Проблема походження глибинного теплового поля Землі

Ця проблема досить складна сама по собі. Вона тісно пов’язана з іншими невирішеними до кінця проблемами – походження Землі, особливостей її внутрішньої будови, хімічного складу, тощо. Тому сучасні дані про природу глибинного теплового поля Землі багато в чому базуються на гіпотетичних, або теоретичних фактах, що прогнозуються і не можуть забезпечити вичерпних рішень проблеми. На рис.1.11 зображено оцінку температури всередині Землі (за даними Х. Такеучі та ін.).

На основі даних про будову Землі та її складу (що допускається) можна вважати, що теплове поле нашої планети обумовлене двома факторами – адіабатичним стискуванням і радіоактивним розпадом речовини.

Адіабатичне стискування є в певній мірі можливим фактором зростання температур надр, якщо врахувати гігантський тиск в мантії і, особливо, в ядрі Землі.

Зростання температури, яке обумовлене стискуванням, може бути визначене з коефіцієнту теплового розширення та питомої теплоємності речовини, що складає надра Землі [6, 10, 14, 24].

На основі даних змін швидкостей сейсмічних хвиль в мантії вдалося кількісно оцінити коефіцієнт теплового розширення та питому теплоємність мантії. Ці результати лягли в основу оцінки адіабатичного градієнту зростання температури в мантії. Його значення рівне 0.35-0.45°С/км. Значення адіабатичного градієнту дозволяє вирахувати значення температури підошви мантії, обумовлене тільки стискуванням, в 1000-1200°С.

Радіоактивний розпад, ймовірно, є основним фактором, який визначає глибинне теплове поле Землі.

Відповідно до сучасних поглядів, головним джерелом розігріву надр Землі є U, Th і радіоактивний ізотоп K.

Найбільшим вмістом радіоактивних елементів характеризуються граніти, що складають верхній (гранітний) шар земної кори. В базальтах цей вміст в 3-6 разів менший, і дуже мало його в перидотиті, що складає верхню мантію. В хондритах і залізних метеоритах вміщується дуже мала кількість радіоактивних елементів, що, можливо, відповідає вмісту їх в ядрі Землі.

Природно, що і властивість порід генерувати тепло різна. Найбільша вона в гранітах, але при цьому настільки мала, що для доведення до кипіння склянки води за допомогою радіогенного тепла, що виділяється 1 см³ граніту, потрібно було би 500 млн. років. Але ж в масштабах нашої планети роль радіогенного тепла значно збільшується.

Розрахунки показують, що основна доля теплового потоку (середнє значення 1.5×10^-6 кал/см²×с), що вимірюється, генерується земною корою. Цей висновок узгоджується з даними вимірювання теплового потоку на континентах, де його середнє значення досягає від 0.92-10^-6 до 2.16×10^-6 кал/см²×с [4, 10].

На основі цього можна зробити висновок, що в океанах, де кора представлена малопотужним базальтовим шаром з низьким вмістом радіоактивних елементів, значення теплового режиму повинно бути значно меншими. Але ж результати вимірювання показали, що в океанах середнє значення теплового потоку близьке до його значення на континентах (0.99×10^-6 – 1.82×10^-6 кал/см²×с), а окремі значення, що заміряні в океанах, досягали іноді 8.1×10^-6 кал/см²×с.

Пояснення цьому фактові поки що немає.

Рисунок 1.11 – Теплова історія Землі. t – час після народження Землі, К - температура (0 ⁰К = -273 ⁰С)

Але вважають, що реальне розподілення радіоактивних елементів в корі та мантії відрізняються від прийнятого при розрахунках, або ж під океанічним дном активно проявляється теплова конвекція (перемішування) речовини мантії, яка забезпечує підток додаткового тепла з її нижніх шарів.

Вірогідно, що тепловий потік, фактично заміряний на континентах і в океанах, ймовірно, суттєво різний по структурі. На континентах основна доля тепла генерується в корі (в гранітному шарі), в той час як доля тепла з базальтового шару і мантії невелика. В океанах тепло поступає в основному з мантії, і тільки невелика його частина генерується в малопотужному базальтовому шарі.

Сепарація речовини земного ядра, можливо, є менш інтенсивним джерелом глибинного тепла. Згідно з гіпотезами “холодного” походження Землі, первинна метеоритна речовина диференціювалась з виплавленням важких металів з мантії та формуванням залізо-нікелевого ядра. Розрахунки показують, що при цьому виділилася досить велика кількість енергії (біля 10³³ Дж). Однак час, протягом якого це відбувалось, невідомий. Енергія могла виділитися ще на стадії формування планети або пізніше, в міру відділення ядра. Остання точка зору більш правдоподібна.

Додатковими джерелами глибинного тепла можуть бути:

-процес гравітаційного адіабатичного стискування нашої планети;

-екзотермічні хімічні реакції.

Однак ці джерела в загальному балансі глибинного теплового поля відіграють незначну роль.

Глибинне тепло досягає поверхні Землі різноманітними шляхами, серед яких домінують:

-циркуляція термальних вод;

-теплоперенос з глибинних зон за рахунок природної теплопровідності порід. (Існують три види теплопереносу: молекулярний, конвективний і променевий);

-вулканізм.

Поряд з головним, найбільш потужним джерелом тепла - випромінюванням Сонця – глибинні фактори роблять суттєвий внесок у формування теплового поля Землі.

Зупинимося більш детальніше на теплопереносі з глибинних зон Землі.

Глибинне тепло досягає поверхні Землі різноманітними шляхами, серед яких домінують:

-циркуляція термальних вод;

-вулканізм.

Поряд з головним, найбільш потужним джерелом тепла - випромінюванням Сонця - глибинні фактори роблять суттєвий внесок у формування теплового поля Землі.

Зупинимося більш детальніше на теплопереносі з глибинних зон Землі.

Для того, щоб пояснити механічні властивості земних надр необхідно знати розподіл температури. Розподіл температури з глибиною безпосередньо визначає реологію мантійних порід і залежить від того, з якою швидкістю відбувається перенос тепла з надр Землі до поверхні. Існує три види теплопереносу: молекулярний, конвективний і променевий.

Молекулярний теплоперенос (теплопровідність) має місце тоді, коли в середовищі відбувається передача енергії при зіткненнях між молекулами. Конвективний теплоперенос пов'язаний з рухами середовища в цілому. Наприклад гаряча рідина, втікаючи у холодну, нагріває її. Променевий теплоперенос - це перенос енергії електромагнітним випромінюванням. Прикладом може слугувати перенос енергії від Сонця.

В надрах Землі важливим є теплоперенос молекулярний і конвективний. В континентальній корі і літосфері розподіл температури визначається в основному молекулярним виносом на поверхню тепла, яке йде від мантії. Вихід внутрішнього тепла Землі через океанічну кору та літосферу також в значній мірі відбувається за рахунок молекулярного механізму, хоча поблизу океанічних хребтів існує теплоперенос за рахунок конвекції води. Молекулярний перенос цілком визначає нагрів захоронених осадочних порід і перебудову приповерхневого профілю температури. З іншого боку, конвекція грає домінуючу роль в переносі тепла з глибин мантії і визначає температуру внутрішніх областей Землі.

В стабільних континентальних областях відмічається кореляція теплового потоку з концентрацією радіоактивних ізотопів, які є радіоактивними джерелами тепла. Половина теплового потоку континентів пояснюється виділенням тепла за рахунок розпаду радіоактивних ізотопів U, Т, К. Відмічено також, що зі збільшенням віку порід в континентальних областях тепловий потік зменшується. Тобто концентрація радіоактивних ізотопів в древніх породах зменшується. Зміни температури поверхні Землі залежать від неоднорідності рельєфу та залежності температури в земній атмосфері від висоти. Горизонтальні неоднорідності температури пов'язані з наявністю на поверхні Землі значних водневих мас, таких як озера, моря та океани. Також вони є результатом дії тектоніки плит і конвекції в мантії. При підйомі гарячого мантійного матеріалу на поверхню Землі і горизонтальному його русі на поверхні відбувається збільшення температури. Потім з часом йде процес охолодження. Охолоджена літосфера занурюється в мантію і знову нагрівається. Тобто конвективний перенос тепла в мантії вверх відбувається за рахунок поглиблення холодного матеріалу літосфери біля океанічних жолобів і підводу гарячого матеріалу мантійними потоками, які підіймаються догори біля серединно-океанічних хребтів (Рис. 1.12).

Вчені Чепмен і Поллак зробили спробу обрахувати значення теплового потоку для тих областей, де такі вимірювання були відсутні. В своїх прогнозах вони спирались на геотектонічний характер цих зон. Таким чином було проведено 12-степеневий сферичний-гармонійний аналіз всієї планети (рис. 1.13).

Регіони з найбільш високими (позитивними) аномаліями теплового потоку називають “гарячими точками”. В даний час невизначено, чи рухаються ці точки разом з тектонічними плитами від час дрейфу, чи мають більш глибинне походження (в мантії) [4, 10, 11, 14, 23, 24] (рис. 1.14).

Рисунок 1.12 – Схема взаємодії механізму підкорових течій

(за А. Холмсом)

Рисунок 1.13 – 12 – степенева сферична гармоніка теплового потоку планети (за Чепменом і Поллаком)

На рисунку 1.15 зображено діаграму фазового перетворення габро в гранатовий грануліт і еклоґіт та наведено значення температур, при яких це перетворення відбувається.

Рисунок 1.14 – Схематичний розріз Землі із зображенням найбільш відомих трьох типів глибинних плюмів і гарячих точок, розміщених у районі Тихого океану й Африки, де 1 – первинні плюми із найнижчих ділянок мантії; 2 – вторинні плюми, що зароджуються із перехідних зон; 3 – гарячі точки, які відповідають місцям інтенсивних деформацій у літосфері та зонам до компресійного плавлення.

Рисунок 1.15 – Діаграма перетворення габро в гранатовий грануліт та еклоґіт

Але необхідно звернути Вашу увагу на те, що господарська діяльність людини посідає четверте місце в ряді теплових факторів, значно перевищуючи такі з них, як приливне тертя та вулканізм. Це свідчить про підвищення ролі антропогенного теплового “забруднення” Землі, що призводить до розігріву її атмосфери.

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Характеристика глибинного теплового поля	\|	Температура надр Землі

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.