Ранней Земли (справа)

ЭНЕРГЕТИКА ЗЕМЛИ

Энергетика Земли, геотермический градиент и геотермическая ступень,тепловой поток. Источники энергии развития Земли- радиогенное тепло, энергия гравитационной дифференциации, приливного торможения, соударения с планетеземалями.

Земля относится к группе холодных небесных тел. В космическое про­странство она излучает меньше энергии, чем получает извне. На ее повер­хность воздействует огромный энергетический поток, поступающий от Солнца. По данным М. Д. Хуторского, он составляет 5,5 Х 10²⁴ Дж/год, что в 10 тыс. раз больше собственного теплового потока Земли. Около 40 % этой энергии сразу же отражается от ее поверхности в космичес­кое пространство.

Солнечная энергия определяет температуру самого верхнего слоя Земли, которая изменяется под влиянием суточных и сезонных коле­баний климата.Суточные изменения температуры сказываются до глубины 1-2 м, в то время как сезонные колебания фиксируются на глубине до 30 м. Глубина, ниже которой сезонные колебания температуры не влияют на горные породы, называется поясом постоянных температур, или нейт­ральным слоем.

Вывод о том, что в недрах Земли температура значительно выше, чем в приповерхностном слое,ученые знали давно.

Образное выражение: «Земля - это тепловая машина» - подтверждается многочисленными примерами поступления тепловой энергии к поверхности планеты. К их числу относятся проявления магматизма в виде излияния лавы в вулканических областях, периодическая поставка гейзерами к поверхности нагретых вод, общее повышение температуры недр, замеренной непосредственно в скважинах и глубоких шахтах и многие другие примеры.

Тепловой поток. Наиболее объективным показателем режима генерации тепловой энергии является тепловой поток. Он представляет расходную часть тепловой энергии, которая теряется Землей. Современная скорость потери тепла с поверхности Земли составляет примерно 4 ×10¹³ Вт в год. Из них 75% приходится на океаны и около 25% - на континенты. Глобальная средняя величина теплового потока, измеряемая поступлением количества тепла на единицу площади (мВт/м²) в системе СИ или мккал/см² с в системе СГС) составляет 61 мВт/м².Детальное изучение геотермического поля поверхности Земли выявило существенные, вплоть до ураганных, колебания значений теплового потока. До 60-х годов предполагалось, что это в основном радиогенное тепло, поступающее из коры. Как выяснилось позднее, в среднем около 60% континентального теплового потока поступает из мантии и только 40% вносится за счет радиоактивных элементов, содержащихся в алюмосиликатных породах верхней коры континентов. Вклад базальтового слоя океанической коры в общий баланс тепла составляет не более 5-10 %, а остальная часть поступает из недр мантии.

. Распределение температуры в Земле. Почти всегда температура пород увеличивается с глубиной. Показателем этих изменений служит геотермический градиент (dT/dZ,(где Z - глубина).

Геотермический градиент характеризует изменение температуры горных пород на единицу расстояния. В зависимости от того, изме­ряется температура по площади или в вертикальном разрезе, выде­ляют горизонтальный и вертикальный геотермические градиенты. Поскольку изменения температуры в основном проводят в единич­ных точках наблюдения (по скважинам), в настоящее время наибо­лее полные сведения имеются о вертикальном геотермическом гра­диенте, который в дальнейшем будем называть просто геотермическим градиентом.Величина, обратная геотермическому градиенту называется геотер­мической ступенью. Она характеризует длину интервала пород, в пре­делах которого температура повышается на 1⁰. В невулканических областях суши он равен примерно 3⁰С на 100м. Однако многочисленные примеры показывают, что значения геотермического градиента могут меняться в широких пределах, что зависит от интенсивности теплового потока Провинция Бассейнов и Хребтов - наиболее активный тектонический регион - характеризуется высоким геотермическим градиентом. Восточное побережье США является платформой. Ее геотермический градиент намного ниже (рис.3.2).

Рис.3.1.Диаграммы изменения температуры в тектонически активных областях Восточного побережья США(область Бассейнов и Хребтов) и внутренних стабильных районов Центральной Америки (слева) и предполагаемое распределение температуры в Земле (D.P.Mc Kenzie, F.D.Staccy), Р-Р¢ - интервал фазовых переходов в средней мантии, М - граница мантии и ядра - расплав железа(справа)

Смотри фильм»геотермический режим»Ctrl+щелчок

По разным оценкам температура в разрезе Земли составляет в кровле астеносферы по солидусу перидотита от 1150 до 1350⁰С, на глубине 400 км она близка к 1500⁰С. В основании нижней мантии (400-700 км), где происходят фазовые переходы минералов, температура оценивается от 1500 до 1900⁰С. На границе мантии и ядра, если судить по жидкому состоянию железа во внешнем ядре, температура находится в интервале 3000-3800⁰С и внешнего и внутреннего ядра (4000⁰С.

Районирование современного геотермического поля Земли. Различные масштабы генерации тепловой энергии, закономерное распределение генерирующих центров в разрезе мантии находит свое зеркальное отражение в современном геотермическом поле Земли Геодинамический режим мантии особенно наглядно проявляется в распределении теплового потока (рис5.2).

Рис.3.2.Схема плотности теплового потока в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах, Северной и Южной Америке и Африке (Л.Э Левин): Интенсивность теплового потока в Вт/м², 1- более 80 в океанах и на континентах, 2-3- в океанах (2-80-26, 3- менее 26), 4-5- на континентах (4-8-26, 5- менее 26), 6- экстремально высокие (более 80) в океанах и на континентах, 7-8- экстремально низкие (менее 26), 7- в океанах, 8- на континентах, 9 - зоны субдукции, 10 - континентальный склон

Глобальное распределение теплового потока крайне неравномерное, а его значения меняются в широких пределах от крайне низких (20 Вт/м² и менее) до крайне высоких, ураганных (350 Вт/м² и более). Важнейшим элементом теплового поля является глобальная система экстремально высоких тепловых потоков, совпадающих с положением мировой системы срединноокеанских хребтов и рифтовых поясов. К их числу относятся Атлантик-Антарктический и Индоокеанско-Тихоокеанский пояса термических аномалий, а также их продолжение на континентах в составе Западно-Американской (область Бассейнов и Хребтов) и Восточно-Африканской рифтовых систем. Их тепловой поток составляет более 80 Вт/м². Срединноокеанические аномалии сопровождаются апофизами высокого теплового потока вдоль трансформных разломов, рассекающих срединноокеанические хребты. Особую группу экстремальных аномалий, обособляющихся в виде пятен, составляют аномалии, сопровождающие в океане одиночные вулканические острова и вулканические хребты, типа Гавайско-Императорских подводных гор. Их тепловой поток также может превышать 80 Вт/м².

Следующая категория аномалий совпадает с активными континентальными окраинами. Они образуют глобальную кольцевую систему, окружающую Тихий океан. Его западная окраина включает вулканические островные дуги (Камчатка, Япония, Филиппины и др.) и задуговые котловинные моря типа Японского, Филиппинского и др. Тепловые потоки здесь могут достигать ураганных значений, что особенно наглядно проявляется в районах действующих вулканов. Вдоль восточной окраины океана высокие тепловые потоки образуют Западно-Американский пояс, включающий поднятия горных систем Кордильер и Анд. Здесь также максимальные значения потоков приурочены к районам активного вулканизма.Внутри континентов аномальным термическим полем характеризуются внутриконтинентальные горные системы. Их представителем является Альпийско-Гимайлайский складчатый пояс, протягивающийся по югу Евразии от Атлантики до Тихого океана. Его апофизом служит Центрально-Азиатская горная система, включающая Тянь-Шань, Алтай, Саяны, поднятия Монголии, вплоть до Прибайкалья и Забайкалья. Тепловой поток горных систем дифференцирован.Наряду с аномально высокими значениями теплового потока (60-80 Вт/м2) выделяются изометрические поля с потоками менее 30-20 Вт/м2.

Областям экстремальных значений теплопотерь противопоставляются регионы с низкими и ультранизкими (менее 20 Вт/м²) величинами теплового потока как в океанах, так и континентах. В первом случае к ним относятся области абиссальных и батиальных равнин океанов. Масштабы теплопотерь закономерно снижаются по мере удаления от срединноокеанического хребта и возраста континентальной коры. Если в осевой зоне хребта значения потока составляет обычно более 80 Вт/м², то на удалении от хребта они снижаются, а над глубоководным желобом достигают величины (25 и менее Вт/м²). Особое положение в геотермическом поле Земли занимают платформы, особенно древние, а среди них архейско-протерозойские щиты.

Ареалы теплопотерь имеют изометричную форму, совпадающую с контурами щитов и платформ в целом. Древние платформы характеризуются потоком менее 20 Вт/м², молодых платформ значительно высоким.

Таким образом, внутреннее строение геотермического поля Земли отражает неравномерное поступление тепловой энергии из глубоких недр. Максимальные значения теплового потока приурочены к срединно-океаническим хребтам, по обе стороны от которых значения потока закономерно падают. Предполагается, что эти зоны соответствуют выходу тепла генерируемого глубокими частями мантии, вплоть до ядра. Их отождествляют с мантийными струями - плюмами. С ними также связывают аномалии рифтовых систем, а точечные аномалии океанических островов с одиночными плюмами. Аномальное термическое поле активных континентальных окраин и горных систем большинство исследователей коррелирует с тепловым режимом астеносферы. Наконец, платформенные регионы отличаются крайне низкими теплопотерями. Тепловое поле является отражением термического режима астеносферы и мантии и развитием конвективных течений.

Строение геотермического поля Земли отражает причинно-следственные связи между оболочками Земли, между ядром, мантией, литосферой и земной корой, что подтверждается результатами сейсмотомографии и других методов изучения глубинного строения Земли. Однако необходимо иметь в виду, что в геологическом прошлом масштабы генерации тепловой энергии и положение ее источников были иными, что вызывает необходимость при геоисторических реконструкциях использовать косвенные методы. Главными показателями теплового режима недр прошлого являются масштабы генерации магм различного состава, места проявления магматизма и метаморфизма. Тепловой режим недр неоднократно менялся и необратимо эволюционировал во времени.

Виды энергии. «Земля — это тепловая машина». Тепло, приводящее в действие эту машину, поступает из глубоких недр, подтверждается возрастанием температуры с глубиной и непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового потока, оцениваемого в современную эпоху в 4,2×10¹³W. Возникает естественный вопрос: что порождает этот тепловой поток?

Первоначально, в XIX в, согласно теории Канта-Лапласа, предполагалось, что тепловой режим Земли отражает лишь ее постепенное остывание, в ходе которого из расплавов происходили кристаллизация минералов и образование оболочек твердой Земли. Исходя из параметров теплопотерь, ее возраст оценивался в пределах первой сотни млн. лет.Согласно современным космогоническим представлениям Земля образовалась из холодного протовещества, а ее разогрев и обусловленные им процессы эндогенной дифференциации произошли позднее на планетарном этапе ее эволюции. Крупнейшим открытием в естествознании, сделанном на рубеже XIX и XX столетий, явилось обнаружение радиоактивных элементов и их радиоактивный распад, сопровождаемый выделением тепловой энергии. Именно с ней, вплоть до 70-х годов ХХ в исследователи связывали энергетику Земли и большинство геологических процессов, проходивших в ее недрах,и отвергавшим представления об остаточном тепле ранее раскаленной планеты.

Виды энергии:аккреционная,приливного торможения,

импактная,радиогенная и

глубинной гравитационной дифференциации

Аккреционная энергия. Ее выделениеприходится на самую раннюю стадию развития Земли,когда падение на Протоземлю платеземалей метеоритного состава приводило к полному их плавлению.Следовательно,вещество Протоземли испытало полное переплавление.

Импактная энергия. Падение астероидов и планетезималей вносило не меньший вклад в общий энергетический баланс ранней Земли. О масштабах их бомбардировки можно судить по строению Луны и других планет, испещренных многочисленными кратерами. При падении астероидов проникновение ударной волны могло достигать глубины 500-700 км. Вызванное импактными процессами плавление земного вещества приводило к образованию оболочки,получившей название «магматический океан».

Рис.3.3.Кратеры на Меркурии(слева) и «магматический океан»

ранней Земли (справа)

Энергия приливного торможения генерируется гравитационным взаимодействием между Луной и Землей.Не случайно сейчас Землю и Луну рассматривают как двойную планету.В результате взаимного притяжения на поверхности Земли возникают волны приливного торможения. В настоящее время они проявляются ежесуточно в виде океанических приливов и отливов. Их амплитуда в мелководных морях и на суше незначительная. Однако в прошлом благодаря гравитационному взаимодействию приливные волны интенсивно раскачивали Землю.4,5 млрд. лет назад орбита Луны находилась на расстоянии не более трех радиусов Земли и совершала оборот вокруг своей оси всего за два часа. В эоархее (4,0 млрд. лет) продолжительность суток Земли 3 часа, а высота орбиты - 150 тыс. км. В начале протерозоя с увеличеним высоты орбиты до 340 тыс. км продолжительность суток составила 17, в девоне - 22 часа.В настоящее время высота орбиты – 380 тысяч км, а продолжительность суток - 24 часа.

Таким образом, влияние Луны на развитие Земли особенно сильно сказалось на самых ранних стадиях ее эволюции. Трудно себе представить, что амплитуда приливных волн достигала 1,0-1,5 км, которые повторялись через каждые 2-3 часа. Подобное раскачивание Земли приводило к выделению огромного количества тепловой энергии, являвшейся важным вкладом в общую энергетику Земли. По оценкам О.Г.Сорохтина и С.А.Ушакова, только за счет приливного торможения температура Земли могла повыситься на 500 градусов.. После образования Луны масштабы генерации приливной энергии в 13 тыс. раз превышали генерацию тепла в современной Земле. Доля приливной энергии в сегодняшнем суммарном тепловой потоке не превышает 1-2%.

Рис.3.4. Предполагаемое взаимодействие между Землей и Луной на раннем этапе их развития (слева) и изменения расстояния между Землей и Луной(справа).

Рис.3.5. Лунные приливы и отливы (слева) и динамика выделения энергии приливного торможения (справа)

Таким образом необходимо иметь ввиду,что рассмотренные виды энергии проявились только на ранней стадии развития Земли.

Радиогенная энергия образуется при распаде радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория, калия. К их числу следует относить также короткоживущие изотопы элементов, реализовавших свою энергию уже на ранних стадиях развития Земли. При оценке энергетического баланса Земли следует использовать реальные данные об энергии, выделявшейся при радиоактивном распаде. На них базировались теория общей эндогенной эволюции Земли и, прежде всего, господствовавшая в то время геосинклинальная теория формирования земной коры.Вместе с тем все попытки объяснить глубинное тепло Земли на этой основе встречали определенные трудности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: