更新时间：2023-12-16 20:47
大地热流简称热流，地球内部热能传输至地表的一种现象。是指从地球内部向地表传播的热量，传播量可以用大地热量表示，常用单位是毫瓦每平方米（mW/m2）。
大地热流亦称热流密度(Heat flow density)，简称热流(Heat flow)，是指单位面积、单位时间内由地球内部传输至地表，而后散发到太空去的热量，是地壳或岩石圈深部热状态在地表的综合量化表征。地球内部蕴藏着巨大的热能，无时无刻不在向外释放热量。火山口奔腾而出的熔岩流，温泉口和蒸汽地面上热气腾腾的蒸汽与伴生气体，直观而强烈地显示了热对流方式的热传递，但地球内热更普遍的向外传递是以无声无息的隐性方式，即通过地表的热传导或热传导与非强烈的热对流复合方式。全球以热传导方式向外传递的热量约为1.3～1.5×1021 (焦耳/年)，相当于2015年全球一次能源消耗总量（5.5×1020焦耳/年）的2.5倍或火山喷发释放热量(3×1019焦耳/年)、地震(10×1017焦耳/年)、水热活动(2×1018焦耳/年)所释放能量之总和的100倍。由此可见，热传导是地球散热的主导方式，而热流正是表征地球向外通过传导所释放热量的一个基本的物理参数，也是研究地球内部热状态，如地壳深部温度、岩石圈热结构的一个不可或缺的参量。通常热流值不是直接测定的，而是通过地温测量和岩石热导率测试间接测得的。在一维稳态传导条件下，热流量(q)是岩石热导率(K)和垂向地温梯度(dT/dz)的乘积，即q=K×(dT/dz)。早期热流单位为微卡/（平方厘米·秒）（μcal/(cm2·s)），缩写HFU（Heat flow unit），现在通用国际热流单位为毫瓦平方米（mW/m2）。二者的关系为：1HFU=1 μcal/(cm2·s)=41.868 mW/m2。
热流测量可以归结为地温梯度(dT/dz)测量和对应层段的介质热导率(K)测试。陆地上，地温梯度通常由钻井温度测量获得；岩石热导率，通常是选取测温井段内代表性的岩心标本在实验室用岩石热导仪测定。海域内，热流同样可以利用钻井进行热流测量，当海水深度＞2000米时，海底温度几乎不随时间变化，亦可用2～5米的测温探针插入洋底松软沉积层内测出地温梯度，沉积物的热导率由采取到的沉积物标本测定。鉴于近地表浅层地温可能受到多种浅部因素（如陆地或海底地形起伏、古气候变迁、地下水活动等）的扰动，在这种情况下需要对实测热流值进行校正。
地表所观测到的热流值(q0)由三部分构成： (1)地壳的放射性生热(qc)；(2)构造—热事件引起的热扰动，也称构造热(qt)；(3)岩石圈底部的地幔热流(qm)，其值在一定的地质时间和区域范围内基本保持不变，也称为背景热流；因此，地表热流的构成可表达为：q0=qc+qt+qm。大陆地壳主体由花岗质岩石(花岗岩、花岗闪长岩等)组成，富含放射性元素，生热率高，因而热贡献大，地幔热流贡献相对较小。大洋地壳则由玄武岩构成，其生热率相对低，地壳热流贡献不大，大洋热流主要是来自岩石圈冷却热和底部的地幔热流。qt只存在于新生代构造活动区；其它古老且稳定的构造区该分量趋于零。通常用地壳热流与地幔热流的配分关系（qc /qm）来描述一个构造单元不同层圈的热构成，即岩石圈热结构。
国际上最早的热流测量始于1939年在南非开展的地热测量；1952年在太平洋首次获得首批可靠海洋热流数据。由于海底热流测量简便易行，在随后的10～20年中，海洋热流数据快速增长，为阐明板块学说创立提供了地热学证据。1976年，全球共获得热流量数据5417个，其中海洋的3718个，陆地的1699个。1985年时，全球共获得热流量数据8782个，其中海洋的5181个，陆地的3601个。截止2013年，全球共获得热流量数据38347个，其中海洋的22014个，陆地的16333个。由于陆域热流测量受控于钻井的存在，热流量数据的地理分布极不均匀。我国系统的热流测试工作始于20世纪70年代末。1978年，中国科学院地质研究所地热组正式发表了在华北地区获得的首批17个数据。鉴于发表热流数据的刊物相当分散，且数据质量参差不齐，不利于数据的有效利用和分析，迄今中国科学院地质与地球研究所已经先后10次汇编了中国大陆地区热流数据，并四次公开发表汇编数据。1988年，汪集暘、黄少鹏首次汇编并发表了《中国大陆地区大地热流汇编》，共收录热流数据167个； 1990年，汪集暘、黄少鹏发表了《中国大陆地区大地热流汇编（第二版）》，中国大陆地区热流数据达366个；2001年，胡圣标等将自第二版数据公布以来新增热流数据汇编成《中国大陆地区大地热流数据汇编（第三版）》（中国大陆地区热流数据达到862个）；2016年，姜光政等完成了我国新一轮热流数据汇编，形成了《中国大陆地区热流数据（第四版）》，至此中国大陆地区热流数据已达1230个。中国周边海域众多含油气盆地也积累了相当数量的热流数据。2001，何丽娟等汇编了中国南海海域的582个热流数据并绘制了中国南海海域热流分布图；2003，施小斌等汇编了中国南海海域592个热流数据并进行了统计分析；随后唐晓音、徐行、袁玉松、杨树春等也在南海、东海及黄海开展了大地热流测量与汇编工作，但截止目前没有新的海域热流汇编数据发布。
热流值的空间变化既是板块构造学说的地球物理证据之一，同时全球板块活动格局也控制了热流的区域分布。全球热流分布呈现显著的横向差异特征，高热流区与板块边界有很好的对应关系。高热流区主要集中在三大洋的洋中脊、环太平洋火山带（俯冲带）及非洲板块和欧亚板块的碰撞拼贴带（＞70mW/m2）；这种构造-热相关关系表明，板块构造控制了全球热流分布，特别是控制了高热流区的分布。现代板块边界部位是新生代构造活动区，诸如火山、地震、岩浆活动和造山等构造—热事件频繁，特别是作为离散板块边界的大洋中脊，随着海底扩张，岩石圈张裂，深部热物质上涌，形成新的洋壳，也带来了大量的深部热量。而板内构造稳定区，诸如加拿大地盾、东欧地台等稳定的克拉通，因为构造活动早已停止，深部热过程趋于稳定，地幔热流低至10~15 mW/m2，因故地表热流也相对偏低(~40 mW/m2)，同时，板内新生代构造活动区，如东非裂谷系、汾渭地堑等，则表现出高热流(＞80mW/m2)，此外，一些局部构造活动或者热事件也能引起热流异常。比如，岩浆活动、热点和地幔柱等能引起板块内部的局部热流异常。总体上，热流与最后一期构造热事件的年龄呈负相关关系。我国大陆地区大地热流具有“东高、中低，西南高、西北低”的变化趋势，平均值为60.4±12.3 mW/m2，这是由于中新生代以来东部受太平洋板块俯冲的强烈影响，西南部受南部印度板块碰撞挤压作用所造成的结果。
热流量和近地表岩石的生热率呈线性关系，即
q =q0+DA，这个经验公式于60年代末期首先为罗伊（R.F. Roy）和伯奇（F.Birch）等人发现,它对研究地壳和上地幔的热结构有重要作用。上式中，q及A分别为某个地区的地表热流量和地表岩石的生热率;直线截距q0及其斜率D均为常数，分别具有热流量和厚度的量纲；DA为地壳表层放射性元素集中层提供的热流量;q0为来自该层之下和上地幔的热流量，称为深部热流量或地幔热流量。上式说明，同一地质构造单元以具有相同的q0值和 D值为特征，就意味着区内来自深部的地幔热流各处相等，并具有统一的地质和地球物理过程。世界几处古老而稳定的前寒武纪地盾，如加拿大地盾、澳大利亚地盾和波罗的地盾，q0=0.70 HFU，D=6.3 km；美国中、东部的北美陆台，q0=0.80，D=7.5；构造活动区，如美国盆地山脉新生代构造活动区,q0=1.4，D=9.4；美国西部内华达山区q0=0.4，D=10。上述资料说明，地质上古老而稳定的地区，同地幔热流量低值相联系；构造活动区之下，则存在一股强大的来自地壳下部和上地幔的热流，而内华达山区的q0值很低，则是一种特殊情况。目前多数学者把该区很低的地幔热流量归因于该区之下存在着一个可视为冷源的古老岩石层(圈)板块所致。至于D值的大小,除地盾区之外,其他地区的D值变化不大，一般在10公里左右；说明各区地壳上部放射性元素集中层的厚度没有多大变化。一个地区的深部热状况主要取决于q0值的大小，为此，罗伊(R.F.Roy)等人建议,划分具有不同地壳热结构的热流量区，主要依据q0值。把热流量和放射性元素生热量两种因素结合起来研究，为了解地壳和上地幔的温度变化提供了一种合理的研究方向。而对地球内部温度的了解，有助于对各种地质作用和地球物理作用的更深刻的理解。
热流量和岩石层（圈）厚度有关联。波拉克和查普曼于70年代中期根据地表热流量数据和岩石高温高压的实验结果，提出了确定岩石层（圈）厚度的方法及其所得的结果。这对于研究热流量同地壳深部温度、上地幔低速层的埋藏深度、岩石层（圈）的厚度和区域构造活动性之间的联系有着重要意义。确定岩石层（圈）厚度的方法是：给定不同热流量，分别对大陆和海洋地区作出温度随深度变化的曲线，其中大陆地区采用一维稳态传导模型计算，海洋地区采用非稳态传导模型计算。地温曲线同上地幔岩固相线之交点，即为上地幔物质开始熔融的深度，也即上覆刚性不熔岩石层(圈)的厚度。考虑到地球内部的实际情况，波洛克等取少量含水的地幔岩固相线作为确定岩石层（圈）厚度的依据。从所得结果来看,海洋地区的地温曲线簇普遍高于大陆。例如,地表热流量为40毫瓦/米2，于150公里深处，海洋与大陆地区的温差可达 230℃。大陆地区地温曲线在地壳浅部几作直线变化，这是由于地壳浅部放射性元素含量较高所致。所有海洋的地温曲线均与地幔岩固相线相交，但大陆地区地表热流量小于45毫瓦/米2的地温曲线则与之不相交，这表明以低热流为特征的古老地盾区，上地幔低速层埋藏很深或不发育。据上述研究结果，可以得到大陆和海洋地区不同热流量相对应的岩石层（圈）厚度，在此基础上，依据全球热流量图，可以计算全球岩石层（圈）的厚度。总的来看，从热流量推求而得的岩石层（圈）厚度，同从地震波研究所得的上地幔低速层的埋藏深度，即岩石层（圈）的厚度，是相符的。例如大洋中脊和大陆上的构造活动区，岩石层(圈)厚度最薄，仅数十公里，构造稳定区普遍大于100公里,而古老的地盾区则达300公里或更大。
W.H.K.Lee, On the Global Variations of Terrestrial Heat Flow,Phys. Earth Planet Interiors,Vol.2,pp.232～341,1970. R.F.Roy,D.D.Blackwell and F.Birch, Heat Generation of Plutonic Rocks and Continental Heat Flow Provinces,Earth Planet Sci. Letters,Vol.5,pp.1～12,1968. H. N. Pollack and D.S.Chapman, On the Regional Variation of Heat Flow,Geotherms and Lithospheric Thickness,Tectonophysics,Vol.38, pp.277～296,1977.
姜光政等, 中国大陆地区大地热流数据汇编(第四版). 地球物理学报, 2016. 59(8): 第2892页.