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② 热动力学的基本信息
作者:H.U.Fuchs著定价:110页数:713开本:1/32包装:精装
③ 热分析动力学的目录
第一章热分析动力学概论1．1前言1．2热分析动力学理论l．2．l动力学方程1．2．2速率常数1．2．3动力学模式（机理）函数1．2．4动力学方程的是是非非1．3热分析动力学方法1．3．1定温法和单个扫描速率的不定温法1．3．2动力学补偿效应1．3．3多重扫描速率的不定温法l．3．4动力学方法的新进展1．3．5动力学分析的误差1．4热分析动力学新技术1．4．1控制转化速率热分析技术1．4．2温度调制热分析技术1．5热分析动力学展望第二章热分析动力学方程2．l第I类动力学方程2．2第II类动力学方程2．2．1导出途径之—2．2．2导出途径之二2．2．3导出途径之三2．3两类动力学方程的比较第三章温度积分的近似解3．l温度积分3．2数值解3．3近似解析解3．3．1 Frank-Kameneskii近似式3．3．2 Coats-Redfern近似式3．3．3 Doyle近似式3．3．4 Gorbachev近似式3．3．5 Lee-Beck近似式3．3．6 Gorbachev近似式优于Coats-Redfern近似式的理论依据3．3．7 Li Chung-Hsiung近似式3．3．8 Agrawal近似式3．3．9冉全印－叶素近似式3．3．10冯仰婕－袁军－洪专－邹文樵－戴浩良近似式3．3．11 Zsako近似式3．3．12 Mac Callum-Tanner近似式3．3．13 Krevelen-Heerden-Huntjens近似式3．3．14 Broido近似式3．3．15 Luke近似式3．3．16 Senum-Yang近似式3．3．17 Sestak-Satava-Wendlandt近似式3．4P(u)表达式和温度积分近似式一览表3．5∫TOT'mexp(-E/RT')dT'的计算第四章热分析曲线的动力学分析－－积分法4．1 Phadnis法4．2冯仰婕－陈炜－邹文樵法4．3 Coats-Redfern法4．4改良Coats-Redfern法4．5 Flynn-Wall-Ozawa法4．6 Gorbachev法4．7 Lee-Beck法4．8 Li Chung-Hsiung法4．9 Agrawal法4．10冉全印－叶素法4．11冯仰婕－袁军－洪专－邹文樵－戴浩良法4．12 Zsako法4．13 Mac Callum-Tanner法4．14 Satava-Sesták法4．15一般积分法4．16普适积分法4．17 Krevelen-Heerden-Huntjens法4．18 Broido法4．19 Zavkovic法4．20 Segal法4．21 Madhusudanan-Krishnan-Ninan法4．22 Horowit-Metzger法4．23 McCarty-Green法第五章热分析曲线的动力学分析－－微分法5．1 Kissinger法5．2微分方程法5．3放热速率方程法5．4特征点分析法5．4．1方法15．4．2方法25．5微分修正法5．6 Newkirk法5．7 Achar-Brindley-Sharp-Wendworth法5．8 Friedman-Reich-Levi法5．9 Piloyan-Ryabchihov-Novikova-Maycock法5．10 Freeman-Carroll法5．11 Anderson-Freeman法5．12 Vachuska-Vobril法5．13 Starink法5．14 Rogers法5．15 Rogers-Smith法5．15．1求A5．15．2求E、n5．16 Rogers-Morris法5．17 Borham-Olson法5．18 Borchardt-Daniels法5．19通用Kissinger法5．19．1 Kissinger方程通式5．19．2 n(1-α)n-1p≈1的证明5．19．3 n与S的关系5．20 Viswanath-Gupta法第六章最概然机理函数的推断6．1 Satava法6．2 Bagchi法6．3双外推法6．4张同来一胡荣祖一扬正权一李福平法6．5三步判别法6．5．1定温TGA积分方程的相关系数判别法2．2．2定温和非定温TGA的动力学参数判别法6．5．3定温和非定温反应速率常数的对比判别法6．6 Malek法6．6．ly（α）6．6．2用y（α）-α标准曲线推断最概然f(α)6．6．3Z（α）6．6．4用Z（α）－α标准曲线推断最概然f(α）6．6．5求α∞p6．6．6求αM6．6．7用y（α）形状和特征值（αM和α∞p）推断最概然f(α）6．6．8求A6．7 Dollimore法6．7．1 H－E型微分式6．7．2 H－E型积分式6．7．3用TG/DTG曲线形状和特征值推断最概然f(α)6．8 Popescu法6．8．1用G（α）mn-1/β关系推断最概然G（α）6．8．2求E、A6．9 Leyko-Maciejewski－Szuniewicz法6．10 Blazejowski法6．11 CRTA法第六章动力学补偿效应7．1对同一反应采用不同机理函数处理的系统7．2对性质相近的同类型物质在相同实验条件下进行的同类型反应7．3对同一物质在不同实验条件下发生不同反应的系统7．4同一物质同一反应不同经验函数指数间呈现的补偿效应第八章非定温条件下热爆炸临界温度的估算方法8．l方法18．2方法2第九章一级自催化分解反应动力学参数数值模拟9．1数学模型9．1．1一级自催化热分解反应动力学9．1．2简单n阶反应动力学方程9．2计算方法9．2．1 Powell最优化法9．2．2函数值计算法9．2．3一维寻化法9．3计算实例9．3．l数据来源9．3．2原始数据9．3．3计算结果9．4结论第十章热分解反应的诱导温度与诱导时间的关系10．1 tind-Tind关系式的导出10．2 tind-Tind关系式成立的实验事实10．3 tind-Tind关系式预估材料安全储存期的实例第十一章定温热分析曲线分析法11．1 G（α）的推断11．1．l约化时间图法11．l．2 lnln分析法11．2求k11．3求E、A11．4 T-t关系式11．4．1 Berthelot方程11．4．2 Semenov方程11．4．3求T、α和t关系式中的常数11．5求ΔS≠、ΔH≠和ΔG≠
④ 天然气水合物热动力学模型
一、天然气水合物热力学模型
1.理论基础
随着各种热力学研究的开展，现已有大量有关天然气水合物相平衡的数据和方法，可用来预测天然气水合物的形成。这些研究结果也有利于开发抑制天然气水合物形成的化学添加剂。一般说来，能影响溶液黏度性质的物质通常能抑制天然气水合物的形成。在工业应用上，甲醇是一种常用的阻凝剂。
Van der Waals和Platteeuw(1959)提出的热力学理论，一直是预测天然气水合物平衡模型的理论基础。Sloan(1990)指出，利用这些模型对Lw-H-V系统平衡压力的预测，误差应该不超过10%，而对温度的预测误差在2K左右。多年来，各国学者在Van der Waals和Platteeuw理论的基础上，提出了一些新的观点和天然气水合物相平衡预测的计算方法，对天然气水合物热力学模型的发展作出了贡献。
2.热力学模型
要描述各种天然气水合物相及其可能的多种共存流体相，需要使用一种以上的模型。状态方程是描述天然气水合物平衡的一种方法。为描述富水的流体相，Saito(1964)等使用了理想溶液方法(Raoult定律)，其基本前提是，假设水中储存气体的溶解度在常规条件下可以忽略不计，尽管有事实证明这种假设的有效性令人质疑，但这种方法在过去一段时间内仍为大多数学者所偏爱。当需要进行天然气水合物抑制计算时，要根据Menten(1981)提出的计算方法，用活度系数对Rao-ult定律进行校正。虽然该方法的可靠性要优于Hammerschmidt方程(1939)，但它不能用于评估阻凝剂(如甲醇)在共存相中的分布。为校正这个问题，Anderson等(1986)结合使用了Uniquac方程和用于超临界组分计算的亨利定律，计算液相中所有可凝聚组分的逸度。因此，要进行简单的天然气水合物抑制计算，有必要使用上述4个模型。由于这种内在的复杂性，对于现实中更复杂的系统，上述这些方法用处并不大。同时，这些方法都存在着收敛困难，不能作为进一步精确计算(如复合系统的稳定性分析)的基础。
Englezos等(1991)和Avlonitis等(1991)根据一个单一的状态方程，建立了全部流体相的模型。前者使用了有4个参数的立方状态方程，后者使用了有3个参数的立方状态方程，并开发了针对非对称相互作用的专用混合规则。根据目前的研究趋势看，对全部流体相使用单一的状态方程是最有发展潜力的方法。
3.模型的完善和发展
对天然气水合物相的理想固溶体，在假设被圈闭的分子之间没有相互作用的前提下，Vander Waals等(1959)认为能够用一种Langmuir型吸附等温线描述固体天然气水合物相。他们利用这个假设，证明天然气水合物相中水的化学势能与形成天然气水合物的气体性质无关，仅取决于天然气水合物相中两种不同类型空穴中气体的总浓度，天然气水合物与理想稀溶液具有相同的行为。在这个理论基础上，Parrish等(1972)将用于计算分解压的天然气水合物模型延伸到多组分系统中。理想固溶体理论忽视了非理想状态所带来的影响，如“主”分子晶格的伸展或变形、被圈闭气体分子运动所受的限制，都有可能增加“主”分子和“客”分子的化学势。Hwang(1993)与他的同事们在分子动力学模拟的基础上，研究了“客”气体分子的大小对天然气水合物稳定性的影响。Avlanitis(1994)指出:这种方法的主要缺陷在于选取了不正确的势能参数，特别是乙烷的势能参数。为弥补这个缺陷，Avlonitis用一种折中方法优化了理想固溶体模型参数，在含甲醇或不含甲醇情况下，在Lw-H-V框架内，对天然的或合成的气体混合物都获得了令人满意的预测结果。
二、天然气水合物动力学模型
天然气水合物动力学是水合物领域的研究重点。通常以方程M+nH2O＜=＞［M·nH2O］表示水合物生成，这是一个气-液-固三相或气-固两相的多相反应过程，同时也是一个包含传热、传质和生成水合物反应机理的复杂反应方程，影响反应的条件很多，也很复杂。相对于天然气水合物热力学而言，对天然气水合物动力学的研究较少。天然气水合物动力学可以大略分为天然气水合物生成动力学和天然气水合物分解动力学两类。
1.天然气水合物生成动力学
针对目前研究亟待解决的水合物生成速率和效率问题，主要有以下两种研究方法(赵义等，2004):①热力学方法，即向反应体系中加入其他气体添加剂，让气体添加剂占据水合物结构中没有被占据的空腔，来降低水合物簇之间的转换活化能，提高水合物的晶体空腔填充率，从而达到促进水合物生成和提高水合物稳定性的目的，如向甲烷的水合物生成体系中加入少量的丙烷，就可以大大降低甲烷水合物的生成条件，并且生成的结构更稳定;②动力学方法，仅限于表面活性剂及助溶剂(hy-drotropes)的研究。对此有两种假说:一是Sloan的观点，认为表面活性剂之所以促进水合物的生成，主要是因为它降低了气-液界面张力，增大了扩散传质速率，使气体更容易进入液相;二是Zhong等(2000)的观点，提出了一个4步骤的反应历程来解释观察到的现象，尚未得到充分的验证。以下对这4个步骤进行说明:
(1)气-水簇的形成
天然气水合物的成核过程是天然气水合物核向临界大小的靠近且生长的过程。气-水生长簇是天然气水合物形成的先兆。如果生长的核小于临界大小，核是不稳定的，可能在水溶液中生长或破裂。一个生长着的天然气水合物核，如已具有临界大小，就是稳定的，可以立即导致结晶天然气水合物的形成。
认识影响气-水簇形成的因素，有助于理解天然气水合物的成核过程。特别是水分子结构，它是指通过氢键相互联结水分子所形成的结构，在成核过程中起重要作用。冰是一种高度结构化的水，其水分子固定在一个呈四边形氢键结构的位置上。当温度升高到零点以上时，结构开始变得更加松散，与高度有序的冰的结构相比更加无序。
Sloan等提出了一种天然气水合物成核过程的分子机制，设想气-水簇开始形成临时结构，随后这些结构再生长成稳定的天然气水合物晶核。他们通过使用化学动力学方程，针对机制中假设的每一种情况对成核过程进行了模拟。Lekvam和Ruoff也提出了反应作用的动力学机制。这种方法使用一种动力学速率模型，研究成核和生长过程，但他们的这种模型并没有强调天然气水合物核的稳定性。
Vysniauskas和Bishnoi在实验中使用不同来源的水进行了实验。结果显示，随着水的来源不同，平均成核开始期也不同。在实验中，来自于融化的冰水与实验中使用热自来水相比，前者的平均开始期较低;同样，使用来自于天然气水合物分解的水与使用热自来水相比，前者的平均开始期也较低，这就是所谓的“记忆效应”。这种现象在其他学者的研究中也出现过。研究发现，在已溶解的气体分子周围，水结构被强化了;这种作用于溶解气体分子周围的水结构强化现象，被认为是“疏水水合作用”现象。Frank等也提出了同样的观点。Glew在对甲烷天然气水合物和甲烷水溶液的热动力学性质进行研究时，发现了类似现象。Glew对甲烷-水系统分子模拟的研究显示，甲烷分子周围的水分子平均配位数对于Ⅰ型结构的小空穴来说，接近于21。Rahman和Stillinger认为，在溶解的溶质分子周围，水的网架与天然气水合物类型的孔型相似。另外，热力学分析显示，溶液具有很大的负熵，这正是水体内一种结构形成的标志。
气-水簇在天然气水合物成核过程中起了很重要作用。当溶液在过冷或过饱和状态下时，成核过程就发生了，学者们通常使用过冷或过饱和方法来研究成核作用。Bishoni等在研究时就采用了过饱和方法，Kobayashi、Sloan等则采用了过冷方法。
图10-5 典型的气体消耗简图
Bishnoi等在恒定温压下进行了天然气水合物形成实验。在实验温度下，实验压力比三相天然气水合物平衡压力要高，图10-5是实验过程中因气体溶解和天然气水合物形成，而导致的气体消耗的累积摩尔量随时间变化的曲线。
图10-5中A点的气体消耗摩尔量表示已溶解气体量，与三相天然气水合物平衡压力对应。A点与B点之间的准稳区域，代表着天然气水合物的成核过程。B点表示以突变方式出现的稳定临界大小天然气水合物核的出现点。Englezos和Bishnoi发现，在成核点B之前的溶解气体摩尔量，实际上要高于估算的二相(气-液)准稳定平衡状态下的摩尔量，估算来源于稳定区域的外推;气-水簇的形成能够耗尽在团块流体相中的天然气水合物形成的气体，从而导致超过两相值的气体溶解。Englezos等提出了计算天然气水合物核临界大小的方法，天然气水合物生长过程开始于图10-5中B点，并沿着线BC进行。根据Kobayashi和Sloan的实验结果，在容积不变的情况下，天然气水合物形成过程中的压力和温度轨迹如图10-6所示。图10-5中点A等同于图10-6中的点A。图10-6中点B也等同于图10-5中的点B，在B点，以突变方式形成的稳定天然气水合物颗粒的出现，导致了压力的突然下降。在图10-6中，点A与点B之间区域表示成核过程中的准稳定状态。过冷却方法和过饱和方法的相似性在图10-5与图10-6之间体现得相当明显。在图10-5中，与三相天然气水合物平衡相应，点A与点B之间，是处于准稳定状态的天然气水合物成核区域中气-水簇的生长区域。天然气水合物在点B的出现是突然的，Kobayashi描述它为“灾变性的”。尽管天然气水合物颗粒很小，但它们的数量很多，足以使溶液变得混浊。Kobayashi和Sloan认为，天然气水合物的突然出现使溶液不再处于过饱和状态，这样便导致了压力的剧降。
(2)天然气水合物的成核和生长过程
图10-6 天然气水合物形成实验温度-压力轨迹简图
从上面讨论可以看出，过冷方法与过饱和方法是等价的，对于天然气水合物成核过程来说都很重要。许多研究者建立了开始期和过冷之间的函数关系，过饱和同样也可以根据过冷却度进行转换。溶解中任何点的过饱和，都是在这点超过饱和浓度值的过量溶解气体浓度，可以用溶液中某一点的过饱和来判断稳定天然气水合物核最先出现在哪个地方。对于不流动系统，溶解气体浓度在分界面附近可能最高，天然气水合物的形成可能最先发生在气-液分界面上。对于搅拌系统来说，在溶液中最先形成天然气水合物的地方，取决于这点上溶解气体的浓度。溶液的水动力条件和气体溶解率可以影响天然气水合物成核的开始期。
Bishnoi等认为，天然气水合物成核作用开始期与过饱和作用相联系，根据对甲烷、乙烷以及二氧化碳天然气水合物的实验数据分析，揭示了成核开始期与过饱和的关系。当过饱和度减小时，成核开始期增大;当过饱和时，开始期增加到一个很大的值;相反，当过饱和度增加时，开始期减少到一个很小的值;当过饱和度很低时，开始期数据的分散程度很高，当过饱和度增加时，开始期数据的分散程度减小。天然气水合物成核过程，本质上是一个内在的随机过程，但高的过饱和度能够掩盖成核现象的随机本质，从而使观察到的开始期看起来像是早已被决定了一样。另外，天然气水合物成核的随机本质，也能够被实验系统中用来进行成核研究的其他因素所掩盖。在天然气水合物成核研究中，Parent和Bishnoi在原始实验状态下又观察到了开始期数据的随机性。
关于天然气水合物成核的研究还处于宏观层次上。对在溶液中的亚临界情况，还知之甚少。在建立基于分子级的模型之前，须通过实验研究揭示天然气水合物的成核机制。
天然气水合物的生长过程，是指作为固态天然气水合物的稳定天然气水合物核的生长，自20世纪60年代以来，许多学者就已对此进行了研究。在研究丙烷天然气水合物生长过程时，Knox认为晶体的近似大小取决于过冷度(指使液体冷到凝固点以下而不凝结)，较高的过冷度主要产生较小的颗粒，并导致明显的晶体生长。Pinder通过研究天然气水合物形成动力学，提出天然气水合物形成的反应速率随渗滤作用而定。Barrer和Esge在研究天然气水合物动力学时发现，对氪形成的天然气水合物来说，其晶体生长有一个明显的开始期。Falabella使用类似于Barrer和Esge的实验装置进行了研究，也得到了相似的结论。Falabella还发现，对于甲烷来说，其天然气水合物生长也有一个开始期，他根据冰的动力学数据，通过进行等温压换算，提出了一个次级动力学模型。Sloan和Fleyfel通过实验，研究了环丙烷天然气水合物的生长动力学。针对在纯水中的各种气体和气体混合物，Bishnoi等一直进行着天然气水合物形成动力学的系统性研究，在实验中使用一个搅拌反应器，其中装有电解质和表面活化剂溶液。他们认为，在稳压条件下，全部气体消耗量是时间的函数。
(3)天然气水合物生长动力学模型
在研究早期，Vysniauskas和Bishnoi提出了一个关于气体消耗速率的半经验模型。后来，Engl-ezos等把只有一个可调节参数的天然气水合物生长动力学模型公式化，这个模型是一个以结晶化和团块传递理论为基础的模型;它假设固体天然气水合物颗粒被一个吸附“反应”层所包围，吸附反应层外是一层不流动的液体扩散层，溶解的气体从围绕在不流动液中向天然气水合物颗粒-水分界面扩散;然后，气体分子由于吸附作用而进入结构化的水分子构架并结合在一起。当水分子过量时，分界面被认为是气体最易集中的地方(反应速率用已溶解气体的逸度替代其浓度)。
在三相天然气水合物平衡压力和颗粒表面温度下，在扩散层中，溶解气体逸度值从fb变化到fs;在吸附层中，逸度值直降至feq，围绕颗粒的扩散动力等于fb-fs;但是对于“反应”阶段来说，这个值是fs-feq。在稳定状态下，扩散阶段和“反应”阶段的速率相等，fs能够从单个速率表达式中消去，可得到每一个颗粒的生长速率如下:
非常规油气地质学
式中:R*是扩散和吸附反应过程的组合速率常数;Ap是每个颗粒的表面积。在溶解气体的逸度中，fb-feq值不同于三相平衡逸度中的fb-feq值，它指的是全部动力。当在良好的搅拌系统中时，R*值表示反应的内在速率常数，R*值由甲烷和乙烷天然气水合物形成动力学的实验数据决定。在没有任何附加参数的情况下，这个模型可成功地扩展到甲烷和乙烷混合物的形成动力学;在这个模型中，纯水中甲烷天然气水合物形成时获得的R*值，可以应用到电解质溶液中的天然气水合物形成模型中，两者的R*值是相同的。
在液态二氧化碳和水的分界面上，Shindo等提出了二氧化碳天然气水合物形成模型;他们假设天然气水合物主要发生在液态二氧化碳中，而不是在水中。最近，Skovborg和Rasmussen使用实验的气体消耗数据(数据来源于Bishnoi等)，提出了一种天然气水合物生成动力学模型;认为天然气水合物的形成，能够影响液体一侧的气-液团块传递系数。
(4)气-水体系中水合物的生成机理
天然气水合物结构和性质类似于冰(陈孝彦等，2004)，气-水体系中天然气水合物生成时，气体分子首先要溶解到水中，一部分气体分子与水一起形成水合物骨架，类似于冰的碎片(周公度等，1995)，形成了水合物结构中的第一种空穴。这些框架是一种亚稳定结构，相互结合形成更大的框架。在结合过程中，为保持水分子的4个氢键处于饱和状态，不可能做到紧密堆积，缔合过程中必然形成空的包腔，就形成了水合物结构中的另外一种空穴。另一部分溶解的气体分子通过扩散渗入到这些空穴中，并进行有选择的吸附;在吸附过程中满足Langmuir吸附定律，小气体分子进入小空穴，同时也能进入大空穴，大气体分子只能进入大空穴，即并不是每一个空穴都能被气体分子占据，这就解释了水合物平均只有三分之一左右的空穴被客体分子占据的机理。
陈孝彦等(2004)总结提出了气-水体系中水合物的生成机理，分为4步:①气体分子溶解过程，即气体分子溶解到水中;②水合物骨架形成过程，即气体分子的初始成核过程，溶解到水中的气体分子和水，形成一种类似冰碎片的天然气水合物基本骨架(一种空腔)，这种骨架通过结合形成另一种不同大小的空腔;③气体分子扩散过程，即气体分子扩散到水合物基本骨架中;④气体分子被吸附过程，即天然气气体分子在水合物骨架中进行有选择的吸附，从而使水合物晶体增长。
2.天然气水合物分解动力学
(1)理论基础
人们提出了许多基于相平衡的热力学模型来预测一定条件下水合物的生成条件及其抑制途径(赵义等，2004)，如通过改变其生成条件，来达到抑制目的的物理方法，包括干燥脱除法、加热保温法、降压法和加入非水合物形成气体法等，还包括通过加入添加剂的化学方法。
化学抑制法主要有热力学抑制剂和动力学抑制剂两种(赵义等，2004)。前者普遍采取在生产设备和运输管线中注入甲醇、乙醇、乙二醇和氯化钠、氯化钙等，改变水合物热力学稳定条件，抑制或避免水合物生成;后者从降低水合物生成速度，以抑制水合物晶粒聚结和堵塞出发，通过加入一定量化学添加剂来改变水合物形成的热力学条件，显著降低水合物成核速率，延缓乃至阻止临界晶核生成，干扰水合物晶体的优先生长方向，影响水合物晶体的定向稳定性，具有用量少、效率高等优点，已成为了研究热点(吴德娟等，2000)。根据分子作用的不同机理，动力学抑制剂分为水合物生长抑制剂、水合物聚集抑制剂和具有双重功能的抑制剂，主要包括酰胺类聚合物、酮类聚合物、亚胺类聚合物、二胺类聚合物、共聚物类等，其中酰胺类聚合物是最主要的一类。
Holder等(1987)研究了在天然气水合物分解过程中的热传递过程，得出与成核沸腾现象相似的结论。Kamath等(1987)根据这种相似性，提出在丙烷分解期间，热传递率是ΔT的幂函数，其中天然气水合物表面的ΔT值与团块流体中的ΔT值是不相同的。后来，Kamath和Holder总结了它们的关系性，并用到甲烷天然气水合物分解过程中。
Selim等(1989)研究了甲烷水合物的热分解，认为水合物的分解是一个动态界面消融问题，并运用一维半无限长平壁的导热规律，建立了甲烷水合物的热分解动力学模型，Kamath等(1987)研究了甲烷和丙烷的热分解问题，认为水合物的分解主要受传热控制，其分解可与液体的泡核沸腾相比拟，而流体主体与水合物表面的温差ΔT是过程的推动力(Kamath et al.，1987)。
(2)实验研究
对天然气水合物分解动力学的基础研究是在带搅拌的大容积反应器中进行的，水合物以固体颗粒状分散于液体中，这用来研究分解本征动力学是可以的(周锡堂等，2006)。但用于研究与天然气生产有关，特别是天然气水合物分解的反应工程动力学，则缺乏实际意义(周锡堂等，2006)。自然赋存的天然气水合物可能是大块状的，更多的存在于多孔介质中。Sloan等报道过砂岩中的甲烷水合物生成和分解的一些实验数据，但没有仔细地研究水在孔隙里的分布情况;Circone等报道过以冰粒形成的水合物在272.5K的分解速率数据(Circone et al.，2000)，但也没有提供相应的动力学方程。存在于冻土带或海底沉积物中的天然气水合物，与人工合成的、仅仅存在于自由水中的水合物颗粒是大不相同的。因此从工程实际来考虑，研究多孔介质中水合物的分解动力学行为更有意义。Yousif等第一次将水合物分解动力学的研究与天然气的生产结合起来(Yousif et al.，1991)，不过其模型在估算水合物面积时却是经验性的。Goel等研究了天然气水合物的分解行为(Goel et al.，2001)，运用发散状扩散方程，分别得出了关于大块状和多孔介质中的天然气水合物的分解动力学解析模型。然而该模型忽略了分解水的流动和分解气采出速率的变化，严重影响了其有效性。Hisashi等研究了多孔介质中水合物的形成和降压分解问题(Hisashi et al.，2002)。在其实验中，分别采用了多种粒度的玻璃珠和合成陶粒来模拟多孔介质。最终结果表明，不同介质中水合物分解的表观反应速率常数不同，所得回归方程也不一样(周锡堂等，2006)。因此，在确定自然存在天然气水合物的分解速率时，有必要研究当地介质的孔隙性质及其粒度分布。
Bishnoi等开展了对甲烷天然气水合物分解的实验研究，实验是在一个搅拌良好的反应器中进行的;天然气水合物在三相平衡压力以上存在;然后，在保持温度不变的条件下，把压力降低到低于三相平衡压力，这时，天然气水合物分解就开始了;实验在快速搅拌中进行，以保证避免团块传递的影响。他们提出，天然气水合物分解可能分为两个阶段:颗粒表面原结晶“主”格子破坏和随后的“客”分子从表面的解吸过程。Kim等提出了天然气水合物分解原内在动力学模型，他们假设天然气水合物的颗粒为球形，并且被云雾状气体所包围，如图10-7所示。在图中，正在分解的颗粒被解吸“反应”层所围绕，再外层是排放出的气体云，天然气水合物颗粒分解速率公式如下:
非常规油气地质学
式中:kd为分解速率常数;Ap为颗粒表面积;feq为气体三相平衡逸度;fvg为气体分解策动力，定义为feq与fvg之差，即feq-fvg。
(3)研究进展和意义
与前文提到的对天然气水合物生长的研究一样，对天然气水合物分解的研究，应该包括对决定分解颗粒大小分布因素的研究。
图10-7 天然气水合物分解图
对天然气水合物分解和形成动力学的研究，给我们提出了大的挑战。天然气水合物形成被认为是一种包括成核过程和生长过程的结晶化过程。成核作用是一种内在的随机过程，它涉及气-水簇向具临界大小的稳定天然气水合物核的形成和生长问题。因较大的成核策动力和多相性的存在，成核作用随机性质不易被察觉。目前，对天然气水合物成核过程仍没有在分子级别上的测试方法。
天然气水合物生长包括作为固态天然气水合物的稳定水合核的生长，正在生长的天然气水合物颗粒表面积，强烈影响着生长速率。天然气水合物分解是一系列晶格的破坏和气体解吸过程，在分解时的热传递率与成核沸腾现象是相似的。应该深入研究天然气水合物颗粒在分解和生长过程中的大小分布，并应用于这些过程的模型化中。
尽管有多个天然气水合物形成模型已经被提出，但天然气水合物形成核的过程并没有完全被揭示。目前，科学家通过研究气体-水的接触面，已取得了一些实验上的进展，但是这些实验都是最近做的，并且至今没有充足的信息来提供一个确切的描述。这些实验通过研究熔点附近的热力学状态范围，来揭示与接近天然气水合物形成条件相联系的界面结构特征。在实验中，科学家把分子动力学模拟，应用到Ⅰ型甲烷天然气水合物和甲烷气体的接触面，发现接触面在270K以下是稳定的，在300K时发生熔解，同时发现了导致接触面稳定的压力条件。在伴随着表面层的无序化过程中，预熔现象是明显的。动力学性质显示了水平面格子振动的各向异性，这被认为是与在Ⅰ型天然气水合物(001)面上存在着晶轴相联系。这个意想不到的结果还有待于进一步研究。
在研究天然气水合物形成模型的同时，由于天然气水合物有时能对高纬度地区石油和天然气的运输造成意想不到的麻烦(如形成管塞)，有的学者(Monte Carlo)也开始了怎样抑制天然气水合物形成的研究。通过实验研究发现，可以使用一种无毒的、能溶解于水的聚合物———科利当(PVP)，来抑制天然气水合物的形成。Monte Carlo通过不同条件下PVP对单体、二聚物、四聚物、八聚物吸附性的研究，发现吸附作用主要在吡硌烷酮氧(pyrrolidone oxygen)和水面之间两个氢键的形成过程中出现。这种研究结果表明，通过在天然气水合物生长点上PVP的吸附，来抑制天然气水合物的形成是可行的，并且影响吸附的主要因素具有内在的统计性。
⑤ 热动力学的介绍
《热动力学》是1999年世界图书出版公司北京公司出版是图书，作者是H.U.Fuchs。
⑥ 天然气水合物成矿的热动力学因素
一、天然气水合物的形成
天然气水合物是低分子量的烃类或非烃类分子，在水介质中，当温度和压力达到平衡时形成的产物。热动力学条件的微小变化都会影响天然气水合物的形成和平衡，近而影响到天然气水合物在沉积物中的保存和分布。
天然气水合物的相平衡条件决定了天然气水合物的形成。研究天然气水合物的相平衡，确定水合物的形成条件，是研究天然气水合物稳定带影响因素的基础，对于确定自然界中水合物形成和稳定保存条件及其分布范围也具有重要意义。
（一）天然气水合物相平衡
早在1884年，Roozeboom就总结了SO2水合物形成的温度-压力条件，其相图与图4-1给出的几种天然气组分的相图类似。在图4-1中，H代表水合物相，Ⅰ代表冰相，V代表气相，LW和LHC分别代表水相和液态烃相。对于每种组分，三相线（I-H-V），（LW-H-V），（LW-H-LHC）的左边是水合物区域，右边是水和气体共存的流体相。
在图4-1中，上述3个相线的交点定义了水合物的下部四联点Q1（I-LW-H-V）和上部四联点Q2（LW-H-V-LHC）。对每种成分的水合物，这些四联点都是唯一的，表4-1给出了几种组分的天然气水合物的四联点数据。
表4-1中的任何一个四联点都是4个三相线的交点。下部四联点标志了随着温度降低，水相转化为冰相的温度与压力点。因此，Q1点表示了水合物停止从气体和液态水中形成，而开始从气体和冰中形成。早期学者认为，Q2（可能是线LW-H-V与水合物气体分子蒸气压力的交点）代表了水合物形成的温度上限。因为一些气体蒸气压力的临界温度足可以低到不能形成这个交点，所以这些天然气组分，如甲烷和氮气则没有上部四联点Q2，也就是说，它们没有水合物形成的温度上限，只要有足够的压力作为温度补偿即可。
海洋中的温度通常大于0℃，不能形成I-H-V相，下面将只讨论三相（LW-H-V）的水合物相平衡。
图4-1 几种简单烃类水合物相图
表4-1 天然气组分的四联点数据
（二）天然气水合物相平衡计算方法
LW-H-V三相平衡的条件极其有用，尤其是在给定气体组成和游离水的情况下，计算水合物形成温度和压力的方法在学术上和工业上都很实用。
预测水合物相平衡有多种方法，常用的有：天然气比重法和Ki值法。两种方法都可用于计算水合物形成的温度和压力，后者还可以计算水合物的天然气组成。因为这两种预测方法都是在半个世纪前确定的，当时还未发现H型水合物，它们只适用于Ⅰ型和Ⅱ型结构水合物的计算。对于H型水合物的计算，主要采用统计热动力学方法来预测水合物的温度、压力和组成，这种方法是由PlatteeuW等建立的，现今很多计算水合物相平衡的程序都是基于此种方法。
（三）天然气水合物相平衡计算及其影响因素
在合适的温度和压力条件下，如果有了天然气和水就可以形成水合物并稳定保存下来。天然水合物形成的最简单形式有两种：①水合物形成于溶解的气体（当水中的气体扩散量决定水合物的聚集速率时）；②水合物形成于孔隙水中的游离气（当热动力学条件改变时）。在第一种情况下，溶解于水中的气体分子转化成水合物状态时，会受到水合物生长表面液态水的扩散阻力。在第二种情况下，孔隙气泡中的游离气体分子要转化成水合物就要克服孔隙水中气泡边界水合物生长的扩散阻力。
不管水合物形成于哪种形式，其形成和稳定存在均受控于温度、压力和组成的相互关系（Clennell，1999）。其组成不仅包括气体混合物的组成，如气体成分除了甲烷外，还可能有乙烷、丙烷、异丁烷、H2S、CO2，也包括孔隙水中离子成分的组成。另外，储集层岩石颗粒大小也会对天然气水合物的稳定性造成影响。气体组成和孔隙水矿化度的不同会影响天然气水合物形成的温-压条件；至于颗粒大小不同对水合物平衡的影响目前还不清楚。对永冻层的研究表明：颗粒大小不同影响冰的凝固点，具有大比表面积的颗粒，比如粘土，可以使冰的凝固点降低几摄氏度。
下面将分别讨论天然气成分、孔隙水盐度以及多孔介质（沉积物）对水合物形成的温度及压力条件的影响。
图4-2 含有重烃气或CO2的天然气水合物相平衡
1.天然气组分对水合物相平衡的影响
利用Sloan（1998）CSMHYD程序，对多种天然气组分（含甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气）的水合物的相平衡进行了计算（图4-2及图4-3），进而说明天然气成分对水合物相平衡的影响。
从图上可以直观地看出：重烃气（C2—C4），这里指乙烷和丙烷对水合物形成的温-压条件影响很大，天然气中如果含有重烃气，水合物相平衡曲线会向右偏移（图4-2，相对纯甲烷），也就是说，水合物形成的温度-压力条件变宽了，即在相对较高的温度和较低的压力（相对纯甲烷）下水合物就可以形成。而且，当气体中含有少量丙烷时，对水合物相平衡的影响更大。可见烃类气体的分子量越大，对水合物相平衡影响越大。
二氧化碳对水合物相平衡也有一定的影响，随着二氧化碳含量的增加，水合物相平衡曲线向右偏，可见，与重烃气一样，二氧化碳也可以降低水合物形成的温度-压力条件，但影响幅度要比重烃气小（图4-2）。当气体中含有硫化氢时，相平衡曲线也会向右移动，水合物形成区域变大，而且硫化氢的影响比较大（图4-3）。
图4-3 含有N2或H2S的天然气水合物相平衡
与重烃气、二氧化碳和硫化氢对水合物相平衡的影响相反，气体中含有了氮气（图4-3）会使得水合物的形成区域变小（图4-3，相对纯甲烷），水合物相平衡曲线向左移动。
为了定量说明气体成分对天然气水合物相平衡的影响，这里分别给出5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa和30MPa压力下水合物形成的温度（℃）上限（表4-2）。可见，随压力的增加，天然气水合物形成所需的温度也要增加；在同一压力下，含有丙烷气体的水合物最容易形成，而含有氮气的水合物则最难形成。
表4-2 不同气体成分的天然气水合物在不同压力条件下的形成温度（℃）
随着压力的增加，温度的升高，二氧化碳对水合物相平衡的影响发生了变化-相平衡曲线向左移动（相对纯甲烷，图4-2），且二氧化碳含量越大，向左移动越多，这可能是由于：在这样的温度和压力下，水合物呈LW-H-LHC三相共存，而不是LW-H-V三相共存。
2.孔隙水盐度对水合物相平衡的影响
利用Sloan（1998）的程序，对多种孔隙水盐度（纯水，含盐度为1%、2%、3.5%、5%）的水合物的相平衡进行了计算（图4-4），进而说明孔隙水盐度对水合物相平衡的影响。
图4-4 不同盐度环境下天然气水合物的相平衡
从图4-4可见，随着盐度的增加，水合物相平衡曲线向左移动，水合物形成区域逐渐变小，表明水合物越来越难以形成，即要求压力越来越高，温度越来越低。而且，随着温度的增加，盐度的影响也越来越大。为了更好地说明盐度对水合物相平衡的影响，这里给出4℃、8℃、12℃、16℃、20℃和24℃时甲烷水合物形成的压力下限（表4-3）。
表4-3 不同盐度及不同温度条件下的甲烷水合物的形成压力（MPa）
可见，盐的出现使得水活度降低，阻碍水合物的生长。盐水（相当于1mo1 NaCl溶液）会使纯甲烷+纯水相边界的平衡温度降低，且当温度越高时，平衡温度降低越多（表4-3）。甲烷水合物的稳定性因有了乙烷、二氧化碳、硫化氢，以及更重的烃类气体而大大提高。例如，1%的乙烷就可以平衡掉海水阻碍的效果。平衡温度改变几度，在通常的地温梯度下，BSR就会有几十米的变化。
3.多孔介质（沉积物）对水合物形成的影响
无论在自然界还是在工程中，水合物的成核生长都要有一个共同的基础，即淡水和气体。但是，在多孔介质中，水合物的形成还要受其他条件的约束，如毛细管压力、表面张力、流体的盐度和介质的孔隙特征等。
（1）温度和压力对水合物形成的影响
水合物形成于较低的温度和较高的压力条件之下，但在水合物最初形成过程中，却恰恰相反。水合物开始形成容易发生在饱和气体的水中，而不易发生在孔隙中有很大游离气泡的情况下；容易发生在静水压力下降（即使由于构造变动地震等引起的短期下降）时，而不易发生在静水压力上升时。有一点非常重要：剖面中温度降低，水合物形成速度会下降（有时会阻碍水合物的形成），这可以解释为是由溶解了气的水的特性引起的。在热动力学条件下，温度降低会增加气体溶解度，压力降低会降低气体的溶解度。在完全饱和的条件下，压力的降低会导致游离气体在水体中形成微气泡。这些微小气泡的压力远比静水压力高。在这些气泡表面形成晶核，这些晶核的进一步生长或溶解是由岩石剖面中的热动力学或地球化学条件决定的。因此，温度降低到饱和溶解温度之上时，溶液变成不饱和的，这将会阻止水合物成核。例如，剖面中的温度从20℃降低到10℃，气体的溶解能力从3m3/m3升高到4m3/m3，尽管温度低于水合物的平衡温度，溶解的气体将变得不饱和，而不会形成水合物。同时，压力降低，甚至降低几个大气压，气泡会发生变化，而形成水合物。水合物最初形成时的这一特点对于在实验室合成水合物非常重要，在合成水合物时，可先将其温度降至很低、压力升至很高，然后缓慢升高温度、降低压力，这样水合物形成速度会比较快。
（2）孔隙大小对水合物形成的影响
在早期研究水合物形成条件的实验中（Makogon，1966），就发现了与在游离气-水界面形成水合物的过程相比，多孔岩石的特征对水合物的形成过程影响更大：孔隙的大小降低，要形成水合物需要较大程度的低温冷却或超压条件。多孔介质影响水合物形成过程的进一步研究证实了这一假设：即孔隙越小，多孔介质对水合物形成过程的影响越大。
（3）毛细管力对水合物形成的影响
孔隙水的特征和结构特性决定了孔隙水和淡水转化成水合物所需条件的差异。淡水可以在任何、甚至很小的压力梯度下运移，也可以通过重力来运移；而在多孔介质中毛细管水被毛细管中的物理-机械力束缚在岩石中。束缚水形成吸附水薄膜，直接吸附在岩石颗粒上。在形成吸附水薄膜时会放出热量。水被物理-机械力束缚在颗粒表面。多孔介质的组成颗粒越小，介质的毛细管半径越小，水合物开始形成的水的蒸气压力越高，温度越低，在7nm孔隙中，液态水表面的毛细管力会大到阻止游离气运移到多孔的网络中。
（4）沉积物对水合物稳定性和生长特性的影响
实验表明，因其孔隙大小和表面特性的不同，多孔介质会改变水合物的稳定性。多孔介质会降低水合物的稳定范围。在微孔的硅质玻璃中，水合物的融化温度要降低8℃（Handa等，1992）。在粘土中也发现了类似的温度降低。
水合物的最初形成并不需要一个不渗透的岩性表面，但在多孔沉积物介质中，水合物的形成的确需要很低的渗透性，而且，在水合物形成的温-压条件下，水合物会阻碍气体的垂向和侧向运移。Ginsburg（1998）识别出两种海底水合物：水合物在沉积物中的分布经常延伸到水合物稳定带的底部（deep seated），通常是受流体控制的；另一种是分布局部的，通常位于沉积物的浅部，与断层、泥火山和泥底辟等有关的集中式的分布（seepage related）。许多作者都指出细粒沉积物中的分散的水合物很像细粒土壤中生长的冰的透镜体，而在粗粒沉积物中，水合物在孔隙中生长并把颗粒强烈地胶结在一起，以至于原本疏松的砂岩变得很紧密，其物性也都发生了改变。总结从世界上发现的水合物，在细粒的宿主沉积物中（粘土和硅质），水合物多呈分散状、透镜状、结核状、球粒状或页片状；而在粗粒沉积物中，水合物只呈填隙状或胶结状。
总之，水合物的形成与稳定存在受控于温度、压力和组成的相互关系，另外，储集层岩石颗粒大小也会对天然气水合物的稳定性造成影响。重烃气、二氧化碳和硫化氢会降低水合物形成的温度-压力条件，二氧化碳影响幅度要小，氮气会使得水合物相平衡曲线向左移动；随着盐度的增加，水合物越来越难以形成，要求压力越来越高，温度越来越低，而且随着温度的增加，盐度的影响也越来越大。然而，盐度和重烃气及二氧化碳对水合物相平衡的影响恰好相反，天然气中重烃气含量的增加会平衡掉一些海水阻碍的作用。
水合物的最初形成容易发生在饱和气体的水中，容易发生在静水压力下降时，剖面中温度降低，水合物形成速度会下降。孔隙越小，越需要更大程度的低温冷却或超压条件才能形成水合物。多孔介质会降低水合物的稳定范围；多孔介质的组成颗粒越小，介质的毛细管半径越小，水合物开始形成的水的蒸气压力越高，温度越低。在细粒的宿主沉积物中（粘土和硅质），水合物多呈分散的状态，如透镜状、结核状、球粒状或页片状；而在粗粒沉积物中，水合物只呈填隙状或胶结状。
二、天然气水合物稳定带的影响因素
（一）概述
通过天然气水合物相平衡的研究，并结合大量实验数据，可以确定水合物形成的温度-压力条件，编制出各种气体成分和孔隙水盐度情况下水合物的相图。如图4-5是海水环境下甲烷水合物的相图，该图表明了水合物、气和水的三相平衡关系。在图中，海水温度梯度曲线和相边界曲线之间的区域是可以形成水合物的区域；海底、相边界曲线和水合物稳定带的底界（相当于BSR）之间的区域是天然气水合物稳定带，水合物稳定带底界是由水合物相边界曲线和地温梯度线决定的。由此可见，地温梯度、海底温度、水深和水合物相平衡曲线共同决定了水合物稳定带的厚度。
影响水合物稳定带厚度的因素很多，但影响程度却各不相同。下面给出不同的海底温度（3℃，5℃），地温梯度（40℃/km，60℃/km），水深（1800m，2000m），天然气成分（纯甲烷；96%甲烷，3%乙烷和1%丙烷；90%甲烷，7%乙烷和3%丙烷）和孔隙水盐度（纯水，3.5%盐度）情况下，水合物稳定带的厚度，进而分别探讨地温梯度、海底温度、水深和水合物相平衡曲线对天然气水合物稳定带厚度的影响。
图4-5 海水环境下甲烷水合物的相平衡及稳定带
（二）海底温度和地温梯度的影响
从图4-6可见，海底温度和地温梯度在很大程度上影响了水合物稳定带的厚度。当地温梯度为40℃/km时，若海底温度为3℃，水合物稳定带厚度约为460m，若海底温度为5℃，水合物稳定带厚度约为410m；当地温梯度为60℃/km时，若海底温度为3℃，水合物稳定带厚度约为310m，若海底温度为5℃，水合物稳定带厚度约为270m。可见，在相同地温梯度条件下，海底温度越高，水合物稳定带厚度越小，反之越大；在相同的海底温度下，地温梯度越小，水合物稳定带厚度越大，反之越小，当地温梯度为40℃/km时，海底温度增加2℃，水合物稳定带厚度降低约11%；当地温梯度为60℃/km，海底温度增加2℃，水合物稳定带厚度降低约13%；当海底温度为3℃时，地温梯度增加20℃/km，
图4-6 海底温度和地温梯度对水合物稳定带厚度的影响
水合物稳定带厚度降低约33%，当海底温度为5℃时，地温梯度增加20℃/km，水合物稳定带厚度降低约34%。由此可见，随着海底温度的增加，地温梯度对水合物稳定带厚度影响变大，反之，随着地温梯度的增加，海底温度对水合物稳定带厚度的影响也变大，而海底温度比地温梯度的影响要大一些。
（三）水深的影响
从图4-7可见，水深-压力对水合物稳定带厚度也有一定的影响。当海底温度为3℃，地温梯度为40℃/km时，若水深为1800m，水合物稳定带厚度约为450m；若水深为2000m，水合物稳定带厚度约为460m。可见，水深变浅，水合物稳定带厚度变小，反之变厚。但是，水深的变化对水合物稳定带厚度影响比较小，水深变化200m，水合物稳定带变化才10m，只增加了2%。
（四）水合物相边界曲线的影响
前面已详细讨论了水合物相平衡的影响因素，而水合物相边界曲线的位置对水合物稳定带厚度具有一定的影响（图4-8）。曲线A当海底温度为3℃，地温梯度为40℃/km，水深2000m时，在纯水环境下，若天然气成分为纯甲烷，水合物稳定带厚度约为460m；曲线B天然气由96%的甲烷、3%的乙烷和1%的丙烷组成，水合物稳定带厚度约为510m。由此可见，水合物相边界曲线越向右（重烃气/二氧化碳含量增加，或盐度降低），水合物稳定带厚度越厚，反之越薄。天然气中含3%乙烷和1%丙烷，水合物稳定带厚度增加了约11%。
图4-7 水深（压力）对水合物稳定带厚度的影响
图4-8 相边界曲线对水合物稳定带的影响
总之，地温梯度、海底温度、水深和水合物相平衡曲线共同决定了水合物稳定带的厚度。地温梯度越小，海底温度越低，水深越大，水合物中的重烃或二氧化碳含量越高，盐度越低，水合物稳定带厚度越大；反之越小。但是，几种因素对水合物稳定带厚度的影响程度却不同，水深的影响较小，地温梯度和水合物相边界曲线的影响较大，海底温度的影响则更大一些。
⑦ 什么叫热动力学
我的理解是：研究屋里热的变化的学科。制冷剂，热机类型，物体之间的吸热放热，物体与环境之间的热交换等。说的不太系统。希望有帮助。
⑧ 什么是化学热动力学
通过反应物，生成物能量，反应过程中的能量变化等方面，来考虑化学反应能否自发进行。化学动力学研究化学反应的快慢即速率和微观历程或称机理。
⑨ 地壳-地幔协同的深源强爆热动力学
不同结构动力特征的岩浆热管涌作用，热力强爆事件贯通着地球的整个历史，数百年的地质学研究、矿产资源开发、环境变迁、灾害冲击的历史使人类对地球的研究由地表逐步转入地球深部。近年来地质学的研究普遍由地壳转向岩石圈，由岩石圈拓深到地幔，地幔的动力和物质上涌，已引起广泛关注，本书准备从圆涌构造分析入手，试图探索地幔高强热动力对壳-幔地质的交互作用，从而更准确地了解地壳地质构造、地质事件和矿产、能源开发、环境灾害研究的地内强热动力背景，提高矿产形成的理论水平和找矿效果。
关于地球深部的温度，目前还不能确切探测，主要通过物态探测或物态方程进行计算。傅世勤等认为我国广西南丹铁陨石的化学成分(Fe92.5%，Ni6.8%，Co0.47%及Cu，Ga，Ge，W，Ir，Au等微量元素)，与地核的化学组分相近。经过物态方程对比，求得内外地核界面处的物质密度为12.83～13.14g/cm3，温度为5440～5680K。地心处的物质密度为13.12～13.73g/cm3，温度为5660～5990K。根据天文环境对比，可能还要高近10倍。
杨学祥等(1996)计算推测，核幔界面绝热自压温度为3121K，而内外核界面处则高达544651K。由此可知，地球自压收缩使位能降低热能增加的热能，主要集中在地核内部，核-幔边界以上，深度每增加500km，温度增加不超过500℃。但在地核内部，每增加500km深度，温度增加则超过2500℃。
王鸿章(1990)通过行星质量与光度关系的研究，得出地球及其他大行星核部存在着核反应，提供了地球的主要热动力源。鲍学昭(1999)则认为，由于铀、钍的比重大，因此可以在液态外核中有很大的富集浓度。当浓度超过临界限度时，即可以自发地裂变为235U，放出的中子不仅能与U、Th反应形成易裂变核素233U和239Pu，而且可以引起233U和239Pu及其他235U产生核裂变和引发链式反应。由此产生的热能足以使外核沸腾和内核熔融、缩小。同时可导致地球的有限膨胀，加剧地幔热柱的活动。以上原因最终会导致核幔边界上的D″层的强烈活动和不稳定性。也许在地幔内的某些深度，还存在类似的热核反应灶(釜)，提供地幔热柱的驱动能源。这种强烈的地内爆发，除地球因素外，还可能受到其他星体和天文动力背景的影响。
地幔柱的提出初源于Wilson(1973)提出的夏威夷热点，Morgan(1971)进而提出地幔柱的概念(plume也有译为地柱、地热泵、地缕、地幔羽等)。
日本一些学者根据地震层析成像、超高压试验、计算机模拟、比较行星学研究对比，提出一批更具体的设想。他们以P波层析成像为参考，并以核幔边界(2900km)、上地幔底界(670km)和岩石圈底界(100km)深度为界，分出一、二、三级地幔柱。他们认为地幔柱可能源发于核幔边界D″层和400km深度处。源于D″层的地幔柱又可分成直径5000km的超级地幔柱和直径小于500km的小地幔柱。地幔柱在下地幔下部呈颈状，自2000km处改成蘑菇状向上下幔界面扩展，形成扁球状顶冠，进入上地幔后分成数个二级地幔柱(sub-mantle plume亚地幔柱)。在100km左右的岩石圈底界处再分成更小的三级地幔柱(mantle branch structures幔枝构造)。超级地幔柱的地表显示可能是山原、盆地、山链、海岭等。也可能存在起于400km深度的地幔柱。
近年来深部地球物理探测和深部地质构造研究表明:
(1)地球岩石圈、上下地幔内物质热力结构存在明显的横向不均匀性，深部结构、低速层、软流层不是水平分布，而是以垂向差异为主的囊状、柱筒状、蘑菇状、鸡窝状和液压机上涌状。
(2)热物质强上涌对流发生在地壳、岩石圈明显变动的地段，即地幔柱的顶冠、顶盖部位。热物质对流呈点、圆状散点分布。未必存在大范围的对流现象。
(3)地幔柱、圆涌构造显示明朗，地内地表贯通，深部浅部对应明显，便于观测研究、对比分析，将成为现代地质构造研究的主要领域。
(4)圆涌构造、地幔柱的地质学理论价值重大，可应用于找矿、环境地质、灾害防治等领域。
