big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Ресурсы радиогенного тепла

Круговорот вещества сопряжен с затратами тепловой и механической энергии. Энергия затрачивается как на нагрев осадочных пород, накапливающихся на дне океана и погружающихся в пределы мантии, так и на нагрев вещества коры под океанами. Кроме этих затрат, вернее, как это будет показано, перемещений тепла, происходят безвозвратные потери тепла в виде теплового потока из недр Земли в атмосферу и далее в мировое пространство.

Известно, что кора материков в большей мере состоит из гранитной оболочки, а кора океанического дна — из базальтов и других основных пород. Известно также, что радиоактивные элементы содержатся главным образом в гранитах.

Вопрос о том, почему именно граниты содержат больше радиоактивных элементов, по-видимому, имеет то же решение, как и вопрос о том, почему калий вообще и, в частности, радиоактивный К40 удерживается породами суши и почти не переходит в океан?

Содержание калия в гранитах почти вдвое больше, чем в базальтах. В морской воде натрия содержится 17,2 • 1015 т, а калия в ней только 0,62 • 1015 т. По весу натрия в морской воде содержится в 28 раз больше, чем калия, а по числу атомов — в 47 раз. Это значит, что из изверженных пород извлекается главным образом натрий, а калий почти полностью остается в земной коре, как и многие другие элементы (Сu, Zn, Cd, Hg, Pb, Ag, Bi, Cr, Mo, W, Ni, Co и V).

Последние содержатся в морской воде в очень малых концентрациях, весьма далеких от насыщения. Малое извлечение калия объясняется тем, что он является более сильным основанием, чем натрий, я поэтому в порядке реакций двойного обмена вытесняет натрий я кальций из полевых шпатов с образованием наиболее устойчивых калиевых шпатов. Надо допустить, что и уран и торий при промывании пород, слагающих кору суши, так же как и калий, не вымываются из них, а наоборот, задерживаются в граните и ему подобных горных породах суши.

В течение многих миллионов лет происходит круговорот вещества между мантией и корой суши и океанов. При этом радиоактивный калий и другие радиоактивные элементы, как в хроматографической колонке, сорбируются в коре материков. Это и могло привести к повышению их содержания в гранитах. С нашей точки зрения, эти радиоактивные элементы должны содержаться в преобладающем количестве во всей толще континентов до самой поверхности Мохоровичича.

Считается, что нижняя половина земной коры суши состоит из базальтов и других основных пород, но если принять развиваемое нами представление о причинах различия коры материков и океанов, то нет оснований ожидать обязательного отсутствия повышенного содержания радиоактивных элементов в «базальтовом» слое в низах коры материков, как это характерно для базальтов океана.

В тепловом балансе земной коры главной составляющей в приходной части, по-видимому, является радиогенное тепло, генерируемое в различных породах различно; наиболее богаты радиоактивными элементами граниты (табл. 22).

Как видно из табл. 22, основное количество радиогенного тепла, генерируемого в недрах земного шара, выделяется в толще земной коры. Хотя на ее долю приходится только 0,4% массы Земли, в ней генерируется 95,5% всего радиогенного тепла.

Г. В. Войткевич, показавший, что радиоактивный распад играет большую роль не только в тепловом балансе Земли, но и в некотором изменении ее химического состава, считает, что в земной коре генерируется 76,3% радиогенного тепла в оболочке 21,7% и в ядре 2%. По его расчетам, приведенным в табл. 23, ежегодно радиоактивному распаду с образованием новых элементов подвергается 80 270 т вещества.

Им же показано, что роль отдельных радиоактивных элементов в генерировании тепла резко меняется с ходом времени (табл. 24).

Если сейчас основную роль играют уран и торий, на долю которых приходится 88,1% всего радиогенного тепла, а на долю калия и актиноурана приходится только 11,9%, то 4 млрд. лет назад общее

количество радиогенного тепла в четыре раза превышало современное, и на долю калия и актиноурана приходилось 66%, а на долю урана и тория только 34%.

Выделение радиогенного тепла в типичных для земной коры породах по данным разных авторов приведено в табл. 25—27.

Относительно низкое содержание радиоактивных веществ в коре океанов по сравнению с содержанием их в коре материков и в пять раз меньшая мощность коры океанов давали основание ожидать, что тепловой поток сквозь кору океанов должен быть меньшим, чем через кору материков. Так, при выделении радиогенного тепла из гранита 2∙10-13, базальта 0,35∙10-13, перидотита 0,006∙10-13 и из

железных метеоритов 0,0013•10-13 калсек-1 тепловой поток поверхности материков должен быть равен 1,65•10-6 калсек-1 • см2 и поверхности океанов — 0,71∙10-6 калсек-1 см2. В действительности, по имеющимся данным, и на материках и в океанах тепловой поток оказался равным 1,2∙10-96 калсек-1см2. Так как в земной коре океанов тепла, выделяемого радиоактивными веществами, совершенно недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый тепловой поток, то считается, что дополнительное тепло выделяют радиоактивные вещества, находящиеся в верхних горизонтах мантии. Избыточное (по сравнению с наличием радиоактивных веществ в верхних горизонтах под материками) содержание радиоактивных элементов в мантии под океанами объясняют тем, что оно, якобы, еще не успело подняться в кору, как это произошло под материками. Однако, так как выход радиогенного тепла из пределов мантии в океан требует повышенной теплопроводности вещества, слагающего земную кору, допускается, что тепло приходит к поверхности или путем конвекции или что в этом случае имеет место неожиданно высокая теплопроводность пород.

Оказалось, что особенно высокими тепловыми потоками отличается вся система океанических хребтов. Измерение теплового потока в рифтовой долине Срединно-Атлантического хребта дало величину около 7 • 10-6 калсек-1 см2, что в шесть раз превышает среднее значение для суши и океана. Высокие значения теплового потока обнаружены также на хребте о. Пасхи в юго-восточной части, Тихого океана.

Изложенное показывает, что в вопросе о тепловом балансе основных разновидностей земной коры еще многое остается неясным, особенно это относится к количеству радиогенного тепла, генерируемого в толще коры материков и океанов.

Если считать, что все вещество коры материков так же богато радиогенным теплом, как граниты, то при выделении 7∙10-6 кал/г в год и при массе коры, равной 15,4∙1024г, ежегодное выделение тепла было бы равно 107 • 1018 кал/год; если принять выделение тепла, по Холмсу, 15,9 ∙10-6 кал/т, то годовое выделение было бы равно 246∙1018 кал/год.

Кроме радиогенного тепла пород суши в приходной части баланса должно быть учтено тепло, вносимое с ежегодно входящим в состав материков нагретым веществом мантии. Количество этого вещества должно компенсировать ежегодный снос с материков в океан. Ежегодное поступление в кору материков 12 км3 вещества мантии, нагретого до ~500° С, вносит —5,3 • 1018 кал/год.

В приходную часть теплового баланса океанической коры, масса которой равна 7,5 • 1024 т, также входит радиогенное тепло, выделение которого для базальтов, по Берчу, равно 1,1∙10-6 кал/т, а по Холмсу, — 3,9 '10~6 кал/т. В соответствии с этим общее количество радиогенного тепла в приходной части коры океанического дна составит 8,3∙1018, либо 29,4∙1018 кал/год.

Из этого количества тепла должно быть исключено 5,3∙1018 кал/год, которые идут на нагрев осадочных пород, погружающихся в пределы мантии.

В расходную часть теплового баланса земной коры материков входят потери теплового потока, равные 561018 кал/год, и потери теплового потока коры океана, равные 136∙1018 кал/год.

Если для сопоставления прихода и расхода тепла принять средние значения радиогенного тепла в коре суши и коре океана, соответственно равные 176,5∙1018 и 18,6 • 1018 кал/год, то тепловой баланс будет выглядеть так (табл. 28).

Таким образом, избыток радиогенного тепла в коре суши совпадает с недостатком тепла, расходуемого корой океана на постоянна уходящий в мировое пространство тепловой поток.

Конечно, при имеющихся совершенно недостаточных сведениях как о содержании радиоактивных веществ в коре суши и океанов, так и по тепловым потерям коры океана это совпадение имеет только принципиальное значение. Абсолютные значения еще будут уточнены и, вероятно, будут иными.

По количеству тепла, которое переносится ежегодно из-под материков растворами, перемещающимися по дренажной оболочке, можно подсчитать, какое количество этих растворов должно перемещаться ежегодно из-под материков в дренажную оболочку коры океанического дна.

Так, если в год выносится около 100 • 1018 кал, то при переносе его в виде пара (нагретого до 400—500° С, теплосодержание которого равно —700 кал/г) общее количество переносимых паровых растворов будет равно приблизительно 140∙109т, или 100—150 км3.

В этом количестве пара должны выноситься растворимые компоненты, извлекаемые из того количества вещества мантии, которое ежегодно должно поступать в состав земной коры материков.

Плотность вещества мантии больше плотности вещества земной коры. Так как точных значений нет, то, принимая плотность земной коры материков до поверхности Мохоровичича равной 2,8, получим, что по условию изостазии плотность вещества мантии равна 3,3 г/см3. Это значит, что при превращении вещества мантии в вещество земной коры из него должно вымываться около 15% растворимых компонентов. Если ежегодно из мантии в земную кору материков поступает 12 км3 вещества с плотностью 3,3 г/см3 с превращением его в вещество с плотностью 2,8 г/см3, то ежегодно из-под материков под океаны переносится 6 млрд. т растворимых компонентов, содержащихся в 140 • 109 т воды. Концентрация растворов в среднем равна 4%.

Как уже было показано, в материковой толще выделяется такое количество радиогенного тепла, какое более чем втрое превосходит расход тепла на тепловой поток, теряемый сушей в мировом пространстве. С другой стороны, количество радиогенного тепла, которое выделяется в базальтах коры океанического дна, в семь раз меньше того количества, какое теряется океаническим дном в виде теплового потока. Это противоречие находит удовлетворительное объяснение в вышеприведенном расчете переноса избыточного тепла из-под материков в дренажную оболочку океанов. Вынос избыточного материкового радиогенного тепла компенсирует недостаток тепла, выделяющегося в коре океанов, и объясняет, почему в коре материков и особенно в коре горных кряжей не наблюдается более высокий, чем это имеет место, тепловой поток. Без выноса части радиогенного тепла из коры материков и горных областей тепловой поток коры этих областей должен был бы быть в несколько раз большим, чем наблюдаемый.

То, что теплопотери, приходящиеся на единицу поверхности коры суши и коры океана, оказались близкими и почти равными, по-видимому, определяется существующим соотношением поверхностей суши и океана. Если бы, например, поверхность суши составляла не 30, а 50% от общей поверхности Земли, то суммарные тепловые потери океанического дна были бы вдвое выше тепловых потерь суши. Не исключено, что процессы, определяющие соотношение площадей суши и океана, связаны с процессами перераспределения радиогенного тепла, выделяющегося в литосфере. Например, уменьшение отвода тепла из толщи коры материков должно было бы привести к ее нагреву и к подъему изотермы критического состояния воды и, следовательно, к уменьшению мощности земной коры материков. Это обязательно сказалось бы в уменьшении поверхности суши. Наоборот, увеличение отъема радиогенного тепла из толщи пород коры суши ведет к ее охлаждению и, следовательно, к увеличению ее мощности за счет опускания изотермической поверхности критического состояния воды. Увеличение мощности коры суши должно привести к увеличению средней высоты материков и, следовательно, может вызвать некоторое увеличение поверхности суши. Эти соображения еще более подтверждают уже высказанное положение о том, что существующее распределение суши и океанов на поверхности Земли является не случайным, а весьма устойчивым и долговечным — оно определяется как общим количеством радиоактивного тепла, выделяющегося в недрах земной коры, так и интенсивностью круговорота воды и твердого вещества, возникающего и поддерживаемого в результате процессов взаимодействия гидросферы и литосферы.

Из приведенных в табл. 28 данных по тепловому балансу круговорота твердого вещества видна роль радиогенного тепла в круговороте.

Однако только радиогенное тепло не может вызывать круговорота вещества, хотя оно участвует в нем в значительной мере. Действительно, если бы не существовало круговорота воды, которая производит работу по разрушению материковых пород и транспортировке их в океан, если бы не было проникновения воды сквозь материки с вымыванием растворимых компонентов и с перемещением их по дренажной оболочке под океан, с выходом воды в конце концов в океан, то круговорота твердого вещества не было бы совсем.

Радиогенное тепло могло бы только нагревать породы и поддерживать их температуру. Оно производило бы работу по созданию дренажной оболочки, создавало бы различие плотности слоев пород, примыкающих к границе Мохоровичича, но не могло бы создать круговорота вещества и поддерживать его на протяжении геологического времени. Только наличие радиогенного и солнечного тепла, при наличии воды на поверхности Земли и в ее недрах, поддерживает постоянство существующего различия уровней поверхности материков и океанов — обеспечивает круговорот вещества.

Количество солнечной энергии, которое непосредственно участвует в процессе круговорота твердого вещества материков, разрушаемого и транспортируемого в океан водой, значительно. Сюда относится тепло, расходуемое на испарение воды в океане и на транспорт облаков к местам, где из них выпадают осадки над материками. Если учесть только тепло, которое затрачивается на испарение той части воды, которая выпадает в виде осадков над материками (опуская то тепло, которое выпадает с дождевой водой обратно в океаны), то при среднегодовом количестве осадков, равном 600 мм (60 см3/см2), и при скрытой теплоте испарения, составляющей 600 кал/г, получим 36 000 кал∙см-2∙год. Это в 1500 раз больше всего радиогенного тепла, выделяющегося в течение года на каждом квадратном сантиметре. Из осадков, выпадающих на поверхность материков, не вся вода участвует в разрушении пород и их транспортировке к океану. Примерно половина воды испаряется на суше, остальная поступает в реки непосредственно или в виде грунтовых вод. Во всяком случае, даже на испарение только той воды, которая производит работу по круговороту твердого вещества, солнечного тепла расходуется в 700 раз больше, чем выделяется радиогенного. Если принять во внимание и тепло, выделяющееся в толщах земной коры в процессах преобразования горючих ископаемых и рассеянного органического вещества, то преобладающая роль солнечной энергии станет еще очевиднее.

При рассмотрении источников тепла, которые участвуют в нагреве Земли и создают тепловой градиент в ее недрах, обычно учитывается не только радиогенное тепло. Рассматриваются и такие источники: энергии, как энергия гравитационной дифференциации вещества мантии Земли, из которой выделилось железо, образовавшее ядра Земли. Расчетами Е. Н. Люстиха и В. А. Крата показано, что гравитационная энергия количественно соизмерима с энергией радиоактивного распада. Однако этот энергетический источник непригоден для объяснения тех многочисленных особенностей, которые присущи тепловому потоку отдельных структур земной коры (известно, например, что на некоторых участках срединных хребтов, тепловой поток в восемь раз превосходит среднее его значение).

Интересными являются расчеты по определению количества энергии, которое выделяется за счет приливного трения в системе Земля — Луна. Е. Л. Рускол показала, что общее количество энергии приливного трения в недрах Земли за все время существования системы Земля — Луна соизмеримо с количеством радиогенного тепла, и составило 3,6 • 1037 эрг. Если принять, что длительность существования этой системы равна 4109 лет, то на протяжении одного года количество энергии составит 2∙1020 кал. Это совпадает с потерями, тепла всей поверхности Земли в течение года.

Приливная волна, обегающая земной шар дважды в сутки, может наиболее существенно затрагивать именно земную кору, а не весь земной шар. Ведь главной отличительной особенностью земной коры, как оболочки Земли, является то, что только она обладает трещиноватостью и разломами, заполненными жидкой водой, водяными парами и газами. Блоковое строение, наличие пустот, заполненных жидкой и газовой фазами, способными сжиматься, расширяться и перемещаться, делает земную кору именно той оболочкой, в которой, как пишет Е. А. Любимова: «Эффект приливного трения мог сыграть некоторую роль в тепловой эволюции верхней мантии Земли, если бы выделение тепла за счет приливного трения происходило не во всей оболочке, а только в локальных слоях, где отклонение от идеальной упругости наиболее велико».

Несмотря на хорошее совпадение количества энергии приливного трения с тепловыми потерями Земли, более приемлемым источником тепла для теплового потока представляется распад радиоактивных элементов.

Энергия приливной волны по своим специфическим особенностям более пригодна для объяснения тех проявлений энергии, где радиоактивное тепло непригодно, например для объяснения тектонических явлений, где роль приливной волны в качестве «спускового курка» общепризнанна. Кроме этой роли приливная волна в литосфере, как показано выше, выполняет роль мощного насоса, перемещающего наэлектризованные растворы по дренажной оболочке вокруг земного шара с востока на запад.

По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию — электрическую, химическую, механическую и т. д.

Медленно и с трудом выявляется нашему уму механизм превращения солнечной энергии в земные силы».

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.