Описание теплового поля Земли, его возникновения

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

 

 

 

Кафедра геологии

 

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине:«Геология и литология».

Тема: «Тепловое поле Земли»»

 

 

 

Выполнил студент группы_______

_____________________________

Проверил_____________________

 

 

 

 

Альметьевск 2012г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Геологические методы позволяют изучать только несколько  первых километров верхних слоев  Земли.  Основную  же  часть  информации  о  внутреннем  строении  Земли  дают  геофизические методы, включающие: 1) сейсмологические и сейсмические методы, основанные на  регистрации  упругих  колебаний,  вызываемых  землетрясениями  или  искусственными взрывами; 2)  гравиметрические  методы,  основанные  на  изучении  поля  силы  тяжести  Земли, создаваемого  притяжением  масс  самой  Земли,  ее  вращением,  а  также  притяжением  других космических тел, и дающие информацию о фигуре Земли и распределении масс в ее недрах; 3) магнитометрические –  изучающие  магнитное  поле  Земли,  создаваемое  замкнутыми электрическими  токами  и  намагниченностью  горных  пород;  4)  геотермические,  изучающие тепловое  поле  Земли  и  плотность  теплового  потока  на  ее  поверхности,  обусловленные  как термическим  режимом  недр,  так  и  способностью  различных  оболочек  Земли  передавать глубинное тепло и самостоятельно его генерировать;  электрометрические методы, изучающие электропроводность земных недр.

Кроме  геофизики  о  внутреннем  строении  Земли  косвенно  позволяю судить лабораторные эксперименты, а также изучение космических тел (метеоритов), попадающих на земную поверхность.

Строение нашей планеты сегодня хорошо известно по сейсмическим данным и анализу собственных  колебаний  Земли,  а  состав  ее  верхних  оболочек (земной  коры,  гидросферы  и атмосферы) –  по  геологическим  данным  и  прямым  измерениям. Наши  сведения  о  составе мантии  Земли  менее  определенные,  но  все-таки  по  совокупности  всех  геологических  и геофизических данных о  строении и  составе  этой  земной оболочки можно судить достаточно уверенно. О  составе  земного  ядра,  можно  высказывать лишь  более  или  менее  обоснованные гипотезы. Не  останавливаясь  на описании  методик  изучения  строения  и  состава Земли, подробно  изложенных  в  многочисленных  специальных  работах (Жарков, 1983;  Болт, 1984; Anderson, 1989; Сорохтин, Ушаков, 1991; и др.), перейдем сразу к их результатам. Земля –  третья  по  порядку  от  Солнца  планета  Солнечной

  системы,  обращается  вокруг Солнца  по  близкой  к  круговой  орбите (эксцентриситет  орбиты  ε = 0,0167)  на  среднем  расстоянии 149,6  млн  км.  Если  смотреть  со  стороны  северного  полюса  небесной  сферы,  то вращение  Земли,  как  и  других  планет (кроме  Венеры),  вокруг  Солнца  происходит  против часовой  стрелки (планета  как  бы “катится”  вокруг Солнца),  и  это направление  считается прямым.  Средняя  скорость  движения  Земли  по  орбите  равна 29,765  км/с,  период  обращения (продолжительность года) составляет 365,24 солнечных суток, или 3,147⋅107 с. Земля обладает собственным  осевым  вращением  в  прямом  направлении (т.е.  также  против  часовой  стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса), период осевого вращения Земли равен 23 ч. 56 мин. 4,1 с или 8,616⋅104с.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Тепловое поле

Тепловое поле земли - первый из геофизических полей.

Приведенный принцип действия одной из моделей МГД-генератора предполагает самовозбуждение в ядре Земли - усиление слабого магнитного поля дипольного характера, необходимого для начала работы динамо. Таким начальным полем, по-видимому, могли служить слабые магнитные поля термоэлектрического происхождения. Гипотеза динамо предполагает тепловую конвекцию во внешнем ядре. Для объяснения причин возникновения и поддержания конвекции в ядре предложены два механизма: радиоактивный распад и выделение энергии, сопровождающее рост субъядра: потенциальной (при гравитационной дифференциации) и скрытой (за счет фазового перехода вещества из жидкого в твердое состояние). Концентрация радиоэлементов в ядре очень низка (в 1000 раз меньше, чем в земной коре), поэтому вклад этого механизма тепловыделения оценивается как подчиненный.

Особенности магнитного и электрического (теллурического) полей Земли, а также различие магнитных и электрических свойств пород используется для практических целей - для поисков руд. Скопление руд тяжелых металлов: железа, титана, никеля и др. ферромагнетиков обусловливает повышение уровня магнитного поля и возникновение аномалий. Крупная аномалия сопровождала месторождение железных руд на юге России - Курскую магнитную аномалию (КМА). Обнаружение этой аномалии собственно и привело к открытию месторождения. В пределах КМА магнитная стрелка отклоняется так резко, что ее “северный” конец часто указывает на запад, восток и даже юг, а напряженность магнитного поля достигает 0,01-0,03 А/м, что в 2-3 раза выше общей напряженности геомагнитного поля. Протяженность этой аномалии и размеры месторождения железистых кварцитов огромны - она протягивается на 600 км с севера на юг и на 400 км с запада на восток.

 Однако такие обширные и интенсивные аномалии встречаются очень редко. Чаще приходится иметь дело с локальными и небольшими по амплитуде аномалиями, сопровождающими те или иные месторождения, генетически обусловленные магматическими породами. С помощью магнитной съемки хорошо выделяются кимберлитовые трубки, с которыми связаны месторождения алмазов.

Регистрация электрических полей также помогает выявить месторождения некоторых руд. Например, хорошо выявляются сульфидные залежи, в которых происходят процессы окисления, зоны циркуляции минерализованных вод и др.

Геотермия дает важнейшую количественную информацию для понимания и моделирования геодинамических процессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений - в этом заключается фундаментальные аспекты изучения теплового поля. Но не менее важны и прикладные аспекты геотермических исследований. Они связаны, с одной стороны, с оценкой геотермальных ресурсов для их использования в энергетике, теплоснабжении, коммунальном и сельском хозяйстве, а с другой - с применением геотермического метода поисков и разведки месторождений на континентах и на акваториях в комплексе с другими геолого-геохимико-геофизическими методами.

Тепловое поле Земли первым из геофизических полей привлекло внимание человека. Самые бурные проявления термической активности - извержения вулканов - сыграли важную роль в формировании религиозных мифологических представлений о строении мира. Другая форма геотермальной активности - горячие источники - с незапамятных времен использовались человеком для хозяйственных бытовых нужд. Таким образом, тепловое поле Земли оказалось первым объектом практического использования, по-видимому, опередив даже использование геомагнитного поля, выразившееся в изобретении компаса китайскими мореплавателями.

Но и предметом научных исследований тепловое поле Земли тоже стало раньше всех других полей. Началом этой стадии можно считать наблюдения за извержением Везувия в 73 г. до н.э. Плиния-Старшего, погибшего при этом и ставшего первой в истории жертвой научного энтузиазма. Но возможно, что начало этого этапа следует отодвинуть еще дальше, в третий век до н.э., когда великий философ Эмпедокл, уединившись, поселился на склоне Этны, в башне, которая впоследствии была названа "Торре дель Философо" (Башня философа). Много веков спустя на этом месте была создана одна из итальянских вулканологических обсерваторий; этот факт характеризует преемственность науки.

Количественные методы в геотермию были введены после изобретения Г.Галилеем термометра в начале XVII века. Уже первые измерения температуры, проведенные в шахтах и рудниках, показали, что температура на глубоких горизонтах весь год неизменна и что она увеличивается с глубиной. На это своеобразие теплового режима шахт обращали внимание английский физик Р.Бойль и М.В.Ломоносов. В своем трактате "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном" М.В.Ломоносов писал: "...Воздух в рудниках во всякое время целого года сохраняет равное растворение" (т.е.температуру).

Факт роста температуры с глубиной дал основание для разработки научных космогонических гипотез, первой из которых явилась атеистическая гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе история планеты представлялась как ее остывание из первоначально расплавленного состояния. Как показали позднейшие расчеты, теплосодержание расплавленной Земли должно было составлять около 3·1031Дж. Впоследствии эта гипотеза вошла в противоречие с другими астрономическими и геологическими фактами и в том числе с геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно больше времени, необходимого для остывания земного шара.

В 1868 г. по инициативе английского физика У.Томсона (лорда Кельвина) измерения температур в скважинах, шахтах и рудниках были систематизированы, что позволило сделать вывод о том, что на каждые 100 м температура возрастает на 2,5°-3,5°С. Одновременно выяснилась необходимость углубленного изучения теоретических вопросов геотермии - природы внутриземного тепла, термической эволюции Земли, глубинного теплового потока, условий формирования гидротерм.

В Земле существует несколько видов теплопередачи, так как ее оболочки имеют различную температуру, фазовое состояние и химический состав.

В ядре, состоящем из окислов железа, может существовать металлическая проводимость, для которой выполняется закон Видемана-Франса о прямой пропорциональности между теплопроводностью (k) и электропроводностью (s):

k = B(b/e)2·T·s,

где b - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - температура; В - постоянная, равная 2,5 для полупроводников и 3 - для металлов. Таким образом, теплопроводность ядра может быть вычислена на основании данных об его электропроводности. Сложнее обстоит дело с вычислением теплопроводности силикатной оболочки Земли. Здесь уже не применим закон Видемана-Франса, а теплопроводность сложным образом зависит от температуры, давления и химического состава. Для литосферы основную роль играет решеточная часть теплопроводности.

Теория решеточной (фононной) теплопроводности кристаллических диэлектриков развита в трудах Дебая (1914), Пайерлса (1956), Лейбфрида (1954), Померанчука (1944). Согласно этой теории теплопроводность обратно пропорциональна температуре. Теплопроводность рассматривается как распространение энергии за счет колебаний атомов в кристаллических решетках. Так, по Дебаю, в кристаллах с конечными размерами существует

конечное число нормальных колебаний. Энергия каждого нормального колебания не может быть произвольной, она должна определяться целым числом квантов, или фононов. При этом процесс теплопередачи можно рассматривать как обмен энергиями в "фононном газе". Теплопроводность тогда пропорциональна длине свободного пробега фононов и их скорости. В реальных кристаллах фононы рассеиваются посредством различных механизмов. В частности, при высоких температурах рассеивание происходит преимущественно на другом фононе. Наиболее существенны процессы обмена энергией между тремя фононами: один фонон аннигилирует и рождаются два других, либо два фонона исчезают и рождается третий. Есть два типа трехфононных процессов: нормальные (N-процессы), в которых импульс сохраняется, и процессы переброса (U-процессы), в которых импульс не сохраняется. Первые не дают непосредственного вклада в теплосопротивление, но меняют распределение фононов, тогда как вторые действительно ограничивают и определяют теплопроводность в идеальном неметаллическом кристалле.

В теории введено понятие дебаевской температуры (ТD), которая разделяет интервалы высокотемпературного поведения параметров от низкотемпературного. Для горных пород ТD составляет 900-600°С. Температура порядка 600°С достигается в Земле на глубинах 30-50 км. Следовательно, изменение поведения фононной теплопроводности в зависимости от температуры приурочено к самому верхнему слою литосферы. При высоких температурах (T>>TD) теплопроводность пропорциональна (1/Т). С понижением температуры (T<TD) она возрастает, достигая максимума, после чего падает в соответствии с законом (Т3) в области очень низких температур, которые не характерны для Земли. Что касается влияния давления на фононную теплопроводность, то в верхних слоях, где доминирует действие температуры, решеточная теплопроводность должна падать с глубиной. В более глубоких слоях, где превалирует эффект давления, теплопроводность должна возрастать. Эти разные тенденции обусловливают появление минимума на кривой зависимости теплопроводности от глубины, приуроченного к верхним слоям верхней мантии.

По экспериментальным данным, полученным для интервала температур от 20° до 700°С (Ф.Берч, К.Кавада), можно отметить, что для большинства пород теплопроводность убывает с температурой почти как 1/Т; при эксперименте породы были приведены к уровню нулевой пористости, так как пористость и влагонасыщенность очень влияют на теплопроводность.

Причина уменьшения фононной теплопроводности с ростом температуры при Т>TD заключается в том, что решеточное рассеивание фононов тем больше, чем больше максимальные смещения атомов от их средних положений в кристаллической решетке. Это объясняет, в частности, тот факт, что теплопроводность тел, состоящих из относительно легких атомов, больше теплопроводности тел с тяжелыми атомами, слабо между собой связанными.

Все приведенные рассуждения сделаны для бездефектных кристаллов. Различные дефекты (точечные, примесные, изотопические), а также границы в поликристаллических телах могут служить дополнительными источниками рассеивания фононов, т.е. уменьшением теплопроводности. При высоких температурах дефектами можно пренебречь, так как определяющим является рассеивание фононов процессами переброса. Но при уменьшении температур, когда влияние процессов переброса быстро падает, заметно сказываются дефекты.

В заключение рассуждений о решеточной теплопроводности приведем эмпирически полученные соотношения для базальтов, связывающие теплопроводность и температуру:

k » 3,1/T при Т>573 K и

k » 1,15/T при Т<573 K.

При высоких температурах в недрах Земли (>1200°C) становятся существенными два других механизма теплопередачи: радиационный и экситонный. Радиационный теплоперенос связан с лучистым теплообменом, т.е. с передачей энергии электромагнитными колебаниями. Радиационная теплопроводность ничтожно мала на глубинах до 100-200 км и становится сравнимой с фононной теплопроводностью на больших глубинах, превосходя даже ее в верхней мантии, но убывая в нижней мантии из-за роста коэффициента поглощения излучения веществом.

Экситонная теплопроводность (по термину "экситон", т.е. квант возбуждения) связана с возбуждением электрона и "дырки" при поглощении кванта энергии, который превышает энергию связи. Экситонная теплопроводность, так же как и радиационная, пренебрежимо мала при относительно невысоких температурах, т.е. в литосфере. Но на глубинах более 500 км экситонная составляющая даже превышает радиационную и быстрее растет с глубиной.

Еще раз отметим, что в практических задачах нам важно знать фононную теплопроводность пород. Два же других вида теплопроводности нельзя игнорировать при исследовании теплового состояния и термической истории Земли как планеты.

Говоря о механизмах теплопередачи, необходимо изучить такой важный для Земли процесс, как конвекция, т.е. перенос тепла самим теплоносителем. Применительно к Земле теплоносителями являются вода, пар, магма и магматические растворы. Эти теплоносители, обладая большой теплоемкостью, при своем движении перераспределяют глубинный тепловой поток, создавая положительные и отрицательные аномалии температуры и теплового потока. Если теплоперенос теплопроводностью происходит повсеместно, где существует температурный градиент, то перенос конвекцией осуществляется только там, где имеются условия для движения теплоносителей. Очевидно, что наиболее интенсивно конвекция происходит в активно развивающихся геологических структурах, где проявляются разломная тектоника, вулканизм и гидротермальная деятельность. Но даже в стабильных тектонических блоках необходимо учитывать конвективный теплоперенос в верхней активной гидродинамической зоне.