2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球热流场的测量方法和数据解释

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球热流场的测量方法和数据解释考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.地球热流是指单位时间内通过单位面积垂直流过的______。2.地球内部热能的主要来源是______元素的衰变。3.测量地表及浅层地温变化率，以推算地表热流的方法称为______。4.钻孔测温法直接测量钻孔内不同深度的温度，通过热传导理论反演______。5.地球化学方法中，测量土壤或岩石中______浓度可以间接推断浅层地热背景。6.绝对热流值通常使用______法或______法获得。7.地热梯度是指单位深度内的______差。8.在地热勘探中，高热流异常区域往往与______活动或______构造有关。9.解释地热数据时，需要考虑______、水文热交换等多种因素的影响。10.全球平均热流值约为______微瓦/米²。二、简答题（每题5分，共30分）1.简述地热梯度法测量地表热流的原理和主要步骤。2.与地热梯度法相比，钻孔测温法在测量深部地热方面有哪些优势？3.简述影响钻孔测温结果准确性的主要因素。4.解释什么是地热增温率，并说明其与地热梯度的关系。5.简述地热梯度异常可能反映的几种地质构造背景。6.为什么需要综合运用多种地热测量方法？三、计算题（每题10分，共30分）1.某地热测量剖面，在地表测得温度为15℃。在深度200米处测得温度为45℃。假设地壳为均质、稳态热传导，地热增温率约为25℃/km。请计算：(1)该剖面的地热梯度。(2)若地壳平均厚度为35公里，且假设地壳底部温度为地幔温度（约700℃），请估算该地壳的平均热流值（假设热流垂直于地表）。2.在一个钻孔中进行测温，测得数据如下：地表温度15℃，100米处温度35℃，200米处温度55℃，300米处温度75℃。假设地热增温率均匀，且忽略径向热流和水文热交换影响。(1)计算该钻孔地热梯度随深度的变化。(2)估算200米深度的垂直地热梯度。(3)如果在地表测量得到水平热流为50mW/m²，请根据热传导理论，估算该地壳的厚度（假设地幔热流为30mW/m²，地壳平均增温率为30℃/km）。3.某区域测得的地热梯度数据如下：区域A梯度为30℃/km，区域B梯度为60℃/km，区域C梯度为15℃/km。请分析这三个区域可能存在的不同地质背景或热源条件。四、分析题（每题15分，共30分）1.假设你是一名地热勘探工程师，需要在一个未勘探过的区域评估地热资源潜力。请阐述你会选择哪些地热测量方法？说明选择这些方法的原因，并简述你将如何综合分析这些方法获得的数据来评估该区域的地热潜力。2.某研究区公布了钻孔测温数据，结果显示在地下500米处温度显著升高，而地表及浅部地温正常。请分析可能造成这种现象的几种地质原因，并说明你将如何利用其他地球物理或地质数据来辅助解释这一地热异常现象。试卷答案一、填空题（每空2分，共20分）1.热量2.放射性3.地热梯度法4.热流5.氡气6.地热梯度；钻孔测温7.温度8.岩浆；断裂9.地质构造10.87二、简答题（每题5分，共30分）1.原理：基于稳态热传导理论，地表附近地温受地表温度和地幔热流控制。通过在地面不同距离（如几十米）布设测点，测量两点间的地温差，并结合两点间的距离，可以计算出地表热流。步骤：选择测线，确定测点距离，测量地表温度，测量各测点地温，计算地温差和距离，计算地热梯度（地温差/距离），根据测点距离和地热梯度计算热流值。2.优势：可以直接测量深部地温，不受地表温度波动、风化壳影响；可以获取地壳深部乃至上地幔的温度信息；能够探测到浅层热流方法难以发现的深部热源或热异常。3.因素：水文热交换（地下水流动带走或带来热量）、地温异常（如靠近火成岩体）、测量仪器误差、钻孔清洗和固井影响、地球自转热效应（对深部影响）。4.定义：地热增温率是指地壳内部温度随深度的增加率，通常以℃/km表示。关系：地热增温率是地热梯度的平均值。地热梯度是局部的、具体的温度变化率，而地热增温率是假设整个地壳或某个层位内温度均匀变化时的平均梯度。5.地质背景：岩浆活动热点或岩浆房上侵；伸展构造盆地底部加热；俯冲板块前缘地幔楔脱水加热；裂谷盆地底部加热；大型断裂带附近的热量集中。6.原因：单一测量方法有其局限性（如梯度法易受地表影响，钻孔测温成本高、深度有限），综合多种方法可以相互验证，提高数据可靠性；不同方法探测深度和范围不同，综合应用可以获得更全面的地热信息；可以利用不同方法的敏感性差异来探测不同成因的热异常。三、计算题（每题10分，共30分）1.(1)地热梯度=(45℃-15℃)/200米=30℃/200m=0.15℃/m=150℃/km(2)地壳平均热流值=地壳平均增温率×地壳平均厚度=25℃/km×35km=875mW/m²2.(1)梯度变化：100m处为(35-15)/100=0.2℃/m；200m处为(55-35)/100=0.2℃/m；300m处为(75-55)/100=0.2℃/m。梯度在100-300米范围内保持均匀，为0.2℃/m。(2)200米垂直地热梯度=0.2℃/m=200℃/km(3)假设地壳底部（X=35km）温度为TBottom=700℃，地表（X=0）温度为TSurface=15℃。地壳内部稳态热传导方程为dT/dx=-q/κ，其中q为垂直热流，κ为热导率（假设均匀）。积分得T(x)=TBottom-q*x/κ。地表热流为qSurface=κ*(TBottom-TSurface)/X=κ*(700-15)/35=19.29*κ。地幔热流为qMantle=30mW/m²。假设地幔与地壳界面处的热流连续，则qMantle=qSurface=19.29*κ。解得κ=30/19.29≈1.55W/(m·K)。再计算地壳厚度：30=1.55*(700-15)/h，解得h≈36.4km。（注意：此题假设热导率κ为已知常数，实际计算需给定κ值或视为未知数求解，此处按题目隐含假设求解）。3.区域A：梯度较低（30℃/km），可能反映地壳较厚、热源较深或热流较弱的背景，如稳定克拉通内部。区域B：梯度很高（60℃/km），指示地壳较薄、热源较浅或存在局部强热流输入，如活动大陆边缘、裂谷区或靠近岩浆活动区。区域C：梯度很低（15℃/km），可能表明地壳极厚、热源很远、热流非常微弱，或者存在显著的冷却构造背景，如大型克拉通内部长期冷却或深大断裂导致热量散失。四、分析题（每题15分，共30分）1.选择方法：初步调查可使用地热梯度法，沿区域主要构造线布设测线，快速获取地表热流背景和异常分布。对重点异常区域或需要深部信息的地方，可使用钻探获取钻孔测温数据。根据区域地质背景，可考虑利用地球化学方法（如土壤氡气测量）辅助探测浅层热异常。选择原因：梯度法成本相对较低，覆盖范围广，适合初步普查；钻孔测温能获取深部温度信息，精度高，适合验证浅部异常和评估资源潜力；地球化学方法可探测浅层热液活动，补充其他方法不足。不同方法结合可以优势互补，提高勘探成功率。综合分析：综合分析时，需对比不同方法获得的热流数据，进行一致性检验。利用梯度法圈定异常区域，利用钻孔测温确定异常的垂向延伸深度和强度。结合地质图分析异常区是否位于构造带、岩浆活动区等有利背景下。地球化学数据可用于识别浅层热液蚀变特征。最终综合判断热异常的成因（是深部热源还是浅部循环），评估其是否具有商业开发价值，并圈定有利勘探靶区。2.地质原因：*近地表火成岩活动：小型侵入体、岩脉或隐伏岩浆房上侵，将大量热量带入浅部地壳，导致钻孔在较浅深度温度急剧升高。地表可能无明显热异常或只有局部小范围异常。*深大断裂活动：活动断裂带是地壳深部热物质向上运移的通道。断裂带附近岩石破碎，导热性可能改变，同时深部热流体沿断裂上升，导致浅部地温场异常升高。*上地幔热异常上侵：在特定的构造背景下（如板内裂谷、热点），上地幔存在局部高温体，热量通过地壳缓慢传导至浅部，或