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

     По-видимому, впервые метод измерения термического градиента океанического дна  опробовал Петтерсон. В последующие  годы (1950 г.) Буллард и его коллеги применили этот метод в Тихом и Атлантическом океанах. Данный метод основан на измерении разности температур в отложениях океанического дна вдоль вертикального зонда, который имел длину около 0,5 м и диаметр около 3 см. В этих экспериментах зонд находился примерно в течение 15 мин на расстоянии около 100 м над дном океана. После этого он со скоростью 2-3 м/с заталкивался в дно и оставался там в течение 30-40 мин. Поведение зонда детально изучалось и экспериментально и теоретически. По имеющимся оценкам при благоприятных условиях ошибки при определении температурного градиента не превышают 3%. 

  Скважина 

  «Рукхоуп»                            Температура, С

  Рис. 1. Результаты определения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, Северная Англия).  

      Измерения проводились через три года после завершения бурения. Измерения теплопроводности 13 гранитных образцов, взятых с равноотстоящих горизонтов между глубинами 427 и 792 м, представлены гистограммой внизу. Общие результаты таковы: 

      Термический градиент (427 – 792 м )    = 32.45±0.01⁰С/км,

      Поправка  за топографию     = -1.55± 0.50⁰С/км,

      Исправленный  термический градиент    dТ/dn= 30.90±0.51⁰С/км,

      Измеренная  теплопроводность     χ = 0.0070±0.0002 кал/(см с⁰ С),

      Тепловой  поток исправленный за топографию   = 2.16±0.07 мккал/(см² с). 

      На  Камчатке и прилегающих к ней  провинциях массовые измерения теплового  потока на море стали проводиться  Институтом Вулканологии совместно  с другими Институтами страны в середине 1970-х г. Во время второго  рейса НИС «Вулканолог» в 1977 г. по программе «Изучение роли теплового поля Земли в геодинамике» был выполнен большой объем измерений. Использовались приборы конструкции A.JI. Александрова - ПТГ-3 с автономной регистрацией сигнала и ПТГ-4 с телеметрической передачей сигнала на борт судна по кабель-тросу.

      В акваториях Охотского и Берингова  морей исследовалось распределение  температуры с глубиной. Оказалось, что годовые колебания температур на поверхности воды сильно затухают на глубинах 250-300 м и практически полностью на глубине 500- 700 м. Ниже устанавливается адиабатический градиент температуры и можно считать, что фактор колебания температуры на поверхности моря не влияет на температурное поле в осадках.

      Коэффициент теплопроводности донных осадков измерялся с помощью игольчатого зонда постоянной мощности с погрешностью измерений около 3% и оценивался по влажности донных осадков. Значение коэффициента теплопроводности, оказалось, лежит в пределах 1,61 ≤х, шкал/(см·с·град)≤ 2,50, в среднем, х ≈ 2,0 мкал/(см·с·град).

      Определенные  значения теплового потока расположены  в пределах более чем порядка  по величине 0.42 ≤ Q,мккал/(см²с)[мвт/м² ]≤ 5,50.

      Температурные градиенты отдельных областей Земли  также сильно различаются, а также  изменяются и с глубиной, причем зависят, главным образом, от теплопроводности. При этом значения температурных градиентов варьируют в пределах 0,1 - 0,01 град/м. Часто в качестве репрезентативного значения принимается значение 1/30 град/м≈ 30 град/км.

      Коэффициент теплопроводности х определялся многими исследователями. Как правило, теплопроводность данного образца для большинства пород уменьшается с увеличением температуры. Для образцов, отобранных из дна океана, существенно водосодержание, так что необходимо обеспечить такое положение, при котором водосодержание таких образцов не изменялось бы. Из опубликованных данных следует, что х ⁼ 0,005 кал/(см·с·град) для многих пород коры, он близок к значению 0,01 для ультраосновных пород. Для оливина и пироксена определено значение х = 0,012 при 0°С и х = 0,008 кал/(см·с·град) при 200°С. Следует отметить, что, согласно современным данным, коэффициент теплопроводности осадочных пород земной коры сильно зависит от пористости и температуры. 

      Связь теплового потока с основными структурами  земной коры 

      Средние значения теплового потока для разных регионов Земли приведены в табл. 2 (сомнительные результаты исключены) и представлены на рис. 2 а, б, в, г.

      Значения  Qна поверхности Земли, как видно из данных табл. 2 и рис. 2, изменяются в достаточно больших пределах. Наибольшая частота таких значений, как видно из данных рис. 2, приходится на значениеQ_o= 1,1·10^-6 кал/(см²·с). Однако кривая распределения несимметрична. Это приводит к тому, что среднее значение теплового потока приходится на величинуQ_oср= (1,50±0,15)⋅10^-6кал/(см²⋅с) = 63,0±6,3 мвт/м². . При таком среднем значении теплового потока общая потеря тепла Землей путем теплопроводности составляет 2,4⋅10²⁰кал/год или 10²⁸ эрг/год с точностью около 10%.

      Распределение значений теплового потока по поверхности Земли не совсем случайно (рис. 2 б, в). Для щитов и платформQобычно составляет 0,9⋅10-6 кал/(см²⋅с). В противоположность этому тепловой поток в ряде районов, особенно в горах последнего цикла складчатости (Альпы, горы Японии), оказывается повышенным до 2⋅10^-6 кал/(см2⋅с) и даже выше. Это же относится и к некоторым областям на дне океанов. Хотя средний тепловой поток через дно океанов приблизительно равен потоку на континентах и отличается постоянством на обширных океанических равнинах, но на дне океанов имеются области - подводные валы, где тепловой поток резко повышен и доходит до 6,7⋅10^-6 кал/(см²⋅с) (рис. 2).

      Регионы с более высокими (положительными) аномалиями теплового потока называются «горячими точками». В настоящее  время все еще ведутся споры  относительно того, движутся ли эти горячие точки вместе с тектоническими плитами во время их дрейфа или же они имеют более глубокое происхождение (в мантии). Суть проблемы заключается в том, что из равенства тепловых потоков на материках и океанах следует равенство на единице площади количества радиоактивных элементов, генерирующих тепло. Это особенно удивительно, если вспомнить, что литосфера под континентами и океанами имеет разное строение. Действительно, известно, что континентальные породы содержат вблизи поверхности намного больше радиоактивных веществ, чем океанические. Это различие должно каким-то образом уравновешиваться на глубине. 

      Таблица 2. Средние значения теплового потока вмккал/(см² с) в регионах с различными типами геологического строения коры. 

      *) Каждое значение, использованное для получения «среднесеточного» значения, представляет собой среднее из всех измерений, попадающих на квадрат 5x5° (300 х 300 морских миль). Таким способом уменьшается «вес» мест, густо покрытых измерениями. При вычислении «среднесеточного» для всей Земли были использованы дополнительные данные, что объясняет некоторое различие в значениях этих трех среднесеточных значений. 

      Рис. 2а. Гистограмма распределения значений тепловых потоков для Земли в целом .

      Рис. 2 б. Сравнение распределений океанического  и континентального тепловых потоков. Вверху – гистограммы значений теплового потока, внизу – гистограммы средних значений по сетке с ячейкой 90 тыс кв. морских миль; 1 морская миля = 1.8 км [Ботт, 1974, с. 217]. 

      Общая связь теплового потока с геологией  видна также из данных табл. 2 и рис. 2. Из сравнения регионов разного типа следует, что чем раньше закончились магматические процессы, связанные с формированием региона (орогез), тем меньше величина современного теплового потока. Этот общий вывод, по-видимому, верен, но не нужно забывать, что существуют значительные изменения теплового потока местного характера. В частности, они наблюдаются над такими структурами, как Срединно- Атлантический хребет, где, вероятно, имеются локализованный источники тепла, находящиеся на глубинах до нескольких десятков километров. Вероятно, такие источники аналогичны вулканическим областям на суше; их вклад в глобальное распределение потока мал. К приведенной потере тепла Землей через теплопроводность следует добавить потери тепла другими путями.

      Рис. 2 в. Гистограммы значений теплового  потока для разных континентальных  регионов [Ботт, 1974; с. 219]. 

      Магматическая деятельность Земли приводит к поднятию и излиянию на поверхность раскаленных  лав и других продуктов. Считая, что  с начала кембрия (5⋅10⁸лет назад) было около 30 излияний платобазальтов объемом каждое в 10⁶км³, что каждый грамм поднятого на поверхность базальта дал за счет охлаждения 300 кал и за счет теплоты кристаллизации 100 кал, получаем потерю тепла в 0,8⋅10¹⁷кал/год. Если учесть вулканизм дна океанов, другие виды вулканизма, о можно эту потерю увеличить на порядок, т. е. считать Q = 10¹⁸кал/год. Таким образом, этот путь теплопотерь, который может быть доминирующим для некоторых ограниченных районов, пренебрежимо мал в масштабе всей Земли.  

      Рис. 2 г. Гистограммы значений теплового  потока для четырех основных типов  океанических регионов [Ботт, 1974; с. 220]; а – океанические котловины, б  – океанические хребты, в – океанические желоба, г – другие океанические регионы.  

      Наконец, следует учесть вынос тепла термальными  водами. Такие области, как гейзерные  поля, например, долина Гейзеров на Камчатке, области выходов термальных источников по разломам, как, например, термальная линия Копет-Даг, дают вынос тепла  в размерах 10¹⁶-10¹⁷кал/год, т. е. их вклад весьма невелик. Гораздо существеннее вынос тепла водами, циркулирующими в осадочной толще Земли. Произвести точную оценку теплопотерь таким путем не удается, но вполне возможно, что она достигает величины того же порядка, что и через теплопроводность. Таким образом, следует иметь в виду, что приведенной выше значение потери тепла в 2,4⋅10²⁰кал/год может быть увеличено примерно вдвое. 

     Особенности тепловых полей перехода от континента к океану 

      Данные  измерения теплового потока в зонах перехода от континента к океану, полученные при исследовании северо-западной окраины Тихого океана, кратко охарактеризованные выше, показывают следующее. Тепловой поток в зонах перехода является таким параметром, который дает наиболее полную информацию о возрасте тектоно-магматической активности, строении и мощности коры, термодинамических условиях в тектоносфере, структуре энергетического баланса переходных зон и т.д.

      Многочисленные  измерения величины теплового потока позволили построить карту измеренного и фонового теплового потока северо-западной зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану. Анализ этой карты подчеркивает наличие закономерной связи зон высокого (более 2 мккал/(см²·с) = 2,0 епт), промежуточного (1,2- 2,0 епт) и низкого (менее 1,2 епт) теплового потока с определенными тектоническими структурами региона, а также с возрастом тектоно-магматической активности. При этом оси всех аномалий высокого теплового потока в северо-западной зоне перехода совпадают с простиранием областей тихоокеанской складчатости и вулканизма, т.е. с простиранием Идзу-Бонинской, Японской, Курило-Камчатской и Алеутской систем островных дуг. Относительно осей геоантиклинальных поднятий островных дуг оси аномалий смещены во впадины окраинных морей. Максимальные температуры и минимальная мощность литосферы характерны для геосинклинальных впадин окраинных морей. В осевых частях этих структур астеносферный слой поднимается до 20 и даже 10 км, на флангах он опускается до глубин 40-50 км. Установлено существование парадоксальной (с точки зрения радиогенной природы теплового потока и преимущественной концентрации радиогенных элементов в земной коре) зависимость: чем выше величины теплового потока, тем меньше мощность земной коры в зонах перехода от континента к океану. Исключение составляют только вулканические пояса. Эта закономерность является общей для большинства тектонических структур Земли, что позволяет сделать следующий вывод. Тепло радиоактивного распада не является основным фактором в формировании пространственно-временных вариаций кондуктивного теплового потока через поверхность Земли. Установлена зона резко нестационарного теплового поля в областях современного вулканизма на островных дугах северо-западной части Тихого океана. Выделяется довольно большое число региональных и локальных аномалий, природа которых требует своего выяснения. Командорская котловина, расположенная в Беринговом море севернее сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, является уникальным «горячим пятном» на земном шаре и по мощности теплового потока превосходит Исландию. При этом в отличие от других котловин окраинных морей Тихого океана аномально высокий тепловой поток в ней не может быть объяснен подвигом литосферной плиты. Это ставит новые вопросы перед гипотезой субдукции литосферных плит.