2. Основи геотермії. Основні процеси утворення та переносу тепла в надрах Землі

Геотермія - одна з галузей фізики Землі, яка займається дослідженням теплової історії Землі, визначенням основних джерел тепла в Землі, з’ясуванням основних механізмів переносу тепла, визначенням розподілу температур в надрах Землі і побудовою моделі теплової еволюції Землі.

Тепловий потік. Експериментально визначають на поверхні Землі, в свердловинах, на дні морів і океанів важливий параметр – тепловий потік. , де Q – тепловий потік направлений з надр Землі, який вимірюється в кал/см²*с., λ – коефіцієнт теплопровідності, який визначає властивості гірських порід переносити тепло в точку експериментального визначення теплового потоку, - геотермічний градієнт по нормалі до Землі в точках спостереження. Дослідження всієї поверхні Землі показали, що в будь-якій точці поверхні Землі спостерігається тепловий потік направлений з надр Землі до її поверхні. Це означає що надра Землі знаходяться в нагрітому стані і в Землі існують джерела тепла.

Існують такі закономірності розподілу теплового потоку:

1. загальний зв’язок теплового потоку з тектонічною історією і структурою регіону.

2. Встановлено, що стародавні щити характеризуються зниженими величинами теплового потоку (0,8-0,9*10^-6 кал/см²*с)

3. Платформенні області і западини характеризуються тепловим потоком близьким до нормального (1,1-1,5 кал/см²*с)

4. Області з активною тектонічною діяльністю характеризуються аномально високими величинами теплового потоку (майже двічі і більше перевищує нормальне значення теплового потоку на Україні

5. Рифтові зони 3*10^-6 кал/см²*с

Джерела тепла Землі

1. гравітаційна енергія – енергія, яка виділилась при формуванні Землі як космічного тіла (енергія акреції). Її оцінка 2,5*10³⁹ ерг. Якби ця енергія пішла на нагрівання Землі, то її температура була б 35000С.

2. Енергія, яка виділилась при гравітаційній диференціації земної речовини (різниця гравітаційної енергії однорідної і неоднорідної Землі). Її оцінка 1,5-2*10³⁸ ерг, її було б достатньо для того щоб підвищити температуру Землі на 1900-2600С. При таких температурах могли б розплавитись лише верхні шари планети.

3. Тепло, яке виділяється при радіоактивному розпаді і обумовлене радіоактивним розпадом природних радіоактивних елементів ²³⁸U (1/2Т=4,51*10⁹), ²³⁵U (1/2Т=7,13*10⁸)..., крім того певний внесок в енергетику вносять короткоживучі ізотопи (¹⁰Ве, ³⁶Cl, ²⁶Al (1/2Т=1-10*10⁶)).

4. Теплова енергія фазових, поліморфних і електронних переходів та хімічних реакцій, які відбуваються в процесі еволюції Землі

5. Залишкове тепло, яке збереглося з часу формування Землі, як планети.

6. Тепло, яке виділялося в процесі приливного тріння.

7. Тепло зв’язане з дією нейтрино. На сонці відбуваються термоядерні реакції в процесі яких виділяються нейтрино. Нейтрино виносять із сонця 7 всієї енергії і має магнітних момент, а це означає що нейтрино може взаємодіяти із електронами металізованого ядра Землі.

Механізм переносу тепла в надрах Землі

З фізичної точки зору існує два типи переносу тепла: кондуктивний і конвенктивний. Кондуктивний механізм тепла в твердих тілах зв’язаний із коливаннями атомів в вузлах кристалічної градки. В залежності від умов розрізняють фононний (суто градчастий) переніс тепла в кристалічних тілах. Це квазічастинки, які передають теплову енергію від одного вузла до другого. Фононний механізм характерний для всіх мінералів. Але у випадку нагрівання деяких мінералів у них з’являється нових механізм обумовлений переносом тепла інфрачервоними електромагнітними хвилями. Такий механізм називається променевим. Третій механізм діючий при високих температурах називається ексітонним. Екситони – це квазічастинки які представляють собою сукупність „дірки електрони і електрони”. Конвективний механізм дуже складний. Масштаби явища конвекції оцінити дуже важко, безумовно він діє у верхньому ядрі землі і може спостерігатися у верхній мантії завдяки астеносфері, де спостерігається аномальна в’язкість.