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温泉为什么“四季如汤”

发表时间:2012-06-29来源:阳西咸水矿温泉我要分享

       常见的泉水有“冬暖夏凉”之感,有时也能见到一些小泉,水温与地表水相近,与气候的寒署交替同步。温泉不然,无论是赤日炎炎的酷暑,还是天寒地冻的严冬,它总是那样热气蒸蒸、温暖如恒;不为气温所左右,不受季节变化所影响。所以人们常用“四季如汤”来形容温泉。例如古城西安附近临潼的骊山温泉,又名华清池,因当年杨贵妃沐浴此池而负盛誉。其实,骊山温泉在唐代以前就很著名,北魏元长《温泉颂》就有“千城万国之民,怀疾枕疴之客,莫不宿粮而来宾,疗苦于斯水”的记载。由此可见,至少在两千多年以前,骊山温泉就有其医疗价值而广为人知了。解放后,地质工作者连续数十年的测温资料表明,各泉口的水温均在41.7℃---44.7℃,年变化幅度小于0.50℃水温十分稳定。为什么温泉水温能历千余年而不凉,又为什么一年四季如此恒定呢?回答这个问题还得从地球的内部结构谈起。
       地球的内部结构
       目前人们对地球的形状和外部特征可以说是了如指掌了。根据人造卫星的观测,以及根据卫星轨道变化数据的推算,得知地终是一个两极稍稍压扁、赤道微微扩大的扁球体,因南极稍稍下凹30米,所以形状象梨。地球赤道半径约.378.16公里,极半径平均6356,76公里,南北极半择相差21.4公里。
       但对地球内部结构的认识,相对说来要肤浅得多。这主要由于人们目前对地球内部能直接观察到的深度十分有限。尽管目前钻井深度的世界纪录已突破了10公里大关,如苏联科拉半岛的一超深钻孔设计深度15公里,1985年钻至12.3公里,但与地球的半径相比,仍不到其四百分之一。因此,当前人们对地球内部结构的认识,主要是根据地震波在地球内部传择的不连续性推断而得的。当然,地球上时有爆发的火山,喷发出来的物质也会带来地球深部的某些信息,因此说火山活动也是窥测地球内部的一个重要“窗口”。
    目前科学家们所描绘的地球内部结构模式和鸡蛋很相似。其最外面有一层坚硬的外壳,称地壳;依次向内的各层为地漫和地核。地壳由坚硬的岩石所构成,因此也称为若石圈‘地壳的厚度很薄平均大约17公里地壳的厚摩很不均匀,尤其是大陆和海洋地区,差异特大。大陆地区的地壳,称陆壳。陆壳平均厚度为33公里,高山地区可达60公里以上。如我国的青藏高原即达70公里左右,而东部平原区较薄,约30公里左右。海洋地区的地壳的地壳称洋壳。洋壳要薄得多,平均厚度仅11-12公里.有些地区不足5公里,最薄处如圭亚那以东的大西洋底,不足0.5公里。
        陆壳和洋壳不仅厚度差异大,结构和组成也很不相同.陆壳岩石圈自上而下大致分为三层;沉积盖层,花岗岩层和玄武岩;而洋壳中则没有花岗宕层,沉积盖层直接覆盖在玄武岩层之上. 地壳之下的另一个圈层是地幔,它与地壳间的界面称莫霍面;与地核电间的界面称古登堡面。地幔的下限深度达2900公里,其体积约占地球总体积的82.3%,质量约占67.8%;因此说地幔是地球的主体部分。一般认为,地幔的上部(称上地慢)温度可达700度一1300度,因此在上地幔的上部,岩右具有较大的塑性,故又为“软流层”。地壳岩石圈即飘浮在软流层之上。在软流层中还可以有部分岩石处于熔融状态,故认为这里也是岩浆的发源地。这里处于溶融状态的岩石构成了一个不连续的“岩浆房”。当上覆岩石圈受破坏产生的裂隙达到“岩浆房”时,被禁锢的炽热岩浆就有了向上遭移的通到,岩泵在巨大压力的推动下,可沿裂隙通道向地壳浅部运移。沿途随着温度和压力下降,其成分也随之变化,并不断分异出各种不同的矿物,可组合成成分各异的侵入岩体或有用矿床,在适当条件下,岩浆突破地表喷薄而出,即形成火山。岩浆在迁移过程度不同中,不仅把地幔物质带到地壳浅部、同时也向浅部传输了大量的热能.所以在近期火山或强烈岩浆活动带。常有大量温泉涌现。
       古登堡面以下至地心,是地球最内的一个圈层一地核。地核的体积只占地球的16.2%,质量却占31.3%,可见地核物质的密度是很大的(9.7-13.3克/厘米2)。据地球物理资料判断,地球边缘温度约27600℃地心温度估计达4000℃左右。地核的物质组成状况,目前还不完全清楚,一般认为地核的外层(称外地核),是由液态物质组成的。有的地球物理学家还认为”这种液态”物质扩就是不是处于压力达到目的152—300×105帕斯卡的“普通水”。这种水的密度可达10克/厘米3,相当于普通液态水密度的10倍。这种处于高压下的水具有良好的储能条件。
       由此可见,我们居住的地球尽管其表面寒暑更替有序,再冷暖宜人,但并内部却是一个炽热的大”火炉”,在地壳岩石圈之下即可达到数百摄氏度,乃至1000℃以上的高温,而愈向内部温度愈高。因此说地球内部积聚的热熊是十分丰富的,有人估算,地球内部储聚的热能约为2.0×1031焦耳。这个数字相当于把地球上蕴藏的煤全部烧光所放出的热量总和的1.7亿倍.可见,地球是一个蕴藏热能十分丰富的大“热库”。
地球的热源:地球这个庞大的“热库"一直不断地在包外散发着热量。火山和温泉是人们最易觉察的散热方式.每年从地球内部传输到地表的热量大约相当于1000桶石油全部燃烧所放出的热量。也就是说地球内部必须有不断产生热量的热源、才能保持地球本身的热平衡而这个热源在哪里呢?一般认为地球拥有两大热源:一是太阳的热辐射,这是地球的外部热源,另一个即是地球的内部热源。太阳这个炽热的星体不断散发着巨大案要案能量,我们的地球是受惠者之一。据侧定,地球大气圈的最外层,每平方厘来面积上每分钟获得大阳的辐射能约为8.16焦耳(这个数字通常称为太阳常数)。这部分热能并不能全部到达地面。因为,在通过大气圈时每。部份为大气和尘埃物质反射和散射掉,反回宇亩空间、部分为大气所吸收;只有剩余的43%能量可以达到地面。这部分热量对地表的各种自然现象,如水循环的进行等,都是巨大的动,而且对生物的生存和繁衍也具有极为重要的影响。但是,它对她球的温度状况所起的作用是微不足到的。而且所影响的深度也很有限,平均只能达到地表以下15米左右。使地球处于高温热状态的主要热源是来自地球的内部。然而地球内部的巨大热量究竟是怎样产生的呢?由于这涉及到地球的起源和演化问题,所以是目前地球科学还没有完全解决的理论课题。因此现有的关于地下热源的各种解释和模式,都只能说是一种假说。目前较为广泛接受的观点,认为地球内部的巨大热能主要是由放射性元素蜕变产生的。因为在地球内部,广泛分布着各种放射性元素,它们在蜕变过程中都要释放出一定的热。常见的放射性性元素如铀(238U)蜕变为铅(208P b)时,可产生的热量为2.97焦耳/克"年;钍(232Th)蜕变为氩(40Ar)时,可产生的热量为0.92焦耳/克"年;等。这些放射性元素蜕变产生的总热量是十分可观的,据估计,可以达到9.92x1020焦耳/年,这个数字和地球的年散热量相近。而且由于这些放射性元素的半衰期(放射性元素的核数目减少到其原有的一半所需的时间)很长,如钾(40K)为13亿年,238U为45亿年,232Th 为139亿年,因此其蜕变延续的时间是很长的。这就使得地球在很长的地质历史时期内不断有巨大的热量产生,此外地球内部物质的分异过程和地球不断地旋转过程也会产生一定的热量,地壳中各个地块发生相对运动时,由于相互摩攘也会使部分机械能转变为热能。还有,在岩石圈中经常发生的各种地球化学作用,如矿物的氧化等,也常伴有放热现象。总之,以上各种方式所产生的热量,构成了地下热能的总和正是由于这些不断产生的热量和地球持续散失的热量保持着自然的热平衡,才使地球保持着一定的热状态。因此,我们生活在地球上也不觉蒋她球明显地变热或变冷。
        地壳中的温度分布  
        地球在两个热源的影响下,由地表往下,按温度变化规律可依次分为三个温度带,即变温带,常温带和增温带。变温带在接近地表的浅部岩石圈中,主要受太阳辐射的影响。由于每个地区太阳照射时间的长和强弱随季节和昼夜的更迭而交替,因此地温也随之发生相应的变化、这种变化愈近地表愈明显,且随深度增加而减弱。因此在地表以下1.2米处,地温的昼夜变化巳不易察觉而15---20米深处,地温的年变化已很不明显了。一在地温下某个深度,当地温的年变化幅度小于0.1℃时,可以认为这里的地温是恒定的,这就是常温带。常温带厚度很小,此带地温一般略高于当地年平均气温1—2℃。常温带的深度随地理纬度而不同,中纬度地区一般在地下15—20米处。
   

       常温带以下,地温的变化主要受地下热源影响。一般随深度增大地温有规律地升高。这就是增温带。在增温带中地温的变化规律可用地热增温率(也称地热梯度)来表示。地热增温率是指常温带以下,深度每增加100米地温升高的摄氏度数。地壳岩石圈平均地热增温率大约为3℃/100米。相应地也可用地热增温级表示,地热增温级是指地温每升高1℃所增加的深度。根据这种关系,通常可用这样的经验公式推算地下某一深度的地温,即:  T=t+(H+h)r式中T为欲求的地下某一深度的地温t为当地年平均气温,用以近似地表示当地常温带的地温,H为欲求地温的某一深度,h为常温带的深度,r为当地实际的地热增温率。例如某年平均气温为20常温带深度为15米,地热增温率为2.8℃/100米,那么地下2公里深度处的地温为76.42℃。
       根据已知温泉的水温应用上述公式可大致推算出它可能来自地下多深的地方。例如某温泉水温为60℃,所在地区的年平均气温,常温带深度及地热增盘率均同前例,那么该温泉水的循环深度为1400余米。利用上述公式推算某一深度时地温或某一矿泉水的循环深度是很方便的。其中最童要的参数是地热增温率(r), 因为不同地区其差别是很大的。如近期岩浆活动区或火山区,由于岩浆上升,把大最热能带到地壳浅部,周围岩石的温度也会显著升高,因此,地热增温率会远远大于3℃/100米,有时甚至可达到0℃/100米以上,如我国西藏羊八井地热田,在65米深处的地温巳达到165℃此外,地热增温率大小还和岩石的导热性有关。岩石导热性愈好,热量散失越快,不利于地温的增高,相反,如果在热源体之上有导热性很差的岩层(称隔热层)覆盖时,热能易在下伏的岩层中储聚,因此地温增高幅度大。由此可看出,岩性变化复杂的地风地热增温率是随岩性而变化的。由于地壳岩石圈中岩石类型和地质构造的变化是复杂的,岩浆向上运移的条件也各不相同,因此各地地热状况是有区别的,通常把地热增温率大于3℃/100米的地区称为地热异常区。
       温泉水是怎择加热的   
       由于地球这个巨大的“热库”中储聚着大量的热能,而地下不同深度或不同地质条件下又有不同的地热分布状况,因此在正常的地热分布区内‘变温带、常温带和增温带依次分布,井然有序。赋存和运移在不同地温带中的地下水,水温也必然与当地地温相一致;循环在常温带中的地下水涌溢地表成泉时,其水温与气温变化相一致;循环在常温带的地下水,水温则与当地年平均气温相近,而且相当稳定。前面提到的那些使人感到冬暖夏凉的泉水,一般是涌出地表的循环在常温带中的地下水。由于夏季气温高于年平均气温,故水温相对较低,使人感到清凉;而冬季气温低于年平均气温,因此涌出的泉水热气弥漫,使人有温暖之感,所以说“冬暖夏凉”只不过是人体的直觉感受而巳。如果连续测定水温即可发现,这类泉水的温度变化一般都是很小的。常温带以下的增温带,由于地温随深度而增高,因此循环在不同深度的地下水即会具有不同的增温条件。应用上述地温计算公式即可推算出,一般地区在I----2公里深度内,都可形成50---600C的地下热水。但是,大多数温泉都出现在地热异常区,如近期的火山活动区或强烈岩浆活动带,因为这类地区由于岩浆运移,把深部的巨大热源载到岩石圈的浅部,使浅部围岩加热增温。循环在这个地区的地下水也不断被加热而获得较高的温度。由于上覆有较好的隔水层和隔热层获热量不易迅速散逸,因此接近热源体的含水层就象一个巨大的锅炉一样,起着储水和储能的作用‘进入这个“大锅炉”中的地下水不断被加热,并随水温和水静压力的不断增高,不断进行循环对流,当有裂隙通道可达地表时,就涌出成泉,这就是温泉。由于水交替循环的速度和深度不同,地下热源的温度状况也不一样,因此,不同温泉的温度差别很大,我国规定水温高于20度以上即可算温泉。而温度达百余摄氏度以上的温泉也时有所见。例如我国台湾省即有水温达140度的高温热泉,这在国内是首屈一指的了。
       温泉水不仅以其温热效应而具医疗价值,而且由于水温高,许多矿物的溶解度和溶解速度可大大提高,一并有利于许多化学作用和物理化学作用的发生和进行。因此,温泉水中往往溶解有较多的宏量元素和微量元素,特别是在低温水中难于出现的稀有元素,从而大大地提高了它的医疗价值。此外,还应提到的是一些温度较高的温泉水中还储聚着大量的热能,这是二种极宝贵的能源。目前世界各国都已把地热能的开发利用提到重要的位置。地热能不仅可用于发电,也可用于供暖及其他方面。目前我国已在西藏羊八井、广东丰顺、河北怀来、湖南灰汤温泉区建起地热实验电站,其他方面的应用则更加广泛。而目前世界各国利用地热能都是通过开发地下热水来实现的,因为水是最良好、最廉价的热载体,便于把地下丰富的热能输到地表。由于地下热水大多既有医疗价值,又有能源价值,因此在开发中必须统筹规划,综合利用,以做到物尽其用,不致使宝贵的自然资源被浪费和破坏掉。

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