Общая геология - Якушова А.Ф.
ISBN 5—211—00131—1
Скачать (прямая ссылка):
Источники внутренней тепловой энергии Земли еще недостаточно изучены. Основными источниками тепловой энергии считаются: 1) радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных элементов (238U, 235U, 232Th, 40K и др.); 2) гравитационная дифференциация с перераспределением материала по плотности в мантии, особенно с ядром, сопровождающаяся выделением тепла.
Изменение температуры с глубиной. Наблюдения в рудниках, шахтах и буровых скважинах показывают систематическое повышение температуры с глубиной. Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называется геотермическим градиентом, а интервал глубины в метрах, на котором температура повышается на 1°, называется геотермической ступенью. Геотермический градиент, а соответственно и ступень различны в разных местах земного шара. Крайние пределы колебаний, по данным Б. Гутенберга, отличаются более чем в 25 раз. Это свидетельствует о различной эндогенной активности земной коры, а также различной теплопроводности горных пород. Наибольший геотермический градиент, равный 150° на 1 км, отмечен в штате Орегон1 (США), соответствующая геотермическая ступень 6,67 м. Наименьший градиент (6° на 1 км) зарегистрирован в Южной Африке и ему соответствует геотермическая ступень, равная 167 м. В Кольской' скважине, заложенной в пределах древнего кристаллического щита Восточно-Европейской платформы, на глубине 11 км температура была около 200° С, что соответствует геотермической ступени 19—20 м.
Наибольшие значения градиента приурочены к подвижным зонам океанов и континентов, а наименьшие — к наиболее устойчивым и древним участкам континентальной коры. Но такие крайние значения редки, и колебания градиентов в большинстве слу-
чаев происходят в пределах 20—50° на 1 км, а геотермической ступени—15—45 м. В среднем геотермический градиент принимается около 30° С на 1 км и соответствующая ему геотермическая -ступень около 33 м. Указанный средний градиент, по-видимому, прослеживается лишь до некоторой верхней части земной коры, а с глубиной он должен уменьшаться. Если бы такой градиент сохранялся, то на глубине 100 км температура была бы 3000° С. Между тем примерно с этих глубин изливается на поверхность лава ¦с температурой 1100—1250° С и по расчетам различных авторов (Е. А. Любимовой, В. А. Магницкого) температура там не превышает 1300—1500° С, иначе породы мантии были бы полностью расплавлены и не пропускали поперечные сейсмические волны.
Температура более глубоких зон мантии и ядра оценивается весьма приближенно по косвенным данным. Если для земной коры расчеты температур основываются главным образом на величине теплового потока, теплопроводности горных пород, температуре лав, то для больших глубин такие данные отсутствуют, к тому же точный состав мантии и ядра неизвестен. Можно только предполагать, что ниже астеносферного слоя температура закономерно повышается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Исходя из представлений о том, что ядро состоит главным образом из железа, были проведены расчеты плавления его на различных границах с учетом существующих там давлений. Получены следующие данные: на границе нижней мантии и ядра температура плавления железа должна быть 3700° С, а на границе внешнего и внутреннего ядра — 4300° С. Таким образом, делается вывод, что с физической
точки зрения температура в ядре находится в пределах 4000— 5000° С.
Агрегатное состояние вещества Земли. Вещество литосферы находится в твердом кристаллическом состоянии, так как температура при существующих давлениях здесь не достигает точки плавления (рис. 2.6). Однако местами и внутри земной коры сейсмологами отмечается наличие отдельных низкоскоростных линз, напоминающих астеносферный слой, с которыми, вероятно, и связаны коровые магматические очаги. По сейсмическим данным вещество мантии Земли, через которую проходят как продольные, так и поперечные сейсмические волны, находится в эффективно-твердом состоянии. При этом вещество нижней части слоя В и слоев
/ООО ZOOO 2900 5/OO 6370
/лудим а, км
Рис. 2.6. Кривые температуры Земли и плавления вещества (по Джекобсу): / — кривая температуры плавления вещества; 2 — кривая температуры Земли; 3 — область расплавления
С и D1 по-видимому, находится в кристаллическом состоянии, так как существующее в них давление препятствует плавлению. И только в астеносфере слоя В с пониженными скоростями сейсмических волн температура приближается к точке плавления. Предполагается, что вещество в астеносферном слое может быть в аморфном стекловидном состоянии, а часть даже в расплавленном (<10%). Геофизические данные последних лет указывают на наличие неоднородности и расслоенности астеносферы, о чем свидетельствуют также очаги магмы, возникающие на различных уровнях астеносферного слоя.
Каково же состояние вещества в ядре Земли? Поскольку переход от мантии к ядру сопровождается резким снижением скорости продольных сейсмических волн, а поперечные волны, распространяющиеся только в твердой среде, в него не входят, большинством исследователей принимается, что вещество внешнего ядра находится в жидком состоя-
