Радиоактивность материковой коры и граница Мохо | Блог о природе

Тепло коры

При рассмотрении потока глубинного тепла через поверхность земной коры мы сталкиваемся с казалось бы, несовместимыми фактами. Нижняя граница земной коры задаётся границей Мохо (разделяющей среды с разными механическими свойствами), на которой температура для близких по составу пород должна была бы быть приблизительно одинаковой (с вариациями, обусловленными различием давлений на глубине залегания границы Мохо). Но имеющиеся данные как будто противоречат такому взгляду. Иногда при совершенно одинаковом геотермическом градиенте (ГТГ) в разных географических точках толщина коры в этих точках отличается в два и более раз. Иногда, наоборот, при одинаковой толщине коры наблюдаются разные геотермические градиенты. А это как будто говорит о том, что на нижней поверхности коры температура может различаться в разы! В том числе, и для коры одинаковой толщины.

Если считать, что ГТГ в пределах толщины коры постоянен (пусть 30°С/км), то для толстой материковой коры (скажем, 80 км) получим невозможное значение температуры — 2400°С. При такой температуре и давлении, соответствующем глубине 80 км, вещество нижних слоёв коры заведомо должно было бы быть жидким. Но этого нет, поскольку через эти слои проходят инструментально наблюдаемые поперечные сейсмические волны. С другой стороны, для океанической коры возможна толщина коры 10 км при таком же самом ГТГ в 30°С/км, что и для материковой коры толщиной в 80 км. Так что получаем 300°С на границе Мохо для океанической коры. Как можно объяснить эти как будто несовместимые факты?

Понятно, что геофизики могли измерить ГТГ только в доступном, самом верхнем слое коры. И такое положение дел с большим ГТГ и большой толщиной твёрдой материковой коры возможно только при наличии в ней источников тепла, которые обеспечивали бы наблюдаемый тепловой поток через верхнюю поверхность коры и быстрое уменьшение ГТГ, пропорционального потоку тепла, пропорционального, в свою очередь, суммарной мощности источников тепла ниже рассматриваемой поверхности. Так что по мере углубления в материковую кору рост температуры замедляется вместе с уменьшением теплового потока с глубиной, поскольку часть тепла генерируется выше рассматриваемой глубины. Так что на границе Мохо под материковой корой температура не будет слишком высокой. В главе «Температура Земли» было показано, что в океанической коре, имеющей такой же состав, как и 2900 км ниже лежащей мантии, существенных источников тепла не может быть (в 10-километровой коре не может генерироваться больше 1/290 от всего потока). Поэтому поток тепла (но не ГТГ) на всей толщине океанической коры должен быть практически постоянным. Материковая же кора существенно отличается по составу от океанической. Океаническая кора сложена базальтами с ничтожной радиоактивностью, тогда как материковая кора сложена радиоактивными гранитами различного состава. Уровни радиоактивности гранитов в разных местах достаточно высоки и существенно различаются. Согласно справочникам, в результате радиоактивных распадов гранит выделяет тепло с интенсивностью от 0.42 мкВт/м3 до 2.5 мкВт/м3 (http://www.europaclimat.ru/?page_id=131 ). Так что в столбе гранита высотой в один километр и площадью основания 1 м2 (объёмом 1000 м3) выделяется тепло с интенсивностью до 2.5 мВт.

В предыдущих главах мы видели, что при ГТГ в 30°С/1км и обычной теплопроводности пород поток тепла через поверхность земной коры составляет порядка 0.1 Вт/м2 (100 мВт/м2). Генерация тепла в материковой коре приводит к тому, что, по мере углубления в неё, поток тепла из глубин наверх будет уменьшаться со скоростью до 2.5 (мВт/м2)/1км, поскольку часть тепла производится выше рассматриваемой глубины. А ГТГ (при постоянной теплопроводности коры) уменьшался бы с глубиной со скоростью порядка 0.75°С/1км. Так что на глубине 40 километров ГТГ обратился бы в 0, а ниже стал бы отрицательным. То есть, поток тепла был бы направлен не вверх, а вниз. Конечно же, в целом, тепло, так или иначе генерируемое в недрах Земли, движется из недр к земной поверхности, и далее, в космос. Поэтому, чем глубже, тем выше температура. Но, в принципе, поток тепла возможен и вниз через относительно небольшие по площади поверхности — границы сравнительно небольших объёмов мощных урановых месторождений, генерирующих тепло, как это, например, имеет место в Габоне, Окло (http://wsyachina.narod.ru/earth_sciences/oklo_3.html, www.computerra.ru/xterra/37626/). Такое инверсное распределение температуры возможно даже под обычной компостной ямой, в которой тепло выделяется достаточно интенсивно за счёт гниения органических веществ. Поэтому под ямой температура, в принципе, может быть ниже, чем в самой яме.

С учётом сказанного ясно, что при ГТГ, равном 30°С/км, тепло не может генерироваться с максимальной скоростью (2.5 мкВт/м3) на всей 80-километровой толщине материковой коры, иначе поток тепла из толстой материковой коры и ГТГ были бы намного выше наблюдаемого. Так что из сопоставления толщины материковой коры, ГТГ (и других параметров) можно сделать некоторые выводы относительно радиоактивности вещества коры в данной географической точке.

Проиллюстрируем сказанное на схематическом рисунке.

Схема распределения источников тепла и температуры в толстой материковой коре.

Поскольку, как мы видели, в тонкой океанической коре нет сколько-нибудь существенных источников тепла, а природа поверхности Мохо должна быть одинаковой, то схема распределения температуры в океанической коре будет выглядеть совершенно иначе, примерно так, как это изображено на Рис 2. Известно, что толщина океанической коры составляет 5-10 км, а ГТГ в ней порядка 30°С/км. Казалось бы, на границе Мохо под океанической корой температура должна быть порядка 150 ? 300°С. Но это никак не может соответствовать границе разных термодинамических фаз одного и того же вещества (вещество океанической коры и подстилающей её мантии одинаково). С другой стороны, для измерения ГТГ доступен лишь верхний слой океанической коры. Чтобы согласовать картины расположения поверхностей Мохо под материковой и под океанической корой, распределение температуры в них, можно предположить, что ГТГ в океанической коре мал лишь в верхнем слое, а глубже ГТГ достигает сотен градусов на километр. Это вполне возможно, поскольку эффективная теплопроводность верхнего слоя океанической коры с её трещинами, заполненными водой, за счёт водной конвекции в щелях верхнего слоя коры может быть на порядок выше кондуктивной теплопроводности плотных базальтов океанической коры. Действительно, дно океана изобилует различными «чёрными курильщиками», выбрасывающими с огромной интенсивностью горячую воду.

Схема распределения температуры в тонкой океанической коре

Кроме выводов о распределении температуры в толстой земной коре с распределёнными в ней источниками тепла можно сделать и некоторые другие, можно сказать, достоверные выводы-утверждения. А именно, из того, что концентрация радиоактивных (теплогенерирующих) веществ в сравнительно тонкой материковой коре (80 км против 6370 км земного радиуса) такова, что количество тепла, генерируемого в гранитной материковой коре объёмом в 6.8*109 км3 (=40км*170 000 000 км2), отличается от количества тепла, производимого в объёме всего земного шара (1012 км3 ,) (проходящего, в основном, через океаническую кору), отличается не более, чем в 10 раз при различии объёмов более, чем в 100 раз ((1012 км3)/ (6.8*109 км3)), с необходимостью вытекает, что средняя концентрация радиоактивных веществ в материковой коре, как минимум, в 10 раз выше, чем в остальном объёме земного шара (=1012 км3 /6.8*109 км3)/10). Поскольку Земля образовалась в каком-то достаточно длительном процессе, такое распределение радиоактивных веществ говорит о том, что эти радиоактивные вещества (возможно, и другие тяжёлые элементы) выпали на поверхность образующейся Земли в последнюю очередь. Иначе концентрация радиоактивных веществ в земной коре соответствовала бы средней по всему земному шару, или даже была бы ниже средней. Так что радиоактивные вещества вошли, в основном, только в состав поверхностного слоя Земли, то есть, материковой коры. Причём во время выпадения на земную поверхность радиоактивных веществ, и после их выпадения земная поверхность не могла иметь высокую температуру, достаточную для плавления её пород. Иначе тяжёлые радиоактивные вещества в результате гравитационного разделения жидких компонент по удельной плотности прошли бы к центру Земли. И в земной коре не было бы месторождений урана.

Таким образом, из приблизительного равенства удельных потоков тепла из толстой материковой и тонкой океанической коры вытекает, что радиоактивные элементы типа урана выпали на поверхность нашей, уже почти сформировавшейся Земли на последних стадиях её формирования. Возможно, это произошло при прохождении солнечной системы вблизи какой-то сверхновой или какого-то другого источника тяжёлых элементов.

Если же радиоактивные вещества выпадали на формирующуюся Землю достаточно равномерно по времени, то средняя концентрация радиоактивных веществ в материковой коре должна совпадать со средней по всему земному шару. С другой стороны, при этом общий тепловой поток через океаническое дно должен быть, как минимум, в 10 раз больше суммарного потока через материковую кору (поскольку океаническая кора составляет 70% всей земной коры, а её толщина намного меньше материковой). Так что средний удельный поток тепла через океаническое дно должен превышать средний удельный поток через материковую кору хотя бы в 4 раза. Вот такая космогония на основе анализа потоков тепла из глубин Земли!

Интересные статьи по теме :

  1. Граница Мохоровичича

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: