Тепло Земли | Блог о природе

Тепло Земли

0

26532128lava Тепло Земли

Рассмотрим общеизвестный факт, состоящий в том, что по мере погружения в глубокую шахту температура её стенок растёт с увеличением глубины со скоростью приблизительно 30?С на 1000 метров (где-то больше, где-то меньше). Эта скорость роста температуры с глубиной называется геотермическим градиентом (G). Геотермический градиент наблюдается и в скважинах, в том числе и в самых глубоких. Причём геотермический градиент практически не изменяется по мере увеличения глубины (при практически постоянной теплопроводности на всех глубинах, на которых проводились измерения, поскольку породы одни и те же). Эти факты были получены на Кольской сверхглубокой и на других научных скважинах. Это означает, что через земную кору из глубин Земли идёт поток тепла, причём величина этого потока на наблюдаемых глубинах практически не меняется, количество проходящего тепла на разных глубинах постоянно.

Это значит, что на пройденных глубинах нет существенных источников тепла. Тепло генерируется где-то глубже. Известные факты (касающиеся теплотворной способности вещества коры и мантии) свидетельствуют о том, что существенных источников тепла нет ни в земной коре, ни в земной мантии, занимающей всё пространство от нижней поверхности коры до ядра Земли. Существование ядра вытекает из наблюдаемой картины распространения сейсмических волн через недра Земли.

Кропотливая статистическая обработка геологических сведений о составе твёрдой земной коры, имеющей толщину от 3 км в зоне Срединно-Океанических Хребтов или поднятий (СОХ), до 80 км под мощными горными системами, показывает, что в земной коре нет сколько-нибудь заметных количеств теплотворных веществ (химически- или радиоактивных), способных в течение длительного времени генерировать заметную часть наблюдаемого теплового потока, идущего через земную кору. Точно так же нет сколько-нибудь существенных источников тепла и в мантийном веществе, которое становится доступным для наблюдения, будучи извергнутым из вулканов, а также выходя из мантии на поверхность морского дна в качестве новообразованной земной коры в зоне спрединга (в зоне СОХ). Отсюда вытекает, что источник тепла, проходящего через земную кору в окружающее пространство, находится ниже зоны Мохо (которая, по определению является нижней поверхностью твёрдой земной коры). Но если для скептиков эти справочные данные по содержанию теплотворных веществ в коре и мантии могут показаться неубедительными, то можно предложить более убедительные доводы в доказательство того, что источник большей части земного тепла находится много ниже зоны Мохо.

Покажем это. Отметим, что вещественный состав океанической коры (базальтовой основы, а не покрывающих её осадков) совпадает с составом подстилающей мантии. Это вытекает из того надёжно установленного факта, что океаническая кора образуется из вещества подстилающей мантии в зоне спрединга (в зоне СОХ) и затем дрейфует из этой зоны в сторону глубоководных впадин, или в сторону материка в течение долгого времени (порядка 140 миллионов лет). Поскольку состав океанической коры и подстилающей мантии одинаков, то и теплотворная способность и плотность вещества океанической коры и вещества мантии совершенно одинаковы. То есть, в слое земных недр толщиной 1 километр и в коре, и в мантии выделяется одинаковое количество тепла, увеличивающее проходящий тепловой поток. Толщина океанической коры 3 ? 15 км, тогда как толщина мантии 2900 км. Но некоторые исследователи утверждают, что ниже 600 км мантия может иметь другой состав. И даже в этом случае (600 км) доля тепла, выделяемого в океанической коре не может быть больше 1/60 от всего теплового потока (10 км / 600 км). Тогда как для полной толщины в 2900 км доля тепла, генерируемого в океанической коре, эта доля не может превышать 1/300. Отсюда следует, можно сказать, достоверный вывод, что практически всё тепло, проходящее через океаническую кору наверх, генерируется на большой глубине, гораздо ниже нижней поверхности земной коры (поверхности Мохо). То есть, поток тепла практически не меняется от больших глубин в сотни километров до самой земной поверхности.

Отметим, что океаническая кора составляет порядка 2/3 от всей земной поверхности, а не ничтожную долю. Причём измеряемый удельный поток тепла через океаническую кору (через единицу площади) выше, чем через материковую кору. Это следует из результатов измерений, а также из того, толщина океанической коры намного меньше толщины материковой коры. Так что не видно причин считать, что в вопросе об источниках тепла под материками дело обстоит по-другому. Поэтому можно однозначно утверждать (со степень доверия, близкой к 1), что практически всё тепло Земли генерируется намного ниже зоны Мохо, по крайней мере, на глубинах, не менее 300 км. Хотя данные по содержанию радиоактивных элементов в мантии Земли (в океанической коре) и другие соображения (вытекающие из наличия жидкого ядра) позволяют говорить, что практически всё земное тепло генерируется не выше, чем в нижней части мантии Земли и в её ядре. О природе источников этого тепла можно говорить отдельно. Хотя его природа, вообще-то, не влияет на наши последующие рассуждения в рамках данной статьи.

Вернёмся к рассмотрению геотермического градиента, постоянного на исследованных глубинах. Его постоянство естественно вытекает из постоянства теплового потока (доказанного нами) и приблизительно постоянной теплопроводности на исследованных глубинах (при исследованных в лаборатории давлениях). Изобразим теперь табличку, в которой сопоставим глубины, и соответствующие этим глубинам температуры, считая, что геотермический градиент G продолжает оставаться постоянным и равным 30?С/1км до самых больших глубин:

Глубина,         км  0     1      5     10       40     100      1000     2900

Температура, ?С  0    30   150   300   1200   3000   30000   87000

Видим, что уже на глубине в 40 км свойства вещества могут существенно измениться из-за повышения температуры. И, тем более, это относится к глубине 100 км. При температуре, приведённой в нашей табличке для 100 км (3000?С), вещество мантии должно было бы быть жидким даже при давлениях, соответствующих этой глубине (эти условия моделируются в лабораториях).

Однако мантийное вещество и на глубине 100 км, и на глубине 1000 км, и до 2900 км находится в твёрдом состоянии, о чём свидетельствует прохождение через все эти зоны поперечных сейсмических волн (которые проходят только через твёрдое вещество, и не проходят через жидкое). Что это означает при постоянстве теплового потока (его независимости от глубины), доказанном нами? Это означает, что ниже твёрдой коры (ниже зоны Мохо, которой соответствуют температуры порядка 900?С ? 1100?С с вариациями, обусловленными различием давлений (глубин)) не только резко изменяется скорость распространения сейсмических волн, но и каким-то образом резко уменьшается геотермический градиент, то есть, по какой-то причине резко возрастает теплопроводность мантийного вещества. И вот из-за этого увеличения эффективной теплопроводности мантийное вещество эффективно отводит тепло из центральных областей Земли и остаётся достаточно холодным и твёрдым.

Гораздо более быстрый, чем за счёт кондуктивной теплопроводности, перенос тепла из внутренних областей Земли к нижней поверхности коры (до зоны Мохо), скорее всего, осуществляется тепловой конвекцией.

Но есть конкурирующее мнение, что таким механизмом быстрого переноса тепла является переизлучение тепла раскалёнными до температуры свыше тысячи градусов недрами Земли. Как будто логично — действительно, недра ниже слоя Мохо остаются твёрдыми. Значит, температура ниже слоя Мохо растёт гораздо медленнее, чем при кондуктивном переносе в твёрдой коре (выше зоны Мохо). То есть, теплопроводность под корой гораздо выше, чем в коре. Но, по логике сторонников отвода тепла переизлучением, поскольку мантия ТВЁРДАЯ (мантия пропускает поперечные волны), переноса тепла за счёт переноса масс не может быть (мантия не поддаётся деформациям, перемещениям составляющих её элементарных объёмов – она «абсолютно твёрдая»!). Но это мнение о роли переизлучения совершенно не подкреплено конкретными аргументами — не показано, что переизлучение при мантийных температурах и их градиентах может обеспечить наблюдаемый поток тепла.

Что же касается конвекции в мантии Земли, то мы уже видели, что, несмотря на то, что для быстрых движений она является твёрдой, для медленных движений земная мантия (под поверхностью Мохо) является совершенно жидкой. Поэтому при наличии тепловой инверсии плотности вследствие нагрева мантии снизу и отдачи тепла сверху в мантии с НЕОХОДИМОСТЬЮ ВОЗНИКАЕТ КОНВЕКЦИЯ, переносящая наверх более лёгкое нагретое вещество (а с ним и тепло). Скорость этой медленной тепловой конвекции определяется динамическим равновесием между избыточными силами Архимеда, возникающими вследствие тепловой инверсии плотности, и силами вязкого трения. Как мы покажем несколько позже, скорости этой медленной мантийной конвекции вполне достаточно для обеспечения наблюдаемого в верхней части коры потока тепла, проходящего перед этим через верхние слои мантии.

С другой стороны, перенос тепла в мантии за счёт переизлучения не позволяет объяснить другие наблюдаемые геофизические факты (кроме теплопереноса). Такие, как различие толщины материковой и океанической коры. Постепенное понижение океанического дна от СОХ к глубоководным впадинам с одновременным увеличением толщины океанической коры. Движение океанической и материковой коры, спрединг, субдукцию, горообразование, землетрясения, вулканизм, изостазию и отклонения от неё.

Тогда как перенос тепла мантийной конвекцией обеспечивает объяснение всех этих фактов – явлений, и даже позволяет оценить их количественные характеристики, как это будет показано чуть позже.

Отметим, что гипотеза о мантийной конвекции была выдвинута, задекларирована, сравнительно давно — около 50 лет назад, в 60-е годы ХХ века. Появление этой гипотезы было вызвано необходимостью объяснения движущих сил спрединга, дрейфа материков. В настоящее время гипотеза мантийной конвекции является почти общепризнанной. Но всё-таки пока остаётся только гипотезой, поскольку не дала дополнительных следствий, кроме объяснения фактов, на основе которых она была задекларирована.

Наш же подход ОБОСНОВЫВАЕТ существование конвекции. У нас мантийная конвекция — не гипотеза, а строгое следствие анализа фактов, вытекающее из существования в твёрдой земной коре геотермического градиента G (равного в среднем 30?С/1км), отсутствия в коре и на её нижней границе существенных источников тепла и распространения через «твёрдую» мантию поперечных сейсмических волн, а также из жидкостных свойств земной мантии в масштабах больших промежутков времени.

И это является преимуществом, отличительной чертой нашего подхода по сравнению с существовавшими раньше. Наш подход позволяет не только указать на мантийную конвекцию – возможный механизм возникновения спрединга, дрейфа материков и т.д., как на необходимое следствие существования наблюдаемых тепловых потоков из глубин Земли, но и позволяет проанализировать в деталях явления, которые порождаются мантийной конвекцией. Вычислить, оценить количественные характеристики этих явлений на основе понимания движущих сил и деталей механизма самой мантийной конвекции при нынешних характеристиках мантийного теплового потока. А также оценить развитие поверхности Земли в ходе её геологической истории.


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: