2025年大学《地球物理学》专业题库- 地下热流场特征研究

2025年大学《地球物理学》专业题库——地下热流场特征研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择填空题（每空2分，共30分）1.地球内部热能的主要来源是（）衰变释放的放射性热。2.在均质、各向同性、稳态条件下，地热梯度（dT/dz）与地表热流密度（Qt）的关系是（）。3.若测得某地热液样品的氦同位素（³He/⁴He）比率显著高于大气氦比率，则通常指示该热液具有（）来源。4.地下热水的循环对流体运移和（）元素的富集起着重要作用。5.利用大地电磁测深（MT）方法研究地下热结构，主要是通过分析MT数据推断地下的（）结构和电性分布，进而间接推断温热结构。6.在地下热流场研究中，岩石热导率是表征热量传导能力的物理量，其单位在国际单位制中是（）。7.板块俯冲带通常形成（）热流异常区。8.稳态热传导模型假设研究区域内的（）不随时间变化。二、判断题（每题2分，共20分，请在括号内打√或×）1.地热梯度是指地表单位长度上的温度变化率。（）2.热流密度是垂直穿过单位面积的热通量，其方向指向地热梯度降低的方向。（）3.放射性元素衰变产生的热量在地球内部是均匀分布的。（）4.地下水循环是地球内部热量向地表传递的重要途径之一。（）5.热导率越高的岩石，其允许的热量传导能力越强。（）6.地震波速随温度升高而普遍降低。（）7.地热梯度的大小直接决定了地下热水的温度。（）8.所有火山活动区都必然是高温热流异常区。（）9.地球化学示踪方法可以用来确定地下热水的年龄和来源。（）10.稳态热传导模型不能应用于研究现代地热活动引起的温升。（）三、名词解释题（每题4分，共20分）1.地热梯度2.热流密度3.热导率4.热源5.地下水循环四、简答题（每题6分，共24分）1.简述影响岩石热导率的因素。2.简述利用地热梯度数据绘制区域热流密度图的基本步骤。3.简述放射性元素衰变如何产生地球热能。4.简述地下热水循环对区域地球化学环境可能产生的影响。五、计算题（共16分）1.某地测得地表热流密度为60mW/m²，假设从地表向下1000米深度内地热梯度保持恒定，且岩石平均热导率为2.5W/(m·K)。请计算该深度内地热梯度的值。（6分）2.已知某地热系统主要由放射性元素（主要成分为钾长石）衰变提供热源，地壳平均厚度为35km，热导率约为2.0W/(m·K)。假设地壳中放射性元素丰度为平均水平（约0.1%），单位质量放射性元素衰变产热率约为0.07W/kg。请估算地壳平均产生的热流贡献量。（假设衰变产物热量完全留在地壳内，不考虑深部热源影响）（10分）六、论述/案例分析题（18分）试以板块俯冲带为例，论述其地下热流场的特征及其形成原因，并简述如何利用地球物理方法探测其深部热结构。试卷答案一、选择填空题1.放射性2.Qt=k*(dT/dz)（或写成T(z)=(Qt/k)*z+C，其中k为热导率，C为积分常数，但题目问关系，Qt=k*dT/dz更直接）3.地下4.成矿5.电性6.瓦特每米开尔文(W/(m·K))7.高8.温度二、判断题1.√2.×（热流密度方向与地热梯度方向相同）3.×（热量集中分布在放射性元素富集的壳幔界面或地幔深处）4.√5.√6.√（通常情况下）7.×（地热梯度是温度随深度的变化率，影响水温，但水温还受热交换、补给等因素影响）8.×（火山活动与岩浆活动有关，不一定伴随高温热流）9.√10.×（瞬态模型同样可以模拟温升过程）三、名词解释题1.地热梯度：单位深度的温度变化率，通常表示为dT/dz，单位为℃/km或°F/1000ft。2.热流密度：垂直穿过单位面积的热通量，表示热量传递的强度，方向指向温度降低的方向，单位为W/m²或mW/cm²。3.热导率：表征材料传导热量的能力，是物质的一种物理性质，单位为W/(m·K)。热导率越高，材料传热越快。4.热源：地球内部能够产生热量的来源，最主要的是放射性元素（如钾、铀、钍）的衰变。5.地下水循环：指地表水（雨、雪等）入渗地下，在重力作用下向深部运移，经过储存、混合、水-岩相互作用，最终以泉、蒸气等形式排泄回地表的完整水文地质过程。地下热水的循环是地球内部热量向地表传递的重要方式。四、简答题1.影响岩石热导率的因素主要包括：*岩石矿物成分：不同矿物的热导率不同，如石英、长石的热导率较高，而云母、粘土的热导率较低。含有放射性元素较多的矿物（如角闪石、辉石）热导率可能较低。*岩石结构与孔隙：致密岩石的热导率通常高于疏松、多孔的岩石。孔隙中若填充流体，会改变整体热导率，流体热导率通常高于空气。*温度：岩石热导率通常随温度升高而略有增加，但变化不大。*水分含量：水是较好的导热体，岩石中水分含量越高，其热导率通常也越高。*压力：高压通常会降低岩石的孔隙度，可能对其热导率产生一定影响，但一般不是主要因素。2.利用地热梯度数据绘制区域热流密度图的基本步骤：*在研究区域内进行系统性的地热梯度测量，获取足够数量的地面或浅层地热梯度数据点。*根据测量点的位置（地理坐标）和测量的地热梯度值，在地图上标定出各个数据点及其梯度值。*选择合适的插值方法（如线性插值、克里金插值等）对数据点进行插值，生成整个研究区域连续的地热梯度分布图。*根据热流密度与地热梯度的关系（Qt=k*(dT/dz)），利用已知的岩石热导率（k）信息，将地热梯度图转换为热流密度图。若岩石热导率在区域内变化不大，可直接乘以该平均热导率；若变化显著，需要进行分区计算或采用随深度变化的模型。*对绘制出的热流密度图进行解释，分析热流密度的空间分布特征，识别热流高值区、低值区，并探讨其与地质构造、热源分布、地表环境等的关系。3.放射性元素衰变产生地球热能的过程：*地球形成初期积累了大量的放射性母体元素，主要是铀（U）、钍（Th）和钾（K），它们以化合物形式存在于地壳和上地幔的矿物中。*这些放射性元素并非稳定存在，会自发地发生放射性衰变，转变为其他元素（子体元素）。*在这个衰变过程中，原子核发生转变时释放的能量主要以α粒子、β粒子、γ射线等形式出现。*这些释放的能量中，大部分（约95%以上）最终转化为衰变产物的内能，即热能。*这些热能被周围的岩石吸收，使岩石温度升高。由于放射性元素主要富集在地壳和上地幔顶部，因此地球内部的热量主要来自这些深度范围内的放射性元素衰变。*这些热量通过传导、对流等方式向上传递，是维持地球内部温度、驱动platetectonics、火山活动、温泉等地质现象的主要能量来源。4.地下热水循环对区域地球化学环境可能产生的影响：*热水在循环过程中与围岩（岩石矿物）发生水-岩相互作用，溶解、迁移岩石中的化学元素。*热水的溶解能力通常随温度升高而增强，因此高温热液更容易溶解和搬运大量的矿物质。*根据水的pH值、氧化还原条件以及溶解的矿物成分，地下热水循环可以导致区域地球化学成分发生显著变化。例如，在酸性环境下可能富集重金属（如Hg,As,Cd）；在中性或碱性环境下可能形成金属硫化物矿床或硅酸盐矿物。*热水循环可以改变岩石的矿物组成和结构，甚至形成新的矿物相。*通过地球化学示踪（如稳定同位素、稀有气体），可以追踪地下热水的来源、运移路径和演化历史。*热水循环是许多经济矿物（如热液矿床中的金、黄铜矿、斑岩铜矿、伟晶岩等）形成的重要地质过程。五、计算题1.解：Qt=k*(dT/dz)dT/dz=Qt/kdT/dz=60mW/m²/2.5W/(m·K)dT/dz=60/2.5°C/kmdT/dz=24°C/km（或：1mW/m²=0.001W/m²，60mW/m²=0.06W/m²；1W/(m·K)=1000W/(m·km)，2.5W/(m·K)=2500W/(m·km)；dT/dz=0.06W/m²/2500W/(m·km)=0.000024K/km=0.024°C/km。注意单位统一，最终结果以°C/km更常用）2.解：需要估算地壳平均热流贡献量Q_cavity。假设单位质量放射性元素衰变产热率为σ(W/kg)，地壳平均厚度为H(m)，地壳平均热导率为k(W/(m·K))，地壳中放射性元素平均丰度为C(kg/kg)。地壳总质量M≈(H*ρ_c)（其中ρ_c为地壳平均密度，但在计算热流贡献时，单位质量产热率σ乘以总质量M即可得到总热量，单位为W，代表功率）M=H*ρ_c地壳产生的总热功率P=M*σ*CP=(H*ρ_c)*σ*C地壳平均热流贡献量Q_cavity=P/A（其中A为地表面积，但在计算*贡献量*时，通常关注单位面积的热量产生，即σ*C*ρ_c*H，这与P/A在量级上相关，但P/A的单位是W/m²）或者更直接地，单位面积的地壳热流贡献量为：Q_cavity=σ*C*ρ_c*H代入数值：Q_cavity≈(0.07W/kg)*(0.001kg/kg)*(2700kg/m³)*(35000m)（取地壳平均密度ρ_c≈2700kg/m³）Q_cavity≈0.07*0.001*2700*35000W/m²Q_cavity≈0.00007*2700*35000W/m²