海底热流探针

施小斌

当看到火山喷发的画面，你是否想过，为什么地下的岩石会熔融，燃烧着从地底下喷射出来呢？把石头融化需要多高的温度呀！远古时代，我们的祖先看到火山爆发的时候，就推测地球中心是一团熊熊的烈火，这种观念一直延续了很长时间。现在我们知道，地球是由固态的地壳、黏稠的地幔、液态的外核和固态的内核构成的（图1） 。从地表往地球中心的温度不断增高，地核中心区温度可以达到5500℃左右。我们熟知的大科学家牛顿，就根据地球是一个围绕其轴旋转的扁球体这个事实，猜测地球是从物质熔融状态演化来的。

科学家现在推测，地球形成前，空间中弥漫着无数的小物质，这些小物质不断碰撞，并向中心区收缩形成了原始地球。因为物质碰撞和收缩都会放热，使得原始地球具有很高的温度。在大约45亿年前，有个火星般大小的星球撞击了地球。这次撞击不仅“撞”出了月球，而且使得地球温度更高，处于熔融状态（图2）。从熔融状态的原始地球演变到现在这么美丽、富饶的地球，经历了漫长的冷却过程。由于热量会从高温的区域传递到低温的区域，因此地球内部的热量就通过地球表面源源不断地散发出去，使温度逐渐降下来。

①地球的层状结构， 内核中心温度可以高达5500℃左右

②处于高温状态的原始地球

③左：火山；右：温度超过400℃的海底黑烟囱（图片来自美国国家地理）

地球内部温度的分布是不均匀的，在相同的深度有些区域温度高些，有些区域温度低些。地表不同区域热量散失的快慢也很不相同，年轻的、比较活跃的区域热量散失得快些，而长期比较稳定的、不活跃的区域热量散失得慢些。比如火山活动地区的热量散失就很快（图3）。为了衡量热量散失的快慢，科学家们引入了一个物理量，把单位时间内通过单位面积的热量称为大地热流密度，也称为热通量，单位为mW/m2。大地热流密度越高代表这个区域热量散失得越快。如果我们能测量到地球表面不同区域的大地热流密度，那就可以知道地球现今散失热量的速率。

在陆地或大陆架上，我们可以通过测量钻孔中不同深度的温度，求得温度梯度；通过测量钻孔中测温深度段内的岩石导热性质获得岩石的热导率，然后将温度梯度和热导率相乘，就可以得到钻孔处的大地热流密度。但是，在覆盖了厚厚海水的深水海区，该如何测量热流密度呢？深海钻探代价太大，进行大量的钻探是不现实的。科学家为了开展海洋热流探测，早在20世纪前半叶，就开始设计适用于深海沉积物中测量温度和热流密度的仪器——海底地热探针。