главная/ условия/ контакты/ статьи/

 

Присылайте Ваши статьи и мы опубликуем их

 

Москва. №3, 2004./ ISSN – 1811 –  5721

Сборник статей аспирантов, соискателей, докторантов и научных работников

Региональный вестник молодых ученых

геофизика

 

Коркмасов Фуад Муэддинович – к.ф.-м.н., с.н.с.

Институт проблем геотермии ДНЦ РАН.

 

Роль геотермии в изучении энергетического

состояния Земли

 

Наша планета Земля по составу, состоянию слагающего вещества, физическим свойствам и протекающим в ней процессам неоднородна. Верхняя часть земной коры в пределах глубин, достигнутых бурением (до 14 км), доступна для непосредственного изучения. О более глубоких горизонтах земной коры и подстилающих ее геосфер, недоступных для непосредственного изучения, приходится судить по косвенным геофизическим данным. Геофизические методы (сейсмология, гравиметрия, магнитометрия, геоэлектрика, геотермия и др.) позволяют человеку получить информацию о внутреннем строении Земли, о ее свойствах и о фазовом состоянии вещества.

Геотермия дает важнейшую количественную информацию для понимания и моделирования геодинамических процессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений – в этом заключается фундаментальные аспекты изучения теплового поля. Но не менее важны и прикладные аспекты геотермических исследований. Они связаны, с одной стороны, с оценкой геотермальных ресурсов для их использования в энергетике, теплоснабжении, коммунальном и сельском хозяйстве, а с другой – с применением геотермического метода поисков и разведки месторождений на континентах и на акваториях в комплексе с другими геолого-геохимико-геофизическими методами.

Тепловое поле Земли первым из геофизических полей привлекло внимание человека. Самые бурные проявления термической активности – извержения вулканов – сыграли важную роль в формировании религиозных мифологических представлений о строении мира. Другая форма геотермальной активности – горячие источники – с незапамятных времен использовались человеком для хозяйственных бытовых нужд. Таким образом, тепловое поле Земли оказалось первым объектом практического использования, по-видимому, опередив даже использование геомагнитного поля, выразившееся в изобретении компаса китайскими мореплавателями.

В Земле существует несколько видов теплопередачи (фононная, радиационная, экситонная и др.), так как ее оболочки имеют различную температуру, фазовое состояние и химический состав.

Говоря о механизмах теплопередачи, необходимо изучить такой важный для Земли процесс, как конвекция, т.е. перенос тепла самим теплоносителем. Применительно к Земле теплоносителями являются вода, пар, магма и магматические растворы. Эти теплоносители, обладая большой теплоемкостью, при своем движении перераспределяют глубинный тепловой поток, создавая положительные и отрицательные аномалии температуры и теплового потока. Если теплоперенос теплопроводностью происходит повсеместно, где существует температурный градиент, то перенос конвекцией осуществляется только там, где имеются условия для движения теплоносителей. Очевидно, что наиболее интенсивно конвекция происходит в активно развивающихся геологических структурах, где проявляются разломная тектоника, вулканизм и гидротермальная деятельность.

К сожалению, геотермическое поле невозможно охарактеризовать только лишь температурой недр из-за того, что температура зависит от глубины измерений, а также часто и от широты местности. Для того, чтобы нормировать температуру по глубине, введено понятие геотермического градиента (gradT). Геотермический градиент является векторной величиной и определяется из выражения:

.

 

Плотность теплового потока (или, как часто называют, «тепловой поток») – это самая информативная геотермическая характеристика, так как он характеризует мощность теплового источника и величину теплопотерь с поверхности Земли. Тепловой поток q коррелирует с параметрами других геофизических полей, которые также характеризуют источник соответствующих полей, например, с величинами гравитационных и магнитных аномалий, что объясняется сходными генетическими факторами, формирующими эти аномалии. Для определения теплового потока традиционно используется метод раздельного измерения геотермического градиента и теплопроводности. Тепловой поток определяется как произведение этих величин:

.

 

Тепловой поток на континентах измеряется в буровых скважинах, которые, во-первых, пригодны для измерений по своему техническому состоянию, а во-вторых, находились «в состоянии покоя» после окончания бурения по крайней мере 30-50 дней. За это время тепловые возмущения, вызванные процессами бурения и промывки, в основном рассеиваются, и температура бурового раствора становится близкой к температуре окружающих пород.

Подавляющее большинство измерений теплового потока на континентах и в океанах, полученных к настоящему времени (а это более 30 тыс. пунктов), выполнено с помощью «раздельной методики», т.е. измерений геотермического градиента и коэффициента теплопроводности. Этот метод, несмотря на два источника погрешностей, является наиболее методически разработанным, а потому и наиболее точным.

В районах с высокими тепловыми потоками, например в вулканических областях, делались попытки прямых измерений теплового потока с помощью тепломеров. К сожалению, их низкая чувствительность не позволяет использовать тепломеры в областях со средними и низкими тепловыми потоками.

Расходная часть энергетического баланса состоит из двух видов потери Землей ее внутренней энергии: в виде кондуктивного теплового потока через поверхность Земли и в виде конвективного выноса тепла при вулканизме и гидротермальной деятельности. Распределение кондуктивного теплового потока на поверхности Земли крайне неравномерно, по последним оценкам он составляет 56 и 78 мВт/м², соответственно, для континентов и океанов. Таким образом, полный вынос энергии кондуктивным путем оценивается величиной 3,1·10¹³ Вт, или 10²¹ Дж/год. За весь геологический период развития Земли планета отдала в мировое пространство 0,45·10³¹ Дж. В отличие от кондуктивного теплового потока конвективный вынос локализуется в ограниченной части земной поверхности – в вулканических областях переходных зон и в рифтовых зонах континентов и океанов.

По современным расчетам вынос тепла вулканизмом суши оценивается в (0,38-13,2)·10¹⁸ Дж/год, гидротермами суши – (1,9-2,8)·10¹⁸ Дж/год и срединно-океаническими хребтами – (0,44-3,46)·10¹⁸ Дж/год. Эти оценки мощности, однако, не дают возможности оценить общие конвективные теплопотери за геологический период существования планеты, так как конвективная мощность менялась во времени – периоды резкого возрастания вулканизма сменялись периодами относительной пассивности; то же можно, вероятно, сказать и о гидротермальной деятельности. Из этих соображений при подсчете общих теплопотерь оперируют их мощностью. Оценки показывают, что мощность кондуктивного выноса на два порядка больше, чем мощность конвекции. Таким образом, можно рассчитать мощность суммарных теплопотерь Земли. Она равна 4,2·10¹³ Вт, или 1,3·10²¹ Дж/год, что приблизительно дает величину »0,5·10³¹ Дж. Эта цифра существенно ниже, чем общее энерговыделение в Земле за всю ее историю и в три раза ниже современного теплосодержания. Из этого следует, что наша планета еще очень далека от «тепловой смерти».

Мы должны ясно себе представлять, что проблема энергетического баланса еще далека от разрешения, потому что незнание всего лишь одной компоненты приводит к кажущемуся дисбалансу. Следовательно, роль геотермии в познании энергетического состояния Земли является определяющей, а это значит, что без информации о тепловом поле мы не решим основную задачу теоретической геологии – познание эволюции нашей планеты.