Характеристика глибинного теплового поля

 

Особливої уваги заслуговує вивчення глибинних джерел теплового поля Землі. Справа в тому, що глибинне тепло нашої планети пов’язане з джерелами її внутрішньої енергії. Остання проявляється у вигляді виверження вулканів, землетрусів, рухів земної кори, тощо. Таким чином, глибинне теплове поле Землі може служити своєрідним індикатором інтенсивності ендогенних геологічних процесів [10-31]. Границею впливу поверхневих і глибинних факторів теплового поля є шар сталих температур. В результаті багаточисельних вимірювань в глибоких шахтах та бурових свердловинах нижче шару сталих температур встановлено повсюдне зростання температури за глибиною (таблиця 1.1, рис. 1.8, 1.9).

Таблиця 1.1 – Значення температур для геосфер Землі

 

Глибина, км	Т, 0К

Рисунок 1.8 – Оцінки температури всередині Землі, отримані різними методами (за даними Х. Такеучі та ін.)

 

Рисунок 1.9 – Зміна дебаєвської (1) температури і параметру Грюнайзена (2) з глибиною. а) – в мантії Землі, б) – в ядрі Землі

Виходячи з наведених даних, можна побудувати модель розподілу температур в надрах Землі. Однак різні райони Землі характеризуються різною швидкістю зростання температури. Ця швидкість вимірюється величиною геотермічного градієнту G, який обчислюється за формулою:

 

G=(Т-Т_ср.р.)/(h-h_п.т.), (1.3)

 

де Т_ср.р. – середньорічна температура, °С;

h_п.т. – глибина шару сталих температур, м;

Т – температура, заміряна на глибині h, °С.

Фізичною сутністю геотермічного градієнту є приріст температури при зануренні на 1 метр. Значення його, зазвичай, складає сотні і тисячні долі градуса, тому частіше геотермічний градієнт вимірюють в °С/100 м.

Іншим параметром, яким вимірюють швидкість нарощування температури за глибиною, є геотермічна ступінь G: G=(h-h_п.т.)/(Т-Т_ср.р.). Легко побачити, що геотермічна ступінь є величиною, зворотною геотермічному градієнту. Фізична сутність геотермічної ступені – глибина, при зануренні на яку температура надр зростає на 1°С [10].

Швидкості зростання температури за глибиною в різних районах розрізняються іноді в 10-20 разів. В якості середніх, для верхньої частини розрізу земної кори, прийняті значення геотермічного градієнта 3°С/100 м, геотермічної ступені 33 м/°С. З глибиною швидкість зростання температури і значення геотермічного градієнта зменшуються, а геотермічної ступені зростають.

Натомість швидкості зростання температури за глибиною є результатом проявлення багатьох факторів, головними з яких є:

-зміна теплопровідності порід, яка пов’язана з особливостями геологічної будови;

-різниця значень теплового потоку визначається кількістю тепла, що поступає з надр. Ці відмінності чітко реєструються для різних геологічних областей і пов’язуються, перш за все, з положенням джерел глибинного теплового поля. Близькість до таких джерел призводить до зростання температури порід, росту значень геотермічного градієнта і до зниження значень геотермічної ступені.

Тепловий потік оцінюється кількістю тепла, яке поступає знизу на 1 м² геотермічного градієнта шару сталих температур в 1 секунду. Величина теплового потоку пов’язана з теплопровідністю порід і геотермічним градієнтом:

q = l * G, (1.4)

 

де q – тепловий потік, Вт/м²;

l - теплопровідність, Вт/м×К.

 

Результати вимірювання теплового потоку (А.А. Смислов, І.І. Моїсеєнко та ін., 1979) свідчать про значні його варіації, особливо в межах океанічного дна, де він змінюється в інтервалі від 0,2×10^-2 до 44.3×10² Вт/м².

Досить характерний розподіл значень теплового потоку на серединно-океанічних хребтах. Вимірювання показують, що в склепінній частині хребтів вони зростають, а в рифтовій долині відповідають мінімуму. Понижені значення теплового потоку характерні також для областей глибоководних западин та жолобів [4].

Незважаючи на значні варіації теплового потоку (рис. 1.10) в межах океанічного дна і суші, його середні значення на земній поверхні близькі і складають відповідно 5,6 і 5,8×10^-2 Вт/м². Хоча значення теплового потоку з надр Землі набагато менші за випромінювання Сонця, в масштабі планети тепловий потік призводить до виділення значної кількості тепла – близько 10²¹ Дж/рік.