3.ЭНЕРГЕТИКА ЗЕМЛИ

Энергетика Земли, геотермический градиент и геотермическая ступень,тепловой поток. Источники энергии развития Земли- радиогенное тепло, энергия гравитационной дифференциации, приливного торможения, соударения с планетеземалями.

Земля относится к группе холодных небесных тел. В космическое про­странство она излучает меньше энергии, чем получает извне. На ее повер­хность воздействует огромный энергетический поток, поступающий от Солнца. По данным М. Д. Хуторского, он составляет 5,5 Х 10²⁴ Дж/год, что в 10 тыс. раз больше собственного теплового потока Земли. Около 40 % этой энергии сразу же отражается от ее поверхности в космичес­кое пространство.

Солнечная энергия определяет температуру самого верхнего слоя Земли, которая изменяется под влиянием суточных и сезонных коле­баний климата.Суточные изменения температуры сказываются до глубины 1-2 м, в то время как сезонные колебания фиксируются на глубине до 30 м. Глубина, ниже которой сезонные колебания температуры не влияют на горные породы, называется поясом постоянных температур, или нейт­ральным слоем.

Вывод о том, что в недрах Земли температура значительно выше, чем в приповерхностном слое ,ученые знали давно.

Образное выражение: «Земля - это тепловая машина» - подтверждается многочисленными примерами поступления тепловой энергии к поверхности планеты. К их числу относятся проявления магматизма в виде излияния лавы в вулканических областях, периодическая поставка гейзерами к поверхности нагретых вод, общее повышение температуры недр, замеренной непосредственно в скважинах и глубоких шахтах и многие другие примеры.

Тепловой поток.Наиболее объективным показателем режима генерации тепловой энергии является тепловой поток. Он представляет расходную часть тепловой энергии, которая теряется Землей. Современная скорость потери тепла с поверхности Земли составляет примерно 4 10¹³ Вт в год. Из них 75% приходится на океаны и около 25% - на континенты. Глобальная средняя величина теплового потока, измеряемая поступлением количества тепла на единицу площади (мВт/м²) в системе СИ или мккал/см² с в системе СГС) составляет 61 мВт/м².Детальное изучение геотермического поля поверхности Земли выявило существенные, вплоть до ураганных, колебания значений теплового потока. До 60-х годов предполагалось, что это в основном радиогенное тепло, поступающее из коры. Как выяснилось позднее, в среднем около 60% континентального теплового потока поступает из мантии и только 40% вносится за счет радиоактивных элементов, содержащихся в алюмосиликатных породах верхней коры континентов. Вклад базальтового слоя океанической коры в общий баланс тепла составляет не более 5-10 %, а остальная часть поступает из недр мантии.

. Распределение температуры в Земле. Почти всегда температура пород увеличивается с глубиной. Показателем этих изменений служит геотермический градиент (dT/dZ ,(где Z - глубина).

Геотермический градиент характеризует изменение температуры горных пород на единицу расстояния. В зависимости от того, изме­ряется температура по площади или в вертикальном разрезе, выде­ляют горизонтальный и вертикальный геотермические градиенты. Поскольку изменения температуры в основном проводят в единич­ных точках наблюдения (по скважинам), в настоящее время наибо­лее полные сведения имеются о вертикальном геотермическом гра­диенте, который в дальнейшем будем называть просто геотермическим градиентом.Величина, обратная геотермическому градиенту называется геотер­мической ступенью. Она характеризует длину интервала пород, в пре­делах которого температура повышается на 1⁰. В невулканических областях суши он равен примерно 3⁰С на 100м. Однако многочисленные примеры показывают, что значения геотермического градиента могут меняться в широких пределах, что зависит от интенсивности теплового потока Провинция Бассейнов и Хребтов - наиболее активный тектонический регион - характеризуется высоким геотермическим градиентом. Восточное побережье США является платформой. Ее геотермический градиент намного ниже (рис.3.2).

Рис.3.1.Диаграммы изменения температуры в тектонически активных областях Восточного побережья США(область Бассейнов и Хребтов) и внутренних стабильных районов Центральной Америки (слева) и предполагаемое распределение температуры в Земле (D.P.Mc Kenzie, F.D.Staccy), Р-Р - интервал фазовых переходов в средней мантии, М - граница мантии и ядра - расплав железа(справа)

Смотри фильм»геотермический режим»Ctrl+щелчок

По разным оценкам температура в разрезе Земли составляет в кровле астеносферы по солидусу перидотита от 1150 до 1350⁰С, на глубине 400 км она близка к 1500⁰С. В основании нижней мантии (400-700 км), где происходят фазовые переходы минералов, температура оценивается от 1500 до 1900⁰С. На границе мантии и ядра, если судить по жидкому состоянию железа во внешнем ядре, температура находится в интервале 3000-3800⁰С и внешнего и внутреннего ядра (4000⁰С.

Районирование современного геотермического поля Земли. Различные масштабы генерации тепловой энергии, закономерное распределение генерирующих центров в разрезе мантии находит свое зеркальное отражение в современном геотермическом поле Земли Геодинамический режим мантии особенно наглядно проявляется в распределении теплового потока (рис5.2).

Рис.3.2.Схема плотности теплового потока в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах, Северной и Южной Америке и Африке (Л.Э Левин): Интенсивность теплового потока в Вт/м², 1- более 80 в океанах и на континентах, 2-3- в океанах (2-80-26, 3- менее 26), 4-5- на континентах (4-8-26, 5- менее 26), 6- экстремально высокие (более 80) в океанах и на континентах, 7-8- экстремально низкие (менее 26), 7- в океанах, 8- на континентах, 9 - зоны субдукции, 10 - континентальный склон

Глобальное распределение теплового потока крайне неравномерное, а его значения меняются в широких пределах от крайне низких (20 Вт/м² и менее) до крайне высоких, ураганных (350 Вт/м² и более). Важнейшим элементом теплового поля является глобальная система экстремально высоких тепловых потоков, совпадающих с положением мировой системы срединноокеанских хребтов и рифтовых поясов. К их числу относятся Атлантик-Антарктический и Индоокеанско-Тихоокеанский пояса термических аномалий, а также их продолжение на континентах в составе Западно-Американской (область Бассейнов и Хребтов) и Восточно-Африканской рифтовых систем. Их тепловой поток составляет более 80 Вт/м². Срединноокеанические аномалии сопровождаются апофизами высокого теплового потока вдоль трансформных разломов, рассекающих срединноокеанические хребты. Особую группу экстремальных аномалий, обособляющихся в виде пятен, составляют аномалии, сопровождающие в океане одиночные вулканические острова и вулканические хребты, типа Гавайско-Императорских подводных гор. Их тепловой поток также может превышать 80 Вт/м².

Следующая категория аномалий совпадает с активными континентальными окраинами. Они образуют глобальную кольцевую систему, окружающую Тихий океан. Его западная окраина включает вулканические островные дуги (Камчатка, Япония, Филиппины и др.) и задуговые котловинные моря типа Японского, Филиппинского и др. Тепловые потоки здесь могут достигать ураганных значений, что особенно наглядно проявляется в районах действующих вулканов. Вдоль восточной окраины океана высокие тепловые потоки образуют Западно-Американский пояс, включающий поднятия горных систем Кордильер и Анд. Здесь также максимальные значения потоков приурочены к районам активного вулканизма.Внутри континентов аномальным термическим полем характеризуются внутриконтинентальные горные системы. Их представителем является Альпийско-Гимайлайский складчатый пояс, протягивающийся по югу Евразии от Атлантики до Тихого океана. Его апофизом служит Центрально-Азиатская горная система, включающая Тянь-Шань, Алтай, Саяны, поднятия Монголии, вплоть до Прибайкалья и Забайкалья. Тепловой поток горных систем дифференцирован.Наряду с аномально высокими значениями теплового потока (60-80 Вт/м2) выделяются изометрические поля с потоками менее 30-20 Вт/м2.

Областям экстремальных значений теплопотерь противопоставляются регионы с низкими и ультранизкими (менее 20 Вт/м²) величинами теплового потока как в океанах, так и континентах. В первом случае к ним относятся области абиссальных и батиальных равнин океанов. Масштабы теплопотерь закономерно снижаются по мере удаления от срединноокеанического хребта и возраста континентальной коры. Если в осевой зоне хребта значения потока составляет обычно более 80 Вт/м², то на удалении от хребта они снижаются, а над глубоководным желобом достигают величины (25 и менее Вт/м²). Особое положение в геотермическом поле Земли занимают платформы, особенно древние, а среди них архейско-протерозойские щиты.

Ареалы теплопотерь имеют изометричную форму, совпадающую с контурами щитов и платформ в целом. Древние платформы характеризуются потоком менее 20 Вт/м², молодых платформ значительно высоким.

Таким образом, внутреннее строение геотермического поля Земли отражает неравномерное поступление тепловой энергии из глубоких недр. Максимальные значения теплового потока приурочены к срединно-океаническим хребтам, по обе стороны от которых значения потока закономерно падают. Предполагается, что эти зоны соответствуют выходу тепла генерируемого глубокими частями мантии, вплоть до ядра. Их отождествляют с мантийными струями - плюмами. С ними также связывают аномалии рифтовых систем, а точечные аномалии океанических островов с одиночными плюмами. Аномальное термическое поле активных континентальных окраин и горных систем большинство исследователей коррелирует с тепловым режимом астеносферы. Наконец, платформенные регионы отличаются крайне низкими теплопотерями. Тепловое поле является отражением термического режима астеносферы и мантии и развитием конвективных течений.

Строение геотермического поля Земли отражает причинно-следственные связи между оболочками Земли, между ядром, мантией, литосферой и земной корой, что подтверждается результатами сейсмотомографии и других методов изучения глубинного строения Земли. Однако необходимо иметь в виду, что в геологическом прошлом масштабы генерации тепловой энергии и положение ее источников были иными, что вызывает необходимость при геоисторических реконструкциях использовать косвенные методы. Главными показателями теплового режима недр прошлого являются масштабы генерации магм различного состава, места проявления магматизма и метаморфизма. Тепловой режим недр неоднократно менялся и необратимо эволюционировал во времени.

Виды энергии . «Земля — это тепловая машина». Тепло, приводящее в действие эту машину, поступает из глубоких недр, подтверждается возрастанием температуры с глубиной и непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового потока, оцениваемого в современную эпоху в 4,2×10¹³W. Возникает естественный вопрос: что порождает этот тепловой поток?

Первоначально, в XIX в, согласно теории Канта-Лапласа, предполагалось, что тепловой режим Земли отражает лишь ее постепенное остывание, в ходе которого из расплавов происходили кристаллизация минералов и образование оболочек твердой Земли. Исходя из параметров теплопотерь, ее возраст оценивался в пределах первой сотни млн. лет.Согласно современным космогоническим представлениям Земля образовалась из холодного протовещества, а ее разогрев и обусловленные им процессы эндогенной дифференциации произошли позднее на планетарном этапе ее эволюции. Крупнейшим открытием в естествознании, сделанном на рубеже XIX и XX столетий, явилось обнаружение радиоактивных элементов и их радиоактивный распад, сопровождаемый выделением тепловой энергии. Именно с ней, вплоть до 70-х годов ХХ в исследователи связывали энергетику Земли и большинство геологических процессов, проходивших в ее недрах,и отвергавшим представления об остаточном тепле ранее раскаленной планеты.