一、前言

在普遍认为地球有限、资源有限的今天，人们所想到的能为人类利用的能源中，必然会举出“地热能”。可是，这种地热能究竟是什么呢？简言之，地热可以说是地球诞生以来在其内部积蓄生成的热能。

地下的热，可以根据其所具有的能力，以各种形式反映出它的功能。温泉、火山和地震等，可以说是最具体的表现。进一步说，地壳的缓慢变动，山脉的隆起，海沟的形成，大陆的移动等地学现象，都可说是地热能所起的作用。从此意义讲，地球固体部分也可说是一部热力机。

在我们所居住的地球表面附近，存在着包括人类活动在内的，以太阳辐射为主要来源的巨大能量源泉。那么，我们所利用的能源，在自然界能量平衡中究竟占据什么位置呢？我们所能利用的地热能，又是一种什么样的能量源泉呢？

最便于利用的能源形态是电力。地热能是仅次于水力、火力、原子能的第四位的能源。从能量的来源来说，大致可分为三种。第一种是太阳辐射到地球表面的辐射能。水力发电就是利用通过水的潜热或蒸发、降雨等积蓄在冰或水中的太阳辐射能；而火力发电则是利用积聚在植物或动物身上，经过在地下长期貯存后变成化石燃料的太阳辐射能。第二种是利用地球 - 月球 - 太阳系运动所引起的潮汐力。法国正在利用潮汐的涨落进行潮汐发电。第三种是利用地球内部物质原子核裂变所产生的能量，如原子能发电和地热发电等。地球内部的高温，主要是自然放射性元素（如铀，钍，镓等）裂变能的积蓄所造成的。此外，在轻元素捕捉中子形成重元素过程中所产生的核聚变能，也是一种因素。

二、地球表面的能量平衡

太阳辐射到地球表面的能量，一年为5.5×10²⁴焦耳。它是根据地球和太阳处于它们的平均距离时，在大气上界与阳光成垂直的平面上，每平方厘米的面积上每分钟接收的太阳辐射热量为2卡这一太阳常数求出的。潮汐力所提供的能量，每年为9.5×10¹⁹焦耳。从地球内部传到地球表面的热量，平均每平方米为0.063瓦，整个地球表面一年就达1.0×10²¹焦耳。这只相当于太阳辐射到地球上的热能的五千五百分之一。

投射来的太阳辐射能，有34%要被云、尘埃和地面直接反射到空间，成为短波辐射；还有19%被大气吸收；其余47%才能被海洋和陆地表面吸收，变成熟能。而在地球表面成为热能的这47%的太阳辐射能，最终也要全部传播到大气中去。也就是说，23%成为水蒸气的潜热，还有24%会以传导、对流和辐射等形式传播到大气中去。这样，地球表面就可以通过辐射平衡来保持一定的温度。而大气吸收的19%，再加上从地球表面传播来的47%的太阳辐射能，又可以补偿大气逆辐射的损失，使大气保持一定的温度。

占传送到地球表面总能量99.98%（原文如此，疑是99.8%之误——译者注）的太阳辐射能，就这样用以使地球表面和大气保持一定的温度。大气和波浪、海流的动能，每年为1. 1×10²²焦耳，相当于太阳辐射能的0.2%。也就是说，如果利用风或波浪的运动来驱动以太阳辐射能为动力的这部地球“热力机”，其效率为0.2%。另一方面，植物叶绿素的光合作用所吸收的太阳辐射能，每年为6×10²¹焦耳。其中一半用于植物的呼吸，另一半貯存在植物中。用于腐烂或动物等消耗的能量，在平均一年或更长的时间内就可以几乎完全达到平衡。只有一小部分有机物，在完全防腐蚀的条件下埋藏在砂、泥、石灰等堆积物中，不易腐烂。几亿年来没有马上腐烂、分解的有机物质，就成了煤炭或石油、天然气这类化石燃料。

1970年，人类用于生产和消费的能量，折合成石油，全年约为50亿吨，合2×10²⁰焦耳，等于植物的光合作用所用能量的三十分之一，相当于传送到地球表面的地热能的五分之一。据说人类的能源消费量每十年就要增加一倍，看来不要多久就会达到光合作用所用能量和地热能的水平。地热发电的直接能源，来自从地下深处上升到地壳内几公里浅处的岩浆。雨水渗透到地下后，便会在热源附近形成高温地下水。有这种高温地下水回升到地球表面的地域，就叫做地热地带。岩浆从地下深处直接喷出地球表面的，就是火山活动。在这种火山活动中，随着喷出物质的移动而释放到地球表面的能量，整个地球估计一年可达0.2×10²⁰焦耳，相当于从地球内部传播出的能量的五十分之一。

此外，温泉和地热地带每年自然释放的能量，估计可达0.004×10²⁰焦耳，相当于火山喷出物释放能量的五十分之一，为传播热流量的二千五百分之一。

三、地球内部的能量平衡

地球是在四十五亿年前由散布在太阳周围的尘埃凝聚而成的。那时，尘埃等固体物质不断地向成为未来地球的母天体集聚。在集聚过程中，便有一部分碰撞能（重力势）积蓄在母天体内部。此外，随着地球内部温度的升高，地球内部的铁被熔化后便向地球中心移动，形成了半径三千五百公里左右的地核。在这个过程中，也有重力势的能量释放，使地球内部温度不断提高。于是，地球内部所积聚的能量就达10⁸¹焦耳左右。

地球内部所形成的能源，还来源于岩石中放射性元素所放出的原子核裂变热。在构成大陆性地壳上部的花岗岩类岩石中，含有百万分之几的铀、钍和质量数为40的镓的同位素这类放射性元素。只要上述岩石的厚度达二十公里，就足以提供导热的热流量。可是，实际上整个地球表面只有三分之一是大陆，而花岗岩类岩石层的厚度，整个地球平均也只有五、六公里。然而，放射性元素的裂变热与时间成函数下降。换句话说，这种热量，古时候要比现在大得多。以地球的年龄为四十五亿年来计算，自地球诞生以来所产生的裂变热，总量约可达10⁸¹焦耳。

现在地球内部的能量，主要来源于上述地球形成和演化过程中的自然现象。然而，在地球形成之前，有比这些要大得多的能量（来自形成期的太阳辐射和短寿命放射性元素）传播到了地球轨道附近的物质上。这些能量几乎全都逸散到宇宙空间去了。此外，在地球的形成期，由于固体物质在集聚过程中相互碰撞，便产生了许多像在月球和水星、火星的表面能看到的那种环形山。在地核形成的同时，地壳也开始形成。在地幔内产生的大规模的热对流，便将地球内部的热传送了出来。现在，对流集中在地球的浅表层（地幔上部200 ~ 400公里）一带。

由于地球内部的对流，长寿命的自然放射性元素（铀238、铀235、钍232、镓40等），目前有五分之四集中在地壳内，其余在地幔上部。

那么，现在固体地球中的能量是怎么消费的呢？前面已经谈到，目前传送到地球表面而流出的能量，每年为10²¹焦耳，占固体地球内部能量的大部分。其余的能量在地球内部的功能是：造山运动，大陆漂移（现在叫做板块运动），地震，岩浆上升，等等。

据估计，用于造山运动的能量，整个地球每年不超过2×10¹⁹焦耳。用于板块运动的能量，每年为2.5×10²⁰焦耳，相当于传送热流量的四分之一，为火山喷出物的热流出量（不包括传送）的十二倍。其他方面就更少了。例如，整个地球地震所用的能量为2×10¹⁷焦耳。岩浆上升所用的能量，与火山喷出物差不多。

当然，地球内部的活动最终会变回摩擦热，成为流向地球表面的热量的一部分。

四、世界的活动带与火山、地热地区

从地球内部释放的热，分布很不均匀。日本是多地震和火山的国家。具有这种特征的地区，形成了一个环绕太平洋的带状地带。此外，从非洲东部经红海、土耳其、希腊再到意大利这一狭长地区，也具有这种特征。地震的分布情况大致与火山地区相同，如果沿海沟或海岭的高峰来划分，可将地球表面分为十二个板块。目前，“以海岭、海沟和断层为分界的少数板块，各自产生漂移运动，并在分界线上产生一系列地质现象”的这种板块结构学说，已广泛为人们接受。这种厚度约一百公里的板块，就驮着大陆地壳或火山岛每年以几厘米到十厘米的速度作漂移运动。大部分火山地区分布在这些板块的分界线附近。地热地区也是如此。

海岭是板块的延伸界限。在那里，有岩浆从地幔上部喷出地球表面，在其深部则形成了由许多侵入岩等构成的板块。东非的地沟带和冰岛、加拉帕戈斯群岛就属这类情况。除东非外，其余两地都是位于大洋中的高出海底二、三公里的海底火山脉。

断层也叫做板块的移动界限。在那里，相连的板块在断层带处不断地相互移动。

上述两种板块界限，在不到二十公里的较浅地区，不会发生地震。而且在海底下面也往往可以观测到热水循环所造成的质量变化。

海沟所形成的板块分界线，有沉降分界线和隆起分界线两种。前者如日本、菲律宾、印度尼西亚、新西兰，千岛群岛等；后者如印度与喜马拉雅山之间、意大利、土耳其等。这种地区的特点是：有深处地震和安山岩质火山。此外，在沉降分界线处，板块会沿海沟倾斜下沉，上面形成“边缘海”（如日本海、琉球海沟、菲律宾海东部等）。日本、新西兰、意大利等正在进行地热开发的国家，正是位于这种沉降分界线或隆起分界线上。在岩浆从地幔上部上升至地球表面或接近地球表面过程中，会发生两种不同情况：一种是形成具有“边缘海”地区和海洋性地壳的板块沉降地域（沉降分界线）；一种是形成具有大陆性地壳的板块沉降地域（隆起分界线）。

此外，在没有板块交界线的地方，也存在着火山地区。一种是像夏威夷群岛、马达加斯加岛以东的留尼汪岛和印度洋南部的克尔格伦岛这类火山岛，是由从地幔深部喷出的岩浆堆积而成的。这种活火山的位置，并不随着板块漂移而移动。另一种是大陆上由大量喷出岩形成的像印度的德干高原和北美的哥伦比亚高原这类玄武岩高原。

综观全球，显然火山与地热地带有着密切的关系。因此，不仅在陆地上有地热地带，就是海底也应该有地热地带。但是，海底的地热地带被海水覆没，其表层已被冷却，不会有蒸汽喷出。横跨太平洋、印度洋、大西洋的长达六万公里的海底火山脉，缓缓地、不停顿地喷出枕状熔岩。被看作是海岭上热点的冰岛、加拉帕戈斯岛、亚速群岛等岛屿，由于是突出海面的陆地，看来也是地热地带。

在红海和北大西洋的海岭中心附近，已证实有热水喷出。此外，对海底地壳热流量的调查表明，在海岭地区，海水已渗透到地壳的相当深度（五公里左右），正在产生对流。直到最近，对地热地域的调查，还仅着眼于陆上，从海岭地域也同样存在着热水，在地壳浅处循环这一意义上来说，不是应该把调查的范围扩大到海岭地域了吗？尤其是，大部分海岭在海面下2 ~ 3公里处，水压为200 ~ 300巴。

五、火山、地热地域的深部构造

地球内部的热能传送到地球表面的过程中，在地幔上部几百公里内，是以对流为主的。在表层，有平均厚度为一百公里的大洋地壳，它下面是部分熔化的地幔（地幔物质）。大洋地壳就在这种熔化地幔上不断地运动。在地幔内部则不断地产生可以维持大洋地壳运动的对流。大洋地壳是在海岭高峰处产生的。像在冰岛可以看到的那样，“热流”从大裂缝里涌出，使地壳面积在不断地扩大。大洋地壳在向外扩展的过程中，逐渐由浅而深地冷却、变厚。这种机理可以决定从地球表面流出的热能的平均值。

在海沟，冷却的大洋地壳在不断下沉。在其附近，大洋地壳与熔化地幔之间会产生摩擦热，出现小的对流，从而引起弧形列岛的火山群或“边缘海”等的频繁火山运动。此外，被称作热点的大火山，会直接从熔化地幔下面具有更大粘性的高温物质，得到巨大热量或岩浆。

最后，再谈谈狭义的地热能。在板块的边缘附近，火山喷出物或地热地带的蒸汽等所释放的能量，比传导流出的平均热能还要多；但从全球来说，前者只占后者的五十分之一左右。

然而，在活火山附近，以地壳内的岩浆为热源，会形成各种高热流量地域。在活火山下面，或许在熔化地幔内，可能还存在着一种可以向地壳提供岩浆的岩浆积存层。位于火山下面的岩浆，有一个热水反应形成的不透水帽岩层，将岩浆与上部的多孔山体加以隔离。

在温泉地域，不存在帽岩层，地下水可以直通热源附近。在地热地域，地下水和雨水可以通到更深的部位，得到更高温的蒸汽。岩浆不一定是熔化状态的，但需要有适当的积存层和帽岩。在高热流量地域，地壳下面就存在着岩浆。

地热能这一词汇，从广义来说，可以解释为固体地球所具有的热能。今后，需要对人们所想象的地壳内的岩浆存在状态及其形成、演化过程进行更多的调查，以便进一步具体地确定什么样的地热能可以加以利用。看来这个课题是应该提到日程上来了。

[スチールデザイン，180期3 ~ 6页]