Геотермия Лекция 10 Основные проблемы: o За

Геотермия Лекция 10

Основные проблемы: o За счет чего генерируется тепло в Земле? o Как раcпределена температура в недрах? o Как внутреннее тепло покидает Землю?

Температура, тепло o Физическая величина, характеризующая интенсивность движения молекул; o Величина, обратная изменению энтропии при добавлении в систему единичного количества теплоты o Необходимое для нагрева вещества количество теплоты зависит от количества вещества, температуры нагревания и от того, что это за вещество (теплопроводность и теплоёмкость)

10. 1 Тепловой баланс Земли, источники тепла Внешнее тепло Источники тепла: 99. 98% тепла, падающего на земную поверхность, большая его часть отражается от поверхности и возвращается в космос • Излучение Солнца; • Радиоактивный распад – радиогенное тепло; • Остаточное тепло; • Конвекция (гравитационная дифференциация) и внутреннее сжатие Земли. Внутреннее тепло

10. 2 Механизмы теплопереноса, тепловое поле üИзлучение üКондуктивный (молекулярный) üКонвективный Движения среды – нет, подобен диффузии, приводит систему к температурной однородности Связан с движением нагретых тел

10. 2. 1 Тепловой поток и его плотность Количество теплоты (Дж) S Тепловой поток: количество теплоты в единицу времени – Q, Дж/c=Вт Теплопотери Земли S Q=4. 3 1013 Вт Плотность теплового потока (Вт/м 2)

10. 2. 2 Кондуктивный теплоперенос Закон Фурье: T Коэффициент теплопроводности Температура Коэффициент теплопроводности: сколько тепла нужно подвести к нижней границе слоя единичной толщины, чтобы за единицу времени температура на верхней границе изменилась на 1 градус Цельсия. В одномерном случае: Температурный градиент

Измерения температуры и теплового потока Термистеры Температурный градиент Плотность теплового потока Лабораторное или полевое определение к-та теплопроводности

5. 2. 3 Конвективный теплоперенос v T 1>T 2 плотность Удельная теплоемкость Дж/(кг. градус) Скорость движения нагретого тела T 2

Литосфера Потоки Астеносфера Литосфера Температура (геотерма) Астеносфера

10. 2. 4 Закон сохранения энергии или “уравнение неразрывности” → 1. q → dх 2. q x c - теплоемкость (+источники тепла)

10. 3 Параметры теплопроводности l– коэффициент теплопроводности (Вт/(м градус) Для пород составляет первые единицы с – удельная теплоёмкость - Дж/(кг градус) Для пород составляет сотни - тысячи a – температуропроводность – [l/(cs)]=[м 2/с] Для пород имеет порядок 10 -7 – 10 -6 м 2/с

Сколь быстро распространяется тепло? Характерное время распространения тепла на расстояние l кондуктивным путем: t~l 2/a

10. 4 Тепловое поле Земли Распределение температуры в Земле Плотность теплового потока на поверхности Земли

Структура теплового потока на континентах и в океанах Средние значения: 56. 5 м. Вт/м 2 (континенты) и 102. 2 м. Вт/м 2 (океаны) Плотность потока, генерируемого в коре: Hc – радиогенная теплогенерация (производимая единичной массой за единицу времени)

Океанская кора <<102. 2 м. Вт/м 2 2900 6 2. 6 х10 -11 Дифференцированный характер потока в рифтовых зонах СОХ (400 – 500 м. Вт/м 2) Теплопотери Земли через рифтовые зоны СОХ – более 2/3 от общих теплопотерь Земли

Плотность теплового потока в зависимости от расстояния от срединно-океанического хребта

Континентальная кора (граниты) qcr=91 м. Вт/м 2>56. 5 м. Вт/м 2

Коровый и мантийный потоки Роль остаточного тепла

Закономерности генерации радиогенного тепла

Генерация тепла в приповерхностном слое континентальной литосферы и мантийный поток qm qm

Тепловой поток и температурный градиент в литосфере

Радиогенное тепло Земли Огромная по объему мантия Земли производит гораздо больше радиогенного тепла, чем континентальная кора, хотя содержания радиоактивных элементов в мантии значительно меньше таковых в континентальной коре.

Мантийная конвекция Si, Na, K, Al трение Fe Нагревание – понижение вязкости Дальнейший разогрев – усиление интенсивности конвекции

Оценка скорости остывания Земли 0 С/млн. лет Главными источниками внутреннего тепла Земли являются конвекция в ее мантии (60%) и радиоактивный распад в мантии (30%) и континентальной коре (10%).

10. 5 Тепловой поток и мощность литосферы

Решение: (км) Коровая “добавка”

Вычисления 4 млн. 100 млн. C 150 млн. лет J 3

Тепловой поток и возраст литосферы 552 78 (м. Вт/м 2) 55

Влияние охлаждения за счет гидротермальной циркуляции воды

Для континентальной литосферы

Для континентальной литосферы (м. Вт/м 2) (формула не учитывает радиогенного тепла)

10. 6 Геотермический режим и топография океанского дна (км) Увеличение глубин океана с возрастом дна в результате увеличения мощности охлаждающейся литосферы

Тихий океан Атлантический океан Чем медленнее спрединг, тем круче склоны срединно-океанского хребта и меньше его объем. (< 1 cм/год… 20 см/год)

Колебания уровня океана Короткопериодные, локальные – Изостатическое выравнивание блоков литосферы Короткопериодные – таяние льдов Длиннопериодные –изменение объема СОХ. Рост объема – трансгрессия, уменьшение – регрессия. Длиннопериодные колебания уровня океана в фанерозое

10. 7 Геотермический режим и образование осадочных бассейнов Нет генерации радиогенного тепла Осадки и литосфера имеют одинаковые свойства

Будем считать, что режим – установившийся и, следовательно, поток через осадки – линейный и обусловлен мантийным (астеносферным) теплом

10. 8 Температурное поле в приповерхностных условиях 1 -1. 5 м Нейтральный слой 20 – 40 м 3 – 4 км Суточные вариации температуры Сезонные вариации температуры Многовековые изменения климата

Изменение температуры на поверхности и в верхнем слое Земли

10. 9 Локальный тепловой поток Наличие Проявление многолетней вулканизма мерзлоты Динамика подземных вод …

10. 10 Получение геотермальной энергии

Низкотемпературная геотермальная энергия

10. 11 Применение геотермии ü Изучение глубинного строения и динамики Земли ü Выявление геотермических ресурсов (геотермические электростанции на юге Камчатки, в Италии, США…) üОконтуривание многолетнемерзлых пород üИзучение динамики подземных вод. üТепловые аномалии месторождений üТеплотрассы, коммуникации и тепловые съемки

Вопросы • • • Рис. 7. 16. Зависимость от времени глубины залегания осадков, отложившихся в момент времени . 1. Дайте физические определения тепла и температуры. Объясните связь между ними. 2. Почему температура в Земле растет с глубиной? 3. Объясните, почему в жаркие дни в погребе холодно, а в морозные – тепло. 4. Дайте определение геотермического градиента, теплового потока и плотности теплового потока. 5. Поясните различие между кондуктивным и конвективным теплопереносом. 6. Объясните трудности, с которыми сталкивается экспериментальное определение конвективной составляющей теплового потока. 7. В чем состоят отличия величины и структуры теплового потока на континентах и в океанах? 8. Почему даже при очень низких значениях геотермического градиента тепловой поток может быть высоким? Где на Земле может наблюдаться такое явление? 9. Нарисуйте типичные геотермы для континентальной и океанской литосферы. 10. Чем определяется количество радиогенного тепла, генерируемого различными оболочками Земли – корой, мантией и ядром?

Вопросы • • • 11. Почему мощность океанской литосферы растет с удалением от срединно-океанских хребтов? 12. Почему для молодой океанской литосферы измеренные значения теплового потока всегда ниже рассчитанных теоретически? 13. О чем говорит тот факт, что для древней континентальной литосферы измеренные значения теплового потока всегда выше рассчитанных теоретически? 14. От чего зависит крутизна склонов срединно-океанских хребтов? Как эта проблема связана с геотермией? 15. Приведите геологические доводы, позволяющие провести аналогию между погружением океанской литосферы и формированием осадочных бассейнов.