1.3.2.Тепловое поле Земли. Источники тепловой энергии.

На оглавление

Протекающие на поверхности и в недрах планеты геологические процессы в первую очередь обусловлены тепловой энергией. Тепловое поле Земли формируется под действием эндогенных (или внутренних источников), связанных с генерацией тепла в недрах планеты, и экзогенных (или внешних по отношению к планете).

На поверхности планеты важнейшую роль имеет экзогенный источник тепла - солнечное излучение. Температура поверхности Земли определяется главным образом солнечным теплом, поток которого составляет в сред­нем 3,4^.10^-2 Дж/с^.см2. 1 Дк = 10 зрг; 1 кал.= 4,187 Дж. Считается, что поверхность Земли находится в состоянии, близком к тепловому равновесию, и в среднем излучает столько же тепла, сколько получает. Поток тепла меняется по интенсивности и направлению. Темпе­ратурные колебания разного периода проникают на различную глубину. О длиннопериодных вариациях теплового поля Земли свидетельствуют эпохи оледенений.

Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается. Уже на небольшой глубине (до 20-30 м) располагается пояс постоянных температур - область глубин, где температура остаётся постоянной и равна среднегодовой температуре района. Ниже пояса постоянных температур тепло связано с эндогенными источниками.Тепловой поток, генерируемый в недрах Земли, оценивается в ~1025 Дж/год. Температура горных пород с глубиной возрастает. Интенсивность поступления тепловой энергии из недр к поверхности отражается в величине геотермического градиента. Геотермический градиент – приращение температуры с глубиной, выраженной в ⁰С/км. «Обратной» характеристикой является геотермическая ступень - глубина в метрах, при погружении на которую температура повысится на 1 ⁰С. Средняя величина геотермического градиента в верхней части коры составляет 33 ⁰С/км и колеблется от 200 ⁰С/км в областях современного активного магматизма до 5 ⁰С/км в областях со спокойным тектоническим режимом. С глубиной величина геотермического градиента существенно уменьшается, составляя в литосфере, в среднем около 10 ⁰С/км, а в мантии - менее 1 ⁰С/км. Причина этого кроется в распределении источников тепловой энергии и характере теплопереноса.

Источниками эндогенной энергии являются следующие: 1). Энергия глубинной гравитационной дифференциации, т.е. выделение тепла при перераспределении вещества по плотности при его химических и фазовых превращениях. Основным фактором таких превращений служит давление. В качестве главного уровня выделения этой энергии рассматривается граница ядро – мантия. 2). Радиогенное тепло, возникающее при распаде радиоактивных изотопов. Согласно некоторым расчётам, этот источник определяет около 25% теплового потока, излучаемого Землёй. Однако необходимо принимать во внимание, что повышенные содержания главных долгоживущих радиоактивных изотопов – урана, тория и калия отмечаются только в верхней части континентальной коры (зона изотопного обогащения). Например, концентрация урана в гранитах достигает 3,5 • 10^-4%, в осадочных породах - 3,2 • 10^–4 %, в то время как в океанической коре она ничтожно мала: около 1,66 • 10^-7 %. Таким образом, радиогенное тепло является дополнительным источником тепла в верхней части континентальной коры, что и определяет высокую величину геотермического градиента в этой области планеты. 3). Остаточное тепло, сохранившееся в недрах со времени формирования планеты. 4). Твёрдые приливы, обусловленные притяжение Луны. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения в толщах горных пород. Доля этого источника в общем тепловом балансе невелика – около 1-2 %.

В литосфере преобладает кондуктивный (молекулярный) механизм теплопереноса, в подлитосферной мантии Земли происходит переход к преимущественно конвективному механизму теплопереноса. Расчёты температур в недрах планеты дают следующие значения: в литосфере на глубине около 100 км температура составляет около 1300 ⁰С, на глубине 410 км – 1500 ⁰С, на глубине 670 км – 1800 0С, на границе ядра и мантии – 2500 ⁰С, на глубине 5150 км – 3300 ⁰С, в центе Земли – 3400 ⁰С. При этом в расчёт принимался только главный (и наиболее вероятный для глубинных зон) источник тепла – энергия

Рис.1.6. Изменение температуры с глубиной