ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский  государственный нефтегазовый университет»

ИНСТИТУТ  ГЕОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ 
 
 
 

Кафедра Разведочной геофизики 
 
 
 

Расчетно-графические работы

по дисциплине: «Физика Земли»

тема: Тепловое поле Земли, результаты измерений теплового потока на суше и океанах, его график 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила: студентка 

     группы  ГИСз-07

     Борисова  Ю.В.

Проверил: профессор, доктор г.-м. наук А.Н.Дмитриев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тюмень, 2011 
 

  Содержание 

1. Общие сведения о тепловом балансе Земли 
2. Определение теплового потока и геотермического градиентанаконтинентах и в океане 
3. Связь теплового потока с основными структурами земной коры 
4. Особенности тепловых полей перехода от континента к океану 
5. Механизмы переноса тепла в Земле 
6. Способы оценки температуры в земной коре 
7. Температура в мантии 
8. Температура в ядре Земли 
9. Обобщенная температура по радиусу Земли 

Общие сведения о тепловом балансе Земли 

     Средняя температура на земной поверхности  изменяется приблизительно от 0 до - 40°  С в районе Северного полюса и  от -10 до -50° в районе Южного полюса и составляет около 26° на протяжении всего года в экваториальной зоне. Средняя температура всей земной поверхности около 15°, со средними колебаниями около 2° в течение года.

     Температура какой-либо точки на земной поверхности  зависит главным образом от солнечной радиации, достигающей этой точки, и угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность. Следует учитывать также излучение, отдаваемое Землей обратно в пространство, и теплообмен посредством воздушных течений. Средний поток солнечного тепла, достигающий поверхности Земли на континентах, составляет по порядку величины 10^-2кал/см²сек = 10 вт/см². Поэтому поток тепла из недр Земли, составляющий около 10^-6 кал/см²сек = 1 мвт/см², по сравнению с ним пренебрежимо мал. Температура дна океанов определяется локальной температурой воды, которая в глубоких океанах близка к 0°.

     Изучение  тепловых процессов, протекающих в  Земле, - один из самых умозрительных  разделов геофизики. Объясняется это  тем, что данные о наблюдаемом  на поверхности тепловом потоке и температуре в недрах Земли можно интерпретировать многими различными способами. Для областей Земли глубже 100 км наши знания о распределении температуры весьма ненадежны, а расположение источников тепла и механизм его переноса неизвестны. Однако изучение теплового режима весьма важно, поскольку потеря тепловой энергии Землей может быть, прямо или косвенно, причиной большей части тектонических и магматических процессов.

     Основные  энергетические процессы, в которых  участвует Земля, представлены табл. 1. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная ее часть переизлучается обратно в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникает в глубину, измеряемую метрами. В слоях, расположенных близко к поверхности континентов, все периодические изменения температуры убывают с глубиной по экспоненциальному закону. На глубине порядка 1 м от поверхности суточные изменения температуры становятся настолько малыми, что ими можно пренебречь. Так при среднем для поверхностных пород коэффициенте теплопроводности x≈0,01 см²/с, интервал изменения температуры в 20°С на поверхности Земли теоретически составит около 1,4° на глубине 30 м и менее чем 0°,004 на глубине 1 м. Изменение температуры на поверхности Земли на глубину 30 см передается примерно через 10 час. Лишь малая часть солнечной энергии проникает внутрь Земли на глубину, превышающую 30-40 м, где температура остается постоянной. Именно по этой причине начиная с этих глубин, как правило, в шахтах и производится измерение теплового потока. 

     Таблица 1. Основные составляющие энергетического  баланса Земли  

      Эти расчетные значения, в основном, согласуются с наблюдениями. Поэтому  солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, протекающих на поверхности твердой Земли и над ней. Влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо мало по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними источниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при землетрясениях, как и энергия приливного трения, замедляющего вращение Земли, также невелика по сравнению с геотермической потерей тепла.

      В настоящее время принято считать, что основным источником современной  тепловой энергии в недрах Земли  является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. На ранних этапах истории Земли существенную роль в тепловых процессах могла играть освобождающаяся гравитационная энергия. По мере рассеяния тепла малая доля потока Земли переходит в другие формы энергии, которые вызывают тектонические и магматические процессы, метаморфизм и создают магнитное поле Земли.

      Энергетический  баланс с позиции современной  теории глобального развития Земли  с его «привязкой» к тектонической  активности и взаимосвязью с возможными эндогенными источниками энергии, возбуждающими геомагнитное поле, подробно описан в работе.

      Тектономагматическая  активность Земли связана с движениями земных масс и плавлением земного  вещества. Проявляется эта активность в магматических внедрениях глубинного вещества в земную кору (например, в океанических рифтовых зонах Земли), в деформациях земной коры (например, в горных поясах Земли), во вторичном переплавлениикоровых пород (например, в зонах подвига или при образовании гранитных плутонов), при землетрясениях и во многих других случаях движения земного вещества. Однако, в конце концов, все эти перемещения земных масс приводят к преобразованию кинетической энергии движения вещества в тепло, которое с течением времени рассеивается в окружающем пространстве и теряется с тепловым излучением Земли. Поэтому естественным мерилом тектономагматической активности Земли является поступающий из мантии глубинный тепловой поток.

      Магнитное поле Земли возбуждается эндогенными  источниками энергии. Мощность такого поля сравнительно невелика и, по разным оценкам, заключена в пределах от 2·10¹⁶ до 10¹⁹ эрг/с. В настоящее время можно считать почти очевидным, что генерация геомагнитного поля связана с конвективными процессами, развивающимися в жидком и электропроводящем веществе внешнего (жидкого) ядра Земли.Ясно также, что магнитное поле Земли связано и с вращением Земли.

      Основная  сложность с разработкой теории геомагнитного поля, в соответствии с требованиями теории глобальной эволюции Земли, связана с тем, что в  земном ядре отсутствуют заметные источники энергии, способные возбуждать это поле. Наиболее вероятными источниками энергии геомагнитного поля могут быть два процесса. Первый из них - это возможно продолжающееся остывание земного ядра после этапа его перегрева, связанного с формированием ядра в конце архея, в результате которого выделилось около 5,52·10³⁷ эрг кинетической энергии. Второй и более реальный механизм генерации геомагнитного поля может быть связан с возникновением на поверхности земного ядра струйных течений дезинтегрированного мантийного вещества. Такие течения, по сути, замыкают собой конвективные движения мантии в единые замкнутые структуры, с механической точки зрения дополняя модель конвекции, и позволяют связать такую модель с механизмом генерации геомагнитного поля. 

     Определение теплового потока и геотермического градиентана континентах и в океане 

     Когда-то считалось, что Земля может по существу представлять собой тепловую машину. Это означает, что энергия, вызывающая геодинамические явления, может быть результатом тепловых процессов. Приведенные выше общего плана данные показывают, что в самом общем виде, «философски», такая точка зрения на процессы, протекающие наЗемле, может быть обоснована. Однако если говорить конкретно, с «термической» точки зрения, то в настоящее время нельзя определенно ответить на вопрос: «Может ли Земля рассматриваться как тепловая машина?» Термальная история Земли известна недостаточно, так как она непосредственно связана с проблемой происхождения Земли и солнечной системы, проблемой - еще далекой от своего решения.

     Температура внутренних частей Земли в настоящее  время известна с очень малой  точностью. Температура ее верхних  частей до глубин 50 км известна несколько лучше. Мы располагаем следующими источниками сведений о температуре верхних частей Земли: данными геотермических измерений, данными о генерации тепла главными типами горных пород в результате распада радиоактивных элементов, данными о температурах изливающихся лав и данными об электропроводности.

     Тот факт, что тепло повсеместно истекает из недр Земли в пространство, с очевидностью доказывается повышением температуры с глубиной в любой скважине или шахте; температурные градиенты, измеренные на разных объектах, изменяются от 25° до 40° С на 1 км. Следовательно, тепловой баланс может осуществляться только в том случае, если тепло поступает во внешнее пространство из недр Земли.

     Следует отметить, что в некоторых случаях  измеренный тепловой поток оказывается  направленным в обратную сторону - от поверхности земли направление. Два таких случая были отмечены во время измерений теплового потока у берегов Камчатки во время рейса НИС «Вулканолог» в 1978 г. Однако оба эти случая, по всей вероятности, связаны с циркуляцией морской воды в верхней части земной коры, которая постоянно подвергается вследствии активных сейсмотектонических процессов дроблению и оползням

     Тепловой  поток определяется как произведение:

             (1)

     где х - коэффициент теплопроводности,дТ/дn - температурный градиент по нормали к поверхности Земли.

     На  континентах температурные градиенты  определялись путем измерения температуры  и коэффициента теплопроводности пород  на различных глубинах в буровых  скважинах. Обычно для этого применяются  максимальные термометры, которые находятся  нередко в воде, но часто в неподвижном воздухе. По возможности измерения проводятся в течение нескольких часов с помощью нескольких термометров одновременно. Перед измерениями необходимо выждать некоторое время, чтобы в скважине (или шахте) установилось тепловое равновесие. Это время должно быть в несколько раз больше времени, затраченного на бурение скважины. Затем значения, полученные в течение нескольких периодов измерений, осредняются.

     Теплопроводность  образцов горных пород из скважины измеряется или в лаборатории, или  же непосредственно на месте.

     На  Камчатке оценка теплового потока проводилась  по глубоким скважинам Богачевской  структуры на Кроноцком полуострове; величина измеренного теплового  потока составила 46±10 мВт/м² =1,11мккал/(см²с).

     Пример  измерения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, северная Англия) показан на рис.1. Тепловой поток здесь оценивается значением 2,16+0,07 мккал/(см²с).

     По-видимому, впервые метод измерения термического градиента океанического дна  опробовал Петтерсон. В последующие  годы (1950 г.) Буллард и его коллеги применили этот метод в Тихом и Атлантическом океанах. Данный метод основан на измерении разности температур в отложениях океанического дна вдоль вертикального зонда, который имел длину около 0,5 м и диаметр около 3 см. В этих экспериментах зонд находился примерно в течение 15 мин на расстоянии около 100 м над дном океана. После этого он со скоростью 2-3 м/с заталкивался в дно и оставался там в течение 30-40 мин. Поведение зонда детально изучалось и экспериментально и теоретически. По имеющимся оценкам при благоприятных условиях ошибки при определении температурного градиента не превышают 3%. 

  Скважина 

  «Рукхоуп»                            Температура, С

  Рис. 1. Результаты определения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, Северная Англия).  

      Измерения проводились через три года после завершения бурения. Измерения теплопроводности 13 гранитных образцов, взятых с равноотстоящих горизонтов между глубинами 427 и 792 м, представлены гистограммой внизу. Общие результаты таковы: 

      Термический градиент (427 – 792 м )    = 32.45±0.01⁰С/км,

      Поправка  за топографию     = -1.55± 0.50⁰С/км,

      Исправленный  термический градиент    dТ/dn= 30.90±0.51⁰С/км,

      Измеренная  теплопроводность     χ = 0.0070±0.0002 кал/(см с⁰ С),

      Тепловой  поток исправленный за топографию   = 2.16±0.07 мккал/(см² с). 

      На  Камчатке и прилегающих к ней  провинциях массовые измерения теплового  потока на море стали проводиться  Институтом Вулканологии совместно  с другими Институтами страны в середине 1970-х г. Во время второго  рейса НИС «Вулканолог» в 1977 г. по программе «Изучение роли теплового поля Земли в геодинамике» был выполнен большой объем измерений. Использовались приборы конструкции A.JI. Александрова - ПТГ-3 с автономной регистрацией сигнала и ПТГ-4 с телеметрической передачей сигнала на борт судна по кабель-тросу.

      В акваториях Охотского и Берингова  морей исследовалось распределение  температуры с глубиной. Оказалось, что годовые колебания температур на поверхности воды сильно затухают на глубинах 250-300 м и практически полностью на глубине 500- 700 м. Ниже устанавливается адиабатический градиент температуры и можно считать, что фактор колебания температуры на поверхности моря не влияет на температурное поле в осадках.

      Коэффициент теплопроводности донных осадков измерялся с помощью игольчатого зонда постоянной мощности с погрешностью измерений около 3% и оценивался по влажности донных осадков. Значение коэффициента теплопроводности, оказалось, лежит в пределах 1,61 ≤х, шкал/(см·с·град)≤ 2,50, в среднем, х ≈ 2,0 мкал/(см·с·град).

      Определенные  значения теплового потока расположены  в пределах более чем порядка  по величине 0.42 ≤ Q,мккал/(см²с)[мвт/м² ]≤ 5,50.

      Температурные градиенты отдельных областей Земли  также сильно различаются, а также  изменяются и с глубиной, причем зависят, главным образом, от теплопроводности. При этом значения температурных градиентов варьируют в пределах 0,1 - 0,01 град/м. Часто в качестве репрезентативного значения принимается значение 1/30 град/м≈ 30 град/км.

      Коэффициент теплопроводности х определялся многими исследователями. Как правило, теплопроводность данного образца для большинства пород уменьшается с увеличением температуры. Для образцов, отобранных из дна океана, существенно водосодержание, так что необходимо обеспечить такое положение, при котором водосодержание таких образцов не изменялось бы. Из опубликованных данных следует, что х ⁼ 0,005 кал/(см·с·град) для многих пород коры, он близок к значению 0,01 для ультраосновных пород. Для оливина и пироксена определено значение х = 0,012 при 0°С и х = 0,008 кал/(см·с·град) при 200°С. Следует отметить, что, согласно современным данным, коэффициент теплопроводности осадочных пород земной коры сильно зависит от пористости и температуры. 

      Связь теплового потока с основными структурами  земной коры 

      Средние значения теплового потока для разных регионов Земли приведены в табл. 2 (сомнительные результаты исключены) и представлены на рис. 2 а, б, в, г.

      Значения  Qна поверхности Земли, как видно из данных табл. 2 и рис. 2, изменяются в достаточно больших пределах. Наибольшая частота таких значений, как видно из данных рис. 2, приходится на значениеQ_o= 1,1·10^-6 кал/(см²·с). Однако кривая распределения несимметрична. Это приводит к тому, что среднее значение теплового потока приходится на величинуQ_oср= (1,50±0,15)⋅10^-6кал/(см²⋅с) = 63,0±6,3 мвт/м². . При таком среднем значении теплового потока общая потеря тепла Землей путем теплопроводности составляет 2,4⋅10²⁰кал/год или 10²⁸ эрг/год с точностью около 10%.

      Распределение значений теплового потока по поверхности Земли не совсем случайно (рис. 2 б, в). Для щитов и платформQобычно составляет 0,9⋅10-6 кал/(см²⋅с). В противоположность этому тепловой поток в ряде районов, особенно в горах последнего цикла складчатости (Альпы, горы Японии), оказывается повышенным до 2⋅10^-6 кал/(см2⋅с) и даже выше. Это же относится и к некоторым областям на дне океанов. Хотя средний тепловой поток через дно океанов приблизительно равен потоку на континентах и отличается постоянством на обширных океанических равнинах, но на дне океанов имеются области - подводные валы, где тепловой поток резко повышен и доходит до 6,7⋅10^-6 кал/(см²⋅с) (рис. 2).

      Регионы с более высокими (положительными) аномалиями теплового потока называются «горячими точками». В настоящее  время все еще ведутся споры  относительно того, движутся ли эти горячие точки вместе с тектоническими плитами во время их дрейфа или же они имеют более глубокое происхождение (в мантии). Суть проблемы заключается в том, что из равенства тепловых потоков на материках и океанах следует равенство на единице площади количества радиоактивных элементов, генерирующих тепло. Это особенно удивительно, если вспомнить, что литосфера под континентами и океанами имеет разное строение. Действительно, известно, что континентальные породы содержат вблизи поверхности намного больше радиоактивных веществ, чем океанические. Это различие должно каким-то образом уравновешиваться на глубине. 

      Таблица 2. Средние значения теплового потока вмккал/(см² с) в регионах с различными типами геологического строения коры. 

      *) Каждое значение, использованное для получения «среднесеточного» значения, представляет собой среднее из всех измерений, попадающих на квадрат 5x5° (300 х 300 морских миль). Таким способом уменьшается «вес» мест, густо покрытых измерениями. При вычислении «среднесеточного» для всей Земли были использованы дополнительные данные, что объясняет некоторое различие в значениях этих трех среднесеточных значений. 

      Рис. 2а. Гистограмма распределения значений тепловых потоков для Земли в целом .

      Рис. 2 б. Сравнение распределений океанического  и континентального тепловых потоков. Вверху – гистограммы значений теплового потока, внизу – гистограммы средних значений по сетке с ячейкой 90 тыс кв. морских миль; 1 морская миля = 1.8 км [Ботт, 1974, с. 217]. 

      Общая связь теплового потока с геологией  видна также из данных табл. 2 и рис. 2. Из сравнения регионов разного типа следует, что чем раньше закончились магматические процессы, связанные с формированием региона (орогез), тем меньше величина современного теплового потока. Этот общий вывод, по-видимому, верен, но не нужно забывать, что существуют значительные изменения теплового потока местного характера. В частности, они наблюдаются над такими структурами, как Срединно- Атлантический хребет, где, вероятно, имеются локализованный источники тепла, находящиеся на глубинах до нескольких десятков километров. Вероятно, такие источники аналогичны вулканическим областям на суше; их вклад в глобальное распределение потока мал. К приведенной потере тепла Землей через теплопроводность следует добавить потери тепла другими путями.

      Рис. 2 в. Гистограммы значений теплового  потока для разных континентальных  регионов [Ботт, 1974; с. 219]. 

      Магматическая деятельность Земли приводит к поднятию и излиянию на поверхность раскаленных  лав и других продуктов. Считая, что  с начала кембрия (5⋅10⁸лет назад) было около 30 излияний платобазальтов объемом каждое в 10⁶км³, что каждый грамм поднятого на поверхность базальта дал за счет охлаждения 300 кал и за счет теплоты кристаллизации 100 кал, получаем потерю тепла в 0,8⋅10¹⁷кал/год. Если учесть вулканизм дна океанов, другие виды вулканизма, о можно эту потерю увеличить на порядок, т. е. считать Q = 10¹⁸кал/год. Таким образом, этот путь теплопотерь, который может быть доминирующим для некоторых ограниченных районов, пренебрежимо мал в масштабе всей Земли.  

      Рис. 2 г. Гистограммы значений теплового  потока для четырех основных типов  океанических регионов [Ботт, 1974; с. 220]; а – океанические котловины, б  – океанические хребты, в – океанические желоба, г – другие океанические регионы.  

      Наконец, следует учесть вынос тепла термальными  водами. Такие области, как гейзерные  поля, например, долина Гейзеров на Камчатке, области выходов термальных источников по разломам, как, например, термальная линия Копет-Даг, дают вынос тепла  в размерах 10¹⁶-10¹⁷кал/год, т. е. их вклад весьма невелик. Гораздо существеннее вынос тепла водами, циркулирующими в осадочной толще Земли. Произвести точную оценку теплопотерь таким путем не удается, но вполне возможно, что она достигает величины того же порядка, что и через теплопроводность. Таким образом, следует иметь в виду, что приведенной выше значение потери тепла в 2,4⋅10²⁰кал/год может быть увеличено примерно вдвое. 

     Особенности тепловых полей перехода от континента к океану 

      Данные  измерения теплового потока в зонах перехода от континента к океану, полученные при исследовании северо-западной окраины Тихого океана, кратко охарактеризованные выше, показывают следующее. Тепловой поток в зонах перехода является таким параметром, который дает наиболее полную информацию о возрасте тектоно-магматической активности, строении и мощности коры, термодинамических условиях в тектоносфере, структуре энергетического баланса переходных зон и т.д.

      Многочисленные  измерения величины теплового потока позволили построить карту измеренного и фонового теплового потока северо-западной зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану. Анализ этой карты подчеркивает наличие закономерной связи зон высокого (более 2 мккал/(см²·с) = 2,0 епт), промежуточного (1,2- 2,0 епт) и низкого (менее 1,2 епт) теплового потока с определенными тектоническими структурами региона, а также с возрастом тектоно-магматической активности. При этом оси всех аномалий высокого теплового потока в северо-западной зоне перехода совпадают с простиранием областей тихоокеанской складчатости и вулканизма, т.е. с простиранием Идзу-Бонинской, Японской, Курило-Камчатской и Алеутской систем островных дуг. Относительно осей геоантиклинальных поднятий островных дуг оси аномалий смещены во впадины окраинных морей. Максимальные температуры и минимальная мощность литосферы характерны для геосинклинальных впадин окраинных морей. В осевых частях этих структур астеносферный слой поднимается до 20 и даже 10 км, на флангах он опускается до глубин 40-50 км. Установлено существование парадоксальной (с точки зрения радиогенной природы теплового потока и преимущественной концентрации радиогенных элементов в земной коре) зависимость: чем выше величины теплового потока, тем меньше мощность земной коры в зонах перехода от континента к океану. Исключение составляют только вулканические пояса. Эта закономерность является общей для большинства тектонических структур Земли, что позволяет сделать следующий вывод. Тепло радиоактивного распада не является основным фактором в формировании пространственно-временных вариаций кондуктивного теплового потока через поверхность Земли. Установлена зона резко нестационарного теплового поля в областях современного вулканизма на островных дугах северо-западной части Тихого океана. Выделяется довольно большое число региональных и локальных аномалий, природа которых требует своего выяснения. Командорская котловина, расположенная в Беринговом море севернее сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, является уникальным «горячим пятном» на земном шаре и по мощности теплового потока превосходит Исландию. При этом в отличие от других котловин окраинных морей Тихого океана аномально высокий тепловой поток в ней не может быть объяснен подвигом литосферной плиты. Это ставит новые вопросы перед гипотезой субдукции литосферных плит.