Проблема походження глибинного теплового поля Землі
Проблема походження глибинного теплового поля Землі - раздел Геология, Геодинаміка
Ця Проблема Досить Складна Сама По Собі. Вона Тісно Пов’Язана...
Ця проблема досить складна сама по собі. Вона тісно пов’язана з іншими невирішеними до кінця проблемами – походження Землі, особливостей її внутрішньої будови, хімічного складу, тощо. Тому сучасні дані про природу глибинного теплового поля Землі багато в чому базуються на гіпотетичних, або теоретичних фактах, що прогнозуються і не можуть забезпечити вичерпних рішень проблеми. На рис.1.11 зображено оцінку температури всередині Землі (за даними Х. Такеучі та ін.).
На основі даних про будову Землі та її складу (що допускається) можна вважати, що теплове поле нашої планети обумовлене двома факторами – адіабатичним стискуванням і радіоактивним розпадом речовини.
Адіабатичне стискування є в певній мірі можливим фактором зростання температур надр, якщо врахувати гігантський тиск в мантії і, особливо, в ядрі Землі.
Зростання температури, яке обумовлене стискуванням, може бути визначене з коефіцієнту теплового розширення та питомої теплоємності речовини, що складає надра Землі [6, 10, 14, 24].
На основі даних змін швидкостей сейсмічних хвиль в мантії вдалося кількісно оцінити коефіцієнт теплового розширення та питому теплоємність мантії. Ці результати лягли в основу оцінки адіабатичного градієнту зростання температури в мантії. Його значення рівне 0.35-0.45°С/км. Значення адіабатичного градієнту дозволяє вирахувати значення температури підошви мантії, обумовлене тільки стискуванням, в 1000-1200°С.
Радіоактивний розпад, ймовірно, є основним фактором, який визначає глибинне теплове поле Землі.
Відповідно до сучасних поглядів, головним джерелом розігріву надр Землі є U, Th і радіоактивний ізотоп K.
Найбільшим вмістом радіоактивних елементів характеризуються граніти, що складають верхній (гранітний) шар земної кори. В базальтах цей вміст в 3-6 разів менший, і дуже мало його в перидотиті, що складає верхню мантію. В хондритах і залізних метеоритах вміщується дуже мала кількість радіоактивних елементів, що, можливо, відповідає вмісту їх в ядрі Землі.
Природно, що і властивість порід генерувати тепло різна. Найбільша вона в гранітах, але при цьому настільки мала, що для доведення до кипіння склянки води за допомогою радіогенного тепла, що виділяється 1 см3 граніту, потрібно було би 500 млн. років. Але ж в масштабах нашої планети роль радіогенного тепла значно збільшується.
Розрахунки показують, що основна доля теплового потоку (середнє значення 1.5×10-6 кал/см2×с), що вимірюється, генерується земною корою. Цей висновок узгоджується з даними вимірювання теплового потоку на континентах, де його середнє значення досягає від 0.92-10-6 до 2.16×10-6 кал/см2×с [4, 10].
На основі цього можна зробити висновок, що в океанах, де кора представлена малопотужним базальтовим шаром з низьким вмістом радіоактивних елементів, значення теплового режиму повинно бути значно меншими. Але ж результати вимірювання показали, що в океанах середнє значення теплового потоку близьке до його значення на континентах (0.99×10-6 – 1.82×10-6 кал/см2×с), а окремі значення, що заміряні в океанах, досягали іноді 8.1×10-6 кал/см2×с.
Пояснення цьому фактові поки що немає.
Рисунок 1.11 – Теплова історія Землі. t – час після народження Землі, К - температура (0 0К = -273 0С)
Але вважають, що реальне розподілення радіоактивних елементів в корі та мантії відрізняються від прийнятого при розрахунках, або ж під океанічним дном активно проявляється теплова конвекція (перемішування) речовини мантії, яка забезпечує підток додаткового тепла з її нижніх шарів.
Вірогідно, що тепловий потік, фактично заміряний на континентах і в океанах, ймовірно, суттєво різний по структурі. На континентах основна доля тепла генерується в корі (в гранітному шарі), в той час як доля тепла з базальтового шару і мантії невелика. В океанах тепло поступає в основному з мантії, і тільки невелика його частина генерується в малопотужному базальтовому шарі.
Сепарація речовини земного ядра, можливо, є менш інтенсивним джерелом глибинного тепла. Згідно з гіпотезами “холодного” походження Землі, первинна метеоритна речовина диференціювалась з виплавленням важких металів з мантії та формуванням залізо-нікелевого ядра. Розрахунки показують, що при цьому виділилася досить велика кількість енергії (біля 1033 Дж). Однак час, протягом якого це відбувалось, невідомий. Енергія могла виділитися ще на стадії формування планети або пізніше, в міру відділення ядра. Остання точка зору більш правдоподібна.
Додатковими джерелами глибинного тепла можуть бути:
-процес гравітаційного адіабатичного стискування нашої планети;
-екзотермічні хімічні реакції.
Однак ці джерела в загальному балансі глибинного теплового поля відіграють незначну роль.
Глибинне тепло досягає поверхні Землі різноманітними шляхами, серед яких домінують:
-циркуляція термальних вод;
-теплоперенос з глибинних зон за рахунок природної теплопровідності порід. (Існують три види теплопереносу: молекулярний, конвективний і променевий);
-вулканізм.
Поряд з головним, найбільш потужним джерелом тепла - випромінюванням Сонця – глибинні фактори роблять суттєвий внесок у формування теплового поля Землі.
Зупинимося більш детальніше на теплопереносі з глибинних зон Землі.
Глибинне тепло досягає поверхні Землі різноманітними шляхами, серед яких домінують:
-циркуляція термальних вод;
-теплоперенос з глибинних зон за рахунок природної теплопровідності порід. (Існують три види теплопереносу: молекулярний, конвективний і променевий);
-вулканізм.
Поряд з головним, найбільш потужним джерелом тепла - випромінюванням Сонця - глибинні фактори роблять суттєвий внесок у формування теплового поля Землі.
Зупинимося більш детальніше на теплопереносі з глибинних зон Землі.
Для того, щоб пояснити механічні властивості земних надр необхідно знати розподіл температури. Розподіл температури з глибиною безпосередньо визначає реологію мантійних порід і залежить від того, з якою швидкістю відбувається перенос тепла з надр Землі до поверхні. Існує три види теплопереносу: молекулярний, конвективний і променевий.
Молекулярний теплоперенос (теплопровідність) має місце тоді, коли в середовищі відбувається передача енергії при зіткненнях між молекулами. Конвективний теплоперенос пов'язаний з рухами середовища в цілому. Наприклад гаряча рідина, втікаючи у холодну, нагріває її. Променевий теплоперенос - це перенос енергії електромагнітним випромінюванням. Прикладом може слугувати перенос енергії від Сонця.
В надрах Землі важливим є теплоперенос молекулярний і конвективний. В континентальній корі і літосфері розподіл температури визначається в основному молекулярним виносом на поверхню тепла, яке йде від мантії. Вихід внутрішнього тепла Землі через океанічну кору та літосферу також в значній мірі відбувається за рахунок молекулярного механізму, хоча поблизу океанічних хребтів існує теплоперенос за рахунок конвекції води. Молекулярний перенос цілком визначає нагрів захоронених осадочних порід і перебудову приповерхневого профілю температури. З іншого боку, конвекція грає домінуючу роль в переносі тепла з глибин мантії і визначає температуру внутрішніх областей Землі.
В стабільних континентальних областях відмічається кореляція теплового потоку з концентрацією радіоактивних ізотопів, які є радіоактивними джерелами тепла. Половина теплового потоку континентів пояснюється виділенням тепла за рахунок розпаду радіоактивних ізотопів U, Т, К. Відмічено також, що зі збільшенням віку порід в континентальних областях тепловий потік зменшується. Тобто концентрація радіоактивних ізотопів в древніх породах зменшується. Зміни температури поверхні Землі залежать від неоднорідності рельєфу та залежності температури в земній атмосфері від висоти. Горизонтальні неоднорідності температури пов'язані з наявністю на поверхні Землі значних водневих мас, таких як озера, моря та океани. Також вони є результатом дії тектоніки плит і конвекції в мантії. При підйомі гарячого мантійного матеріалу на поверхню Землі і горизонтальному його русі на поверхні відбувається збільшення температури. Потім з часом йде процес охолодження. Охолоджена літосфера занурюється в мантію і знову нагрівається. Тобто конвективний перенос тепла в мантії вверх відбувається за рахунок поглиблення холодного матеріалу літосфери біля океанічних жолобів і підводу гарячого матеріалу мантійними потоками, які підіймаються догори біля серединно-океанічних хребтів (Рис. 1.12).
Вчені Чепмен і Поллак зробили спробу обрахувати значення теплового потоку для тих областей, де такі вимірювання були відсутні. В своїх прогнозах вони спирались на геотектонічний характер цих зон. Таким чином було проведено 12-степеневий сферичний-гармонійний аналіз всієї планети (рис. 1.13).
Регіони з найбільш високими (позитивними) аномаліями теплового потоку називають “гарячими точками”. В даний час невизначено, чи рухаються ці точки разом з тектонічними плитами від час дрейфу, чи мають більш глибинне походження (в мантії) [4, 10, 11, 14, 23, 24] (рис. 1.14).
Рисунок 1.12 – Схема взаємодії механізму підкорових течій
(за А. Холмсом)
Рисунок 1.13 – 12 – степенева сферична гармоніка теплового потоку планети (за Чепменом і Поллаком)
На рисунку 1.15 зображено діаграму фазового перетворення габро в гранатовий грануліт і еклоґіт та наведено значення температур, при яких це перетворення відбувається.
Рисунок 1.14 – Схематичний розріз Землі із зображенням найбільш відомих трьох типів глибинних плюмів і гарячих точок, розміщених у районі Тихого океану й Африки, де 1 – первинні плюми із найнижчих ділянок мантії; 2 – вторинні плюми, що зароджуються із перехідних зон; 3 – гарячі точки, які відповідають місцям інтенсивних деформацій у літосфері та зонам до компресійного плавлення.
Рисунок 1.15 – Діаграма перетворення габро в гранатовий грануліт та еклоґіт
Але необхідно звернути Вашу увагу на те, що господарська діяльність людини посідає четверте місце в ряді теплових факторів, значно перевищуючи такі з них, як приливне тертя та вулканізм. Це свідчить про підвищення ролі антропогенного теплового “забруднення” Землі, що призводить до розігріву її атмосфери.
Петрофізичні властивості земних надр
Земна куля в межах, які доступні для спостереження, складається, як відомо, з кількох оболонок – атмосфери, гідросфери та літосфери. Остання є самою верхньою кам’яною оболонкою Земл
Первинна речовина Землі
Одним з головних геологічних методів вивчення є метод безпосереднього спостереження та всебічного дослідження речовини, яка складає земну кору. Він базується на вивченні розрізів ша
Характеристика геосфер
Земна кора. Ця геосфера складає невелику частку від загальної маси Землі. За потужністю та складом виділяють три типи земної кори:
Континентальна кора характе
Фізичні властивості геосфер
Відсутність прямих даних про щільність речовини глибинних геосфер Землі обумовлює необхідність використання непрямих, наприклад, сейсмологічних даних.
Із загальних уявлень
Хімічний склад земних надр
Щодо питання первинної речовини Землі, то, згідно з космічною теорією, планети Сонячної системи, в тому числі і Земля, утворилися з газово-пилової хмари шляхом акреції речовини цієї
Диференціація речовини геосфер Землі
Які ж основні дані, що можуть бути використані при вивченні хімічного складу Землі в цілому? Їх небагато.
По – перше, хімічний склад земної кори. Але не слід забувати, що в
Питання для самоперевірки
1 Дайте визначення науки “Геодинаміка”?
2 Яку роль відіграє “Геодинаміка” серед інших наук геологічного циклу?
3 Які методи дослідження застосовує “Геодинаміка”?
4 Яку ро
Джерела теплового поля Землі
До групи поверхневих факторів теплового поля можна, по-перше, віднести випромінювання Сонця. Земля отримує дуже малу дозу випромінювання, лише одну двомільярдну його частину, що визначається порівн
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 прояв
Температура надр Землі
Вивчення фактичного розподілення температури Землі в значній мірі ускладнюється її варіаціями в доступній для вимірювання частині земної кори і загальною слабкістю вивчення мантії т
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні джерела теплової енергії геосфер Землі?
2 Дайте визначення теплового потоку?
3 Як змінюється температура за глибиною?
4 Назвіть методи дослідження тепло
Хімічний склад ядра
З чого складається ядро земної кулі? В світлі міркувань та цифр, викладених в попередніх лекціях, вирішення цього питання не було б дуже важким, але насправді є набагато складнішим ніж уявлялося.
Формування ядра
Перш за все питання про щільність. Ще у 1939 році В. Лодочніков, великий вчений Ленінградського гірничого інституту, подав цікаву думку про те, що щільність речовини, яка складає зе
Ббудова ядра
Ядро займає область від центру Землі до глибини 2900 км. Радіус границі, яка поділяє ядро і мантію 3470 км. Об’єм ядра складає 16% від об’єму Землі, маса – 31% від маси Землі. Основ
Магнітне поле Землі
В 1950 році було встановлено, що походження головного магнітного поля Землі пов’язане течією речовини у зовнішньому ядрі. Згідно з аналізом геомагнітного поля Землі можна сказати, щ
Питання для смоперевірки
1 Гіпотези утворення ядра Землі.
2 Будова ядра Землі.
3 В якому стані знаходяться речовина в ядрі Землі?
4 Який склад речовини ядра Землі?
5 Назвіть основні фізи
Склад та властивості мантії
Ключовою проблемою фізики мантії є проблема про фізичну природу шару “С” (при досить однорідному складі шарів “В” і “D”), який характеризується ненормально швидким зростанням швидко
Верхня мантія
Верхня мантія включає підкоркову частину літосфери та астеносферу (шар Гутенберга). Вона відокремлена від середньої мантії границею розподілу на глибині 410км. При переході через гр
Середня мантія
Середня мантія (шар Голицина) відокремлюється від нижньої на глибині 950-1000км. Нижче цієї границі швидкість сейсмохвиль плавно нарощується і для повздовжніх складає 9-11,4 км/с, д
Нижня мантія
Нижня мантія простежується до глибини 2900 км (границя Віхерта-Гутенберга). Тут різко зменшується швидкість повздовжніх хвиль з 12.6 до 8.1 км/с.
В основі границі нижньої м
Склад мантії та її властивості
Існує, як уже відзначалося вище, теорія “хондритової моделі” Землі. Хондрити мають ультраосновний склад. Вони вміщують в середньому 46% олівіну, 25% піроксену, 11% плагіоклазу, 12%
Проблеми повзучості та в’язкості
Важливим параметром фізичної моделі Землі є в’язкість. Питання існування течій в надрах Землі вимагає до вибору фізичних параметрів, які б визначали закони таких течій. В загальному сенсі ці параме
Характеристика тектоносфери
Літосфера та астеносфера – поняття, які відіграють велику роль у сучасній геофізиці та геології. Зовнішній жорсткий шар Землі називається літосферою, під нею розташований розм’якшен
Питання для самоперевірки
1 Будова мантії.
2 Властивості мантії.
3 Назвіть сучасні геодинамічні моделі будови мантії.
4 Який стан речовини мантії?
5 Який розподіл щільності, температур та
Тектонічні гіпотези в історії геології
Уява про механізм рухів і деформацій земної кори займала думки людей ще з античних часів, а, може, ще й раніше. Але взаємозв’язок тектонічних і магматичних процесів залишався не сві
Тектонічні рухи
Важливішим питанням геодинаміки є вивчення проявлень і механізмів тектонічної активності Землі. Які ж причини тектонічних рухів? Які джерела енергії спричиняють тектонічні процеси?
Теорія пограничних шарів при тепловій конвекції
Конвективні рухи в конденсованому середовищі, газі та плазмі широко розповсюджені в природі, техніці та побуті. Конвекція є складним гідродинамічним явищем. Зародження науки про кон
Питання для самоперевірки
1 Які геотектонічні гіпотези Ви знаєте?
2 Сучасна геотектонічна модель Землі.
3 Що стало головними положеннями при створенні теорії тектоніки плит?
4 Дайт
Границі літосфери
Земна кора разом з твердою частиною шару Гутенберга утворює єдиний жорсткий шар, який лежить на астеносфері, який називають літосферою. По суті, літосфера є своєрідною
Класифікація плит
Згідно з концепцією тектоніки плит, жорсткий поверхневий шар літосфери зазнає сильних деформацій і тільки вздовж відносно вузьких лінійних рухомих поясів. Ці рухомі пояси, які склад
Гіпотеза спредінгу і субдукції
Важливою ідеєю на шляху до тектоніки плит була гіпотеза спредінга – розсування океанічного дна вбоки від серединно-океанічних хребтів, які охоплюють усю земну кулю (Хесс, 1960 р.; Д
Основні положення концепції спредінгу ложа океанів
Основні положення цієї концепції зводяться до такого:
1. Земна кора і сама верхня частина мантії – це є пружна і відносно крихка верхня оболонка Землі – літосфера, яка підс
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери того чи іншого регіону земної кулі складається з двох етапів: океаногенезу і континентогенезу (рис. 2.19 а, б).
Перший етап под
Геодинамічні процеси, пов’язані з океаногенезом
Океаногенез характеризується дробленням і деструкцією раніше існуючої кори, переважно континентального типу, за рахунок процесів рифтогенезу і формування нової кори океанічного типу
Геодинамічні процеси, пов’язані з континентогенезом
Континентогенез характеризується зміщенням і нарощуванням товщини континентальної кори.
Епіокеанічна стадія відзначається формуванням і зростом гірськоскладчастих споруд (орогенна ф
Землетруси
В зонах підвищеної тектонічної активності напружений стан земної кори розвантажується у формі землетрусів. Під землетрусом прийнято розуміти коливання земної кори, які викликані рух
Розповсюдження землетрусів
Землетруси на земній кулі розповсюджені нерівномірно, основна їх маса концентрується в особливих зонах, які називаються сейсмічними поясами. Найбільш крупний з них Тихоокеанський се
Внутрішня структура і механізм дії вулканів
Сукупність всіх геологічних процесів, силою яких є магма, як відомо, називається магматизмом.
Магма (гр. – месиво, бруд) являє собою природний, найчастіше силікатний, вогня
Природа геодинамічних процесів та методи вивчення
Для платформних областей характерними є (порівняно з геосинклінальними областями) менші швидкості вертикальних і горизонтальних рухів, відсутність або слабка активність сучасних зем
Повзучість та її динаміка
Процес повзучості – це є поступове зміщення грунтів на схилах без розриву суцільності деформуючого геологічного тіла, яке відбувається під дією сили тяжіння і супутніх зовнішніх факторів: пе
Процеси зсуву та їх різновиди
Зсув, або зсувний процес – це є процес зміщення частини гірських порід (грунтів) під впливом перш за все сили тяжіння на більш низький гіпсометричний рівень при збереж
Гіпотези утворення Землі
Перерахуємо кілька сучасних успіхів геофізики. Палеомагнітні дослідження створили тверду основу для теорії континентального дрейфу, хоча ще зовсім недавно ця теорія була предметом п
Основні геотектонічні гіпотези
Геологічні та геофізичні дані свідчать про наявність суттєвих, принципових відмінностей в особливостях будови і розвитку земної кори (і літосфери в цілому) різних ділянок нашої план
Глибинні процеси землі та їх поверхневі прояви
Наприкінці 60-х років в основному склався теоретичний фундамент для розуміння явищ і процесів, пов’язаних з континентальним дрейфом. Останньою і найважливішою гіпотезою, яку висунул
Тектоніка плит
Згідно з теорією тектоніки плит, зовнішня оболонка Землі розділена на ряд жорстких плит, які рухаються одна відносно до іншої. Швидкості їх відносного руху за порядком величини скла
Тектоніка плюмів
Протягом двох десятиліть в геофізиці широко обговорюється питання: чи охоплює конвекція всю мантію, чи мантійний матеріал циркулює у верхньому і нижньому її шарах окремо, ніколи не
Роль континентів у динаміці Землі
Довгий час поширеною була думка, що рух плит визначається головним чином тепловою конвекцією в мантії. При цьому вважалося, що континенти пасивно дрейфують під дією в’язких течій і
Вертикальні рухи всередині континентів
Висхідні потоки речовини мантії сильно розтягують континентальну літосферу, але часом не в змозі розірвати її. В даному випадку над висхідним мантійним плюмом утворюються впадини, я
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні теорії та гіпотези утворення і еволюції Землі.
2 Які гіпотези та відкриття вчених стали основою для створення теорії тектоніки плит?
3 Які геолог
Механізм дії зсувів
Геодинаміка зсувного процесу перш за все визначається структурно-тектонічними умовами і літолого-петрографічними характеристиками геологічних тіл, які деформуються. Тому існує різниця між зсувами у
Механізм дії завалів та осипів
Завали, або завальний процес – це обрушення частини гірських порід масиву з короткочасним їх відривом при падінні від нерухомої основи. Вони часто відбуваються разом із зсувами.
Карстові і суфозійні процеси
Карстові і суфозійні процеси пов’язані з діяльністю підземних вод. Вони проявляються у розчинності грунтів або у вигляді цементаціних зв’язків між їх частками, в механічному переміщ
Питання для самоперевірки
1 Які особливості ендогенних геодинамічних процесів?
2 Що розуміють під терміном процес повзучості?
3 Як поділяються зсувні процеси по місцю прояву?
4 Поясніть механізм д
Перелік Використаних джерел
1 Куровець М.І., Гунька Н.Н. Основи геології/ Підручник для вузів. - Львів, 1997.– 694с.
2 Гунька Н.Н., Куровець М.І. Загальна геологія/ Підручник для вузів. - Івано-Франкі
Сейсмологічна модель Землі
Сильний землетрус породжує об'ємні хвилі, які пронизують тіло планети, як би освітлюючи його зсередини. Подібно променю світла сейсмічний промінь підкоряється законам оптичної оптик
Сейсмічна модель будови Землі
Широко відома модель внутрішньої будови Землі (розподіл її на ядро, мантію і земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джеффрисом і Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вир
Методи геодинамічних досліджень
Геотермічна розвідка (терморозвідка) об’єднує фізичні методи дослідження природного теплового поля Землі з метою вивчення ландшафтів, термічного режиму земної кори і верхньої мантії
Теплового поля Землі
Джерелами теплового поля Землі є процеси, що протікають в її надрах, і теплова енергія Сонця. До внутрішніх джерел тепло відносить радіогенне тепло, яке створюється завдяки розпаду
В земній корі
Нижче за нейтральний шар температура порід підвищується в середньому на 30 0С при зануренні на кожні 100 м. Це пояснюється наявністю регіонального теплового потоку від дж
Локальний тепловий потік
Джерела локальних теплових потоків, що викликають аномалії температур, різноманітні: наявність багаторічно мерзлих порід, тобто могутніх (до сотень метрів) товщ з негативними темпер
Регіональні термічні дослідження
Сутність регіональних термічних досліджень зводиться до високоточного (погрішність не більше 0,01 0С) неодноразовому вимірюванню температур або їх приростів в глибоких св
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов