Тепловое поле

Тепловое поле Земли первым из геофизических полей привлекло внимание человека. Самые бурные проявления термической активности – извержения вулканов – сыграли важную роль в формировании религиозных мифологических представлений о строении мира. Другая форма геотермальной активности – горячие источники – с незапамятных времён использовались человеком. Таким образом, тепловое поле Земли оказалось первым объектом практического использования, по-видимому, опередив даже использование геомагнитного поля, результатом которого стало изобретение компаса китайскими мореплавателями.

Тепловое поле стало раньше всех других полей и предметом научных исследований. Началом его научных исследований можно считать наблюдения за извержением Везувия в 73 году до н.э., которые производил и погиб при этом римский писатель Гай Плиний Секунд, Старший. Он стал первой жертвой научного энтузиазма. Но возможно, начало научных исследований теплового поля было заложено ещё в третьем веке до н.э., когда великий греческий философ Эмпедокл (490-430гг. до н.э.), уединившись, поселился на склоне Этны, в башне, которая впоследствии была названа «Торе дель Философо» (Башня философа). Много веков спустя на этом месте была создана одна из итальянских вулканических обсерваторий. Этот факт характеризует преемственность науки.

Количественные методы в исследования теплового поля были введены после изобретения в начале 17 века одним из основателей точного естествознания итальянским учёным Г. Галилеем (1564-1642) термометра. Уже первые измерения температуры в шахтах и рудниках показали, что температура на глубоких горизонтах весь год неизменна и что она увеличивается с глубиной. На это своеобразие теплового режима шахт обращали внимание английский физик Р.Бойль (1627-1691) и М.В. Ломоносов. В своём трактате «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» М.В.Ломоносов писал: «Воздух в рудниках во всякое время целого года сохраняет равное растворение».

Факт роста температуры с глубиной дал основание для разработки научных космогонических гипотез, первой из которых была атеистическая гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе история планеты представлялась как её остывание из первоначально расплавленного состояния. Впоследствии эта гипотеза вошла в противоречие с другими астрономическими и геологическими фактами, в том числе и с геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно больше, чем время, необходимое для остывания земного шара.

В 1868г. по инициативе английского физика У.Томсона (1824-1907), получившего за научные заслуги звание лорда Кельвина, измерения температур в скважинах, шахтах и рудниках были систематизированы. По результатам этой работы был сделан вывод, что на каждые 100м температура возрастает на 2,5-3,5°С. Одновременно выяснилась необходимость углублённого изучения теоретических вопросов геотермии – природы внутриземного тепла, термической эволюции Земли, глубинного теплового потока, условий формирования гидротерм.

Источникам теплового поля Земли являются процессы, протекающие в её недрах, и тепловая энергия Солнца (табл.7).

Таблица 7

Источник энергии	F, эрг/год
Солнечная энергия	10^32
Геотермическая энергия	10^28
Упругая энергия землетрясений	10^25
Энергия, теряемая при замедлении вращения Земли	3×10^26
Тепло, выносимое при извержении вулканов	2,5×10^25

Хотя самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но лишь очень малая его часть проникает внутрь планеты. Остальная часть излучается обратно в пространство. Количество получаемого и отражённого Землёй солнечного тепла неодинаково для разных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам (рис.1.47). Тепловое излучение Солнца оказывает незначительный эффект на недра Земли. Тепловое излучение является одним из источников информации о состоянии поверхности планеты и её атмосферы.

Рис.1.47. Карта изотерм (январь)

К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создаётся благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счёт приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими). Тепловая энергия перечисленных источников, высвобождающаяся на земной поверхности в единицу времени, значительно выше энергии тектонических, сейсмических, гидротермальных процессов.

Внутреннее тепловое поле отличается высоким постоянством. Оно не оказывает влияния на температуру вблизи земной поверхности или климат, так как энергия, поступающая на земную поверхность от Солнца, в 1000 раз больше, чем поступающая из недр. Вместе с тем среднее тепловое воздействие Солнца не определяет теплового состояния Земли и способно поддерживать постоянную температуру на поверхности Земли около 0°С. Фактически же благодаря изменению солнечной активности температура приповерхностного слоя воздуха, а с некоторым запаздыванием и температура горных пород, изменяются.

Суточные, сезонные, многолетние и многовековые вариации солнечной активности приводят к соответствующим циклическим изменениям температуры воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия.

Суточные колебания температуры воздуха проявляются в почвенном слое глубиной 1-1,5м. Это связано с переносом солнечного теплового потока за счёт молекулярной теплопроводности пород и конвекции (движения жидкости или газа в поле тяжести под влиянием потока теплоты, идущего снизу) воздуха, паров воды, инфильтрирующихся осадков и подземных вод.

Сезонные (годовые) колебания вызывают изменения температур на глубинах 20-40м. На таких глубинах теплоотдача осуществляется в основном за счёт молекулярной теплопроводности, а также движения подземных вод. На глубинах 20-40м располагается нейтральный слой (или зона постоянных годовых температур). В нём температура остаётся практически постоянной и в каждом районе она в среднем на 3,7°С выше среднегодовой температуры воздуха.

Многовековые климатические изменения сказываются на вариациях температур сравнительно больших глубин. Например, похолодания и потепления в четвертичном периоде влияли на тепловой режим Земли до глубин 3-4км. Если не учитывать многовековых климатических изменений, то можно считать, что ниже зоны постоянных температур (на глубинах свыше 40м) влиянием цикличности солнечной активности можно пренебречь, а температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств пород.

Ниже нейтрального слоя температура пород повышается в среднем на 3°С при погружении на каждые 100м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего тепла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока, численно равной количеству теплоты, передаваемой сквозь единицу поверхности тела за единицу времени. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4-1,5мккал/см²×с. Однако исследования, проведенные на континентах и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах.

Наименьшие значения теплового потока отмечены в районах древних кристаллических щитов (Балтийском, Украинском, Канадском) и равны в среднем 0,85мккал/см²×с. В равнинных платформенных областях тепловой поток находится в пределах 1,0-1,2мккал/см²×с и только местами на отдельных поднятиях увеличивается до 1,3-1,4мккал/см²×с.

В пределах значительных пространств ложа Мирового океана величина теплового потока находится в пределах 1,1-1,2мккал/см²×с, что сопоставимо с данными по платформенным частям континентов. Высокие тепловые потоки связаны с рифтовыми долинами срединно-океанических хребтов.

Плотность теплового потока является самой информативной геотермической характеристикой, так как она характеризует мощность теплового источника и величину теплопотерь с поверхности Земли. Тепловой поток коррелирует с параметрами других геофизических полей, которые также характеризуют источник соответствующих полей. Постоянство средних тепловых потоков суши и океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков (отклонения от установленных средних потоков) несут информацию о строении земной коры и верхней мантии.

Установлено, что основной источник тепла на континентах – это энергия радиоактивного распада, что объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основными источниками тепла являются процессы, происходящие в мантии на глубинах до 700-1000км. Радиогенное тепло является основным среди других видов тепловой энергии недр. За время существования Земли оно более чем в 2 раза превысило потери за счёт теплопроводности.

Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передаётся посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10км) передача тепла осуществляется в основном за счёт излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, расплавленных лав, гидротерм. На меньших глубинах перенос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземными водами.

Источники локальных тепловых потоков, вызывающих аномалии температур, разнообразны. К ним относят: наличие многолетнемерзлотных пород, то есть мощных (до сотен метров) толщ с отрицательными температурами, присутствие пород и руд с повышенной радиоактивностью, влияние экзотермических (с поглощением тепла) и эндотермических (с выделением тепла) процессов происходящих в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля и других руд, проявление современного вулканизма и тектонических движений, циркуляция подземных, в том числе термальных, вод и др. Локальные тепловые потоки, как и региональные, зависят не только от наличия источников, но и от условий переноса тепла за счёт теплопроводности горных пород и конвекции почвенного воздуха и подземных вод.

Геотермическая разведка (терморазведка) объединяет физические методы исследования теплового поля Земли. Её цель – изучение ландшафтов, термического режима земной коры и верхней мантии, выявление геотермических ресурсов, решение поисково-разведочных и инженерно гидрологических задач. При этом регистрируют радиотепловое и инфракрасное излучение земной поверхности, измеряют температуру, её вертикальный градиент или тепловой поток. Распределение этих параметров в плане и по глубине несёт информацию о термических условиях и геологическом строении изучаемого района.

Фундаментальные аспекты изучения теплового поля заключаются в том, что они дают важнейшую количественную информацию для понимания и моделирования геодинамических процессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений. Не менее важны и прикладные аспекты геотермических исследований. Они связаны, с одной стороны, с оценкой геотермальных ресурсов для их использования в энергетике, теплоснабжении и т. д., а с другой – с применением геотермического метода поисков и разведки месторождений на континентах и на акваториях.

Тепловой поток, поднимающийся из недр Земли, является важным физическим полем, которое даёт информацию не только о строении, но и о возрасте Земли.

Дата добавления: 2014-11-18