Термика землі

До терміки Землівідносяться дослідження фізичної природи джерел теплової енергії, процесів передачі тепла в умовах внутріземних високого тиску і температур, вивчення розподілу теплового потоку на поверхні Землі, вимірювання геотермічного градієнта і теплопровідності порід земної кори, теорія розрахунку внутрішньої температури і термічної історії Землі. Будь-який розділ геофізики і геології так чи інакше має відношення до цих питань. Коефіцієнти пружності, в'язкості, електропровідності, реологічні властивості (відхилення від ідеальної пружності), теплопровідність в значній мірі залежать не тільки від тиску, але і від температури. Одним з головних джерел тектонічних процесів і рухів земної кори є теплота.

Розгляд термічної історії Землі має космогонічні значення. Вперше з усією очевидністю це було показано ще в минулому столітті Кельвіном, який вважав, що тепловий потік, що спостерігається у поверхні Землі, виносить кількість тепла з її надр, що залишилося від спочатку розплавленого стану. Кельвін оцінив вік Землі як період охолодження планети, протягом якого тепловий потік біля поверхні досягає спостережуваного нині значення. Вік Землі вийшов у нього занадто малим, близько 20 млн. Років, що суперечило вже наявних в той час геологічним фактам. Велике розбіжність знайшло пояснення лише згодом, в зв'язку з відкриттям власних,

безперервно діючих джерел тепла усередині Землі у вигляді розсіяних радіоактивних ізотопів урану, торію, калію, що призвело до зламу старих поглядів про віковий охолодженні надр планети.

З цього періоду походження поверхневого теплового потоку стали пов'язувати головним чином з генерацією радіогенного тепла - в Англії Джеффріс (1932), в США Урри (1949).

Фундаментальні роботи по терміні Землі пов'язані з іменами А. П. Соколова та В. І. Вернадського, Г. Н. Хлопіна і А. Н. Тихонова і почалися з кінця 20-30-х років. Дослідження були присвячені з'ясуванню ролі радіоактивного розпаду в тепловому режимі Землі і земної кори. Походження спостережуваного теплового потоку пов'язувалося з внутрішніми джерелами тепла. А. Н. Тихоновим були дані перші математичні рішення можливого розподілу температур в земній корі. У 40-х роках з'явилися роботи Н. Н. Коритнікова і С. A. Kpa сковского, привернули увагу до обчислення теплового потоку, що протікає через земну кору в різних умовах.

Нове освітлення проблема терміки Землі придбала в зв'язку з появою космогонії теорії О. Ю. Шмідта. Геофізикам була запропонована модель спочатку холодної Землі, що складається з конгломерату тел, подібних суміші кам'яних і залізних метеоритів, суміші, що розігрівається під дією власних джерел тепла у вигляді розсіяних радіоактивних ізотопів U 238, Th 232 і К40. Рішення завдання про розподіл температури всередині такої моделі, поступово еволюціонує до теперішнього стану Землі, виявилося вдалим і привело до побудови теорії теплової історії Землі в роботах співробітників Інституту фізики Землі АН СРСР - Е. А. Любимова, Б. Ю. Левіна і С. В . Маєва. Їх висновки згодом були підтверджені розрахунками американця Мак-Дональда. Замість гіпотези контракції і вікового охолодження Землі була запропонована гіпотеза про поступове розігріванні її надр, в той час як земна кора мала більш складну термічну історію, місцями перебуваючи у фазі охолодження, місцями - в стадії розігріву. Цей висновок був використаний Е. А. Любимова і В. А. Магницким при описі термопружного стану земної кулі і встановленні зв'язку температурних деформацій з розподілом сейсмічної енергії і походженням гравітаційних аномалій. Теорія теплової історії Землі виявилася в хорошому відповідно до основних положень теорії хімічної еволюції Землі, розвиненими А. П. Виноградовим.

В останні роки серед джерел теплової енергії, крім радіоактивної генерації тепла, стали розглядатися парниковий ефект приливної тертя, гравітаційна і пружна енергія, а також запас початкового тепла. Наступним важливим напрямком, які розробляються радянськими вченими, стало дослідження процесів переносу тепла на основі застосування фізики твердого тіла. Була встановлена ​​суттєва роль трьох молекулярних процесів перенесення енергії в надрах Землі - решеточной, променевої і екситонної складових

(Е. А. Любимова, В. Н. Жарков). Перша обумовлена ​​коливаннями кристалічної решітки і зростанням температури; дві другі швидко зростають з ростом температури і мають істотне значення лише в глибоких надрах мантії. Теплові ефекти, що відбуваються в нижній мантії, не позначаються на тепловому потоці. В результаті підсумовування теплопровідності трьох згаданих видів утворюється зона мінімальної теплопровідності в верхній частині мантії Землі на глибині 50-100 км.

Встановлення мінімуму теплопровідності має принципове значення для терміки Землі, так як цей мінімум як би замикає тепло в її надрах, заважаючи його швидкому відтоку. Відтік тепла відбувається з усією верхньої мантії. Тепловий потік через поверхню Землі по віддачі енергії в одиницю часу в 10-100 разів перевищує середню енергію, що звільняється при землетрусах і вулканічної діяльності.

Відомості про тепловому потоці дозволяють виявити глобальну неоднорідність в будові мантії. Одним із значних відкриттів з'явився факт рівності середніх теплових потоків на океанах і континентах (Bullard, Revell, Maxwell, в 1949-1956 рр., Та ін.). Це було досить несподівано, так як здавалося, що велика відмінність в будові континентальної і океанічної кори мало б викликати відмінність і в величинах теплових потоків. Після аналізу різних інтерпретацій зараз рівність потоків приписують відмінності в складі і будові верхньої мантії, різного ступеня диференціації її речовини під океанічної і континентальної земною корою; вважають, що загальна кількість джерел однаково в колонці під океаном і континентами, однак під океанами речовина менш диференційовано і джерела тепла розподіляються по глибині більш рівномірно.

Звідси випливає також, що мантія повинна бути гаряче під океанами, ніж під континентами; це повинно надавати помітний вплив на геологічну історію відповідних ділянок кори.

Другим цікавим відкриттям стало встановлення фон Герценом (США, 1959-1963) аномально високих теплових потоків над серединними океанічними хребтами - цими ще загадковими планетарними утвореннями. Їх зв'язок з магнітними аномаліями вказує на особливий стан речовини мантії. Можливо, тут відбувається зародження майбутніх континентів або проявляються на поверхні глибоко приховані в інших місцях глибинні процеси.

Третій важливий висновок намічається в регіональних дослідженнях теплового потоку. Тепло віддається нерівномірно різними ділянками Землі, і, мабуть, повинна існувати залежність теплового потоку від тектонічного стану і будови розглянутого ділянки. Систематичне вивчення розподілу теплового потоку в різних тектонічних зонах СРСР почалося по суті зовсім недавно, головним чином силами Інституту фізики Землі АН СРСР. Тут були розроблені методика і апаратура для визначення теплового потоку в глибоких свердловинах і через дно океанів і методика визначення теплопровідності гірських порід ( «Геотермические дослідження», 1964). Аналіз ухилень від середнього теплового потоку привів до висновку, що розподіл значень теплового потоку не зовсім випадково. Знижені значення потоку (0,8-0,9) ∙ 10-6 кал / см2сек виявлені поруч експедицій Інституту фізики Землі на древніх кристалічних щитах (Українському та Балтійському, в районі Кольського півострова). Це узгоджується з цифрами для інших щитів земної кулі. Високі теплові аномалії встановлені в активних тектонічних районах під оз. Байкал (до 3 ∙ 10-6 кал / см2сек), в Ставропіллі (2 ∙ 10-6 кал / см2сек), Закарпатті (2,6 ∙ 10-6 кал / см2сек), Пржевальську (1,8 ∙ 10-6 кал / см2сек). Платформні області і області прогинів характеризуються близькими до нормальних значень, (1,1-1,5) ∙ 10-6. Були досліджені ділянки Російської платформи, степовий Крим, Індоло-Кубанський прогин, Чорне море, Казахстан, Іркутська область. За результатами спостережень побудована діаграма ухилень теплового потоку від нормальних значень і карта теплового потоку для території СРСР. Їх фізична інтерпретація дозволяє пов'язувати величини теплового потоку з процесами у верхній мантії. Зокрема, обговорюється гіпотеза про те, що походження високих теплових аномалій може бути приписано ефекту зонного плавлення, ідея якої висунута А. П. Виноградовим і В. А. Магницким.

Унікальна теплова аномалія під оз. Байкал була виявлена ​​застосуванням океанографічного термозонда з електронним реєструючим пристроєм, розробленим Інститутом фізики Землі АН СРСР. Ця аномалія чітко пов'язана з високою сейсмічністю оз. Байкал і з різким підвищенням під ним на глибині 80 км електропровідності, яка визначена при глибинному електромагнітному зондуванні.

Результати вивчення терміки Землі можуть бути використані в сейсмології. З огляду на позитивність геотермічного градієнта, можна різко зменшити неоднозначність рішень оберненої задачі сейсмології про розподіл швидкостей сейсмічних хвиль по розрізу земної кори і уточнити положення кордону Мохоровичича за спостереженнями за поширенням об'ємних і сейсмічних хвиль.

Картування величин теплового потоку в перспективі дає можливість побудувати типові температурні профілі окремих ділянок земної кори, що дозволить чіткіше поставити завдання про розподіл термопружних полів, що мають істотне значення для пізнання природи, а може бути, і прогнозу катастрофічних землетрусів.

Питаннями використання глибинного тепла Землі для практичних цілей займаються багато наукових і галузеві інститути СРСР. При Президії АН СРСР створено Наукову раду по геотермическим дослідженням під головуванням академіка А. Н. Тихонова. Для координування планетарних визначень теплових потоків створений Міжнародний комітет по тепловому потоку, головою якого є проф. Ф. Берч.

Кореляції полів теплових потоків з іншими геофізичними полями ще мало вивчені, але попередні результати привертають велику увагу геофізиків різних спеціальностей і обіцяють великі наукові перспективи.

- Джерело-

Розвиток наук про Землю в СРСР. М .: Наука, 1967

Автор: Е. А. Любимова

Попередня глава ::: До змісту ::: Наступна глава

Post Views: 2