Домашнее задание по дисциплине «Основы геофизики и геофизическая экология» для студентов группы з-2г10

Задание №1

Цель: изучить термический режим и термическую зональность земных недр. Рассчитать теплофизические свойства осадочного, гранитного и базальтового слоев земной коры и оценить основные источники тепла Земли.

Задача: 1) изучить теоретические и справочно-информационные материалы;

2) рассчитать значение температуропроводности А и объемную теплоемкость Соб.

Исходные данные взять из таблицы 1, согласно вашего варианта.

Номер варианта выбирается по последней цифре учебного шифра студента.

3) ответить на вопросы.

Краткие теоретические и справочно-информационные материалы

Тепловое поле Земли формируется за счет различных источников тепла, его переноса и перераспределения.

Источниками тепла служат внутренние (эндогенные) глубинные тепловые процессы и солнечная энергия (экзогенные). Перенос и перераспределение тепла в земной коре осуществляется молекулярной теплопроводностью горных пород, конвекцией и излучением.

На глубинах свыше 10 км наибольшую роль в теплопереносе играют излучение нагретого вещества недр и конвекция. Измеряемыми параметрами теплового поля Земли являются температура горных пород, приращение ее с глубиной и теплопро­водность.

Тепловой поток из земных недр – не единственная форма внутренней энергии Земли. Кроме вулканов, которые представляются главным образом явлениями термического характера, самым значительным проявлением внутренней энергии следует считать тектоническую активность.

К основным процессам, управляющим тектонической активностью Земли, относятся только те процессы, которые в наибольшей степени снижают потенциальную (внутреннюю) энергию нашей планеты и системы Земля – Луна. При этом снижение потенциальной энергии происходит за счет ее перехода в тепло, и в кинетическую энергию движения земных масс – конвекцию, дрейф литосферных плит, горообразование и т.д.

В свою очередь, любые перемещения земных масс также сопровождаются диссипа­цией (рассеиванием) кинетической энергии и выделением тепла. Тепло это приво­дит к частичному расплавлению вещества верхней мантии или по­род континентальной коры, питая тем самым своей энергией магматизм Земли. Однако, в конце концов, все это тепло постепенно теряется с тепловым излучением через земную поверхность и рассеивается в космос.

Наиболее мощными внутриземными энергетическими процессами являются: процесс гравитационной дифференциации земного вещества по плотности, процесс распада радиоактивных элементов и процесс приливного взаимодействия Луны с Землей.

Влиянием остальных источников энергии на тепловое состояние Земли можно пренебречь. Не оказывает на внутреннюю энергетику нашей планеты и сколько-нибудь существенного влияния тепловой поток солнечного излучения, так как он активно влияет лишь на проявление: процессов – выветривание пород, поверхностный перенос продуктов их разрушения, осадконакопление и т.д.

Детальный анализ формирования теплового поля и энергетики Земли дан в работах М. Ботта (1974), Ж. Гогеля (1978), В.Н. Жар-(1983), О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова (1991), а также в учебниках А.С. Чечкина (1990) и В.М. Мишона (1993).

Непосредственные геотермические измерения и косвенные данные позволяют выделить в земной толще три характерные термические зоны. Они различаются по источникам генерации тепла и, как следствие, изменениям температуры во времени и по глубине.

Верхняя, гелиометрическая зона приповерхностная, тонкая (в среднем до 30 м) зона земной коры имеет температуру, определяемую солнечной радиацией. Это геотермическая зона, испытывающая сезонные колебания температуры.

Ниже располагается еще более тонкая нейтральная зона (пояс) с постоянной температурой, соответствующей средней годовой температуре данного места.

Всю нижележащую толщу земной коры, а также мантию и земное ядро занимает геотермическая зона, температура которой определяется внутренними тепловыми источниками Земли, теплопроводностью пород и нарастает с глубиной.

Гелиометрическая зона (деятельный слой). Поступление солнечной радиации на земную поверхность имеет ярко выраженный суточный, сезонный, годовой и многовековой ход, что приводит к соответствующим циклическим изменениям температуры воздуха и поверхности Земли. Чем больше период цикличности средних температур воздуха, тем на большую глубину в земную кору они проникают.

В зависимости от глубины проникновения амплитуды колебаний температуры в гелиометрической зоне выделяют слой суточных и слой годовых колебаний температуры. Скорость передачи температурных колебаний характеризуется коэффициентом температуропроводности - А (м²/с), представляющим собой отношение коэффициента теплопроводности λ к объемной теплоемкости ρс:

А= λ /ρс (1)

К теплофизическим свойствам горных пород относятся: теплопроводность λ, характеризующая свойства среды передавать тепло; теплоемкость с, т.е. количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °С, и температуропроводность А, характеризующая скорость изменения температуры при поглощении или отдачи тепла веществом.

Различают объемную (Соб) и удельную (с) теплоемкости. Между собой они связаны соотношением Соб = ρс, где ρ – плотность горной породы г/м³.

В международной системе единиц СИ объемная теплоемкость Соб имеет размерность Дж/(м³·К), а удельная с – Дж/(кг·К). Теплоемкость горных пород отличается сравнительным постоянством и возрастает с увеличением водонасыщенности и температуры.

Задание. Используя известные значения λ, ρ, с для вашего варианта (см.таблица 1) необходимо рассчитать для каждого слоя (осадочный, гранитный, базальтовый) значение температуропроводности А и объемную теплоемкость Соб.

Таблица 1

Данные	ВАРИАНТ
Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м·К),	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Осадочный слой	1,20	1,21	1,22	1,23	1,24	1,24	1,25	1,20	1,21	1,22
Гранитный слой	3,5	3,4	3,3	3,2	3,1	3,0	3,4	3,2	3,1	2,8
Базальтовый слой	4,0	4,1	4,2	4,3	4,4	4,5	4,0	4,1	4,2	4,3
Средняя плотность пород ρ *103(кг/м3)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Осадочный слой	2,5	2,4	2,3	2,4	2,3	2,5	2,4	2,5	2,3	2,4
Гранитный слой	2,8	2,7	2,8	2,7	2,8	2,8	2,7	2,8	2,7	2,8
Базальтовый слой	3,0	3,1	3,2	3,0	3,1	3,2	3,0	3,1	3,2	3,0
Удельная теплоемкость пород с с*103(Дж/(кг•К),	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Осадочный слой	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
Гранитный слой	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8
Базальтовый слой	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9

Ответить на вопросы:

1. В каком слое земной коры скорость изменения температуры выше и почему?

2. Какие термические зоны земной коры вы знаете?

3. От чего зависит глубина проникновения солнечной радиации в земную кору?

4. Какой внутриземной энергетический процесс считается самым мощным?

5. Из каких источников тепла формируется тепловое поле Земли?

Задание № 2

Цель: знакомство с этапами сейсморайонирования территорий и вероятностными способами оценки их фоновой сейсмичности.

Задача: 1) изучить теоретические сведения;

2) По данным, приведенным в таблице 2, в соответствии с Вашим вариантом постройте график повторяемости землетрясений, оцените величину К_{min ,} а также величины ПЗ и МРЗ для соответствующей площадки строительства.

Номер варианта выбирается по последней цифре учебного шифра студента.

3) ответить на вопросы.