Тепловой поток

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

Теплопроводность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Конвекция-  явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Тепловое излучение -передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра, т.е на длины волн от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме.

 

 

Строение  дна Тихого океана

Температура Земли уменьшается  по мере приближения к поверхности, что соответствует потоку из глубин. Величина теплового потока определяется как произведение теплопроводности пород на геотермический градиент. За единицу потока принимается количество тепла в микрокалориях, проходящего через квадратный сантиметр в секунду. Определение теплового потока через дно океанов началось в 1952 г. по инициативе Э. Булларда. Средняя величина потока на Земле близка к 1,5. Первые же определения теплового потока в океане неожиданно обнаружили величины, близкие к измеренным на материках (в среднем 1,43 на материках и 1,60 в океанах). У. Ли и С. Уеда приводят средние цифры: для впадин — 1,28, срединных хребтов — 1,82 и желобов — 0,99. Полагают, что близость величины теплового потока в океанах и на континентах свидетельствует о различиях мантии под ними. Если считать, что большая доля теплового потока на континентах обусловлена высоким содержанием радиоактивных элементов в гранитном слое коры, то, учитывая их невысокое содержание в коре океана, следует признать, что дефицит теплового потока в океанах должен компенсироваться мантией. Другое пpeдпoлoжeниe заключается в том, что источники тепла располагаются значительно глубже и на них не оказывают существенного влияния различия в составе коры. Наиболее высокие значения теплового потока отмечены на срединных хребтах. Здесь выделяются 3 энергетические зоны. Вблизи оси отмечается высокий тепловой поток, ограниченный на расстояниях около 100 км полосами еще более высокого потока (0,5 — 2,76 у оси и 2,8 — 8,09 на расстоянии 100 км). На склонах Восточно-Тихоокеанского поднятия тепловой поток меньше — от 0,07 до 1,72. На расстоянии около 250 км от оси отмечается минимум (около 1,0), а на расстоянии около 400 км — максимум (2,0 — 2,5). Западнее оси поднятия в районе экватора обнаружен минимум со значениями 0,8±0,53, другой минимум обнаружен в Гватемальской котловине. Предполагают, что это явление связано с изменением эффективной теплопроводности в области наращиваемой границы литосферной плиты. Очень высокие значения теплового потока (более 3,0) отмечены западнее Калифорнии, а также в районе хребтов Карнеги и Кокос, что подтверждает их принадлежность к системе срединных хребтов. Средняя величина теплового потока (3,12) Восточно-Тихоокеанского поднятия превышает величины, измеренные на Срединно-Атлантическом и Аравийско-Индийском хребтах (соответственно 2,92 и 1,89). Отмечено, что в условиях пересеченного рельефа и неравномерного распределения осадочного покрова, имеющего теплопроводность менее трети теплопроводности твердых пород, возникает эффект расхождения изотерм. Он позволяет объяснить низкие значения теплового потока, выявленные в глубоководных желобах и рифтах срединных хребтов, тем более что аппаратура дает возможность провести измерения температуры только в мягких осадках. Повышенный до 2 — 4 тепловой поток срединных хребтов свидетельствует, по-видимому, о том, что разуплотненное вещество верхней мантии находится в разогретом состоянии, что проявляется, в частности, в усиленной гидротермальной деятельности в рифтовых зонах. В котловинах ложа Тихого океана наблюдаются довольно сильные колебания значений теплового потока. Так, в Северо-Восточной котловине измерены значения 0,62 — 0,65, а в ее восточной части между разломами Меррей, Кларион, Клиппертон, Маркус поле теплового потока оказалось неоднородным с колебаниями от — 0,01 до +4,46. В котловинах западной части океана преобладают величины от 0,8 до 1,4. Средний тепловой поток через дно глубоководных котловин составляет 1,1 — 1,2. Тепловой поток вулканических хребтов несколько выше — 1,2 — 2,0. Он резко возрастает над действующими или недавно потухшими вулканами (в районе Гавайских о-вов — в среднем 1,43). Сторонники концепции «новой глобальной тектоники» полагают, что литосфера, образованная в осевой части срединного хребта, постепенно охлаждается по мере удаления от него. Экспериментальные данные как будто подтверждают связь величины теплового потока с предполагаемым возрастом дна. Они также отмечают, что тепловой поток плит, движущихся со скоростью 3 — 6 см в год (Тихий океан), на 0,5 — 0,6 выше, чем у плит, движущихся медленнее (1 — 2 см в год в Атлантическом океане). Тепловое поле переходных зон Тихого океана очень сложное, но и здесь удалось установить определенные закономерности. В ряде котловин окраинных морей отмечен высокий тепловой поток, в среднем 2,2 (Охотское и Японское моря, Северо-Фиджийская котловина), в других — низкий — 0,8 — 1,2 (Берингово, Южно-Китайское, Целебесское и Тасманово моря, Филиппинская котловина). От осей островных дуг до осей глубоководных желобов величины теплового потока снижаются примерно от 2,2 до 0,8. За осью желоба, как правило, наблюдаются обычные для ложа величины, но на краевых валах нередки аномально высокие значения — до 2 — 4. Данные о распределении теплового потока используются в гипотезе конвекционной циркуляции мантийного вещества. Согласно этой гипотезе, под осевыми зонами срединных хребтов существует восходящий поток мантии (повышенный тепловой поток). Мантийный материал растекается в стороны и, постепенно охлаждаясь под ложем океана, погружается в переходной зоне в районах краевых желобов (пониженный тепловой поток).

 

 

 

 

 

 

 

Вулканы

В настоящее время на земном шаре выявлено свыше 4тыс. вулканов. К  действующим относят вулканы извергающиеся и проявляющие сольфатарную активность (выделение горячих газов и воды) за последние 3500 лет исторического периода. На 1980 год их насчитывали 947. К потенциально действующим относятся голоценовые вулканы, извергающиеся 3500-13500 лет назад. Их примерно 1343 шт. К условно потухшим вулканам относят не проявляющими активности в голоцене, но сохранившие свои внешние формы (возрастом моложе 100тыс. лет). Потухшие - вулканы существенно переработанные эрозией, полуразрушенные, не проявляющие активности в течении последних 100тыс. лет. Современные вулканы известны во всех крупных геолого-структурных элементах и геологических районах Земли. Однако распределены они неравномерно. Подавляющее большинство вулканов расположено в экваториальной, тропической и умеренной областях. В полярных областях, за Северным и Южным полярными кругами, отмечены чрезвычайно редкие участки относительно слабой вулканической активности, обычно ограничивающиеся выделением газов. Наблюдается прямая зависимость между их количеством, и тектонической активностью района: наибольшее количество действующих вулканов в расчете на единицу площади приходится на островные дуги (Камчатка, Курильские острова, Индонезия) и другие горные сооружения (Южная и Северная Америка). Здесь сосредоточены также наиболее активные вулканы мира, характеризующиеся наибольшей частотой извержения. Наименьшая плотность вулканов характерна для океанов и континентальных платформ; здесь они связаны с рифтовыми зонами узкими и протяженными областями расколов и просадки земной коры (Восточно-Африканская рифтовая система), Срединно-Атлантический хребет. Установлено, что вулканы приурочены к тектонически-активным поясам, где происходит большинство землятресение. Области развития вулканов характеризуются сравнительно большой раздробленностью литосферы, аномально высоким тепловым потоком (в 3-4 раза больше фоновых значений), повышенными магнитными аномалиями, возрастанием теплопроводности горных пород с глубиной. К областям ювенильных источников термальных вод тина гейзеров. Вулканы расположенные на суше, хорошо изучены; для них точно определены даты прошлых извержений, известен характер вылившихся продуктов. Однако большая часть активных вулканических проявлений, по-видимому, происходит в морях и океанах, покрывающих более двух третей поверхности планеты. Изучение этих вулканов и продуктов их извержений затруднены, хотя при мощном извержении этих продуктов может оказаться так много, что сформированный ими вулканический конус показывается из воды, образуя новый остров. Так, например, в Атлантическом океане, южнее Исландии, 14 ноября 1963г. , рыбаки заметили поднимающиеся над поверхностью океана клубы дыма, а также вылетающие из под воды камни. Через 10 дней на месте извержения уже образовался остров длиной около 900м, шириной до 650м и высотой до 100м, получивший название Суртсей. Извержение продолжалось более полутора лет и завершилось лишь весной 1965г. , образовав новый вулканический остров площадью 2, 4км2 и высотой 169м над уровнем моря. Геологические исследования островов показывают, что многие из них имеют вулканическое происхождение. При частой повторяемости извержений, их большой продолжительности и обилии выделяемых продуктов могут создаваться весьма внушительные сооружения. Так, цепочка Гавайских островов вулканического происхождения представляет собой систему конусов высотой 9, 0-9, 5км (относительно дна Тихого океана), т. е превышающей высоту Эвереста. Известен случай, когда вулкан вырос не из под воды, как было рассмотрено в предыдущем случае, а из под земли, прямо на глазах у очевидцев. Произошло это в Мексике 20 февраля 1943г. ; после многодневных слабых толчков на вспаханном поле появилась трещина и из нее началось выделение газов и пара, извержение пепла и вулканических бомб - сгустков лавы причудливой формы, выброшенных газами и остывших в воздухе. Последующие излияние лавы привели к активному росту вулканического конуса, высота которого в 1946г. достигла уже 500м (вулкан Парикутин).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тихоокеанское кольцо

Тихоокеанскую подвижную  зону называют circum-Pacific orogenic belt, известный также как Ring of Fire.  
Глубинные корни вулканов изучаются методами геофизики: аппаратура улавливает идущие из недр упругие колебания, тепловой поток, прохождение естественных электрических токов. С помощью геофизических методов можно просвечивать недра упругими волнами и получать объемное изображение образований (метод томографии). Наконец, по аномалиям силы тяжести выявляется распределение масс и определяются магнитные свойства тех или иных объемов глубинного вещества.  Однако корни вулканов Тихоокеанского обрамления прослеживаются гораздо глубже, чем это предполагали прежде, а зарождение и размещение вулканов строго обусловлены геологической обстановкой. На сходящихся границах литосферных плит происходит субдукция. По мере субдукции океаническая литосфера попадает в область все более высоких температур и давлений, где из нее выделяются перегретые минеральные флюиды. От наклонной зоны субдукции эти флюиды и тепловой поток направляются вверх, возбуждая плавление горных пород и образование магмы. В свою очередь, магма прорывается на земную поверхность, порождая вулканические извержения. Так над зоной субдукции образуются связанные с нею вулканы. В Тихом океане находится несколько зон спрединга океанической литосферы, главная из которых Восточно-Тихоокеанская . По периферии океана происходит субдукция этой литосферы под обрамляющие континенты и Тихоокеанское огненное полукольцо. Соотношения между вулканами и уходящей под них зоной субдукции можно рассмотреть на примере Камчатки: ее геологическое строение подробно изучено, а действующие вулканы (их около 30) находятся под постоянным наблюдением ученых. Эта часть вулканического кольца приурочен к активной границе двух крупных литосферных плит: Тихоокеанская плита, которая движется здесь на северо-запад со скоростью 8-9 см/год, пододвигается под почти неподвижный континентальный край. Согласно некоторым расчетам, этот край, возможно, тоже перемещается на северо-запад, но очень медленно (со скоростью менее 1 см/год). Таким образом, скорость относительного схождения (конвергенции) литосферных плит близка здесь к 8 см/год, что определяет и скорость субдукции. В рельефе морского дна линия соприкосновения двух литосферных плит выражена узким и глубоководным (до 8 км) Камчатским желобом. На Камчатской зоне субдукции Тихоокеанская плита сначала полого пододвигается под камчатскую континентальную окраину, затем перегибается и уходит на глубину под углом около 55о. Это старая, меловая, мощностью около 70 км, остывшая и упругая океаническая литосфера, которая хорошо различима ниже, где погружается в разогретый и размягченный материал астеносферы. С помощью сейсмической томографии удалось проследить субдуцирующую плиту очень глубоко. В отличие от многих других зон субдукции, здесь литосфера пересекает границу верхней и нижней мантии Земли (в 670 км от поверхности), достигая глубин более 1000 км. При этом, погружаясь наклонно, Тихоокеанский слэб проходит под всей Камчаткой, а далее под Охотское море. Субдукция под Камчатку сопровождается образованием очагов землетрясений. Они появляются уже на первом перегибе литосферы у глубоководного желоба (очаги растяжения на своде и сжатия внутри изгибающейся плиты). Затем следуют многочисленные и сильные очаги скалывающих напряжений на контакте двух сходящихся литосферных плит - там, где одна из них отжимается вниз и начинает пододвигаться. Наконец, еще ниже, где океаническая плита пересекает вязкую астеносферу, очаги зарождаются внутри нее до тех пор, пока плита не разогреется и не утратит способность к хрупким деформациям. Это очаги растяжения и сжатия, порожденные температурными и иными изменениями объема пород. Как видно на разрезе, такие очаги землетрясений сначала (до некоторой глубины) размещаются в два ряда, это обусловлено большой толщиной субдуцирующей литосферы. В целом вырисовывается наклонная сейсмическая зона, берущая начало от Камчатского желоба и доходящая до глубин 500-550 км. Подобные наклонные системы очагов характерны для всех современных зон субдукции по зоне Беньофа, кое-где они достигают глубин около 700 км. Размещение активных вулканов согласуется с зоной Беньофа и почти все извержения происходят там, где субдуцирующая литосфера достигает глубин 100-200 км. Но именно на таких глубинах под вулканическим поясом очагов землетрясений мало: в зоне Беньофа прослеживается слабосейсмичный пробел, который означает снижение упругих свойств субдуцирующей литосферы. Наиболее вероятной причиной этого считают массовое выделение флюидов, поскольку литосфера, перемещаясь на глубину, достигает критических значений температуры и давления. Подъем горячих флюидов формирует магматические очаги и вулканический пояс. По всему Тихоокеанскому полукольцу корни действующих вулканов прослеживаются до субдукционного слэба. Условия субдукции от места к месту меняются: различен возраст (толщина и температурные условия) пододвигающейся океанической литосферы и скорости субдукции. Под Марианской и Идзу-Бонинской вулканическими дугами, земная кора над слэбом в фундаменте вулкана очень тонкая, сложенная железисто-магнезиальными породами. Под Андами кора толстая, богата кремнием и алюминием. Все это сказывается на характере вулканических извержений и составе изливающихся лав. Но геологические причины вулканизма по всему Тихоокеанскому кольцу сходны, они определяются субдукцией, направленной от океана под его обрамление.  
От места к месту меняется и угол наклона зоны субдукции, но остаются постоянными глубины, по достижении которых уходящая вниз литосфера дает начало магматическим очагам (около100-200 км), поэтому при больших углах наклона вулканический пояс приближен к глубоководному желобу, а при малых углах - удален. Эти простые геометрические соотношения соблюдаются по всему Тихоокеанскому кольцу, потому что в наши дни Тихий океан с его непосредственным обрамлением работает как единая геологическая система планетарного масштаба, в которой кольцо активных вулканов занимает вполне определенное место. Поднимающиеся под зонами спрединга, а затем расходящиеся потоки астеносферного вещества поддерживают разрастание океанической литосферы и ее перемещение к зонам субдукции на периферии океана, где весь избыток новообразованной литосферы пододвигается под континентальное обрамление и поглощается на глубине. При этом от субдуцирующей литосферы отделяются и направляются вверх флюиды, которые вместе с тепловым потоком дают начало магматическим очагам и вулканам. Пока вся эта система действует, развивается и вулканическое ожерелье Тихого океана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История вулканического кольца

200-225 Ма все континенты были слиты в единый суперконтинент Пангея, охватывавший около 40% ее поверхности. Окружавший Пангею единый океан Панталасса, охватывавший всю остальную поверхность планеты, по своим размерам был близок суммарной площади всех современных океанов. Огромный залив вдавался в суперконтинент между Евразией и Австралией, его называют океаном Тетис. В срединных хребтах Панталассы, так же как и в современном Тихом океане, происходило разрастание океанической литосферы от осей спрединга, и эта литосфера со всех сторон пододвигалась под Пангею, субдуцировала и поглощалась на глубине. В целом глобальную систему зон субдукции того времени можно уподобить гигантской воронке диаметром около 18 тыс. км. Над зонами субдукции, окружавшими Пангею, развивались вулканы -обнаружены мощные пояса вулканических пород, образовавшиеся в раннем мезозое на периферии суперконтинента. Они хорошо сохранились в виде сегментов, разобщенных при последующем распаде Пангеи. Пангейские вулканические пояса прослежены на востоке Австралии и в Новой Зеландии, в Антарктиде, Андах и Кордильерах, вдоль восточных окраин Азии и в Средиземноморско-Гималайском складчатом поясе. Во второй половине юрского периода Пангея начала распадаться. Ее пересекли разломы и рифты, а осколки суперконтинента начали удаляться друг от друга. По мере центробежного перемещения фрагментов Пангеи, между ними раскрывались Атлантический и Индийский океаны с их ответвлениями, одно из которых прослеживается в Северном Ледовитом океане. Площадь Панталассы соответственно сокращалась, а то, что осталось, мы и называем Тихим океаном. При распаде Пангеи, обрамлявшее ее кольцо зон субдукции и вулканизма оказалось разорванным. В ходе центробежного движения каждый континент наезжал на свой отрезок субдукционного кольца, отодвигая его. Поэтому на фронтальной стороне расходившихся континентов субдукция продолжалась, не прекращался вулканизм. Так, после распада кольца Пангеи обособились, но продолжали действовать вулканический пояс Кордильер Северной Америки и сходный с ним пояс Анд. На активной окраине Азии мелового времени таким же образом формировался Охотско-Чукотский вулканический пояс. Длиной более 3000 км и шириной 100-300 км он протянулся вдоль всего Хабаровского края. По размещению магматических пород пояса и особенностям их состава были определены угол наклона и другие характеристики уходившей под него зоны субдукции. Этот вулканический пояс отмер в палеогене, когда со стороны океана к азиатской континентальной окраине причленились складчатые сооружения Корякского нагорья и Камчатки. Вместо него над зоной субдукции образовалась Курило-Камчатская вулканическая дуга, действующая до наших дней. По мере центробежного перемещения континентов все дальше отодвигались как зоны субдукции, так и фрагменты распавшегося пангейского вулканического кольца. Со временем, пройдя линию большого круга Земли, они оказались на противоположной стороне земной сферы и, продолжая встречное движение, стали сближаться.

Наступая со всех сторон на пространство, оставшееся от Панталассы, они замкнули его. Так определились контуры современного Тихого океана, а из отдельных вулканических поясов сложилось Тихоокеанское огненное кольцо, впрочем все еще не полностью сомкнувшееся. Таким образом, по своему происхождению Тихоокеанское кольцо представляет собой как бы вывернутое наизнанку вулканическое кольцо Пангеи. Вокруг Тихого океана - от Чили до Индокитая и Чукотки разместились важнейшие месторождения меди, свинца, цинка, олова, молибдена, вольфрама, серебра, золота.Формирование этих месторождений началось еще на обрамлении Пангеи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Распад Пангеи и центробежное перемещение ее фрагментов продолжаются в наши дни. Поэтому континенты, окружающие Тихий океан, все еще наступают на него, а тихоокеанское вулканическое кольцо сокращается. По данным GPS оказалось, что и в настоящее время сохраняются приблизительно те же направления и скорости движений, что и 3 Ма. Быстрее всего наступают на Тихий океан Северная Америка (около 2,5 см/год) и Южная Америка (около 3,5 см/год). Австралия перемещается даже с большей скоростью (до 7,5 см/год), но под острым углом к границе с океаном. Антарктида тоже наступает, но очень медленно (1 см/год и менее). Только Евразия почти не смещается и даже, вероятно, немного отступает от океана в северо-западном направлении. Зная эти скорости, нетрудно рассчитать, где окажутся континенты через 10 или 20- Му и какими будут очертания Тихого океана. Главное условие расчета - постоянство направления и скорости движения литосферных плит, что вообще-то противоречит геологическим реальностям, но только этот тренд и поддается расчету. Можно полагать, что дальнейшее встречное движение континентов тихоокеанского обрамления, обусловленное распадом Пангеи, все же замедлится согласно циклам суперконтинентов. Полная длительность этапов распада суперконтинентов - около 200 Му. Современный нам незавершившийся этап распада Пангеи начался уже 165-170 Ма и близок к своему завершению. Есть некоторые признаки близости предстоящего перехода от распада Пангеи к новому объединению континентальных единиц. Главный из них - зрелость раскрывающихся межконтинентальных океанов, особенно Атлантического. Нараставшие с возрастом толщина и плотность подстилающей их литосферы местами приближаются к тем критическим значениям, при которых океаническая литосфера потеряет свою плавучесть и начнет погружаться в подстилающую астеносферу. Это способствует прекращению раскрытия межконтинентальных океанов и создаст механизм для их сокращения. Вполне вероятно, что через несколько десятков миллионов лет тихоокеанское вулканическое кольцо, сжатое и полное, будет разорвано на самостоятельные сегменты. Эти сегменты начнут удаляться один от другого вместе со своими континентами, которые будут двигаться к центру объединения нового суперконтинента