ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский  государственный нефтегазовый университет»

ИНСТИТУТ  ГЕОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ 
 
 
 

Кафедра Разведочной геофизики 
 
 
 

Расчетно-графические работы

по дисциплине: «Физика Земли»

тема: Тепловое поле Земли, результаты измерений теплового потока на суше и океанах, его график 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила: студентка 

     группы  ГИСз-07

     Борисова  Ю.В.

Проверил: профессор, доктор г.-м. наук А.Н.Дмитриев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тюмень, 2011 
 

  Содержание 

  

1. Общие сведения о тепловом балансе Земли 
2. Определение теплового потока и геотермического градиентанаконтинентах и в океане 
3. Связь теплового потока с основными структурами земной коры 
4. Особенности тепловых полей перехода от континента к океану 
5. Механизмы переноса тепла в Земле 
6. Способы оценки температуры в земной коре 
7. Температура в мантии 
8. Температура в ядре Земли 
9. Обобщенная температура по радиусу Земли 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общие сведения о тепловом балансе Земли 

     Средняя температура на земной поверхности  изменяется приблизительно от 0 до - 40°  С в районе Северного полюса и  от -10 до -50° в районе Южного полюса и составляет около 26° на протяжении всего года в экваториальной зоне. Средняя температура всей земной поверхности около 15°, со средними колебаниями около 2° в течение года.

     Температура какой-либо точки на земной поверхности  зависит главным образом от солнечной радиации, достигающей этой точки, и угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность. Следует учитывать также излучение, отдаваемое Землей обратно в пространство, и теплообмен посредством воздушных течений. Средний поток солнечного тепла, достигающий поверхности Земли на континентах, составляет по порядку величины 10^-2кал/см²сек = 10 вт/см². Поэтому поток тепла из недр Земли, составляющий около 10^-6 кал/см²сек = 1 мвт/см², по сравнению с ним пренебрежимо мал. Температура дна океанов определяется локальной температурой воды, которая в глубоких океанах близка к 0°.

     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.

     Основные  энергетические процессы, в которых  участвует Земля, представлены табл. 1. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная ее часть переизлучается обратно в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникает в глубину, измеряемую метрами. В слоях, расположенных близко к поверхности континентов, все периодические изменения температуры убывают с глубиной по экспоненциальному закону. На глубине порядка 1 м от поверхности суточные изменения температуры становятся настолько малыми, что ими можно пренебречь. Так при среднем для поверхностных пород коэффициенте теплопроводности x≈0,01 см²/с, интервал изменения температуры в 20°С на поверхности Земли теоретически составит около 1,4° на глубине 30 м и менее чем 0°,004 на глубине 1 м. Изменение температуры на поверхности Земли на глубину 30 см передается примерно через 10 час. Лишь малая часть солнечной энергии проникает внутрь Земли на глубину, превышающую 30-40 м, где температура остается постоянной. Именно по этой причине начиная с этих глубин, как правило, в шахтах и производится измерение теплового потока. 

     Таблица 1. Основные составляющие энергетического  баланса Земли  

 

      Эти расчетные значения, в основном, согласуются с наблюдениями. Поэтому  солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, протекающих на поверхности твердой Земли и над ней. Влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо мало по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними источниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при землетрясениях, как и энергия приливного трения, замедляющего вращение Земли, также невелика по сравнению с геотермической потерей тепла.

      В настоящее время принято считать, что основным источником современной  тепловой энергии в недрах Земли  является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. На ранних этапах истории Земли существенную роль в тепловых процессах могла играть освобождающаяся гравитационная энергия. По мере рассеяния тепла малая доля потока Земли переходит в другие формы энергии, которые вызывают тектонические и магматические процессы, метаморфизм и создают магнитное поле Земли.

      Энергетический  баланс с позиции современной  теории глобального развития Земли  с его «привязкой» к тектонической  активности и взаимосвязью с возможными эндогенными источниками энергии, возбуждающими геомагнитное поле, подробно описан в работе.

      Тектономагматическая  активность Земли связана с движениями земных масс и плавлением земного  вещества. Проявляется эта активность в магматических внедрениях глубинного вещества в земную кору (например, в океанических рифтовых зонах Земли), в деформациях земной коры (например, в горных поясах Земли), во вторичном переплавлениикоровых пород (например, в зонах подвига или при образовании гранитных плутонов), при землетрясениях и во многих других случаях движения земного вещества. Однако, в конце концов, все эти перемещения земных масс приводят к преобразованию кинетической энергии движения вещества в тепло, которое с течением времени рассеивается в окружающем пространстве и теряется с тепловым излучением Земли. Поэтому естественным мерилом тектономагматической активности Земли является поступающий из мантии глубинный тепловой поток.

      Магнитное поле Земли возбуждается эндогенными  источниками энергии. Мощность такого поля сравнительно невелика и, по разным оценкам, заключена в пределах от 2·10¹⁶ до 10¹⁹ эрг/с. В настоящее время можно считать почти очевидным, что генерация геомагнитного поля связана с конвективными процессами, развивающимися в жидком и электропроводящем веществе внешнего (жидкого) ядра Земли.Ясно также, что магнитное поле Земли связано и с вращением Земли.

      Основная  сложность с разработкой теории геомагнитного поля, в соответствии с требованиями теории глобальной эволюции Земли, связана с тем, что в  земном ядре отсутствуют заметные источники энергии, способные возбуждать это поле. Наиболее вероятными источниками энергии геомагнитного поля могут быть два процесса. Первый из них - это возможно продолжающееся остывание земного ядра после этапа его перегрева, связанного с формированием ядра в конце архея, в результате которого выделилось около 5,52·10³⁷ эрг кинетической энергии. Второй и более реальный механизм генерации геомагнитного поля может быть связан с возникновением на поверхности земного ядра струйных течений дезинтегрированного мантийного вещества. Такие течения, по сути, замыкают собой конвективные движения мантии в единые замкнутые структуры, с механической точки зрения дополняя модель конвекции, и позволяют связать такую модель с механизмом генерации геомагнитного поля. 

     Определение теплового потока и геотермического градиентана континентах и в океане 

     Когда-то считалось, что Земля может по существу представлять собой тепловую машину. Это означает, что энергия, вызывающая геодинамические явления, может быть результатом тепловых процессов. Приведенные выше общего плана данные показывают, что в самом общем виде, «философски», такая точка зрения на процессы, протекающие наЗемле, может быть обоснована. Однако если говорить конкретно, с «термической» точки зрения, то в настоящее время нельзя определенно ответить на вопрос: «Может ли Земля рассматриваться как тепловая машина?» Термальная история Земли известна недостаточно, так как она непосредственно связана с проблемой происхождения Земли и солнечной системы, проблемой - еще далекой от своего решения.

     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 в результате распада радиоактивных элементов, 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; температурные градиенты, измеренные на разных объектах, изменяются от 25° до 40° С на 1 км. Следовательно, тепловой баланс может осуществляться только в том случае, если тепло поступает во внешнее пространство из недр Земли.

     Следует отметить, что в некоторых случаях  измеренный тепловой поток оказывается  направленным в обратную сторону - от поверхности земли направление. Два таких случая были отмечены во время измерений теплового потока у берегов Камчатки во время рейса НИС «Вулканолог» в 1978 г. Однако оба эти случая, по всей вероятности, связаны с циркуляцией морской воды в верхней части земной коры, которая постоянно подвергается вследствии активных сейсмотектонических процессов дроблению и оползням

     Тепловой  поток определяется как произведение:

             (1)

     где х - коэффициент теплопроводности,дТ/дn - температурный градиент по нормали к поверхности Земли.

     На  континентах температурные градиенты  определялись путем измерения температуры  и коэффициента теплопроводности пород  на различных глубинах в буровых  скважинах. Обычно для этого применяются  максимальные термометры, которые находятся  нередко в воде, но часто в неподвижном воздухе. По возможности измерения проводятся в течение нескольких часов с помощью нескольких термометров одновременно. Перед измерениями необходимо выждать некоторое время, чтобы в скважине (или шахте) установилось тепловое равновесие. Это время должно быть в несколько раз больше времени, затраченного на бурение скважины. Затем значения, полученные в течение нескольких периодов измерений, осредняются.

     Теплопроводность  образцов горных пород из скважины измеряется или в лаборатории, или  же непосредственно на месте.

     На  Камчатке оценка теплового потока проводилась  по глубоким скважинам Богачевской  структуры на Кроноцком полуострове; величина измеренного теплового  потока составила 46±10 мВт/м² =1,11мккал/(см²с).

     Пример  измерения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, северная Англия) показан на рис.1. Тепловой поток здесь оценивается значением 2,16+0,07 мккал/(см²с).