本是相当的，进一步说明地球的热能主要是由放射性衰变提供的。

地球上各种岩石的 K，U，Th 的测定和各层圈元素丰度计算表明，放射性元素主要富集在大陆地壳。因此大陆区热流的主要贡献来自地壳，约占 51

％，其中上地壳占 42％—36％。在大洋区，由于洋壳很薄，并且是低放射性元素的玄武质岩石，其热流贡献主要来自地幔，约占 93％。因为大陆和大洋的平均热流值近于相等，因此推测大洋下地幔要比大陆下地幔更富集放射性元素。

重力能它是地球演化的另一主要能源，重力能表现在以下几个方面：

重力位能的释放。地球吸积形成时和形成以后的物质分异过程都有大量重力位能释放。但是地球吸积形成时的能量很快被释放到宇宙空间，只在地球演化的早期起作用。我们可以类似地从月球和火星表面看到这些重力作用所放出的能量，它们保留了巨大的陨石坑和冲击作用引起的物质熔融和变质作用。月球上岩石年龄表明冲击作用发生在 41—39 亿年。地球上由于后来的物质演化，只在极少数地区见到这样的冲击陨石坑，如美国的亚历桑那陨右坑。地球核幔分异，铁，镍下沉也会放出很大能量。一种关于地球膨胀的假说，认为由于重力常数不断衰减，地球半径不断增大（约每年 6mm），

也能释放出巨大能量。

静压与浮力作用。在地球表层，由于各层圈和各区域物质间密度的差异，会引起静压的不平衡和浮力作用。这种作用对于板块运动、火山作用、地震和断裂等起着十分重要的作用。例如在俯冲带，由于俯冲板块的密度比软流圈物质大，因此产生了板块下沉的牵引力。又如在海洋板块上的火山喷发高度与板块的厚度有关，在大陆上较厚的大陆地壳将阻止火山岩浆的喷发，这主要也是静压作用的影响。
剪切应力作用。在板块挤压地带的冲断层区，由于剪切应力的作用，使断层面的局部地区温度上升，并导致物质熔融。但这种能量对于地壳重熔中的贡献是很小的。
1. 地球内部温度估计

地球内部温度的估计主要是利用热传导和对流理论。地球物理学家采用各种方程来描述和求解地球内部的温度变化情况，应用热传导方程来估算岩石圈板块内的温度变化和板块厚度特别有用。现在的研究表明，大陆岩石圈的热梯度主要通过热传导形成，对流作用较小。但地壳中放射性元素 K，U， Th 的含量很高，不能忽略放射性元素产生热的影响，而且这种影响在上、下地壳和岩石圈地幔部分的差别是不一样的。因此大陆岩石圈内的温度变化与地壳厚度和岩石圈厚度有密切的关系。海洋岩石圈板块的形成和增生是通过洋脊轴软流圈物质不断上涌迁移、并逐渐向两侧扩张冷却和固化而产生。其对流热损失要比热传导热损失大许多倍。已有公式来描写海洋地表热流、海水深度（取决于海底地形）、板块厚度与板块年龄（离开洋脊的距离）之间的相关性。

对于岩石圈以下地球内部的温度估计目前还相当肤浅。岩石圈以下的热交换主要是通过深地幔对流。而地幔对流中的许多理论问题和物理参数的确定尚有待进一步工作，因此不可能建立起地球内部温度的理论模式。根据目前高温高压的实验资料、结合地震波资料可以对地球若干界面温度作如下的估计：

岩石圈板块底界（50—110km 左右），达到玄武质物质熔融，温度约 1200

—1300℃。

上地幔底界（～400km）处，橄榄石发生相变，由橄榄石型结构变成尖晶石型结构，温度相当于 1500℃。

过渡层中 670—700km 处，出现尖晶石型到方镁石型结构的转变，温度约为 1960℃。

核幔边界处 2900km，外核具有液相特征，根据铁的高压熔点实验外推在2900km 处应为 3500℃。

内核与外核边界 5100km 处，金属相内核又从液相转为固相，根据铁的熔点实验外推应为 4300℃，而根据硫化铁熔点实验外推应为 3900℃。