“大地热流”等地热学重要术语的概念与应用

何丽娟 汪集旸

摘 要：大地热流是地热学乃至地球物理学中的重要术语，在地球科学中的使用频率很高。与之近似的术语包括热流、热流密度、热通量、地表热流等。文章详细介绍了大地热流的定义、目前使用过程中存在的问题，以及在第二届地球物理学名词审定委员会对《地球物理学名词》修订过程中对相关术语定义所做的思考与取舍。

关键词：热流;热流密度;热通量

中图分类号：N04;P314  文献标识码：A  DOI：10.12339/j.issn.1673-8578.2021.03.001

Abstract：Terrestrial heat flow is an important term in Geothermics and Geophysics， which is frequently used in the Geoperiodicals. The synonyms include heat flow， heat flow density， heat flux and surface heat flow. This paper introduces in detail the definition of the terrestrial heat flow， the corresponding problems in its application， as well as the considerations and choices during the defining of the related terms in the second revision of Geophysical Terms.

Keywords：heat flow; heat flow density; heat flux

收稿日期：2021-03-24

基金项目：国家自然科学基金项目“热岩石圈-流变边界层-软流圈相互作用与克拉通稳定性：数值模拟研究”（42074095）;国家自然科学基金项目“四川盆地构造-热演化及其对震旦-寒武系天然气成藏的约束”（41830424）

引言

地热学（geothermics）是地球物理学中研究地球内热及其应用的分支学科， 而大地热流（terrestrial heat flow）是地热学科最重要的术语之一。大地热流是“窥视”地球内热的窗口，反映了发生在地球深部的各种作用过程和能量平衡的信息。它不仅为岩石圈热结构-热演化、地球热收支、克拉通稳定性、板块俯冲等地球动力学基础研究提供关键约束，同时还为传统的盆地油气生成、运移与聚集研究以及新兴的天然气水合物研究等提供重要热参数。全球大地热流的测量工作始于20世纪30年代末。早期工作进展较为缓慢，50年代期间，全球热流数据不足100个。20世纪60年代以来，随着全球板块构造理论的兴起和测量方法及仪器的改进，大地热流测量工作进展迅速，数据积累加快。1963年在国际地震与地球内部物理协会（International Association of Seismology and Physics of the Earths Interior， IASPEI）下面成立了“国际热流委员会”（International Heat Flow Commission， IHFC），负责全球大地热流数据的汇编与研究工作。最新全球大地热流汇编数据已达70 000个 [1]。随着全球热流数据的增加，大地热流在地球科学领域正发挥着越来越重要的作用。

第二届地球物理学名词审定委员会修订《地球物理学名词》时，与热流（heat flow）一词相关的术语超过20个。大地热流这一术语的使用历史很长，在使用过程中出现了不少问题，在国际刊物上关于这个词的定义和使用也不尽一致，而且有许多派生的词汇。本文重点介绍大地热流一词的定义、目前存在的问题，同时介绍地热学中与热流相关的一些重要术语及其逻辑关系。

1 大地热流的定义

在已出版的地球物理学书籍中，关于大地热流或热流的定义不尽相同。在第一版《中国大百科全书》中关于大地热流的定义是，“指地球内部热能传输至地表的一种现象，简称热流。大地热流的量值称大地热流量，它是地热场最重要的表征”[2]。在第二版《中国大百科全书》中，大地热流的定义是“地热在地表直接的显示，能给出发生于地球内部深处各种过程间能量平衡的信息”[3]。而《地球科学大辞典》中收录的术语是大地热流密度，指的是“单位时间内热量由壳幔深部垂向上通过单位面积地球表面向大气散发的热量，简称为热流，其单位为mW/m2，实质为地球表面的散热功率，具有深刻的深部地质和地球物理内涵”[4]。《地热学及其应用》一书中，大地热流定义为“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”[5]。《地热学导论》采用的术语是热流密度（heat flow density），即“单位时间内流过单位面积的能量流”[6]。Morgen[7]在2011年Gupta主编的《地球物理百科全书》“热流，大陆”一章中，将热流、热流密度、热通量（heat flux）和大地热流视为同义词。其中，热流定义为“从地球内部通过地球固体表面传导出去的热能”。同时给出的大陆热流（continental heat flow）的定义是“来自大陆地壳或岩石圈的热流，这些地区的板块不是通过大洋中脊的海底扩张直接形成的，且通常不被俯冲。”然而，Davis和Fisher[8]在該百科全书的“热流， 海底：方法与观测”一章中指出，热流密度和热通量才是同义词，而传统上将热流视为热通量的同义词是不准确的。他们将热流定义为“通过传导或对流方式在介质中传递的热能速率。标准单位为W。这个术语也用来描述地球物理学的一个分支学科”。同时还给出传导热通量（conductive heat flux）的定义是“单位面积内沿地热梯度传导的热流，由地热梯度和热导率的乘积确定，标准单位为W/m2”;对流热通量（convective heat flux） 的定义是“单位面积内通过介质移动造成的热传递速率，与介质的速度和热容量成正比，标准单位为W/m2”。

在第二版《地球物理名词》 [9]中，大地热流定义为“以传导或对流方式由地球内部、经地球的固体表面向外传送热能的现象，或单位时间内以传导或对流方式由地球内部、经地球的固体表面向外传送的热能，标准单位是W”。大地热流密度定义为“通过单位面积的大地热流，标准单位是W/m2”。由于从早期到现在国际文献中 （terrestrial） heat flow density [10-13]与 （terrestrial） heat flow [1， 14-20] 以及heat flux [21-26]一直作为同义词使用，考虑到地球物理学上约定俗成的使用习惯，故在第二版《地球物理名词》的定义中又将大地热流视为大地热流密度的简称。大地热流包括大陆热流和海洋热流（oceanic heat flow， marine heat flow），海洋热流也称海底热流（seafloor heat flow）。最新的全球热流数据库（New Global Heat Flow）收录大地热流数据约70 000个， 其中大陆热流数据51 621个，海洋热流15 333个[1]。

在早期的文献中热流的单位是热流单位（heat flow unit， HFU）或热流密度单位。定义为：1HFU=10mCal/cm2·s，它与国际单位制（S.I.）的单位换算关系为：1HFU=41.868mW/m2。该热流单位目前已不再使用。尽管大地热流的标准单位是W/m2，但考虑到地球实测数据的数量级，实际常用单位为mW/m2，比如目前全球大陆热流平均值为67mW/m2 [1]。

2 关于大地热流的含义

在地球淺部传热过程中传导和对流经常交织在一起。关于大地热流含义的争议多在于其只包含传导热流还是同时包含传导热流和对流热流。热传导（heat conduction， thermal conduction） 是指由于物质分子、原子或电子的运动，热量从物体内高温处向低温处，或者热量从高温物体向低温物体传递的过程。而热对流 （thermal convection）指的是热量通过流动介质由空间的一处传播到另一处的现象。关于大地热流的定义目前国际上并未达成共识，因而分为两派。一派多为研究大陆热流的学者，强调大地热流的传热方式应该是纯传导[7， 27]。另一派多为研究海洋热流的学者，则认为大地热流的传热方式既包含传导也包含介质运动[8， 20]，或者在大地热流定义中不区分传热方式[1]。考虑到大地热流同时包括大陆热流与海洋热流，故在第二版《地球物理名词》中关于大地热流的定义与Davis 和Fisher [8]一致， 即认为大地热流为单位时间内以传导或对流方式由地球内部、经地球的固体表面向外传送的热能。这样定义主要是考虑到以下三方面。

2.1 水热活动的影响

相对于从几百米至几千米深钻孔获取的大陆热流，海洋热流更容易受到水热循环的影响。海洋热流数据主要由两种途径获得：一种是类似大陆热流通过钻孔测温来获得，也为钻孔热流，另一种是通过几米长的海底地热探针测量来得到，也称为探针热流（probe heat flow）。最新全球热流数据库中海洋热流变化范围是-302 ～33 448 mW/m2[1]，这些极端的高或低热流数据无疑含有对流分量。Lister[28]首先指出大洋岩石圈广泛存在热液活动;Harris和McNutt[29]研究了<65Ma的海洋地壳上的全球海洋热流数据，再次证明热液流动传输热量的普遍性; Davis 和 Fisher [8]指出在大洋中脊附近，浅层地壳中有巨大的开放裂缝，许多热量是通过热液的运动输送的。大洋中脊热通量中的对流分量是造成大洋板块（传导）冷却模型的理论预测热流值与实际观测值差异的重要原因[30]，一些实测热流值相比预测传导热流甚至超过2000 mW/m2 [17]。要想确保观测值不受对流通量引起的偏差的影响，必须证明在几十千米的距离内，没有暴露的渗透性岩石、断层或火山构造[8]。热液循环是影响深部热通量测定的主要因素，是一个重要的地质过程，一直是研究焦点。

2.2 其他方式的物质运动

除了地下水活动，其他方式的物质运动也会对大地热流造成扰动，使其含有对流分量，比如沉积/剥蚀作用、岩石圈变形以及岩浆热对流。

沉积或剥蚀所造成的地表高程变化会产生与地球表面变化有关的热对流。当较冷的低热导率物质持续地以较快速率堆积在高热导率地层或者基底上会产生沉积物热披覆作用，导致地温梯度和热流值降低。相反，剥蚀作用将使地层地温梯度和热流值增大。沉积作用的热披覆程度不仅与沉积速率、沉积持续时间密切相关，而且与沉积物热参数以及沉积物质压实参数、孔隙流体活动等有关[31]。当沉积速率为100 m/myr，持续10 myr的沉积会造成地表热流减少10%;而当沉积速率为10 m/myr，持续100 myr的沉积仅造成地表热流减少几个百分点[20]。

当岩石圈内存在相对于其顶部边界的变形或净垂直运动时，也会通过运动方式传递热量从而导致地表热流的对流分量。一般而言，拉张变形导致岩石圈变薄，岩石圈物质相对于其表面有一净向上运动，岩石圈等温线压缩，地表热流增加[32]。相反，挤压变形导致岩石圈增厚，岩石圈内物质相对于其表面有一净向下运动，岩石圈等温线间距加大，地表热流降低。因此，在岩石圈变形过程中，地表热流会包含岩石圈变形造成的对流分量。

岩浆热对流也是一种重要的热传输机制，通常伴随着构造变形的热对流。在火山作用过程中，上升的岩浆将热量平流到岩石圈中，此时岩浆的传热过程类似于地下水的传热过程。如果地壳内部有岩浆在流动，热异常无疑会传到浅部乃至地表，大地热流会受到岩浆流动（热对流）的扰动。如果采用该大地热流数据基于热传导方程计算岩石圈热结构及热岩石圈厚度时，无疑是有问题的。

2.3 大地热流数据的分类

由于测试条件、测试方法以及区域地质条件的不同，热流数据的质量必然有所差异。综合地温测量、岩石样品热导率测试、热流计算段的选取和测点的地质背景等情况，汪集旸、黄少鹏[33]将收集的热流数据区分为A、B、C、D四个质量类别。其中A代表质量高，指地温曲线属稳态热传导型，岩石热导率数据或来自测温段岩心样品测试结果，或通过测区综合热物性柱状图确定。B代表质量较高，指资料情况基本同上，但或是测温段（或热流计算段）长度较小，或是岩石热导率样品数量不足，岩石热导率数据采用邻区测试结果或文献值。C代表质量较差或质量不明，测量结果不确定性较大或热流测试参数报道不齐，无法判定其真实质量类别。D代表局部异常值，测试结果明显存在浅层或局部因素的干扰，或测点位于明显地热异常区。也就是说，那些明显受到浅层因素（如地下水流动）干扰的实测值仍是被称为大地热流，在历次热流汇编中，都被纳入大地热流数据库中[33-35]， 只是数据质量被归于D类。在中国大陆地区大地热流数据第四版汇编[35]中，大地热流数据共计1230个，其中A、B、C 和D类数据分别占49.3%、34.2%、12.6%和3.9%。含对流成分的热流数据被归于D类并收录到大地热流数据库中，这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流。

Pollack等[36]在全球热流数据Global Heat Flow dataset （GLOBHEAT）汇编时根据热流随深度的变化将热流数据质量分为四类，其中A表示热流随深度的变化小于10%，B和C分别表示变化小于20%和30%，D则表示变化大于30%。在最新的全球热流数据汇编中D类数据约占6.7% [1]。

并不是受干扰的热流测量结果就不能用，含对流成分的大地热流也有其应用价值。D类数据对于研究该地区的新构造活动、水文地质条件以及热异常成因等仍然具有重要的参考价值。但若要基于大地热流数据计算深部热状态、岩石圈热结构及热岩石圈厚度，就必须慎重选择，选取只包含传导热流的大地热流，必要时应对热流数据进行热流校正（heat flow correction）。热流校正的内容包括地形起伏、古气候的变化、抬升剥蚀、沉降与沉积作用等。

3 热流相关术语

在地球物理学名词中，与热流相关的术语很多。在地球不同深度，热流各有命名，如地表热流、基底热流、地幔热流等，皆指某一深度的热流值。其中，地表热流（surface heat flow）指在近地表数百米至数千米深处测定的热流密度，又称大地热流;基底热流 （basement heat flow）指盆地基底的热流值;地幔热流（mantle heat flow）则指由地球深部垂直向上传至岩石层上地幔顶部（壳幔边界处的莫霍面）的热流（如图1所示）。

与地幔热流命名类似的还有地壳热流，但地壳热流却没有深度的含义。地壳热流 （crustal heat flow）指的是由地壳内各类岩石所含放射性元素的衰变产生的热流。与岩石的生热率 （heat generation rate， heat production rate）有关。生热率是指单位体积的岩石在单位时间内由于其所含的放射性元素衰变而产生的热量，单位为W/m3或μW/m3。

在稳态热传导的情况下，大地热流（Q0）等于地壳热流（Qcrust）加上地幔热流（Qm）， 即Q0 = Qcrust + Qm。岩石圈热结构（lithospheric thermal structure）指的就是关于一个地区地壳、地幔两部分热流的配分比例及其组构关系，以及岩石层内部温度场分布。也称壳幔热流配分（partition of crustal and mantle heat flow），即为界定热流测区所在地质块体的深部热属性将地表热流分解为地壳热流分量和地幔热流分量两部分的做法。因此地幔热流又称剩余热流（reduced heat flow），即从地表观测到的热流总量中扣除地壳生热（地壳热流）部分所剩的热流。当地壳热流小于地幔热流时，该岩石层热结构属于冷壳热幔，反之，称为热壳冷幔（如图2所示）。

例如，华北东部岩石圈属于冷壳热幔，而藏南则具典型的“热壳冷幔”热结构。值得指出的是，该定义是指同一地区地壳热流与地幔热流之间的相对值，并不涉及二者及地表热流本身的大小，也就是说并未考虑其绝对值的大小。

有时也会将大地热流分解为三个分量：Q0 = Qcrust + Qlith + Qb， 其中Qcrust和Qlith分别代表地壳和岩石圈地幔中放射性生热的贡献，Qb是岩石圈底部的热通量[37]。

其他与热流相关的术语还有：热流省（heat flow province），指具有相同或相近地质-地球化学演化背景，且地表熱流与近地表岩石生热率之间存在着线性关系的地质单元;热流亚省（heat flow subprovince）， 即次级“热流省”;热流佯谬（heat flow paradox）， 又称圣安德烈斯佯谬（San Andres paradox）， 指当断层滑动时摩擦生热应产生大量的热从而导致热流异常，但在圣安德烈斯断层所做的热流测量并没有观测到高热流异常这一实际观测与理论推测之间存在的矛盾。

4 结语

大地热流作为地球物理学中的重要术语其定义与使用目前较为混乱，本文详细介绍了大地热流的定义和目前存在的争议，以及第二版《地球物理名词》的修订中对该词定义过程中所做的思量与取舍。考虑到地球物理学科本身约定俗成的习惯，将大地热流、热流、热流密度和热通量视为同义词。

关于大地热流的争议在于其传热方式是否包含对流传热。相对于从几百米至几千米深的钻孔获取的大陆热流，海洋热流更容易受到水热循环的影响。除了地下水活动，其他构造运动也会对大地热流造成扰动，使其含有对流分量，如沉积/剥蚀作用、岩石圈变形以及岩浆热对流。在历次全球或全国热流数据汇编中，含对流成分的热流数据均被收录，这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流。然而获取大地热流的主要目的是探索地球深部的热信息，对深部动力学过程进行约束，因此测量热流时还是要竭力避免浅部因素的影响，必要时要对浅部影响因素进行校正。如果基于现有大地热流数据研究岩石圈热结构和深部热状态时，须对数据仔细筛选，慎重选取传导热流数据。鉴于以往许多热流数据发表时，信息并不全面，严重影响读者对数据质量的判断，建议在今后的热流数据发表时要更加规范，不仅要详细列出位置（经纬度）、测温深度、温度曲线、地温梯度、热导率、生热率等信息，还要分析论证其数据质量，进行必要的热流校正。

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作者简介：何丽娟（1968―），女，博士，中国科学院地质与地球物理研究所研究员。现任国际热流委员会委员，《地球物理学报》编委，第二届地球物理学名词审定委员会委员，《中国大百科全书》第三版地球物理学科编委会委员、地球热学分支主编。长期从事大地热流、盆地热历史和岩石圈构造-热演化数值模拟等方面的研究。通信方式：ljhe@mail.iggcas.ac.cn。

汪集旸 （1935―）， 男，中国科学院院士，地热和水文地质学家，中国科学院地质与地球物理研究所研究员。第二届地球物理學名词审定委员会副主任，国家地热能中心技术委员会名誉主任，国家地热能中心指导委员会委员。获得国家科学技术进步二等奖1项，中国科学院及其他部委自然科学及科学技术进步一等奖4项，以及刘光文科技成就奖（2016）、何梁何利基金科学与技术进步奖（2006）、李四光地质科学奖荣誉奖（2003）。通信方式：jywlpx@mail.iggcas.ac.cn。