1.2 Лабораторна робота № 2. Теплова енергія Землі

Мета роботи: засвоїти сучасні погляди на джерела та розподіл теплової енергії Землі; методи вимірювання теплового потоку і теплових властивостей гірських порід.

Завдання:

1 Провести аналіз (за літературними джерелами) даних про теплові потоки;

2 Дати обґрунтування гіпотези конвекції;

3 На контурних картах півкуль Землі виділити аномально високі та аномально низькі значення теплового потоку і дати відповідні пояснення щодо цього явища (додаток Б);

4 Побудувати криву зміни температур на прикладі розрізу гірських порід за індивідуальним варіантом.

Основні теоретичні положення

Вивчення теплових процесів, які протікають у Землі, - один з самих складних розділів геофізики. Пояснюється це тим, що дані спостереження на поверхні теплового потоку і температури в надрах Землі, можна інтерпретувати багатьма різноманітними засобами. Для глибин більше 100км наші знання про розподіл температур вельми ненадійні, а розташування джерел тепла та його механізм переносу невідомі. Проте вивчення теплового режиму дуже важливе, оскільки втрати теплової енергії Землі можуть бути прямо чи опосередковано причиною більшої частини тектонічних та магматичних процесів.

Основні складники енергетичного балансу Землі наступні:

1 Сонячна енергія – 10 32 ерг/рік.

2 Енергія, яка втрачається при сповільненні обертання Землі – 3 · 10 28 ерг/рік.

3 Геотермічна втрата тепла - 1028 ерг/рік.

4 Пружна енергія, яка вивільнюється при землетрусах - 1025 ерг/рік.

Найбільшу кількість енергії Земля отримує від Сонця, але значна її частина випромінюється назад у простір. Лише мала кількість сонячної енергії проникає на глибину, яка вимірюється метрами. Тому, сонячна енергія є основним джерелом лише для процесів, які відбуваються на поверхні Землі і над нею. Вона визначає температуру на поверхні Землі. Вплив сонячної енергії на процеси, які проходять в надрах Землі дуже незначний, в порівнянні з тою енергією, яка виділяється внутрішніми джерелами тепла. Енергія, яка вивільнюється при землетрусах, як і енергія припливного тертя (що уповільнює обертання Землі) також невеликі порівняно з геотермічною втратою тепла.

Геотерміка вивчає тепловий стан Землі і розподіл температур в її надрах. Питання про розподіл температури тісно пов’язано з розподілом джерел тепла в глибинах Землі. Температура (Т) сумісно з тиском (Р) є важливішими параметрами земних надр тому, що вони визначають стан речовини.

На теперішній час прийнято вважати, що основним джерелом сучасної теплової енергії в надрах Землі є радіоактивний розпад довго існуючих ізотопів. На ранніх етапах історії Землі суттєву роль у теплових процесах могла відігравати гравітаційна енергія, що вивільнялась. При розсіюванні тепла незначна доля теплового потоку Землі переходить в інші форми енергії, які викликають тектонічні і магматичні процеси, метаморфізм і створюють магнітне поле Землі.

При виконанні лабораторної роботи, студентам необхідно, користуючись відповідною літературою засвоїти основні одиниці виміру теплового потоку, зрозуміти процеси теплопровідності порід та засоби її вимірювання. Особливу увагу необхідно звернути на те, що значення теплового потоку є інтенсивною мірою термічного стану приповерхневої зони до глибин в декілька сотень кілометрів. Сучасні підходи дозволяють різні значення теплового потоку корелювати з різноманітними структурами. У зв’язку з цим, геотермічні дані все ширше починають використовувати при фізичній інтерпретації геологічних структур.

На відміну від розподілу щільності, тиску та прискорення сили тяжіння, які відомі достатньо точно, розподіл температури (Т⁰С) у надрах Землі ще визначено не точно. Оцінити температуру у надрах Землі можливо шляхом наступних міркувань. Середній геотермічний градієнт на поверхні Землі дорівнює 20⁰С/км. Оскільки градієнт Т⁰С зростає з глибиною, на глибинах 100км, Т⁰С не > 2000⁰С.

Більш точними "термометрами" на цих глибинах є розплавлені первинні корені вулканів. Температури плавлення лав відомі і рівні приблизно 1200⁰С. За останній час детальне дослідження фазової діаграми Mg2SiO4 – Fe2SiO4 дозволило визначити реперну температуру на глибині, яка відповідає 1-й зоні фазових переходів (L=400км). Ця температура рівна 1600±500⁰С.

Мантія землі відносно до механічних коливань веде себе як тверде тіло. Тому за верхню межу температури у мантії Землі приймають розподіл Т⁰С вздовж кривої плавлення. На основі лабораторних даних Т⁰С плавлення на глибині 100км встановлюють рівною 1500⁰С (1800 ^оК). Ці реперні позиції дозволяють за допомогою емпіричних геофізичних даних та напівемпіричних формул для кривої плавлення визначити розподіл температури плавлення у мантії. Встановлено, що на границі з ядром Землі, температура плавлення речовини становить приблизно 5 - 6,5·103 ^оК.

Земне ядро знаходиться у розплавленому стані. Тому за нижню межу температур у ядрі можливо прийняти значення, яке відповідає кривій плавлення. Якщо ядро складається із заліза, то згідно лабораторних даних, Т⁰С плавлення заліза при Р=1,4·10-6 бар не перевищує 4600 ^оК. Якщо ж ядро складається не з чистого заліза, а вміщує домішки легких елементів, то це повинно дещо знизити температуру плавлення заліза. На основі цих даних розрахували, що температура на границі мантія - ядро знаходиться в інтервалі приблизно 4 - 5·103 ^оК.

У рідкому ядрі температури не можуть бути вище, так званих, адіабатичних температур. Останні відіграють важливу роль у фізиці Землі і планет. Вони розмежовують області дії молекулярного та конвективного механізму переносу тепла.

Для підтримки магнітного поля у ядрі весь час повинна проходити слабка конвекція. Тому температури у ядрі Землі повинні бути близькими до адіабатичних.

На відміну від геомагнітного поля, яке швидко змінюється, температури поля Землі характеризуються більшою сталістю. Це обумовлено малою теплопровідністю речовини земних надр, дуже малою швидкістю розігрівання надр за рахунок радіоактивного розпаду домішок радіогенних елементів і більшими відстанями, які тепло повинно пройти, перш ніж воно вийде на поверхню Землі.

Основні уявлення класичної геотерміки отримали подальший розвиток після появи гіпотези тектоніки плит, згідно якої в об'ємних зонах мантії перенесення тепла здійснюється внаслідок конвективного тепломасопереносу.

Таким чином, глибинне теплове поле Землі може служити своєрідним індикатором інтенсивності ендогенних геологічних процесів.

Перелік контрольних питань:

1. Основні джерела теплового поля Землі?

2. Гіпотеза конвекції - в чому вона полягає?

3. Чи відігравала якусь суттєву роль у теплових процесах гравітаційна енергія, що виділялась?

4. Як вимірюється тепловий потік?

5. Що таке теплопровідність і як вона вимірюється?

6. Який метод кращий, порівняння теплового потоку континентів чи океанів?

7. Чи корелюється розподіл теплового потоку в континентальних та океанічних областях з основними геологічними структурами Землі?