2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——地球內(nèi)部溫度場(chǎng)和熱流研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪個(gè)物理量表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積垂直于熱流方向的熱量？()A.溫度梯度B.熱流密度C.熱導(dǎo)率D.地?zé)崽荻?.地球內(nèi)部最主要的熱源是？()A.太陽(yáng)輻射B.地球形成時(shí)的余熱C.放射性元素衰變D.地幔對(duì)流釋放的潛熱3.在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱量傳遞的主要機(jī)制是？()A.分子碰撞B.電磁波輻射C.熱對(duì)流D.核反應(yīng)4.通常情況下，地球內(nèi)部哪個(gè)圈層的溫度最高？()A.地殼B.上地幔C.下地幔D.地核5.大地?zé)崃鳒y(cè)量中，為了減小地表溫度變化（如日變化、季節(jié)變化）的影響，常采用的方法是？()A.在雪地或冰蓋上進(jìn)行測(cè)量B.使用淺層測(cè)溫井C.在裸露巖石表面直接測(cè)量D.僅在夜間進(jìn)行測(cè)量6.地?zé)崽荻仁侵福?)A.地球內(nèi)部溫度隨深度的變化率B.地球表面溫度隨緯度的變化率C.地球內(nèi)部熱流密度隨深度的變化率D.地球內(nèi)部熱導(dǎo)率隨深度的變化率7.放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，其強(qiáng)度隨深度增加而增加，主要原因是？()A.放射性元素豐度隨深度增加B.放射性元素半衰期隨深度增加C.放射性元素衰變產(chǎn)物累積D.地幔對(duì)熱量的傳導(dǎo)效率隨深度增加8.與地幔對(duì)流相比，地殼內(nèi)熱傳遞的主要方式是？()A.熱對(duì)流B.熱傳導(dǎo)C.熱輻射D.熱擴(kuò)散9.在板塊構(gòu)造理論中，熱點(diǎn)形成的地質(zhì)背景通常被認(rèn)為是？()A.板塊俯沖帶B.板塊碰撞帶C.板塊內(nèi)部的地幔柱活動(dòng)區(qū)域D.板塊裂谷帶10.估算地球總熱流時(shí)，需要考慮的主要熱量來(lái)源包括？()A.地表接受太陽(yáng)輻射的熱量B.地幔對(duì)流的顯熱傳遞C.地核向地幔的熱量傳遞D.放射性元素在地球各圈層產(chǎn)生的熱量二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.熱流密度的國(guó)際單位制單位是______。2.傅里葉熱傳導(dǎo)定律指出，熱量傳遞的速率與溫度梯度和垂直于熱流方向的______成正比。3.地球內(nèi)部溫度隨深度增加而升高的現(xiàn)象，稱為______。4.地球化學(xué)測(cè)溫方法中，利用礦物中放射性元素與其衰變產(chǎn)物之間的______關(guān)系來(lái)估算溫度。5.全球平均熱流值大約為______微瓦/平方米(μW/m2)。6.熱對(duì)流是地球內(nèi)部______圈層的主要熱傳遞方式。7.影響地球內(nèi)部熱傳導(dǎo)效率的關(guān)鍵參數(shù)是巖石的______和溫度。8.位于地幔深部、地殼之下的大型、熾熱、熔融或部分熔融的巖漿房，稱為______。9.由于放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，地幔深處的溫度高于僅靠熱傳導(dǎo)從地殼傳遞來(lái)的溫度，這種現(xiàn)象稱為______。10.熱流異常高的區(qū)域，通常對(duì)應(yīng)著強(qiáng)烈的______活動(dòng)或深部熱源。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述地?zé)崽荻群蜔崃髅芏鹊膮^(qū)別。2.簡(jiǎn)述地幔對(duì)流對(duì)地球熱平衡的貢獻(xiàn)。3.簡(jiǎn)述大地?zé)崃鳒y(cè)量的主要目的和步驟。4.簡(jiǎn)述放射性元素衰變作為地球熱源的基本依據(jù)。四、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某地?zé)徙@探井的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，在深度2000米處溫度為150°C，在深度3000米處溫度為350°C。假設(shè)地?zé)崽荻入S深度呈線性變化，且該區(qū)域地殼的平均熱導(dǎo)率為2.5W/(m·K)。試計(jì)算：(1)該地殼段（2000米至3000米）的平均地?zé)崽荻取?2)在此深度范圍內(nèi)，單位體積地殼巖石因放射性元素衰變產(chǎn)生的平均熱產(chǎn)生率（假設(shè)為均勻分布，不考慮傳導(dǎo)影響，可使用公式Q=g/k，其中g(shù)為地?zé)崽荻?，k為熱導(dǎo)率）。2.假設(shè)地球是一個(gè)同心球體，其半徑為R=6371km。測(cè)得地表平均熱流為q_surface=60μW/m2。若已知地核向地幔的熱量傳遞可以忽略，且地球內(nèi)部的熱量主要來(lái)源于半徑為a=3480km的地幔核心（即半徑小于a的內(nèi)部區(qū)域不產(chǎn)生熱量）處的放射性元素衰變，產(chǎn)生的總熱量為Q_total。試根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，推導(dǎo)出放射性元素產(chǎn)生的總熱量Q_total與地表平均熱流q_surface之間的關(guān)系式（不需要計(jì)算具體數(shù)值）。3.在一個(gè)理想化的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型中，熱量從溫度為T_hot的內(nèi)部熱源沿半徑為a的球體表面均勻向外傳導(dǎo)，到達(dá)半徑為R的外部球殼表面，該處溫度為T_cold。假設(shè)球體材料的平均熱導(dǎo)率為k。試定性說(shuō)明，隨著熱源溫度T_hot的升高，外部球殼表面溫度T_cold會(huì)如何變化？請(qǐng)解釋原因。五、論述題（10分）結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，論述熱流數(shù)據(jù)在揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程（如板塊運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流、熱源分布等）方面的重要作用。請(qǐng)至少列舉三種不同的應(yīng)用實(shí)例，并簡(jiǎn)述其原理。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.A4.D5.A6.A7.A8.B9.C10.D二、填空題1.瓦特每平方米(W/m2)或毫瓦每平方厘米(mW/cm2)2.面積3.溫度梯度4.時(shí)序5.876.上7.熱導(dǎo)率8.地幔熱柱(MantlePlume)或大型巖漿房9.熱源疊加效應(yīng)(HeatSourceOverprint)或深部熱源效應(yīng)10.地幔對(duì)流三、簡(jiǎn)答題1.解析：地?zé)崽荻仁侵傅厍騼?nèi)部溫度隨深度的變化率，單位通常是°C/km或K/km。熱流密度是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積垂直于熱流方向傳遞的熱量，單位是W/m2或μW/cm2。兩者的區(qū)別在于：地?zé)崽荻让枋龅氖菧囟茸兓乃俾?，而熱流密度描述的是熱量傳遞的強(qiáng)度。熱流密度是造成地?zé)崽荻鹊脑蛑唬ǜ鶕?jù)傅里葉定律，熱流密度與熱導(dǎo)率和地?zé)崽荻瘸烧龋?.解析：地幔對(duì)流是地球內(nèi)部熱傳遞的主要方式之一（尤其在軟流圈）。地幔物質(zhì)受熱上升，遇冷下沉，形成循環(huán)對(duì)流。這個(gè)對(duì)流過(guò)程不僅將地幔深處的熱量帶到地殼，有助于維持地表溫度，使其適合生命存在，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。因此，地幔?duì)流通過(guò)將內(nèi)部熱量輸送到地表，是維持地球能量平衡的重要機(jī)制。3.解析：大地?zé)崃鳒y(cè)量的主要目的是確定地表向太空散失的熱量，即地表熱流密度，它是反映地球內(nèi)部熱狀態(tài)的直接指標(biāo)。測(cè)量步驟通常包括：選擇合適的測(cè)量地點(diǎn)（考慮代表性、遠(yuǎn)離局部熱源影響），進(jìn)行地表清理（如挖探坑、鉆淺孔至基巖），安裝熱流計(jì)探頭至預(yù)定深度，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)（如一年以上）以消除短期溫度波動(dòng)影響，最后根據(jù)探頭測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)和巖石熱導(dǎo)率計(jì)算出熱流值。4.解析：放射性元素（如鈾U、釷Th、鉀K）在地球形成過(guò)程中富集于地殼和上地幔。這些元素會(huì)發(fā)生放射性衰變，其衰變過(guò)程會(huì)持續(xù)釋放能量，主要以熱能形式表現(xiàn)出來(lái)。地球內(nèi)部存在這些放射性元素的富集區(qū)域，其衰變產(chǎn)生的熱量是維持地球內(nèi)部溫度、驅(qū)動(dòng)地幔對(duì)流和板塊運(yùn)動(dòng)的重要能量來(lái)源。地質(zhì)樣品（如巖石）中放射性元素含量及其衰變產(chǎn)物的測(cè)定，可以估算出巖石形成或冷卻時(shí)的溫度，也間接證明了該能量來(lái)源。四、計(jì)算題1.解析：(1)平均地?zé)崽荻仁菧囟茸兓颗c深度變化量的比值。ΔT=350°C-150°C=200°C，Δz=3000m-2000m=1000m。平均地?zé)崽荻萭_avg=ΔT/Δz=200°C/1000m=0.2°C/m。(2)單位體積熱產(chǎn)生率Q=g/k。已知g_avg=0.2°C/m，k=2.5W/(m·K)。Q=0.2°C/m/2.5W/(m·K)=0.08W/m3。注意單位換算：0.08W/m3=80mW/m3=80J/(m3·s)。2.解析：在穩(wěn)態(tài)條件下，從半徑為a的內(nèi)部熱源發(fā)出的總熱量Q_total必須等于向外通過(guò)半徑為R的球殼表面散失的熱量。根據(jù)球面面積公式A=4πR2，散失的熱量Q_out=q_surface*A=q_surface*4πR2。因此，Q_total=q_surface*4πR2。其中，q_surface是地表平均熱流，R是地球半徑。3.解析：根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)原理，通過(guò)球殼單位面積的熱流J=Q_total/(4πR2)=k*(T_hot-T_cold)/R。因此，T_cold=T_hot-(Q_total*R)/(4πR2k)=T_hot-(Q_total/(4πk))*(R/R)=T_hot-(Q_total/(4πk))?？梢钥闯觯琓_cold與Q_total成正比。當(dāng)熱源溫度T_hot升高時(shí)，總熱量Q_total增大，代入上式可知，外部球殼表面溫度T_cold也會(huì)隨之升高。原因在于，更高的內(nèi)部熱源溫度導(dǎo)致通過(guò)球殼向外傳導(dǎo)的總熱量增加，在熱導(dǎo)率k和球殼半徑R不變的情況下，必然導(dǎo)致球殼外表面溫度升高以維持熱平衡。五、論述題解析：熱流數(shù)據(jù)是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵窗口。其重要性體現(xiàn)在：首先，全球熱流分布圖清晰地揭示了地球內(nèi)部熱源的不均勻性，高熱流區(qū)（如大洋中脊、熱點(diǎn)）通常對(duì)應(yīng)著地幔柱活動(dòng)或俯沖帶附近強(qiáng)烈的放射性元素富集，為識(shí)別深部熱源和驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了依據(jù)。其次，區(qū)域熱流異常（高于或低于平均水平）是探測(cè)地幔不連續(xù)面（如莫霍面、古登堡面附近）、板塊邊界（如俯沖帶、轉(zhuǎn)換斷層）、地?zé)岙惓^(qū)（如油氣藏上方、