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地球科学核心问题凸显地热研究重要性-地热能

Sien 中国地热能发展现状 2020年06月11日

最近,美国国家科学院、工程院和医学院(NASEM)发布了地球科学十年发展规划指南《时域中的地球:美国国家科学基金会地球科学十年发展愿景(2020~2030)》。该报告浓缩了美国地球科学在未来十年需要优先关注的12个最紧迫的核心科学问题。

尽管《NASEM报告》在对这12个科学问题的文字描述中没有直接提到地热,但所有这些问题的答案或多或少都与地热研究有关,地热研究的重要性也得到充分体现。我想结合NASEM报告对这12个科学问题做一个简要的评论,并从地热的角度做一个示意性的解释。

1.地球内部磁场是如何产生的?

在地质时代的长河中,是什么驱动着“地球发电机”?什么控制着“地球发电机”的变化率?找到这些问题的答案对于理解地球内部和大气之间的相互作用具有重要意义。从地热的角度来看,“地球动力学”运行的前提是地核温度随深度(压力)的变化曲线至少两次穿过地核材料的液相线,从而形成一个固相和一个能够相对运动的液相环层。

2.板块构造是在什么时候发生、为什么发生和怎么发生的?

目前,地质学家对“为什么只有地球有板块构造,而其他行星没有板块构造”和“地质史上板块构造的变化”等问题仍缺乏全面的认识。从地热的角度来看,地壳和上地幔温度的时空变化决定了岩石圈的厚度和软流圈的流变性质。理解地热演化史是理解地球板块构造运动演化的基石。

3.关键元素在地球上是如何分布和循环的?

关键元素是指创造生物体生存环境、地球深层氧化还原环境、地质过程追踪以及现代社会经济、医学、军事和人类先进制造所需的化学元素。目前,人们对这些元素在不同时空尺度上的迁移规律仍有许多重要的疑问。从地热的角度来看,一方面,任何元素的富集和迁移都离不开其特定的温度环境;另一方面,铀和钾等关键元素放射性同位素的衰变是地球内部热量的重要来源,也是构造热运动的重要示踪元素。

4.地震究竟是怎么回事?

地球内部可能会发生极其缓慢的塑性变形和非常迅速的爆炸性脆性变化,这使得地球科学家不得不重新考虑地震的性质。从地热学的角度来看,地震和地热流是地球内部空间和时间域中能量积累和耗散的两个终端要素。地震是间歇性的、突然的和局部的能量转换事件。另一方面,地球热流是一个连续的、普遍的、稳定的能量传递过程,两者有着内在的联系。不仅如此,发震地质体的温度环境决定了地震级别和地震波的传播速度。

5.是什么驱动火山活动?

火山活动不仅影响地球系统的许多组成部分,还对人类社会活动产生各种影响。因此,迫切需要研究不同地质历史时期岩浆的生成、上升和喷发机制。从地热的角度来看,火山爆发是地球内部热量的最强表面标志。在特定的温度和压力条件下,地壳和上地幔物质的熔融、分异、迁移、滞留、喷发和冷却一方面受该地区构造热背景的控制,另一方面也不可避免地对其周围的地热环境产生深远的影响。

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