Тепловой поток

Оглавление

Введение 2

Источники теплового поля Земли 3

Геотермический режим земной коры. 6

Тепловые потоки в земной коре 8

Способы передачи тепла 9

Строение дна Тихого океана 10

Вулканы 12

Тихоокеанское кольцо 14

История вулканического кольца 17

Заключение 19

Список литературы 20

Словарь терминов 21

Приложение 25

Введение

Проблема «тепла и холода»  привлекала внимание философов еще  в давние времена. Платон (427–347 гг.) связывал тепло и холод с атомами; Аристотель (384–322 гг.) считал, что природа  состоит из четырех элементов: воздуха, огня, воды и земли; Плиний (23–79 гг.) писал об извержении вулканов, теплых источниках и фумаролах. В XVI веке, когда еще не был изобретен термометр и не разработаны основные шкалы температуры Фаренгейта (1709 г.), Реамюра (1730 г.) и наиболее распространенной в наши дни шкалы Цельсия (1742 г.), Г. Агриколой (G.Agricola) уже упоминалось, что температура в глубоких шахтах до 1000 м увеличивается  с глубиной. Геотермия является наукой, изучающей тепловое состояние земных недр. Она имеет ряд как теоретических, так и практических приложений. Температура повсеместно увеличивается с глубиной, достигая в ядре Земли по имеющимся оценкам около 6000 °С. 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. Геотермия относится к сравнительно молодым наукам, так, первые измерения температуры в скважине Pregny вблизи Женевы были выполнены в 1832 г., а первое определение плотности теплового потока на основе измерения распределения температуры в скважине и коэффициента теплопроводности в лаборатории – только в предвоенные годы прошлого столетия. Первое же измерение температуры на забое скважины, пробуренной на территории Беларуси (г. Минск), было выполнено в 1928 г., а первая термограмма опубликована только через четверть века – в 1954 г М.Ф. Беляковым. В 60-х годах прошлого века зародилась теория тектоники плит, стимулировавшая изучение теплового потока на континентах и в океанах. В этот же период были начаты систематические геотермические исследования в мире, в том числе и в Беларуси. Дальнейшее стимулирование исследований по тепловому состоянию недр Земли произошло в 70-х годах в связи с энергетическим кризисом и значительным развитием работ по практическому использованию тепла земных недр, поддержанное ООН.

Источники теплового поля Земли

Тепловое поле Земли формируется  под действием внешних и внутренних источников.  Природа источников теплового поля во многом ещѐ не ясна и представления о ней  находятся на уровне концептуальных моделей. Температура на поверхности Земли определяется, главным образом, солнечным  теплом,  поток  которого    составляет  в среднем 0,034 Дж/(с.см2) (1 Джоуль = 107эрг, 1 кал = 4,187 Дж.). В каждой конкретной ситуации величина эта существенно меняется и зависит от времени года и времени суток, рельефа местности, географической широты, погодных условий, характера поверхности (вода, лѐд, растительный покров) и т.д. Считается, что поверхность Земли находится в состоянии близком к тепловому равновесию и в среднем излучает столько же тепла, сколько получает. Но этот баланс по своей структуре чрезвычайно сложен и неустойчив во времени, а также  может существенно меняться в результате техногенной деятельности человека. К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими). Тепловая энергия перечисленных источников, высвобождающаяся на земной поверхности в единицу времени, значительно выше энергии тектонических, сейсмических, гидротермальных процессов. Земля не только получает и переизлучает обратно солнечную энергию (около 1025Дж/год), она имеет и собственный тепловой поток, генерируемый в еѐ недрах (приблизительно 1021Дж/год). Помимо теплового излучения Земля теряет глубинное тепло и другими способами:

• с помощью магматических расплавов
• вулканических газов
• подземных вод
• процессов горообразования
• метаморфизма и тому подобных геологических процессов

Внутреннее тепловое поле отличается высоким постоянством. Оно  не оказывает влияния на температуру  в близи земной поверхности или климат, так как энергия, поступающая на земную поверхность от Солнца, в 1000 больше, чем из недр. Вместе с тем среднее тепловое воздействие Солнца не определяет теплового состояния Земли и способно поддерживать постоянную температуру на поверхности Земли около 0 С. Фактически же благодаря изменению солнечной активности температура приповерхностного слоя воздуха, а с некоторым запаздыванием и температура горных пород изменяются. Суточные, сезонные, многолетние и многовековые вариации солнечной активности приводят к соответствующим циклическим изменениям температур воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия. Например, суточные колебания температуры воздуха проявляются в почвенном слое глубиной 1 - 1,5 м. Это связано с переносом солнечного теплового потока за счет молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрирующихся осадков и подземных вод. Сезонные (годовые) колебания вызывают изменения температур на глубинах до 20 - 40 м. На таких глубинах теплопередача осуществляется в основном за счет молекулярной теплопроводности, а также движения подземных вод. На глубинах 20 - 40 м располагается нейтральный слой (или зона постоянных годовых температур). В нем температура остается практически постоянной и в каждом районе в среднем на 3,7 С выше среднегодовой температуры воздуха. Многовековые климатические изменения сказываются на вариациях температур сравнительно больших глубин. Например, похолодания и потепления в четвертичном периоде влияли на тепловой режим Земли до глубин 3 - 4 км. Таким образом, если не учитывать многовековых климатических изменений, то можно считать, что ниже зоны постоянных температур (на глубинах свыше 40 м) влиянием цикличности солнечной активности можно пренебречь, а температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств пород. Температура горных пород с глубиной (вдоль координаты  Z, направленной по радиусу Земли), как правило, возрастает. Интенсивность этих изменений характеризуется величиной  геотермического градиента. Его среднее значение для Земли оценивается в 3,3 0С на каждые 100 м погружения. В разных геологических структурах этот градиент существенно отличается, и в истории развития Земли навряд ли был постоянным. Наибольших значений он достигает в молодых горно-складчатых областях. Например, в Курило-Камчатской вулканогенной зоне известны градиенты до 20 0С. Наиболее низкие значения характерны для древних кристаллических щитов (0,6  1,0) 0С. Поверхности с равными значениями температуры называются изотермами и рассматриваются как изопотенциальные. Напряжѐнность температурного поля (ET) направлена от потенциальных поверхностей с высокими температурами к потенциальным поверхностям с низкими температурами:

                                          EТ =  - gradT                          1     

    Плотность теплового  потока (q) связана с температурным градиентом зависимостью, получившей название закона Фурье:

                                         q =  - K gradT                          2 

где К – коэффициент теплопроводности (скалярная величина). Из формулы (2) видно, что параметр К характеризует количество тепла, проходящее через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры равном единице.

Теплопроводность зависит  от типа породы, давления, температуры, пористости, содержания в породе воды, количества растворѐнных в ней веществ, состояния воды. Если геологическая  структура может быть по коэффициенту теплопроводности представлена как  симметричное тело, число независимых  переменных уменьшается. При сферической  симметрии, соответствующей понятию  изотропности, К = const. В верхних областях земной коры основная доля переноса связана с подземными водами. Проникая с поверхности Земли в глубину, они отбирают тепло у горных пород, нагреваются от них как источников тепла, и затем выносят тепло на поверхность. Кроме того, вода, понижая температуру плавления пород, способствует образованию магматических очагов. Выход же этих расплавов (магм) на поверхность Земли или в верхние участки земной коры также представляет собой конвективную форму теплопереноса. Естественное тепловое поле имеет сложную структуру, определяемую как анизотропией тепловых свойств горных пород и неравномерным распределением источников тепла, так и механизмом теплопереноса. Тепловые поля в той или иной степени нестационарны, и их изменение приводит к соответствующему перераспределению упругих и пластических деформаций в объеме напряженного металла. Таким образом, номинально статическое тепловое нз-гружение в действительности может иметь динамическую составляющую. Тепловые поля в мерзлой 0 х хт ( t) и водонасыщенной хт ( t) х частях определяются линейными уравнениями теплопроводности и связаны между собой на фронте промерзания условиями равенства температур и тепловых потоков в обычной задаче Стефана. 
Тепловые поля в нефтеносных и газоносных горизонтах образуются при вскрытии и разработке пластов. При этом изменение температуры обусловлено дроссельным и калориметрическим эффектами. Дроссельный эффект ( эффект Джоуля - Томсона) при поступлении газа в скважину вызывает резкое снижение температуры. Движение нефти за счет дроссельного эффекта создает положительные аномалии на фоне изменения геотермического градиента. Тепловые поля в галогенных отложениях ( каменная соль, сильвин и др.) возникает вследствие эндотермических реакций растворения солей в промывочной жидкости, заполняющей скважину. На термограммах галогенные отложения выделяются аномалиями пониженных температур. 
Тепловые поля в интервалах залегания угольных пластов связаны с процессами окисления углей и содержащихся в них сульфидов под влиянием циркулирующих подземных вод и промывочных жидкостей. Угольные пласты отмечаются аномалиями повышенной температуры.

Геотермический  режим земной коры.

Поверхность Земли испытывает температурные колебания разной периодичности:  суточные, сезонные, годовые, многолетние, вековые и  геологические.  Эти колебания  имеют разную амплитуду, но все они от поверхности Земли передаются на глубину, формируя тем самым вертикальную температурную зональность. Подошва каждой зоны рассматривается как  поверхность постоянных температур в пределах соответствующего периода их колебаний. Например, для слоя постоянных годовых температур эта граница означает, что выше неѐ в течение года температура меняется, а ниже в течение года остается  постоянной, но меняется в течение более длительных интервалов времени. Если иметь в виду только  кондуктивный механизм теплообмена,  то можно получить представление о некой нормальной (ненарушенной) температуре зональности гелиогеотермозоны. Слой суточных температурных амплитуд. Его подошва в зависимости от конкретных условий может находиться на разных глубинах, но обычно не более первых метров от поверхности Земли. По многолетним данным Гидрометслужбы СССР оптимальная глубина подошвы этого слоя составляет 0,8-1,0 м.Слой сезонных температурных изменений. Подошва этого слоя обычно располагается на глубинах 8-10 м, хотя в определенных условиях, например, связанных с оттаиванием и промерзанием горных пород, т.е. при участии  конвективной составляющей в теплопереносе, может опускаться и до больших глубин – 50-100 м (рис.1).Кондуктивный же перенос тепла, фиксируемый как температурная волна, идущая от поверхности Земли, запаздывает на 20-30 суток на каждый метр погружения и достигает глубины 10 м примерно через 8-10 месяцев. В средней части этого слоя для северного полушария, например, минимальная температура приходится на июль, а максимальная  – на январь. Слой годовых температурных амплитуд. Подошву этого слоя часто называют «нейтральным слоем». От него, как правило, начинается рост температуры с глубиной. Это говорит о том, что амплитуда длиннопериодных колебаний температуры с этой глубины резко уменьшается и асимптотически стремится к нулю (рис.2). Из-за резкого уменьшения амплитуды выделение «нейтрального слоя» во многом зависит от точности измерений.В среднем глубина залегания «нейтрального слоя» оценивается приблизительно в 15-20 м. В зависимости от конкретных физико-географических и геологических условий это слой имеет разные температуры. Например, для внутренних районов Таймырского полуострова они составляют минус 13С, а для пустынь Средней Азии –плюс 20С.Слои многолетних  температурных амплитуд. Подошвы этих слоев связываются с климатическими циклами 11, 35, 70-80-летними с помощью третьего закона Фурье:

Z,Z1 – глубины затухания температурных амплитуд, соответствующие периодам колебаний t/t1.Здесь подразумевается изотропная с точки зрения теплопроводности среда,  кондуктивная теплопередача    и постоянные по активности и распределению источники тепла.  Кроме того, качественные оценки существенно зависят от качества данных, полученных для каждого слоя. С этими оговорками следует принимать данные по подошвам слоев многолетних температурных амплитуд: 11-летний цикл – 80 м35-летний цикл – 125 м80-летний цикл – 250 м.Карты изотерм для крупных регионов по глубинам 125, 250 м показывают, что изотермические поверхности качественно коррелируют с поверхностью радиационного баланса. Этот факт рассматривается как косвенное подтверждение принадлежности данных глубин к гелиогеотермозоне.Слои многовековых  температурных амплитуд. Это толща пород и находящихся в них вод, в которой отражены температурные колебания,происходящие на Земле в четвертичном периоде .Оценки границ этого слоя основаны на математических расчѐтах и теоретических догадках воплощѐнных в те или иные модели. Геологические материалы показывают, что наиболее мощные температурные колебания начались 4,5 тыс. лет назад, а наиболее удаленные от нас межледниковые – 275 тыс. лет. Этим двум датам соответствуют расчетные глубины 1,3 и 10 км. Слой геологических температурных амплитуд. Теоретически влияние климатических этапов развития Земли длительностью 150-160 млн. лет сказывается на глубинах порядка 250-350 км. В соответствии с расчѐтами Е.А. Любимовой (1959)   за последний миллиард лет поверхностные слои Земли остыли на 100 оС до глубины 200 км, а за время существования Земли  – на 360 оС. При этом по расчетам той же Е.А. Любимовой за последний миллиард лет на глубине 1000 км недра Земли за счѐт внутренних источников тепла должны были разогреться на 200 оC. Эти материалы дают основание полагать, что нижняя граница гелиогеотермозоны находится на глубине 200-1000 км. Когда-то считалось,  что Земля может по существу представлять собой тепловую машину.  Это означает,  что энергия,  вызывающая геодинамические явления,  может быть результатом тепловых процессов. К сожалению, термальная история Земли известна недостаточно, так как она непосредственно связана с вопросами происхождения Земли и химическим составом ее недр. 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,  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 (рис. 8.1); температурные градиенты, измеренные на разных объектах, изменяются 200от 250до 400 С на 1 км. Следовательно, тепловой баланс может осуществляться только в том случае, если тепло поступает во внешнее пространство из недр Земли.

Тепловые потоки в земной коре

Регилнальный:

Ниже нейтрального слоя температура  пород повышается в среднем на 3  С при погружении на каждые 100 м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего тепла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока (или просто тепловым потоком)  . Среднее значение теплового потока как на суше, так и в океанах одинаково и составляет 0,06 Вт/м2 , отклоняясь от него не более чем в 5 - 7 раз. Постоянство средних тепловых потоков суши и океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении верхней мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков, т.е. отклонения от установленных средних потоков, несут информацию о строении и земной коры, и верхней мантии. Установлено, что основной источник тепла на континентах - энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основным источником тепла являются процессы в мантии на глубинах до 700 - 1000 км. Радиогенное тепло является основным среди других видов тепловой энергии недр. За время существования Земли оно более чем в 2 раза превысило потери за счет теплопроводности. Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10 км) передача тепла осуществляется в основном за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, расплавленных лав, гидротерм. На меньших глубинах перенос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземными водами.

Локальный:

Источники локальных тепловых потоков, вызывающих аномалии температур, разнообразны: наличие многолетнее-мерзлотных пород, т.е. мощных (до сотен метров) толщ с отрицательными температурами; присутствие пород и руд с повышенной радиоактивностью; влияние экзотермических (с поглощением тепла) и эндотермических (с выделением тепла) процессов, происходящих в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля, сульфидных и других рудах; проявление современного вулканизма и тектонических движений; циркуляция подземных, в том числе термальных, вод и др. Роль каждого из этих факторов определяется геологогидрогеологическим строением. Локальные тепловые потоки, как и региональные, зависят не только от наличия источников, но и от условий переноса тепла за счет теплопроводности горных пород и конвекции почвенного воздуха и подземных вод.

Способы передачи тепла