[科普中國]-海底熱流

海底熱流是指來自地球內(nèi)部的在海底表層散射的一種熱流。地球的熱場是重要的地球物理場之一。某一區(qū)域的熱流值是通過求得巖石的導(dǎo)熱率和地溫梯度的乘積得出。

簡介熱流值單位是微卡/平方厘米·秒，指每秒鐘從地下通過每平方厘米面積的地面所釋出的熱。海底熱流的測量開始于1948年，首先由美學(xué)者E·布拉德設(shè)計(jì)了海底熱流計(jì)用來測量海底熱流。經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，海底熱流的平均值與陸地?zé)崃鞯钠骄祹缀跬耆嗟龋际?.5左右熱流單位，但兩者的來源不同。陸地、熱流主要來自地殼中的放射性熱，而海底熱流則主要來自地幔深部的熱。海底熱流量在各地貌單元上不同，如在洋中脊處熱流值高，而在海溝處的熱流值低。海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造學(xué)說提出以后，認(rèn)為海底熱流是從洋中脊脊部向兩側(cè)呈有規(guī)律地降低，這也說明海底熱流隨著大洋底部巖石圈年齡的變老而降低。所以，海底熱流自洋中脊脊部向兩側(cè)降低的分布規(guī)律，與擴(kuò)張著的洋底的巖石圈冷卻作用有關(guān)。1

分布地球內(nèi)部是一個(gè)巨大的熱量庫，它的熱量主要來源于地球內(nèi)部放射性元素衰變。熱量不斷地流出地表，這種微小熱量是可測量的，這種熱量稱為熱流，以每秒流過每平方厘米面積上的微卡數(shù)HFU來表示。50年代，愛德華。布拉德（Edward Bullard）發(fā)明了一種熱流探針，這種探針可以下到海底，穿入海底層測量溫度梯度。測量的結(jié)果令人吃驚，通過太平洋洋殼由地球內(nèi)部釋放的熱流比預(yù)期值高10倍，幾乎與大陸熱流相當(dāng)。而大洋中脊的熱流值更高，海溝處則比正常值低，這種熱流分布體制表明，熱流應(yīng)是從大洋中脊上升，在海溝處下降。由溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力引起對(duì)流是常識(shí)，但人們習(xí)慣中很難想象地幔內(nèi)的固態(tài)物質(zhì)也能像液體一樣對(duì)流。然而實(shí)驗(yàn)表明，固態(tài)物質(zhì)在高溫高壓或長時(shí)間的應(yīng)力作用下，也具有塑性。冰川期后的地殼均衡調(diào)整就是固體地球內(nèi)部蠕變的實(shí)例。地球內(nèi)部的地核溫度高于4000攝氏度，赫斯認(rèn)為高溫熔融核心的熱發(fā)散必將在地幔內(nèi)導(dǎo)致熱對(duì)流。

測量測定海底熱流量的一種地球物理方法。從地球內(nèi)部穿過地殼來到地表的熱量，稱為地?zé)崃?。在物理上將地球看成溫度變化場，用每秒鐘通過單位面積的熱量來表示熱流量。它是向量，可以表示成

Q=KgradT

即熱流量Q為巖石的熱傳導(dǎo)率K和溫度梯度gradT 的乘積，其單位為微卡/(厘米2·秒)，簡寫成HFU。1HFU=41.87毫瓦/米2。在地球表面，由于海陸有很大差異，在海洋地區(qū)和大陸地區(qū)，所使用的測量手段和方法也不同，從而有海底熱流測量和陸地?zé)崃鳒y量之分。深海底層水的溫度不隨季節(jié)變化，所以在洋底測定熱流值，沒有必要穿透太深。而且海底沉積物的熱傳導(dǎo)率K 可以看成是各向同性的。這樣，只要在海底表層不同深度上測定溫度差,并取得海底沉積物樣品以測定熱傳導(dǎo)率K，就可以求得熱流量Q。1

海底熱流值大洋的熱流量在世界大洋地區(qū)熱流的平均值為1.64±1.11HFU。太平洋的平均熱流值(1.78±1.15HFU)高于大西洋(1.34±0.88HFU)和印度洋(1.54±1.18HFU)，這個(gè)情況說明太平洋的熱活動(dòng)性和構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng)。

大洋洋脊的熱流量大洋中高熱流值區(qū)分布于大洋洋脊附近。東太平洋洋脊的熱流平均值為2.26±1.71HFU,其脊軸兩側(cè)存在著兩個(gè)寬50～90公里的異常高熱流帶，其間被寬100～150公里的高熱流帶所隔開，再向外為低熱流帶。高熱流的大洋洋脊有淺源地震活動(dòng)和條帶狀磁異常的存在。不伴有地震活動(dòng)的海嶺如皇帝海嶺等處(熱流值為1.15±0.32HFU)則沒有發(fā)現(xiàn)高熱流帶。大西洋中脊上有高于兩側(cè)盆地的熱流值。雷克雅內(nèi)斯洋脊上有兩個(gè)熱流峰值，與脊峰上的中央裂谷兩側(cè)地形相對(duì)應(yīng)，并有條帶狀磁異常伴生。印度洋洋脊的熱流值也高于平均值。

海溝的熱流量海溝地區(qū)的熱流值一般為低值(小于1HFU),例如秘魯-智利海溝、千島海溝、湯加-克馬德克海溝、新赫布里底海溝、日本海溝、琉球海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝等。但在雅浦海溝和帛琉海溝卻觀測到高熱流值，而中美海溝和爪哇海溝則是既有高熱流值，又有低熱流值的混合型。阿留申海溝的中部呈低熱流值，而東部為高熱流值。因此，一般地說,低熱流值與俯沖帶直接有關(guān)，而高熱流值則受到新生代火山活動(dòng)的影響。

深海盆的熱流量比各大洋的平均值低，太平洋為1.59±1.01HFU，大西洋為1.24±0.36HFU，印度洋為1.41±0.79HFU,其中以太平洋為高。深海盆自由空間重力異常近于零，幾乎沒有地震活動(dòng)，與大洋洋脊和海溝相比屬于構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定的地區(qū)。

盡管已經(jīng)取得相當(dāng)數(shù)量的海底熱流資料，并以此為依據(jù)進(jìn)行了深入的討論，但海底熱流測量的數(shù)據(jù)畢竟還不多，而且在一些具有重要構(gòu)造意義的地區(qū)，如海溝地區(qū)(總共有39個(gè)測點(diǎn))的測量也進(jìn)行得很不夠。這是因?yàn)楹闲螤瞠M長，水深很大，對(duì)設(shè)備和技術(shù)的要求較高。隨著觀測和研究的深入，海底熱流量的設(shè)備和技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步完善，在提高測量質(zhì)量的同時(shí)，將大量增加觀測的數(shù)量，特別是在一些有重要意義的地區(qū)。

熱流異常地球是一個(gè)不斷向外散發(fā)熱量的球體。地球表面熱流量的平均值在不同地區(qū)是不一樣的。從各地?zé)崃鳒y定的數(shù)值可以得出地表平均熱流是1.2微卡/平方厘米。秒，洋底熱流平均值是1.3微卡/平方厘米。秒，而大洋中脊的熱流一般可達(dá)3微卡/平方厘米.秒，少數(shù)地方可達(dá)10微卡/平方厘米。秒以上。這說明必定有熱物質(zhì)從地幔進(jìn)入大洋中脊。事實(shí)上也正是如此，見照片《中洋脊冒出的熔巖》這張照片記錄了水下熔巖的模樣。枕狀熔巖呈圓形，因?yàn)槿蹘r在海水中很快冷卻。這個(gè)巖流位于南大西洋中洋脊西坡2650米深的水底。更讓人驚異的是，“阿爾文”深水潛艇在北大西洋中脊看到的奇觀。在深3000米左右的中洋脊大裂谷底部，在探照燈的照射下，科學(xué)家們看到屹立在海底的一個(gè)個(gè)高2-3米的“煙囪”，“煙囪”口還一股股的冒著“濃煙”。探險(xiǎn)隊(duì)員不敢貿(mào)然闖入，機(jī)械手用測溫傳感器一測，“濃煙”竟是高達(dá)360多度的海水！幸虧沒有進(jìn)入這超高溫的“湯”中，不然后果不堪設(shè)想。更有意思的是在這暗無天日的海底，在“煙囪”附近生活著大量的耐熱細(xì)菌。這些細(xì)菌又養(yǎng)活著許多線蟲和其它海水生物。這是一個(gè)與地球上其它地區(qū)生命形態(tài)不同的另一種生命部落。生命的誕生與循環(huán)不一定非要太陽不可。

與中洋脊的熱流大量涌出截然相反，在深海溝地區(qū)，地?zé)崃鞯膹?qiáng)度還不及平均值的1/10，象太平洋沿岸的阿卡普爾科海溝。這說明海溝地點(diǎn)的洋殼下拽阻礙了熱流的上升。2

研究簡史陸地?zé)崃鳒y量始于1939年，是由A.E.本菲爾德在南非大陸上所做的測定。而海底熱流測量則較晚，始于50年代初。1950年，A.馬克斯韋爾在3米長尖頭鋼管（直徑4.2厘米）的不同部位放置溫度傳感器,上端附有耐壓容器放置記錄器作為探針測量дT/дz,并用采樣器取得海底沉積物樣品測定K。1954年，E.C.布拉德作成的海底溫度梯度探針長3～5米，直徑2.5～4.0厘米，用熱電偶測量。1962年，R.杰勒德等設(shè)計(jì)出采樣器與溫度梯度探針聯(lián)合在一起的熱流測定器，也稱為尤因型熱流測定器，使測量工作趨于簡便。海底熱流測量雖較陸地晚，但世界上的熱流測定數(shù)據(jù)中，來自大洋底的卻占90%(1968)。這主要是由于海底熱流測量容易選擇測點(diǎn)，而測量時(shí)間也較短的緣故。3

分布特征海底熱流值不僅與地球的熱活動(dòng)有關(guān)，而且也是構(gòu)造活動(dòng)的一個(gè)指標(biāo)。海底大地形是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的直接反映，因此不同的海底地形單元有著不同的熱流值特征。

相關(guān)資料太平洋****海底熱流出口發(fā)現(xiàn)水母新物種

科學(xué)家們?cè)诳拷缢惯_(dá)黎加的太平洋海域發(fā)現(xiàn)一處噴發(fā)著鐵暗色熱流的礦物煙囪口吸引了珍稀的海洋生物。

這個(gè)噴射口位于海面以下8500英尺，是由美國人領(lǐng)導(dǎo)的探險(xiǎn)隊(duì)在勘探一段海底火山脊時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

探險(xiǎn)隊(duì)成員來自于美國杜克大學(xué)、新罕布什爾大學(xué)、南卡羅萊納大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)以及伍茲霍爾海洋研究所，他們將這處新發(fā)現(xiàn)命名為“Medusa熱流出口”，探險(xiǎn)隊(duì)的負(fù)責(zé)人、杜克大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授EmilyKlein表示：之所以如此命名，是因?yàn)檫@個(gè)冒煙口被大量的細(xì)長的管狀蠕蟲纏繞著，這讓人不僅想起了希臘神話中長有蛇發(fā)的令人恐怖的女妖——Medusa。

這個(gè)煙囪口附近也出現(xiàn)了象鐘一樣的粉色水母，新罕布什爾州大學(xué)地球科學(xué)教授KarenVonDamm表示：這種水母十分珍貴，可能是一種特別的物種，因?yàn)橐郧皬奈从腥艘娺^這種顏色的水母。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院