Тепловое поле Земли еще не изучено в полной мере и не

Тепловое поле Земли

Тепловое поле Земли еще не изучено в полной мере и не

ясно его влияние на формирование коры и поверхности планеты. Существуют взгляды о том, что внутреннее тепло Земли не только играет существенную роль в формировании земной коры, но, вероятно, накладывает отпечаток на характер магнитного поля. Однако связи эти неясны, а выводы предварительны и ограничены. Имеются взгляды (Личков, 1965), утверждающие, что геотектонические явления представляют функцию величины планеты и не связаны с теплом Земли. Согласно другим взглядам, разные условия теплообмена могут служить одной из решающих причин различия в строении континентов и океанов. Так, многокилометровая толща воды служит надежным теплоизолятором и способствует накоплению в океанической атмосфере тепла. Это обусловлено тем, что термическое сопротивление водных масс пропорционально их мощности, а теплопотери литосферы обратно пропорциональны термическому сопротивлению перекрывающей ее толщи (Швецов, 1964).

Земля в каждый момент времени имеет вполне определенное тепловое состояние, но ее термический режим меняется с течением времени. Это следует учитывать в гипотезах восстановления и развития Земли и ее коры. Как известно, гипотезы о происхождении Земли разрабатываются в двух направлениях:

1) Земля с момента ее образования обладала высокой степенью нагретости (раскаленное газообразное облако) и стечением времени остывала;

2) Земля первоначально обладала малой степенью нагретости, представляяя объединение холодных частиц газово-пылевого протопланетарного облака, и с течением времени нагревалась.

Современное термическое состояние Земли не позволяет сделать решающего вывода в пользу той или иной космогенической гипотезы, т.к. тепловые потоки у поверхности Земли, рассчитанные без учета первоначального тепла и с учетом его отличаются на 10 %.

Количество тепла, выделяемого с поверхности Земли, составляет около 2х10 ²⁰ кал/год. В настоящее время многие ученые склоняются к мнению, что основной причиной, непрерывно порождающей тепло в недрах Земли, является радиоактивный распад. Еще в 1906 году Ученый Релей показал, что все тепло, текущее к поверхности Земли, может возникать за счет распада в ней радиоактивных элементов.

Не останавливаясь на эволюции этих взглядов, укажем работу С.И. Субботина и др. (1964), в которой авторы, суммируя данные об источниках внутреннего тепла Земли, указывают, что к ним относятся:

I. Внутренние

1. Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде (уран, торий, калий и др.).

2. Гравитационная дифференциация (перераспределение вещества по плотности в мантии).

3. Остаточное тепло, сохранившееся со времен формирования Земли, исходя из гипотезы об образовании Земли из раскаленного газообразного облака.

4. Гравитационная энергия (энергия тяготения).

5. Энергия полиморфных, электронных, фазовых переходов и химических реакций, действующих в недрах Земли.

П. Внешние

1. Тепло, полученное от Солнца. Тепло от Солнца распространяется на небольшую глубину, не более 28-30 м, а местами составляет несколько метров. На некоторой глубине от поверхности находится пояс постоянных температур. Так, в Москве на гл. 20 м наблюдается постоянная температура +4,2^о С, а в Париже на гл. 28 м t =+11,83^о С. Ниже температура повышается.

2. Выделение тепла в процессе приливного трения.

3. Энергия космического излучения.

Тепло, связанное с действием нейтрино (нейтрино – это стабильная незаряженная элементарная частица, возможно с нулевой массой, участвует в гравитационных воздействиях).

Роль перечисленных источников в тепловом режиме Земли различна и разными авторами оценивается по разному.

Известно, что величина потока тепла, текущего через единицу площади, определяется как произведение температурного градиента на теплопроводность:

dt

Q =&--------, где

dx

Q – тепловой поток, кал/см²сек (вт/м²),

& - коэффициент электропроводности, кал/см град. сек (вт/м²град.)

dt /dx температурный градиент, град/м.

Теплопроводность осадков зависит от содержания воды и мало отличается для различных минеральных частиц.

Температурным градиентом (1/b) или геотермическим градиентом называют повышение с глубиной температуры в градусах Цельсия на единицу длины. За среднее значение современного теплового потока Земли обычно принимают величину 1,2х10^-6 кал/см²сек (5,02х10^-2 вт/м²), а крайние известные его значения изменяются от 0 до 13,8 (в дальнейшем для краткости будут приводится только числовые значения теплового потока).

Температурные градиенты различных областей Земли сильно отличаютсядруг от друга даже в тех районах, где нет таких высокотермальных объектов, как вулканы или породы с высокой радиоактивностью. Результаты измерений температурного градиента показывают вариации от 0,1 до 0,01 град/м. (в среднем 3 градуса на 100 м).

Обратная величина, т.е. расстояние, на которое нужно углубиться, чтобы температура повысилась на 1 градус Цельсия, называемая геотермической ступенью (b), соответственно варьирует от 10до 100 м/градус. Среднее значение (наиболее распространенное) 30 м/градус.

Наибольший геотермический градиент, равный 150 град/км, отмечен в штате Орегон (США), соответствующая геотермическая ступень =6,67 м. Наименьший градиент (6 град/км) зарегистрирован в Южной Африке и ему соответствует геотермическая ступень, равная 167 м. Указанный средний градиент прослеживается, по-видимому, до некоторой верхней части земной коры, а с глубиной он должен уменьшаться.

Можно предположить, исходя из представлений о том, что ядро состоит из железа, что ниже астеносферы температура закономерно повышается при значительном уменьшении геотермического градиента. Получены следующие данные:

100 км - 1300 ^о С

2 900 км - 3700 ^о С

5120 км - 4300 ^о С

6370 км - 4000-5000 ^о С

Большие успехи последних лет по замеру тепловых потоков на океанах и на суше позволяют наметить некоторые самые предварительные закономерности в его распространении. Напомним, что тепловой поток, поступающий из недр Земли, в несколько тысяч раз меньше солнечного теплового потока и, следовательно, не может оказывать влияния на атмосферную температуру или климат. Однако, если бы потеря энергии не восполнялась, Земля должна была бы охладиться за 40 млн. лет. Кроме того, Земля обладает чрезвычайно большой термической инерцией и замеренный тепловой поток обусловлен, в основном, термальными условиями, преобладающими в верхнем слое толщиной в несколько сотен км, а тепло, исходящее из глубин ниже этого уровня, в настоящее время не достигло поверхности.

Ф.Берч (1958) приводит несколько возможных случаев распределения температуры в континентальной коре мощностью 30 км при различных предположениях о составе пород коры, концентрации радиоактивных элементов и т.д. Он показывает, что различные, вполне допустимые варианты приводят к наличию на глубине 30 км температуры от 200 до 700^оС. Если глубже некоторого уровня температура превышает точку Кюри для магнетита

(точка Кюри – температура, выше которой исчезает самопроизвольная намагниченность доменов – областей ферромагнетиков и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние; парамагнетик намагничивается от внешнего магнитного поля; часто точкой Кюри называют температуру любого фазового перехода второго рода), у которого она выше, чем у всех остальных природных минералов (578^оС), то ниже этого уровня не может быть ферромагнитной поляризации. В.Вакье и Дж. Аффлек, изучая магнитные аномалии, нашли, что наиболее вероятное значение этого уровня -–20 км.

Как было показано, анализ магнитограмм арктической части Западно-Сибирской низменности позволил выявить большое количество возмущающих объектов именно на этой глубине. Таким образом, наши данные косвенно подтвердили вывод Берча о том, что в некоторых районах на глубине 15-20 км температура коры ниже точки Кюри для магнетита. Это, в свою очередь, дает указание на то, что температура в коре в целом может быть ниже той, которая получается путем экстраполяции известного в ее верхних частях температурного градиента на глубину (см. рис.).

Кривые распределения температур по глубинам Земли

(по разным авторам)

5,6,7,8 для моментов времени от начала существования Земли: t = 0; t =0,8х10⁹; t=1,6х10⁹; t=4,5х10⁹ (современный момент) (Любимова).

В условиях Земли передача тепла происходит в основном путем теплопроводности в трех формах: в верхних слоях путем молекулярной проводимости, ниже 100 км лучистого теплообмена и еще ниже экситонной проводимости. (Экситон – электрически нейтральная квазичастица, которая может быть представлена в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решетки –экситон Кренкеля или на расстояниях значительно больших междуатомных – экситон Ванье-Мотта. Понятие экситон используется при объяснении оптических и других свойств полупроводников и диэлектриков).

На поверхности Земли коэффициент теплопроводности равен 6х10^-3кал/см сек град, на глубинах 50-100 км уменьшается до 4х10^-3кал/см сек град, затем снова увеличивается и на глубине 500 км составляет 15х10^-3кал/см сек град.

Многие теоретические выкладки о распределении тепла внутри Земли основаны на физическом равенстве тепловых потоков на континентах и под океанами. Такое предположение позволяет сделать вывод о том, что генерация тепла под корой не должна равняться нулю, т.к. иначе наблюдаемую величину теплового потока объяснить трудно. А отсюда вытекает вывод: температура с глубиной под океаном и континентом распределяется неодинаково. Сравнение распределения вычисленных температур под океанической и континентальной корой показывает, что разность температур может достигать 300-500^оС.

Более полно к настоящему времени изучены океаны, менее полно континенты: ориентировочно плотность определений на океане в три раза больше плотности определений на cуше. Наиболее полное исследование данных о тепловом потоке сделано В. Ли (Lee, 1963), и на этой работе остановимся подробно.

Проведенные исследования не позволяют пока выявить четкую картину зональности «нормального» и «аномального» теплового потока Земли, однако предварительная информация об «аномальных» зонах сводится к следующему.

Наблюдается несколько зон повышенной тепловой активности, имеющих различную конфигурацию и протяженность. Например, аномальная зона теплового потока на Срединно-Атлантическом хребте имеет ширину около 200 км, на Восточно- Тихоокеанском поднятии – 2400 км, в Карпатском бассейне (Венгрия) –300-500 км, в геотермическом аномальном поясе Японии – 1200 км, а в западной части Средиземного моря – 5000 км. На основании предварительных данных можно заметить, что эти зоны имеют преимущественно меридиональное простирание и по ширине весьма изменчивы.

Полный тепловой поток Земли (Q), учитывая поверхность Земли, равную 5,1х10¹⁸ см², будет равен (3,2 ±0,32)х10² эрг/сек.

В приведенных цифрах бросается в глаза то обстоятельство, что величина среднего для Земли теплового потока 1,5, полученного В. Ли, на 25% больше значения 1,2, предложенного ранее Е. Буллардом. Несмотря на то, что Ли в своих вычислениях использовал значительно больше экспериментальных данных, чем Буллард, к ней все же следует относиться с осторожностью. Возможно, что эта величина завышена, т.к. в его вычисления включен большой процент измерений на гребнях срединных хребтов, где тепловой поток существенно повышен. Среднее значение без срединных хребтов или с учетом их пропорционального значения, вероятно, близко к 1,2.

Изучение взаимосвязи между тепловым потоком и положением точки на геоиде – широтой или долготой – сделанное Ли по десятиградусным интервалам широты, показало, что делать какие-либо выводы в этом отношении преждевременно. Ли подчеркивает, что значение теплового потока на континентах несколько меньше, чем на океанах, хотя численная разница незначительна.

Данные по континентам грубо разделяются на две группы: щиты характеризуются величиной теплового потока примерно 1,1 и молодые горные цепи около 2,0. Наиболее выдающимся аномальным районом на континентах является Венгрия, где повсеместно выявлены очень высокие значения теплового потока. Как указывает Т. Болдишар, его среднее значение для Венгрии составляет 3,035, что значительно выше, чем в Канаде, Японии, Австралии и Англии. Детальные исследования этой геотермальной аномалии показывают, что Венгерский бассейн представляет собой изолированный район повышенного тепла по сравнению с окружающими районами Центральной и Восточной Европы, где тепловой поток близок к среднему значению. Но, как указывает в своей работе В.Шеффер (1964), тепловой поток в Европе будет близок к среднему, если не учитывать ряда аномальных зон.

Одна из зон повышенного теплового потока (Q) тянется от Карпатского бассейна до Саксонии и далее в юго-западном направлении, включая западную часть Средиземного моря по направлению к северной Африке. Другая аномальная зона теплового потока отмечена в Британии. В этих районах намечается значительное (на 10-40 м) превышение геоида, на которое обратил внимание В. Шеффер. Он предположил, что в Европе между тепловым потоком и отклонениями геоида наблюдается связь. Что касается других континентальных районов земного шара, то там измерения разрознены и не позволяют провести аналогичное площадное исследование.

Обращает внимание один чрезвычайно интересный факт – экстремальные повышенные значения теплового потока достигают 500 % выше среднего, в то время как пониженные значения отклоняются от среднего всего лишь на 60 % и, как исключение, на 80 %. Пока обнаружены только два участка на земной шаре, где тепловой поток равен нулю (Индийский океан: между Африкой и срединно-океаническим хребтом).

Более закономерная, хотя и не достаточно понятная, региональная связь тепловых потоков и геологической или точнее геоморфологической ситуации обнаруживается на акваториях. Так, например, Б.Хизен (1963) отмечает, что величины тепловых потоков На Восточно-Тихоокеанском и на Срединно-Атлантическом хребте обнаруживают чрезвычайно большой разброс. График тепловых потоков в грубой форме повторяет рельеф дна: гребень хребта характеризуется повышенным тепловым потоком, а его склоны – пониженным. Макдональд и Ли отмечают то интересное обстоятельство, что по имеющимся материалам по Тихому океану можно сделать заключение о том, что в интервале глубин дна 3000 – 5000 км наблюдаются почти все значения теплового потока, в то время как экстремальные значения относятся только к глубинам 2500-3500 м. Аномально низкие значения обнаружены в желобах Акапулько и ПеруЧилийском (Южно-Американском). Однако в других желобах как Тихого, так и Атлантического океанов, например, Японском, Алеутским и Пуэрто-Рико, не были обнаружены аномально низкие значения и, сл-но, закономерность распределения глубинного тепла для желобов неясна.

Тепловой поток в Индийском океане изменяется в чрезвычайно больших пределах от значений, близких к нулю (наиболее низкие значения из всех известных на земном шаре), до значения 5,0. Что касается наиболее высоких значений, то многие из них, но не все, наблюдаются на срединном хребте Индийского океана. По обе стороны хребта наблюдались области низкого теплового потока в 3-4 раза больше нормального получены также в Аденском заливе и на протяжении хребта Карлсберг.

Не меньший интерес представляет карта распределения тепловых потоков в Атлантическом океане. Здесь также можно видеть однозначное соответствие зон повышенных тепловых потоков и оси Срединно-Атлантического хребта и резкий спад этих значений на склонах хребта и в котловинах. Интересно отметить, что Бермудское поднятие характеризуется величинами потока, близкими к среднему значению.

Рассматривая имеющиеся данные по тепловому потоку в целом, можно отметить, что наряду с отсутствием пока ясности в главных закономерностях его распределения на континентах и океанах, за исключением приуроченности повышенных значений к рифтовым зонам и некоторой местной корреляции с геологическим строением, бесспорно наблюдается большая пестрота величин потоков, большие локальные неоднородности, резкие колебания (до 100% величины) на близких расстояниях. Это важное обстоятельство отмечалось многими авторами.

Б. Хизен, рассматривая данные по тепловому потоку, указывает, что для его поддержания, если он существовал в течение всего геологического времени, требуется очень большое количество тепла. За 10⁷ лет общее количество тепла, протекшего через 1 см², составит 3х10⁸ кал., т.е. столько, сколько получается при полном сгорании угля толщиной 270 м.

Роль теплового потока, генерируемого химическими и биологическими процессами в осадках, равно как и их радиоактивностью и уплотнением, пренебрежимо мала по сравнению с этой величиной.

Единственными адекватными источниками тепла может быть, по Б.Хизену (1964), радиоактивность внутри Земли. Наблюдавшийся тепловой поток приблизительно совпадает с величиной, которую создали бы уран, торий калий, если бы Земля была создана каменными и железными метеоритами. Если бы Земля действительно была такого происхождения, то радиоактивность первоначально распределялась однородно в мантии. Это привело бы к плавлению и, вероятно, к подъему вверх радиоактивных элементов, которые имели бы тенденцию концентрироваться в веществах, кристаллизовавшихся затем в процессе солидификации (отвердение).

На материках большие количества радиоактивности в настоящее время концентрируются в гранитах и гнейсах коры. Океанические базальты менее радиоактивны, чем континентальные породы и генерируют в три раза меньше тепла на единицу объема, поэтому основной объем наблюдавшегося в океанах теплового потока должен поступать из мантии. Если породы, лежащие ниже М, столь же мало радиоактивны, как ультраосновные породы или метеориты, то тепло должно поступать с еще больших глубин мантии, и температурный градиент, необходимый для переноса тепла к поверхности путем теплопроводности, привел бы к плавлению.

Это противоречие может быть преодолено двумя путями: либо радиоактивность должна концентрироваться в верхней части мантии, так чтобы большая часть тепла генерировалась в верхних 200 км мантии, либо должен существовать какой-то более эффективный, чем теплопроводность, процесс переноса тепла из больших глубин к поверхности. Такой механизм могут обеспечить конвекционные течения в мантии.

Высокое значение теплового потока в районах гребней океанических хребтов трудно объяснить локальными концентрациями радиоактивных веществ и представляется более вероятным, что их непосредственной причиной являются интрузии изверженных пород. Однако в этом случае нужно объяснить, почему интрузии наблюдаются в таких масштабах на огромных расстояниях.

К более оптимистическому выводу относительно зависимости тепловых потоков и структуры коры пришел В. Шеффер (1964). Рассматривая карты распределения мощностей земной коры Карпатского бассейна, он установил, что региональное изменение величины геотермического градиента, наблюдаемое в данном районе, соответствует изменению мощности коры. Анализируя гравитационные аномалии и сейсмичность, он пришел к выводу о том, что тепловой поток приурочен к относительным поднятиям промежуточных границ раздела в коре. Некоторые другие геотермические зоны Земли, имеющие континентальный масштаб, приурочены к глубинным разломам, что указывает на их связь с последними.

Разными авторами, сторонниками конвекции, высказывается предположение о том, что высокие значения теплового потока указывают на места воздымания конвекционных течений в мантии, а низкие значения на склонах срединных хребтов – на погружение конвекционного потока.

Наконец, в заключение, нельзя обойти молчанием и еще одну гипотезу о природе теплового потока – «нейтринную» гипотезу, которую высказали Дж. Д. Исааке и Х. Браднер (1964). Отмечая, что геотермический поток Земли одинаков на континентах и океанах и что объяснение этого явления, исходя из модели генерации тепла внутренними радиогенными источниками, наталкивается на определенные трудности, они считают, что причиной возникновения геотермического потока может являться поток нейтрино, падающий на Землю из космического пространства. Ими дается оценка потока нейтрино порядка 4х10 см^-2сек^-1 и величина генерации тепла при рассеянии и электромагнитном взаимодействии, а также при ядерных реакциях захвата нейтрино веществом Земли. Авторы отмечают недостаточность полученных величин для объяснения всего потока тепла, однако они считают плодотворной дальнейшую разработку этого направления.

Дата добавления: 2015-08-28