天然硫化物礦物對地球深部熱能的熱電轉化效應研究

作者：賈昊凝,李艷,黎晏彰,魯安懷,丁竑瑞

摘要：金屬硫化物半導體礦物在地殼中分布廣泛,其中一些禁帶寬度較窄的硫化物礦物,如黃鐵礦、黃銅礦和斑銅礦等,在地熱梯度下產生的天然熱電勢可將地球內部熱能轉化為電能。本文選取黃鐵礦、磁黃鐵礦、方鉛礦、黃銅礦、斑銅礦以及斑銅礦-赤鐵礦-輝銅礦集合體等天然硫化物礦物樣品,研究了其熱電特性。研究結果表明,300~700 K下,除磁黃鐵礦具有低塞貝克系數和超高電導率而表現出金屬導體的電輸運行為外,黃鐵礦和黃銅礦為n型半導體,斑銅礦和斑銅礦-赤鐵礦-輝銅礦集合體為p型半導體,具有150~500μV/K的顯著塞貝克系數和5~95 S/cm的電導率,說明樣品在地熱梯度下具有產生顯著熱電效應的能力。根據激光閃射法測得的熱擴散率以及樣品的理論比熱、密度計算熱導率,斑銅礦及硫化物礦物集合體樣品表現出小于1 W/(m·K)的低熱導率,說明樣品在局部熱源影響下可形成較大溫差。根據熱電基本理論和地熱梯度構建天然熱電效應模型,對硫化物半導體礦物集合體產生的天然熱電勢、額外地表電流密度及熱電轉換效率進行了模擬計算得出經驗公式,發現硫化物半導體礦物在300~650 K條件下能產生100 mV左右的天然熱電勢,產生的最大熱電轉化率可達4‰,且可以通過偶極電流源模型計算礦物體產生的額外地表電流密度。研究認為硫化物半導體礦物可能作為天然熱電轉換介質深刻影響地球內部能量的轉化與傳遞過程。

發文機構：造山帶與地殼演化教育部重點實驗室

關鍵詞：硫化物半導體礦物熱電效應熱電勢地熱能轉換sulfidesemiconductor mineralthermoelectric effectthermoelectric potentialgeothermal energy conversion

分類號： P578.2[天文地球—礦物學][天文地球—地質學]P314