Описание теплового поля Земли, его возникновения

К сожалению, геотермическое поле невозможно охарактеризовать только лишь температурой недр из-за того, что температура зависит от глубины измерений, а также часто и от широты местности. Для того, чтобы нормировать температуру по глубине, введено понятие геотермического градиента (grad T). Геотермический градиент является векторной величиной и определяется из выражения:

grad T = i dT/dx + j dT/dy + k dT/dz.

Плотность теплового потока (или, как часто называют, "тепловой поток") - это самая информативная геотермическая характеристика, так как он характеризует мощность теплового источника и величину теплопотерь с поверхности Земли. Тепловой поток коррелирует с параметрами других геофизических полей, которые также характеризуют источник соответствующих полей, например, с величинами гравитационных (Dg) и магнитных (DT) аномалий, что объясняется сходными генетическими факторами, формирующими эти аномалии. Для определения теплового потока традиционно используется метод раздельного измерения геотермического градиента и теплопроводности. Тепловой поток определяется как произведение этих величин:

q = -k (idT/dx + jdT/dy + kdT/dz).

Тепловой поток на континентах измеряется в буровых скважинах, которые, во-первых, пригодны для измерений по своему техническому состоянию, а во-вторых, находились "в состоянии покоя" после окончания бурения по крайней мере 30-50 дней. За это время тепловые возмущения, вызванные процессами бурения и промывки, в основном рассеиваются, и температура бурового раствора становится близкой к температуре окружающих пород.

Подавляющее большинство измерений теплового потока на континентах и в океанах, полученных к настоящему времени (а это более 30 тыс. пунктов), выполнено с помощью "раздельной методики", т.е. измерений геотермического градиента и коэффициента теплопроводности. Этот метод, несмотря на два источника погрешностей, является наиболее методически разработанным, а потому и наиболее точным.

2. Метод естественного теплового поля Земли (геотермия)

Геотермическими исследованиями скважин установлено, что на континентах температура пород до глубин 10—40 м подвержена периодическим (суточным, сезонным и годовым) колебаниям, связанным с изменением интенсивности солнечного излучения. (В водных толщах — морских и океанических — годовые колебания температур распространяются до глубин 300 м и более).

Слои, в которых колебания суточных и годовых температур становятся незначительными, названы слоями постоянных суточных и годовых температур, или нейтральными слоями. Температура нейтрального слоя принимается равной среднегодовой температуре поверхности Земли ТГ. Ниже этого слоя повсеместно наблюдается закономерное возрастание температуры с глубиной, определяемое внутренним теплом Земли. Основным источником тепловой энергии в недрах Земли принято считать энергию, возникающую при распаде радиоактивных элементов; дополнительными источниками могут быть кристаллизационные и полиморфические превращения, физико-химические и другие процессы, протекающие внутри Земли.

Интенсивность нарастания температуры с глубиной характеризуется геотермическим градиентом Г. За величину геотермического градиента в практической работе принимают изменение температуры Земли в градусах Цельсия на 100 м глубины. Градиент рассчитывают по формуле

  (1)

Для характеристики прироста температур с глубиной часто используют величину, обратную геотермическому градиенту,— геотермическую ступень G, указывающую разность глубин, которая соответствует изменению температуры на 1 °С:

  (2)

Геотермический градиент Г = qξ пропорционален тепловому сопротивлению ξ породы, которое отражает литологические особенности горных пород, слагающих разрезы скважин (q— плотность теплового потока). Этим вызваны изменения геотермического градиента при пересечении скважиной различных пород, что отмечается изменением угла наклона термограммы относительно вертикали. При постоянной плотности q диаграммы геотермического градиента можно рассматривать как диаграммы теплового сопротивления или обратной величины— теплопроводности (ξ= 1/λ).

Изучение тепловых свойств горных пород возможно как в скважине, обсаженной колонной, так и в необсаженной. Это объясняется тем, что тепловое сопротивление металлов мало по сравнению с тепловым сопротивлением горных пород. Например, тепловое сопротивление железа в 40—80 раз меньше теплового сопротивления глин.

3. Тепловые потоки

Можно провести прикидочный расчёт теплового потока под континентом Евразия, как экрана теплового потока из недр Земли. Средний поток тепла из недр Земли оценён в 5,6*10-6 Дж/см2*с, или, в метрах 5,6*10-2Дж/м2*с (вариации мантиссы на континентах от 1,67 до 12,56). Теплоёмкость базальта, гранита от 0,85 до 1,49 кДж/кГ*К при температурах от 273 до 1473 К.  Приняв удельный вес базальта,  гранита усреднённо 2-3 тонны на м3 породы получим среднее значение теплоёмкости кубического метра породы равным 4*106 Дж/м3*К. Разделив поток тепла на теплоёмкость получим оценочную скорость нагрева Vq =1,25…1,88   м*К/с.   Далее   для   удобства   есть   смысл   ввести   понятие   эквивалентной скорости   нагрева:  Vэкв=Vq/T,   (где   Т-величина   температуры,   до   которой   нагревается вещество) с размерностью метр в секунду.  Тогда эквивалентная скорость нагрева 1м3 до температуры 1500К составит от 0,84 до 1,3*10-11 м/с. Чтобы с такой скоростью на континенте проплавить земную кору толщиной 40 км потребуется от 31 до 47,6*1014 с,  т.  е.,  от 100 до 150 млн.  лет,  это вполне корректный геологический период.  Учитывая,  что примерно 60 млн.  лет назад произошел какой-то катаклизм, ждать осталось «недолго», 50-100 млн. лет. Оценку утечки тепла сквозь кору провести очень трудно,  но с учётом того факта,  что максимальная скорость теплового потока   (12,56)   в   два   раза   выше   принятой   в   приведённом  расчёте   (5,6),   корректность расчёта можно признать приемлемой.  В связи с тем,  что,  вообще говоря,  Евразийский суперконтинент   скорее   широтный,   чем   меридиональный,   разрушительное действие приливных сил не будет складываться с разрывающим действием тепла,  а Гималайская система совместно с Гиндукушем и Иранским нагорьем будут играть роль защёлки,  то Евразия, возможно, и не расколется, как Афро-Америка. Но тогда, возможно, возникнут локальные разрывы коры и выход вещества мантии со сбросом тепла.

Высказанное   выше   предположение   о   суммировании   приливных   разрывающих земную кору сил с ослабляющим действием на неё потока тепла из недр Земли, что эти силы   суммируются   по   меридиану   (можно   сказать   –   образуя   «тепловой   меридиан») находят   своё   (пусть   и   в   энном  приближении)   подтверждение   в   анализе   направлений вершин мелководий на дне Мирового океана :  в Тихом океане  -  из  моря Сомова в Антарктиде  до Калифорнии и Мексики и праразлом от южной оконечности Америки, через Полинезию,  Гавайи до Камчатки;  в Индийском океане – из Моря Содружества в Антарктиде   до  Мальдивских   островов   и  Индии;   в  Атлантике   –   центральный   разлом морского дна.

 В районе экватора,  как в области максимума суммы  сил,  разрыв земной коры возможен  по линиям наименьшего сопротивления.  Этим можно объяснить  зигзаг  разлома на экваторе в Атлантике. И ещё можно также сделать  следующее замечание: след разлома  в Тихом океане из моря Сомова  до Калифорнии является проекцией смещённой в сторону Тихого океана магнитной оси Земли  с полюсами на  севере  Канады и в море Сомова в Антарктиде.

Много сведений о прошлом Земли дают метеориты. Содержащиеся в каменных метеоритах уран и торий при распаде образуют изотопы радиогенного свинца. По отношения радиогенного свинца( то есть образованного в результате распада) к первичному определили возраст метеоритов, а следовательно и Земли, равный 4,6 млрд. лет.

4. Температура в недрах Земли

Тепловой поток зависит от градиента температуры. Если он положительный, то есть недра Земли излучают тепло, то температура должна повышаться с глубиной. Конечно, если исключить влияние локальной температуры поверхности, связанной, например, с солнечным теплом. Рост температуры с глубиной особенно ясно ощущается при бурении. Среднее значение геотермического градиента равно 20 С/км. Конечно, геотермический градиент зависит от местных условий.

Температуру внутри Земли можно оценить из следующих соображений. Если предположить, что температурный градиент (не температура!) не возрастает с глубиной, то на глубине 100 км температура не должна превосходить 2000 С. Более точно для этих глубин определяют температуру по очагам вулканов, которая составляет приблизительно 1200 С. Как известно по лабораторным исследованиям и данным сейсмологии, на глубинах 400 км происходят фазовые переходы минералов - , а температура этих переходов 160050 С.

Поскольку мантия Земли по отношению к сейсмическим волнам ведет себя как твердое тело, то за верхний предел температуры обычно берут границу температур плавления. Температура плавления силикатов, составляющим мантию, на границе ядро-мантия, составляет приблизительно 5000К при давлении 1,4 млн. бар.

Земное ядро находится в расплавленном состоянии. Оно, в основном, состоит из железа, температура плавления которого при давлении 1,4 млн. бар составляет 4600 К. Температуру в центре ядра Земли оценивают в 6000 К.

Тепловой поток определяют как на суше, так и на море. Измерения показали, что величина теплового потока зависит от геологии региона. В наиболее древних регионах, например, на докембрийских щитах тепловой поток составляет 0.92 мккал/смс, а в вулканических областях, исключая геотермальные районы, 2,16 мккал/смс. На океанах наибольший тепловой поток наблюдается на подводных хребтах, а наименьший -- в глубоководных желобах.

Одной из загадок природы геофизики считают приблизительное равенство тепловых потоков на океанах и континентах, хотя толщины земной коры отличаются значительно. Среднее значение теплового потока на континентах (по В.И. Трухину) составляет 1,55, а на океанах 1,50 мккал в секунду с квадратного сантиметра. Существует несколько гипотез, объясняющих это явление. Объясняют либо степенью дифференциации радиоактивных элементов либо конвекцией в верхней мантии. Хотя до конца этот вопрос остается не изученным.

5. Глубинное тепло планеты

Согласно теории литосферных плит Земля - это огромная тепловая машина, в которой мантия играет роль котла, а плиты - шатунов. Магма прорывается сквозь срединно-океанические хребты, застывая, раздвигает литосферные плиты, заставляя двигаться континенты. Взаимодействие плит и определяет характер земной коры. Считалось, что континенты не оказывают никакого влияния на движения литосферных плит. Вместе с тем было хорошо известно, что тепловой поток, идущий из мантии, над океанами в 3 раза больше, чем над континентами. То есть континенты можно сравнить с огромными крышками, которые задерживают тепло, перераспределяя тепловой поток, что должно очень существенно влиять на всю мантийную конвекцию. 

Моделирование процессов, происходящих в нагреваемых жидкостях определённого объема и вязкости, проводилось неоднократно и ранее. Известно, что в нагреваемой жидкости, возникают конвективные потоки. Горячее вещество поднимается (восходящий поток), растекается в стороны, охлаждается и опускается вниз (нисходящий поток), то есть происходит своеобразный круговорот. Эти конвективные ячейки, образующиеся в наrреваемой жидкости, еще в начале прошлого века открыл Бинар, а математическую теорию процесса построил Рэлей, именно поэтому ячейки получили название Бинара-Рэлея. Подобные и гораздо более сложные модели неоднократно использовались в теории литосферных плит для описания происходящих с Землей процессов.

Однако до сих пор никак не учитывалась роль континентов, перераспределяющих тепло. Компьютерное моделирование, где в качестве 3емли выступала вязкая оливиновая (оливин - широко распространенный минерал из семейства силикатов) сфера, нагреваемая до температуры, близкой к температуре плавления, с плавающими на ее поверхности континентами, дало поразительные, ошеломляющие результаты. На наших глазах развернулась реальная жизнь 3емли: зарождение и распад Пангеи (последнего суперматерика), образование современных океанов и материков, океанической и континентальной земной коры, срединно-океанических хребтов, зон субдукции - стали воочию видны механизмы, причины и физический смысл всех этих процессов и явлений. Главное же, что были осязаемые подтверждения того, что все эти математические построения - не плод фантазии, а вполне жизнеспособная, работающая теория. Так, теоретическая модель, просчитанная с помощью уравнений, в которых использовался минимум сейсмических данных, показала, например, почти полное совпадение плотности теплового потока в каждой точке 3емли, как виртуальной, так и реальной. Точно так же и гравитационное поле модели хорошо согласовалось с данными многочисленных измерений. А расчеты движения материков, полученные на математических моделях, были подтверждены материалами спутниковых наблюдений. Сейчас уже можно сказать, что моделирование процессов, идущих в литосфере с учетом влияния континентов, позволило создать новую теорию геологической эволюции 3емли.

 Оказалось, что континент, плавающий на поверхности вязкой, нагреваемой жидкости, затягивается на нисходящий холодный поток, словно в водоворот. Здесь он задерживает идущее из мантии тепло и создает таким образом условия для того, чтобы мантийное вещество под ним прогрелось и на месте нисходящего образовался горячий восходящий поток. Процесс этот длительный, занимающий порядка 200 млн. лет. За это время избыток тепла в мантии формирует восходящий поток, который в свою очередь приподнимает материк, сдвигает его, и континент дрейфует к другому нисходящему потоку, где все повторяется сначала.

Если бы материк был один, то он бы так и перемещался от одного холодного потока к другому. Но на нашей планете 6 материков, поэтому мы получаем более сложную картину их взаимодействия. Каждый из шести материков занимает свой нисходящий поток, однако потоки эти не равноценны, всегда существует какой-то более мощный, который, удерживая один континент, одновременно подтягивает к себе и другой, расположенный по соседству. Причем этот второй материк, перемещаясь, увлекает за собой и «свой» нисходящий поток, на котором он находится. В результате два континента объединяются, оба нисходящих потока сливаются в один, образуя еще более мощный «водоворот», в который вовлекаются все новые континенты, и процесс становится лавинообразным. Все 6 материков, стремящихся к одной точке, формируют единый суперконтинент. Эта гигантская суша становится преградой для мантийного тепла, которое по мере аккумуляции разогревает вещество мантии и создает под континентом мощный восходящий поток, или плюм. Именно плюм, образовавшийся в мантии от избытков тепла, и разрывает единый материк, заставляя его осколки дрейфовать в разные стороны. Итак, Земля - это тепловая машина, в которой тепло преобразуется в энергию движения. Для того чтобы движение этой машины состоялось, необходим поршень, «парораспределитель», направляющий «пар» то с одной стороны, то с другой. Таким регулятором и являются континенты, которые распределяют тепловой поток и заставляют литосферу 3емли все время меняться и находиться в постоянном движении, от объединения материков в единый континент до его распада и образования затем нового суперматерика.