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2023-05-11 14:37徐继山 王万旭
徐继山 王万旭
国产科幻影片《流浪地球》的海报 国产科幻影片《流浪地球》系列讲述了这样一个故事：由于太阳加速膨胀，在不久的将来会发生氦闪危机，吞噬地球乃至整个太阳系，人类不得不背井离乡——带着地球在黑暗无际的宇宙中流浪。带着地球流浪，不是一趟说走就走的旅行，它是一项复杂工程，需要做好各项准备，考虑清楚种种可预见的以及不可预见的问题，其中首当其冲的就是能源问题。要知道流浪需要几千年，甚至几万年的时间，煤炭、石油、天然气都会耗尽，即使是核能也充满了许多未知。假如真的有那么一天，还有没有其他能源，能让人类安全、放心、长久地使用呢？有！这就是来自地球内部的能源——地热能。 在影片中，人类搬到了地下500米深的“地下城”中居住。为什么要选择这里呢？这是因为地球外温而内热，“地下城”既安全又温暖，非常适合人类居住。此外，人类打通了地壳到地核的通道，可以利用地球深部的热能发电，用以解决能源问题。据估算，只要技术条件具备，地热资源可供人类使用二三十亿年，依靠这些能源，别说流浪到比邻星，就是流浪到河外星系都有可能。 或许有人会感到奇怪：地球的内部蕴藏着这么多的热量，为什么我们感受不到呢？这是因为地球具有圈层结构，就像穿了一层层厚厚的外衣，将内部的热能严密地包裹着。 如果科学家真能发明出影片中的“深地电梯”，我们搭乘着它从地表到地核，那么就能够直观感受到温度的变化。我们首先经过的是地壳部分。地壳是地球外表最薄的一圈，平均厚度约17千米（陆地区域平均厚度约33千米）。与地球半径相比，地壳很薄，但它与人类的关系最为密切。地壳自上而下大体可以划分为变温带、常温带和增温带三个带。变温带处在地表的最外层，它的温度主要受太阳辐射影响，随着昼夜、季节的变化而变化。目前地表常年平均温度约15℃，若没了阳光的照射，地表温度就会急转直下，影片中的情景（地表温度达到零下七八十摄氏度）就会出现，地球会变成冰球。不过，由于日地相隔遥远，太阳的威力是有限的，一般只能輻射到地下几米、十几米深（即使在高原和低纬度地区，最深也就是几十米到几百米）。这个深度的地层对光照具有缓冲作用，冬天不太冷，夏天不太热，所以农村的地窖、窑洞通常就只挖到几米、十几米的深度。如果再挖深一点，到20～30米，就到了常温带，那么太阳辐射已是强弩之末，来自地球内部的热能刚好抵消上部地温的变化，使这一层的温度处于常年稳定的状态——十几摄氏度。如果水井刚好处在这个深度，那么夏天的井水可以用来冰镇食物，冬天则可以用来盥洗。再往深部去，就是地球内热正式生成的地方，一直到地壳底界。这一厚达十几千米的地带，平均每深100米，温度就上升3℃，这一地带就叫作“增温带”。
地球内部结构与地热 地表下17～2900千米的部位被称为“地幔”，它介于地核和地壳之间，由致密的造岩物质组成。那么，这些物质是固态还是液态的呢？这不仅与温度有关，还与压力有关。根据地震波传播曲线可以发现，在地表下410～660千米的地方存在一个过渡带，其上为上地幔，高温作用使岩石物质呈熔融态；其下为下地幔，高压作用使物质呈可塑性固态。至于夹杂在中间的那一部分，很难说清是固态还是液态。地幔温度是无法直接测量的，只能用一些方法间接得到。地质学家一般认为，在上地幔的顶部存在一个软流层，温度约1100℃，是岩浆的发源地；下地幔温度可达3700℃。 地表下2900～6371千米的区域被称为“地核”，其物质组成以铁、镍为主。地核可分为三带，即外核、过渡带和内核。温度一般为4000～6000℃，随着深度的增加而增加。从核幔边界到5000千米深处，属外核部分，其物质呈熔融态缓慢流动，有人推测地球磁场的形成与外核有关。从5100千米深处到地心为内核，呈固态。在内、外核之间深4980～5120千米的地方存在一个不太厚的“过渡层”，影片《流浪地球》中“深地电梯”的底部就位于这里。地心的最高温度高达6000℃，与太阳表面的温度不相上下，俨然一颗“小太阳”。 那么，地球内部的热能是怎么来的呢？想要搞明白这个问题，就得从地球的演化过程说起。有意思的是，地质学家们的意见并不统一，存在着完全对立的“热源说”和“冷源说”两种观点。 “热源说”是建立在地球热起源假说之上的。按照太阳系星云假说，整个太阳系原本就是一团灼热的混沌，因冷却而收缩，不断旋积，才形成了现在的太阳、地球等星体。还有一种说法，认为地球是从太阳上“抛离”出来的，可能是由于太阳内部爆炸，也可能是由于外来星体的撞击。支持“热源说”的地质学家们都认为原始地球的温度高达5000℃（与现在的地核温度相当），地表布满了岩浆，经过了几亿年才冷却下来。这样说来，地球内部的热能其实都是早期从“娘胎”里带来的残余热。但是，一些地质学家后来发现这些残余热还不足以使地球维持到现在。自1903年放射性元素被大量发现后，他们又认为，放射性元素衰变产生的能量，能不断地补充地球向宇宙空间散失的热量，从而大大延缓了地球的冷却速度。
太阳系原始星云 持“冷源说”的地质学家们则认为，早期的太阳系星云是冷的，地球与其他行星一样，是由这些低温的尘埃、气体和陨石等结合而成的。这些物质一边旋卷、一边碰撞，将大部分动能转变成热能。由于它们的导热性能差，热量不易散失，于是聚积起来，变得越来越热，原始地球内部的温度很快拉升起来。据推算，原始地球内部的平均温度约为1000℃。当地球正式形成以后，这种星云旋积热退居次要地位，而放射性元素衰变热开始发挥主要作用，直到现在。 尽管这两种假说的前提有所不同，但它们都强调了地内放射性元素所起到的作用。实际上，影响地热的因素有很多，比如前文所说的太阳辐射，还有地球转动热、潮汐摩擦热、宇宙射线（高能粒子流）热、陨石撞击热，甚至是人类经济活动造成的热能等，但这些都是微乎其微的“小热”，真正做出重大贡献的还是放射性元素衰变热。 地球上的放射性元素有很多，其中的铀-238、铀-235、钍-232、钾-40等元素是释放能量的佼佼者。它们在地球中的含量高，放射效率也高，加之元素的放射性本来就不受压力、温度、磁场的影响，只与时间（半衰期）有关，因此成为地热能源的稳定供给源。据推算，地球自形成以来，其内部放射性元素衰变所产生的热量平均每年为2.934×1017千焦。这是一个天文数字，以人类目前消耗能量的速率来测算，这些元素在一年内产生的能量足够人类使用几百年。更何况，衰变热在46亿年的时间里一直在产生，而且绝大部分都被好好贮存着，所以地下世界是一个取之不尽、用之不竭的“热库”，这些能量也足够支撑地球去流浪。 地球自诞生以来就一直在产生热量，热量积聚到一定程度，就会以某些形式释放出来。事实上，地球内外所发生的地质作用和地质变化都有着地热的影子，比如板块运动、断层活动、火山喷发和地震活动，甚至大气降水、气候变化等。那么，地球的热量是如何散发出去的呢？总结起来，有传导、对流和喷发三种形式。 这种散热形式是直接接触式的，即地球内部的热量通过地层层层传导到地表上来。在传导过程中，热量会损失很多，各地由于地质条件差异也有所不同，衡量这种传导效率的参数称为“大地热流值”，也就是每平方米地球表面所获得的热量。目前地球陸地表面的热流值平均为65毫瓦/平方米，这个数值只能点亮一支小小的激光笔。但是在构造活跃的地方，比如在青藏高原羊卓雍湖附近就可以获得1250～1670毫瓦/平方米的热流值，可以点亮一只小灯泡。如果未来真的要为建地下城选址，那么青藏高原应是不二之选，因为那里海拔高、地壳厚、地热大。据推算，我国陆地每年通过热传导的方式排出的热量为2.03×1019焦，相当于6336亿吨的标准煤完全燃烧所释放的热量，供全世界使用几十年到上百年都绰绰有余。但是，这些热量大部分都散失在大气层中了，只有少部分贮存在地热田里。地热田具有特殊的地质结构——主体是热储层（比如水），上面覆盖着具有隔热性能的地层，就像蓄电池一样将热量保存着。
地热的传导与对流 这种散热形式需要借助一定的流体进行，最常见的便是水。它的过程是这样的：大气层中的水汽凝结形成降水，渗入大地，水就变成了地下水。地下水汇集后，被地热加热，冷水变成热水，形成热对流。这些热水遇到地层断裂的地方就会涌出来，形成温泉。温泉地热的形成往往由于具有热储层而没有隔热层，或者隔热层比较薄，所以地表热异常明显，容易被人发现。由于温泉从地下深部而来，沿途会不断吸收岩石、土壤中的热量并溶解其中的矿物质，所以温泉水富含多种成分，甚至具有某些医疗保健的作用。常泡温泉，可起到舒筋活血、消肿化瘀、安神助眠的功效。 这种形式是最为激烈的。主角是来自上地幔软流层的岩浆，其温度高达850～1250℃，是具有较强黏性的流体。当它穿过地壳喷出地表并冷却凝结时，就形成了以玄武岩为主的喷出岩，由此把所携带的热量散发出去。当它侵入地壳的岩石圈时，就在地下形成以花岗岩为主的侵入岩，就像地下炉灶一般炙烤着上面的盖层。如果地下水循环到这里，那么就会被这“炉火”加热而对流或蒸腾出来，进而形成高温温泉或高温地热田。与其他两种方式不同，这一种地热田的分布具有一定的规律性，大多分布在地球的火山构造带上。 常言道：“离家方知故乡好”，重温影片中的场景，当人类迈开流浪的步伐时，才真正体会到地球的美好。虽然《流浪地球》只是一部科幻影片，但是站在更加宏大的视角上看，地球连同太阳系不是一直都在银河系中“流浪”的吗？在这漫漫征程中，大地之热也一定会照亮地球流浪之路，温暖前进之人，永续人类文明之火种。
火山喷发释放地热 致谢 感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054、41302249、42130706）、国家重点研发计划项目（2021YFA0716000）、中国石油-北京大学基础研究合作项目、中国矿业大学教学研究项目（2023Y02、2022ZX01、2021KCSZ34Y、2020YB20、2019YJSJG011）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题（2021MXJG179）、国家一流专业建设点地质工程项目支持。 |
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