К термике Земли относятся исследования физической природы источников тепловой энергии, процессов передачи тепла в условиях внутриземных высоких давлений и температур, изучение распределения теплового потока на поверхности Земли, измерения геотермического градиента и теплопроводности пород земной коры, теория расчета внутренней температуры и термической истории Земли. Любой раздел геофизики и геологии так или иначе имеет отношение к этим вопросам. Коэффициенты упругости, вязкости, электропроводности, реологические свойства (отклонения от идеальной упругости), теплопроводность в значительной степени зависят не только от давления, но и от температуры. Одним из главных источников тектонических процессов и движений земной коры является теплота.
Рассмотрение термической истории Земли имеет космогоническое значение. Впервые со всей очевидностью это было показано еще в прошлом веке Кельвином, который полагал, что тепловой поток, наблюдаемый у поверхности Земли, выносит количество тепла из ее недр, оставшееся от первоначально расплавленного состояния. Кельвин оценил возраст Земли как период охлаждения планеты, в течение которого тепловой поток у поверхности достигает наблюдаемого ныне значения. Возраст Земли получился у него слишком малым, около 20 млн. лет, что противоречило уже имевшимся в то время геологическим фактам. Большое расхождение нашло объяснение лишь впоследствии, в связи с открытием собственных,
непрерывно действующих источников тепла внутри Земли в виде рассеянных радиоактивных изотопов урана, тория, калия, что привело к ломке старых воззрений о вековом охлаждении недр планеты.
С этого периода происхождение поверхностного теплового потока стали связывать главным образом с генерацией радиогенного тепла — в Англии Джеффрис (1932), в США Урри (1949).
Фундаментальные работы по термине Земли связаны с именами А. П. Соколова и В. И. Вернадского, Г. Н. Хлопина и А. Н. Тихонова и начались с конца 20—30-х годов. Исследования были посвящены выяснению роли радиоактивного распада в тепловом режиме Земли и земной коры. Происхождение наблюдаемого теплового потока связывалось с внутренними источниками тепла. А. Н. Тихоновым были даны первые математические решения возможного распределения температур в земной коре. В 40-х годах появились работы Н. Н. Корытниковой и С. A. Kpaсковского, привлекшие внимание к вычислению теплового потока, протекающего через земную кору в разных условиях.
Новое освещение проблема термики Земли приобрела в связи с появлением космогонической теории О. Ю. Шмидта. Геофизикам была предложена модель первоначально холодной Земли, состоящей из конгломерата тел, подобных смеси каменных и железных метеоритов, смеси, разогревающейся под действием собственных источников тепла в виде рассеянных радиоактивных изотопов U238, Th232 и К40. Решение задачи о распределении температуры внутри такой модели, постепенно эволюционирующей к настоящему состоянию Земли, оказалось удачным и привело к построению теории тепловой истории Земли в работах сотрудников Института физики Земли АН СССР — Е. А. Любимовой, Б. Ю. Левина и С. В. Маевой. Их выводы впоследствии были подтверждены расчетами американца Мак-Дональда. Вместо гипотезы контракции и векового охлаждения Земли была предложена гипотеза о постепенном разогревании ее недр, в то время как земная кора имела более сложную термическую историю, местами находясь в фазе охлаждения, местами — в стадии разогрева. Этот вывод был использован Е. А. Любимовой и В. А. Магницким при описании термоупругого состояния земного шара и установлении связи температурных деформаций с распределением сейсмической энергии и происхождением гравитационных аномалий. Теория тепловой истории Земли оказалась в хорошем соответствии с основными положениями теории химической эволюции Земли, развитыми А. П. Виноградовым.
В последние годы среди источников тепловой энергии, кроме радиоактивной генерации тепла, стали рассматриваться тепловой эффект приливного трения, гравитационная и упругая энергия, а также запас первоначального тепла. Следующим важным направлением, разрабатываемым советскими учеными, явилось исследование процессов переноса тепла на основе применения физики твердого тела. Была установлена существенная роль трех молекулярных процессов переноса энергии в недрах Земли — решеточной, лучистой и экситонной составляющих
(Е. А. Любимова, В. Н. Жарков). Первая обусловлена колебаниями кристаллической решетки и ростом температуры; две вторые быстро возрастают с ростом температуры и имеют существенное значение лишь в глубоких недрах мантии. Тепловые эффекты, происходящие в нижней мантии, не сказываются на тепловом потоке. В результате суммирования теплопроводности трех упомянутых видов образуется зона минимальной теплопроводности в верхней части мантии Земли на глубине 50—100 км.
Установление минимума теплопроводности имеет принципиальное значение для термики Земли, так как этот минимум как бы запирает тепло в ее недрах, мешая его быстрому оттоку. Отток тепла происходит со всей верхней мантии. Тепловой поток через поверхность Земли по отдаче энергии в единицу времени в 10—100 раз превосходит среднюю энергию, освобождающуюся при землетрясениях и вулканической деятельности.
Сведения о тепловом потоке позволяют выявить глобальную неоднородность в строении мантии. Одним из значительных открытий явился факт равенства средних тепловых потоков на океанах и континентах (Bullard, Revell, Maxwell, в 1949—1956 гг., и др.). Это было довольно неожиданно, так как казалось, что резкое различие в строении континентальной и океанической коры должно было бы вызвать различие и в величинах тепловых потоков. После анализа различных интерпретаций сейчас равенство потоков приписывают различию в составе и строении верхней мантии, разной степени дифференциации ее вещества под океанической и континентальной земной корой; считают, что общее количество источников одинаково в колонке под океаном и континентами, однако под океанами вещество менее дифференцированно и источники тепла распределяются по глубине более равномерно.
Отсюда следует также, что мантия должна быть горячее под океанами, чем под континентами; это должно оказывать заметное влияние на геологическую историю соответствующих участков коры.
Вторым интересным открытием явилось установление фон Герценом (США, 1959—1963) аномально высоких тепловых потоков над срединными океаническими хребтами — этими еще загадочными планетарными образованиями. Их связь с магнитными аномалиями указывает на особое состояние вещества мантии. Возможно, здесь происходит зарождение будущих континентов или проявляются на поверхности глубоко скрытые в других местах глубинные процессы.
Третий важный вывод намечается в региональных исследованиях теплового потока. Тепло отдается неравномерно различными участками Земли, и, по-видимому, должна существовать зависимость теплового потока от тектонического состояния и строения рассматриваемого участка. Систематическое изучение распределения теплового потока в различных тектонических зонах СССР началось по существу совсем недавно, главным образом силами Института физики Земли АН СССР. Здесь были разработаны методика и аппаратура для определения теплового потока в глубоких скважинах и через дно океанов и методика определения теплопроводности горных пород («Геотермические исследования», 1964). Анализ уклонений от среднего теплового потока привел к выводу, что распределение значений теплового потока не совсем случайно. Пониженные значения потока (0,8—0,9)∙10-6 кал/см2сек обнаружены рядом экспедиций Института физики Земли на древних кристаллических щитах (Украинском и Балтийском, в районе Кольского полуострова). Это согласуется с цифрами для других щитов земного шара. Высокие тепловые аномалии установлены в активных тектонических районах под оз. Байкал (до 3∙10-6 кал/см2сек), в Ставрополье (2∙10-6 кал/см2сек), Закарпатье (2,6∙10-6 кал/см2сек), Пржевальске (1,8∙10-6 кал/см2сек). Платформенные области и области прогибов характеризуются близкими к нормальным значениями, (1,1—1,5)∙10-6. Были исследованы участки Русской платформы, степной Крым, Индоло-Кубанский прогиб, Черное море, Казахстан, Иркутская область. По результатам наблюдений построена диаграмма уклонений теплового потока от нормальных значений и карта теплового потока для территории СССР. Их физическая интерпретация позволяет связывать величины теплового потока с процессами в верхней мантии. В частности, обсуждается гипотеза о том, что происхождение высоких тепловых аномалий может быть приписано эффекту зонной плавки, идея которой выдвинута А. П. Виноградовым и В. А. Магницким.
Уникальная тепловая аномалия под оз. Байкал была обнаружена применением океанографического термозонда с электронным регистрирующим устройством, разработанным Институтом физики Земли АН СССР. Эта аномалия четко связана с высокой сейсмичностью оз. Байкал и с резким повышением под ним на глубине 80 км электропроводности, которая определена при глубинном электромагнитном зондировании.
Результаты изучения термики Земли могут быть использованы в сейсмологии. Учитывая положительность геотермического градиента, можно резко уменьшить неоднозначность решений обратной задачи сейсмологии о распределении скоростей сейсмических волн по разрезу земной коры и уточнить положение границы Мохоровичича по наблюдениям за распространением объемных и сейсмических волн.
Картирование величин теплового потока в перспективе дает возможность построить типичные температурные профили отдельных участков земной коры, что позволит определеннее поставить задачу о распределении термоупругих полей, имеющих существенное значение для познания природы, а может быть, и прогноза катастрофических землетрясений.
Вопросами использования глубинного тепла Земли для практических целей занимаются многие научные и отраслевые институты СССР. При Президиуме АН СССР создан Научный совет по геотермическим исследованиям под председательством академика А. Н. Тихонова. Для координирования планетарных определений тепловых потоков создан Международный комитет по тепловому потоку, председателем которого является проф. Ф. Берч.
Корреляции полей тепловых потоков с другими геофизическими полями еще мало изучены, но предварительные результаты привлекают большое внимание геофизиков различных специальностей и сулят большие научные перспективы.
—Источник—
Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967
Автор: Е. А. Любимова
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
