Термодинамические параметры земной коры

Верхняя толща горных пород Земли называется земной корой. Земная кора простирается от поверхности Земли до границы Мохоровичича, которая отделяет земную кору от мантии Земли. Мощ­ность земной коры в среднем колеблется от 7-10 км под дном океана и до 35-40 км на континенте. Ниже земной коры располагаются верхняя и нижняя мантии Земли, далее следует внешнее и внутрен­нее ядра Земли.

Средняя плотность Земли составляет 5,52×10 кг/м³, а средняя плотность земной коры 2,73×10³ кг/м³. Плотность Земли возрастает с глубиной, на поверхности она равна 2,7×10³ кг/м³, а во внутреннем ядре, т.е. на глубине 5100-6371 км, составляет (12-12,3)×10³ кг/м³. Это связано с увеличением давления Р по мере приближения от поверхности Земли к ее центру, которое можно рассчитать по следу­ющей формуле:

(1.1)

где r — текущее значение радиуса Земли, м;

g — ускорение свободного падения, м/с;

γ — текущее значение плотности, γ = γ(r) кг/м ;

Г— гравитационная постоянная, Г = 6,67×10^-11 м³/(кг×с );

m — масса сферы радиусом r, кг.

Согласно выражению (1.1), давление в центре Земли должно составлять около 3,5×10⁵ млн Па.

С позиции ведения горных работ интерес представляют термодинамические параметры земной коры и то лишь в ее верхних слоях.

Температура земной коры в слое пород, непосредственно приле­гающем к поверхности Земли, зависит от времени суток и года. Глу­бина, до которой прослеживается влияние атмосферных колебаний температуры, достигает не более 20 м (чаще всего эта глубина состав­ляет 6-7 м). Ниже этой глубины температура пород повышается. Таким образом, существует слой породы, в котором температура остается постоянной в любое время года. Этот слой называется ней­тральным. Глубина залегания нейтрального слоя Н₀ (м) не одинако­ва для различных районов Земли, но постоянна для данного района.

С увеличением глубины Н ниже нейтрального слоя температура горных пород земной коры увеличивается приблизительно по линей­ному закону:

Т = То + Г_r(Н-Н₀), (1.2)

где Т₀ — температура нейтрального слоя, К;

Г_r — геотермический градиент, , К/м.

Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью ().

Согласно выражению (1.2), геотермический градиент Г_r (К/м) и геотермическая ступень Г_с (м/К) соответственно равны

(1.3)

. (1.4)

Среднее значение геотермического градиента составляет 0,032 К/м. Геотермический градиент изменяется от 0,008 до 0,1 К/м. Сред­няя его величина в районе Кольского полуострова составляет около 0,008-0,01 К/м, в Средней полосе России ~ 0,02 К/м, а в районах локальных термо­аномалий Камчатки и Кавказа она достигает 0,2 К/м.

На некоторых горнодобывающих предприятиях, особенно в рай­онах с большими значениями геотермического градиента, на глуби­нах более 1,5-2 км температура горных пород превышает санитарные нормы, что требует применения специальных технико-ги­гиенических мероприятий для обеспечения нормальных условий труда.

При среднем геотермическом градиенте, равном 0,032 К/м, температура на глубине 5 км составит около 433 К (160°С). Количество тепла, аккумулированное в 1 км³ горных пород при их объемной теплоемкости, равной (0,8-1,2)·10³ кДж/(м³·К), на этой глубине составит около (12-20) ·10¹³ кДж, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании (4,3-7,1)∙10⁶т условного топлива (теплота сго­рания условного топлива равна 29,3·10³ кДж/кг). Для сопоставле­ния интересно отметить, что суммарная теплота сгорания всех миро­вых запасов топлива составляет примерно 16∙10 кДж.

Так как с увеличением глубины ниже нейтрального слоя темпе­ратура горных пород повышается, то, согласно второму закону тер­модинамики, тепло движется из глубинных слоев земной коры к ее поверхности. Удельный тепловой поток Земли при этом можно оп­ределить из выражения

(1.5)

где λ — теплопроводность горных пород, Вт/ (м∙К).

Знак минус в формуле (1.5) свидетельствует о том, что геотер­мический градиент направлен снизу вверх, а глубина — сверху вниз.

Средний удельный тепловой поток из недр Земли к ее поверх­ности составляет q_ср = 7·10^-2Вт/м. Общее количество тепла, выде­ляемое с поверхности Земли при данном удельном тепловом потоке, составляет 8-10²⁰ Дж/год, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании 27 млрд т условного топлива или примерно 1,9∙10¹⁰ т нефти.

В области древних щитов удельный тепловой поток минимален, q = (3,3-4,6)·10^-2 Вт/м, в районах молодых горных образований он достигает до 8·10^-2 , а в районах современных вулканов — до (16-32)·10^-2Вт/м²

Из-за малой величины удельного геотермического потока его использование в практических целях весьма сложно. Значительно больший практический интерес с точки зрения энергетических ре­сурсов будущего представляет использование глубинного тепла, сконцентрированного в горных породах на глубине до 3 км, в том случае, если их температура превышает 393-423 К (120-150°С). Эти условия соответствуют районам Крыма, Предкарпатья, Закарпатья. В настоящее время практический интерес представляет тепло­вая энергия парогидротерм и термальных вод. Парогидротермы име­ются на Камчатке, Курильских островах и в других районах с давле­нием пара в устье скважин до (5-6)∙10⁵ Па. Термальные воды обна­ружены во многих районах Кавказа, Сибири, Средней Азии и других с дебитом до 50-60 м³/ч, что позволяет использовать их для теплофикации ряда городов, развития парникового хозяйства.