Лекции по Физике Земли

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Тепло Земли

•Внутренняя тепловая энергия Земли обусловлена различными источниками:

-начальное внутреннее тепло, обусловленное нагреванием при аккреции космических частиц из газо-пылевого протопланетного облака и их начальным теплосодержанием;

-выделение гравитационной энергии Земли в процессе плотностной дифференциации и образования ядра;

-изменение кинетической энергии вращения Земли, сопровождающееся превращением механической энергии в тепловую посредством приливного трения;

-теплогенерация при распаде радиоактивных элементов.

• Вклад долгоживущих радиоактивных изотопов урана, тория и калия оценивается величиной (0,4 – 0,9) 1031 Дж.

•Энергия гравитационной дифференциации, выделяющаяся в основном на ранних стадиях эволюции при образовании ядра и мантии Земли, составляет примерно (1,4

– 2,0) 1031 Дж.

•Наиболее мощным поверхностным проявлением внутренней тепловой энергии Земли является планетарный тепловой поток.

•Потери тепла Землей оцениваются величиной (3 – 4) 1013 Вт, что на несколько порядков превосходит др. энергетические потери, связанные с геологическими и

тектоническими процессами (для сравнения энергия, высвобождаемая землетрясениями, составляет ~ 3 1011 Вт). Вклад в тепловой поток за счет остывания составляет 25 – 40 %. О.И.Парфенюк.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943Базовые идеи геотермии

•Тепловое поле одно из физ. полей Земли, изучаемое геотермией. Процессы распространения температурных волн в земной коре подчинены теории теплопроводности Фурье. При изменении

температурных условий на поверхности под влиянием солнечной радиации глубина суточных колебаний температуры составляет 0.9 – 1.2 м, сезонных и годовых достигает 18 – 40 м. Экспериментальные

геотермические измерения проводятся на глубинах ниже этого слоя, где температура остается практически постоянной и не зависит от изменений условий на поверхности.

•Тепло всегда имеет тенденцию двигаться от нагретых к холодным областям (как вода – из области высокого давления в сторону низких давлений).

•Температура возрастает с глубиной. Температурный градиент в скважинах на континентах составляет 25300/км. Однако, этот градиент не справедлив на больших глубинах, иначе на глубине 100 км мы бы имели температуру 25000С, что выше температуры плавления всех известных пород. По сейсмическим данным Земля на этих глубинах твердая. Т.о. температурный градиент уменьшается с глубиной.

•Измерения теплового поля Земли содержит две составляющие:

1)непосредственные измерения температуры;

2)определение теплофизических свойств (теплопроводности, теплоемкости, теплогенерации).

-Измерения температуры в скважинах проводятся на аппаратуре, имеющей погрешность 0,02 – 0,03 C (чувствительные датчики после тщательной градуировки). Измерения проводят в процессе бурения или сразу после его окончания с целью получения промысловых характеристик скважины.

Эти данные искажены техногенными факторами, связанными с нарушением естественного теплового поля бурением и промывкой скважин, поэтому требуют введения соответствующих поправок. Оптимальными условиями для геотермических измерений являются выстоявшиеся скважины.

Измерения выполняются в дискретных точках через равные интервалы по глубине с выстойкой термометра на каждой точке от 2 - 3 до 15 - 20 мин. в зависимости от водонасыщенности скважин.

Определения теплопроводности и других теплофизических свойств горных выполняются в лабораторных условиях.

В основе методов геотермического моделирования лежат законы распространения тепла в пространстве.

•b) Конвективный перенос тепла. Тепло

переносится движением горячего материала (подобно циркуляции горячей воды в системе отопления). В этой системе

нагретый материал с пониженной плотностью поднимается вверх, где он охлаждается, его плотность увеличивается и он погружается вниз.

•c) Электромагнитный перенос тепла («лучистая энергия»). Связывается с

переносом энергии электромагнитным излучением. Он становится эффективным только в обл. высоких температур (1800 – 2000оК), т.е. на глубинах, превышающих 100

– 200 км. В некоторых силикатах процесс,

возожно, имеет не меньшее значение, чем кондуктивный перенос.

-В вакууме теплопередача только через излучение. В звездах, где температура достигает десятки – сотни млн.0С

преобладает этот механизм передачи энергии.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Конвекция и кондукция внутри Земли.

•В составе верхних оболочек Земли выделяется твердая литосфера и горячая астеносфера, которая медленно течет.

•Тепло, поступающее из глубины

перемещается путем кондукции.

•В пределах астеносферы температурный градиент резко падает до 1/20С/км.

•Конвекция локально проявляется в литосфере – т.н.диапиры – подъемы менее плотной магмы.

•Термальная конвекция проявляется при нагреве подземных вод горячими интрузиями.

•[лат. convectio - принесение] перемещение

макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы, энергии (теплоты) и др. физ. величин.

•Конвекция в мантии- течения в мантии,

которые могут быть вызваны:

1)вертикальным градиентом температуры, превышающим адиабатический,

2)подводом достаточно мощного теплового потока к нижней границе,

3)внутренним подогревом из-за наличия

радиоактивных источников,

4)существованием отличного от нуля горизонтального градиента температуры.

•Конвекция в ядре - (тепловая или

гравитационная) течения в жидком металлическом ядре, являющиеся причиной возникновения геомагнитного поля.

Тепловая конвекция возможна в результате радиоактивного распада, либо в связи с выделением скрытой теплоты при затвердевании и росте внутреннего ядра.

Гипотеза гравитационной конвекции предполагает образование гравитационно неустойчивой обл. при росте внутреннего

ядра в слое, обедненном никелем, что приводит к конвективной циркуляции во внешнем ядре. Второй механизм более

вероятен вследствие большей эффективности.

vk•.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(теплопроводность пород) характеризует легкость, с которой тепло переносится через материал.

• Плотность теплового потока (Q) рассчитывается по формуле:

потока по всем континентам составляет примерно 58 мВт/м2, по океанам

– 78 мВт/м2. Определяя полную величину теплопотерь с континентов и

океанов, получим величину среднего глобального теплового потока 70 мВт/м2 (Теркот Д., Шуберт Дж. 1985). Т. п. - единственная

непосредственно измеряемая величина, позволяющая контролировать правильность выводов о внутреннем строении и энергетике процессов, происходящих в земных недрах.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Теплопроводность

•коэффициент теплопроводности - коэффициент ( ) в законе теплопроводности Фурье,

связывающий тепловой поток и градиент температуры, мера способности материала проводить тепло, один из теплофизических параметров. К. т. численно равен количеству

тепла, переносимому через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры (геотермическом градиенте), равном единице. Среднее значение К. т. приповерхностных г.п. составляет 2 - 3 Вт/м· K.

•Среди осадочных отложений геологических структур континентов по значениям теплофизических характеристик выделяются три группы пород: 1) терригенно-глинистые

отложения с резко меняющейся теплопроводностью, варьирующей в зависимости от степени литификации осадков; 2) плотные (кристаллические) карбонатные, соленосные и кварцитовые породы с постоянно повышенной теплопроводностью; 3) торф, бурые и каменные угли, углеродистые и горючие сланцы с чрезвычайно низкой теплопроводностью.

•Теплопроводность (λ) интрузивных образований различной основности обусловлена решеточной проводимостью кристаллических структур минералов. Повышенная плотность

этих пород, значительно меньшая пористость и содержание воды (по сравнению с осадочными породами) обуславливают более высокие значения λ . Для интрузивных пород

не отмечается четкой зависимости λ от возраста пород или времени проявления складчатости.

•Эффузивные породы характеризуются меньшими значениями λ по сравнению с интрузивными той же основности, что связано со структурными особенностями вулканитов.

Значение λ вулканитов в отличие от интрузивных пород увеличивается с уменьшением основности. Теплопроводность вулканитов уменьшается с уменьшением возраста пород,

минимальна в кайнозойских лавах Тихоокеанского подвижного пояса, в областях современного вулканизма.

•Метаморфические породы характеризуются высокой теплопроводностью, что связано с наличием плотных кристаллических структур с низкой пористостью и широким развитие метаморфических минералов (андалузиты, ставролиты).

vk.com/club152685050Континентальная| vk.com/id446425943 литосфера и

радиоактивность.

•Континентальная литосфера (в отличие от океанической) содержит значительное количество радиоактивных элементов (U,Th, K). Они продуцируют тепло.

•Количество тепла, продуцируемое в 1 кв. метре каждую секунду – теплогенерация.

Т.о.: - тепловой поток с приближением к поверхности Земли

возрастает.

- температурный градиент с приближением к поверхности

Земли также возрастает, сравнительно с моделью литосферы без учета радиогенной составляющей.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Теплогенерация

•– выделение тепла при радиоактивном распаде естественных долгоживущих изотопов 235U, 238U, 232Th, 40K; основной источник внутреннего тепла Земли. Более 99 % радиогенного тепла, генерируемого в недрах планеты,

обусловлено этими элементами, которые выделяют следующее количество энергии: 235U – 58.6 10-5 Вт/кг, 238U – 9.62 10-5 Вт/кг, 232Th – 2.63 10-5 Вт/кг,

–2.8 10-5 Вт/кг. Скорость радиоактивной генерации экспоненциально

убывает во времени, поэтому наибольшим вклад радиоактивной генерации был на ранних стадиях эволюции Земли. Среднее тепловыделение, имевшее

место в мантии в прошлом, можно выразить через его современное значение, используя закон радиоактивного распада. Из этих соотношений

следует, что мощность радиоактивных источников тепла 3 млрд. лет назад была примерно вдвое выше, чем сейчас. В современную эпоху радиоактивные изотопы урана в природе представлены на 99.27% (по массе) изотопом 238U и на 0.72% - изотопом 235U. Природный торий на 100 % состоит из 232Th, в естественном калии содержится 0.0128% 40K.

Радиоактивные элементы распределены неравномерно по глубине – наиболее обогащена в настоящее время земная кора. Радиоактивность п. возрастает также с ростом кислотности. Наиболее высокорадиоактивные п. известково-щелочной серии – граниты – имеют значение радиоактивной теплогенерации 2.5 мкВт/м3. О.И.Парфенюк.