Тепловое поле Земли

Общая характеристика теплового поля Земли. Источниками теплового поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах, и тепловая энергия Солнца. К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоак- тивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с вы- делением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими). Ниже приведены сведения об основных составляю- щих теплового баланса Земли (в эргах в год):

- излучение Солнца – 1032 эрг/год (подавляющая часть отражается),

- радиогенный – 1028 эрг/год,

- дифференциация вещества (гравитационная) и физико-химические процессы в зем-

ной коре и мантии – 1027 - 1028эрг/год,

- тектонические процессы (тепловая конвекция), землетрясения – 1025 эрг/год,

- приливно-отливное воздействие Луны и Солнца - 1026 эрг/год

Внутреннее тепловое поле отличается высоким постоянством. Оно не оказывает влияния на температуру вблизи земной поверхности или климат, так как энергия, по- ступающая на земную поверхность от Солнца, в 10000 раз больше, чем из недр. Вместе с тем, среднее тепловое воздействие Солнца не определяет теплового состояния Земли и способно поддерживать постоянную температуру на поверхности Земли около 0°С. Практически же благодаря изменению солнечной активности температура приповерх-

ностного слоя воздуха изменяется, а с некоторым запаздыванием изменяется и темпе-

ратура горных пород.

Суточные, сезонные, многолетние и многовековые изменения солнечной актив- ности приводят к соответствующим циклическим изменениям температур воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия. Например, суточные колебания температуры воздуха сказываются на изменении температур в почвенном слое глубиной 1—1,5 м. Это связано с переносом солнечного теплового по- тока за счет молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрующихся осадков и подземных вод. Сезонные (годовые) колебания вызывают изменения температур на глубинах до 20—40 м. На таких глубинах теплопередача осуществляется в основном за счет молекулярной теплопроводности, а также движения подземных вод. На глубинах 20— 40 м располагается нейтральный слой (или зона по- стоянных годовых температур), в котором температура остается практически постоян- ной и в среднем на 3,7° выше среднегодовой температуры воздуха. Многовековые кли- матические изменения сказываются на вариациях температур сравнительно больших глубин. Например, похолодания и потепления в четвертичном периоде влияли на теп- ловой режим Земли до глубин 3—4 км.

Таким образом, если не учитывать многовековых климатических изменений, то можно считать, что ниже зоны постоянных температур (на глубинах свыше 40 м) влия- нием цикличности солнечной активности можно пренебречь, а температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств пород.

Региональный тепловой поток в земной коре. Ниже нейтрального слоя темпе- ратура пород повышается в среднем на 3,3°С при погружении на каждые 100 м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего те- пла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока (или просто тепловым потоком) q. Среднее значение те- плового потока как на суше, так и в океанах одинаково и составляет 0,06 Вт/м2, откло- няясь от него не более чем в 5—7 раз. Постоянство средних тепловых потоков суши и

океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении верхней мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков, т. е. отклонения от установленных средних потоков, несут информацию о строении и земной коры, и верхней мантии.

Установлено, что основным источником тепла на континентах является энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных эле- ментов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, ос- новным источником тепла являются процессы в мантии на глубинах до 700—1000 км. Расчеты показывают, что радиогенное тепло является основным среди других видов тепловой энергии недр. За время существования Земли оно более чем в 2 раза превыси- ло потери за счет теплопроводности.

Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников теп- ла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молеку- лярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10 км) передача тепла осуществляется в основном за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, магмати- ческих расплавов и деятельности гидротермальных систем. На меньших глубинах пе- ренос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземных вод.

В теории терморазведки получена следующая формула для расчета вертикального теплового потока:

¶z

× T ,

(6.1)

где

¶T »T2 -T1

¶z z2 -z1

= Г .

Здесь Г— температурный градиент или изменение температур Т2 и Т1 на глубинах z2 и z1 (ось Z направлена вниз по нормали к поверхности); λT — коэффициент тепло- проводности;—плотность; с —теплоемкость; vz — вертикальная скорость конвекции (или скорость фильтрации подземных вод, если считать, что конвекция осуществляется в основном за счет подземных вод); Т—температура на глубине z=(z1+z2)/2 (см. п. 4.1). Если конвекция вод идет вверх, что наблюдается в слабопроницаемых слоях на глуби- нах свыше 100 м, то теплопроводный и конвективный тепловые потоки складываются (-vz), при фильтрации вниз — вычитаются (vz).

В скальных породах, а также в условиях стационарного теплообмена конвекцией можно пренебречь (vz = 0), и плотность теплового потока qz = - λT ·Г , т. е. он определя- ется только теплопроводностью пород и температурным градиентом. Таким образом, региональный тепловой поток Земли может быть рассчитан через измеренные на раз- ных глубинах температуры и тепловые свойства среды, в основном теплопроводность.

Локальные составляющие теплового потока. Источники локальных тепловых потоков, вызывающих аномалии температур, разнообразны: наличие многолетнемерз- лых пород, т. е. мощных (до сотен метров) толщ с отрицательными температурами; на- личие пород и руд с повышенной радиоактивностью; влияние экзотермических и эндо- термических процессов, происходящих в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля, сульфидных и других рудах; проявление современного вулканизма и тектонических движений; циркуляция подземных, в том числе термальных, вод и др. Роль каждого из этих факторов определяется геолого-гидрогеологическим строением. Локальные теп- ловые потоки, как и региональные, зависят не только от наличия источников, но и от условий переноса тепла за счет теплопроводности горных пород и конвекции почвен- ного воздуха и подземных вод.