<<
>>

§ 4. ТЕПЛОТА ЗЕМЛИ


Различают теплоту внешнюю, солнечную, исходящую от Солнца, и теплоту внутреннюю, поступающую из недр Земли.
Рассмотрим сначала внешнюю теплоту Земли, источником которой является Солнце. Площадка в 1 см2 на Земле, ориентированная перпендикулярно солнечным лучам, получает от Солнца в течение
  1. мин 1,94 кал тепла.
    Эта величина называется солнечной постоянной.

Известно, что Солнце излучает в мировое пространство в течение года 3-Ю30 ккал тепла. Из этого количества только 0,33-10"tJ часть, т. е. 1021 ккал, попадает на Землю. Этим количеством тепла можно было бы растопить покрывающий Землю сплошной слой льда толщиной 24 м. Оно в 300 раз больше того тепла, которое мы могли бы получить при сожжении всех мировых запасов каменных углей. Иными словами, Земля в течение одних суток с небольшим получает от Солнца столько тепла, сколько можно было бы получить от сожжения всех запасов каменных углей на Земле. Этой теплотой обусловливаются почти все геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры.
Наибольшее количество тепла от Солнца получает область экватора. По направлению к полюсам количество тепла уменьшается. Все точки земной поверхности, расположенные на одной и той же широте, получают от Солнца в течение года одно и то же количество тепла. Однако теплота, попавшая на поверхность Земли, перераспределяется под влиянием ряда факторов, из которых главнейшими являются: 1) форма рельефа земной поверхности — горные хребты, долины, их направление и т. д.; 2) распределение воды и суши на Земле; 3) характер и мощность растительного покрова; 4) воздушные и морские течения. Вследствие действия указанных факторов на разных участках одной и той яіє широты климатические, в том числе температурные, условия неодинаковы.
Различают среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые температуры на отдельных участках земной поверхности. Линии, соединяющие точки с одинаковыми средними температурами (суточными, месячными, годовыми), называются изотермами.
Среднемесячные температуры получают путем сложения среднесуточных температур и деления суммы на число дней в месяце,
среднегодовые — путем сложения среднемесячных температур и деления суммы на 12. Для каждого пункта земной поверхности особенно характерны среднеянварская и среднеиюльская температуры.
Все изотермы имеют тенденцию вытягиваться с запада на восток, но в то же время очень часто пересекают параллели.
Если среднесуточные и среднемесячные температуры из года в год довольно значительно колеблются, среднегодовые температуры меняются очень мало, не более чем на десятые доли градуса. Средняя годовая температура в Москве, по данным Тимирязевской сельскохозяйственной Академии, равна +4,2° С.
Рассмотрим изменение температуры ниже поверхности Земли на разных глубинах. В любом месте с глубиной температура все меньше зависит от температуры на поверхности Земли. В конце концов всюду на некоторой глубине температура перестает зависеть от температуры на поверхности. С этой глубины и ниже уже не сказываются сезонные колебания температур на поверхности. К этой глубине приурочен так называемый пояс постоянных температур. Выше этого пояса зимняя температура отличается от летней. Ниже этого пояса температура закономерно повышается независимо от температуры на поверхности Земли.
Она обусловлена теплотой, которая; поступает снизу, из недр Земли и имеет в основном, по-видимому, радиоактивное происхождение. Эта внутренняя теплота вследствие- теплоотдачи поступает в ту часть земной коры, которая расположена выше пояса постоянных температур. Роль внутренней теплоты в интервале от пояса постоянных температур до поверхности Земли уменьшается. Пояс постоянных температур залегает на глубине от 2 до 40 м. В Москве он расположен на глубине около 20 лі.
Глубина залегания пояса постоянных температур зависит от амплитуды колебаний температуры на поверхности Земли в течение года. Известно, что чем резче колебания, тем климат более континентальный. В этих случаях глубина зелагания пояса больше. В условиях небольших колебаний температур на поверхности глубина залегания пояса меньше.
Глубина залегания пояса постоянных температур зависит также от состава и характера горных пород, залегающих выше пояса., от их теплопроводности, характера их залегания (горизонтальное., наклонное или вертикальное), насыщенности подземной водой и других факторов.
Ниже пояса постоянных температур с увеличением глубины температура закономерно повышается. Число метров, через которое' температура повышается на 1° С, называется геотермиче- скойступенью. По имеющимся данным геотермическая ступень колеблется от 19 м (Австралия) до 111 м (Йоганнесбург в Африке)^
Число градусов Цельсия, на которое повышается температура при углублении на 100 м, называется геотермическим градиентом. Геотермическая ступень и геотермический градиент:
находятся в обратной зависимости. Если, например, ступень равна 20 м, градиент равен Ъ° С; если ступень 30 м, градиент 31/3° С и т. д.
В разных районах геотермическая ступень и градиент различны. Они зависят от следующих факторов.
  1. Теплопроводность горных пород.

Чем больше теплопроводность горных пород, слагающих соответствующий участок земной коры, тем больше геотермическая ступень и наоборот.
  1. Характер химических реакций, происходящих в горных породах.

На тех участках земной коры, где преобладают экзотермические реакции (с выделением тепла), геотермическая ступень меньше. Примером таких реакций может служить действие воды на сульфиды железа.
В районах распространения нефтяных месторождений геотермическая ступень часто имеет пониженное значение. Например, в Грозненском нефтяном районе геотермическая ступень достигает 20— 25 м, в Бакинском 23—32 м. Такое же явление характерно для районов каменноугольных месторождений.
В тех районах, где в горных породах протекают преимущественно эндотермические реакции (с поглощением тепла), геотермическая ступень больше. В качестве примера эндотермических реакций можно указать на растворение каменной соли в воде. В местах распространения каменной соли обычно геотермическая ступень выше нормальной.
  1. Близость неостывших магматических горных пород.

В соответствующих местах геотермическая ступень уменьшенная. Это прекрасно подтверждается в районах вулканической деятельности (Камчатка и др.).
  1. Наличие горячих вод в соответствующих участках земной коры.

Нередки случаи, когда подземные воды имеют повышенную и даже очень высокую температуру. Примерами могут служить Горя- чеводск и Серноводск в Чечено-Ингушской АССР, Горячий ключ в Краснодарском крае и др. Здесь вода на небольшой глубине и в источниках имеет температуру 40—97° С. Конечно, такая вода, циркулируя по порам и трещинам горных пород, обогревает их и тем самым повышает геотермический градиент.
  1. Характер залегания пород (тектоника).

Характер залегания пород влияет на величину геотермической ступени. Допустим, какой-либо участок земной коры сложен одинаково теплопроводными горными породами, но в одном случае они залегают горизонтально, в другом — наклонно, в третьем — вертикально. Геотермическая ступень в первом случае будет минимальной^ в последнем максимальной. Это объясняется тем,что в последнем случае теплоотдача в атмосферу происходит быстрее, чем в первом.
  1. Удаленность участка земной коры от океана или моря.

При прочих равных условиях (одинаковые породы, одинаковое
залегание и т. д.) под океаном или морем геотермическая ступень меньше (по-видимому, сказывается охлаждающее влияние воды), а на континенте, вдали от океана, больше.
Поверхности одинаковых температур под поясом постоянных температур (или одинаковых средних годовых температур над поясом постоянных температур) называются геотермами. В вертикальном разрезе геотермы являются линиями равных температур, расстояние между ними по вертикали — геотермическая ступень.
Из сказанного следует, что геотермы под океанами и морями должны быть расположены гуще, чем в пределах континентов, т. е. геотермические ступени на континентах должны быть больше, чем непосредственно под дном моря или океана.
  1. Концентрация радиоактивных элементов в горных породах. В случае местной повышенной концентрации радиоактивных элементов теплота, выделяющаяся при их распаде, способствует уменьшению геотермической ступени или увеличению геотермического градиента.

Для определения геотермической ступени на том или другом участке земной коры замеряют температуру в скважинах на различных глубинах. Разность глубин делят на разность замеренных температур. Таким образом получают геотермическую ступень в указанном интервале глубин.
Операция замера температур в скважинах довольно трудоемка и длительна. Из скважины удаляют жидкость (воду или глинистый раствор). Если скважина находится в состоянии бурения, то, прежде чем замерять температуру на забое, необходимо выждать время, пока забой не примет свою естественную температуру, так как при бурении скважины он нагревается.
Для температурных замеров употребляют максимальные термометры, устроенные по принципу медицинских. Их помещают в специальные металлические водонепроницаемые футляры.
В скважину опускают на тросе несколько (не менее двух) термометров и держат их на забое несколько часов. Если все поднятые на поверхность Земли термометры покажут одну температуру, замер считается удачным и законченным, если разную, то операцию повторяют до тех пор, пока не получат одинаковых показаний на всех термометрах. Перед спуском в скважину термометры выверяют.
Из сказанного следует, что при замерах температуры скважины остаются без жидкости много часов. Это очень опасно, так как в скважинах, особенно глубоких, с какими имеют дело нефтяники, могут произойти обвалы, в результате которых скважины окажутся испорченными. Стоимость же скважин измеряется сотнями тысяч рублей. Поэтому температуру в глубоких скважинах замеряют редко.

Каждый геолог, особенно нефтяник, обязан использовать любую возможность для замеров температур в скважинах.
В последнее время в скважинах производят так называемый температурный каротаж. Температура по стволу скважины автоматически фиксируется особым самопишущим аппаратом. Диаграммы таких записей не отражают точных температур на различных глубинах, но наглядно характеризуют тенденцию температурных изменений в скважине с глубиной.
Часто бывает необходимо знать температуру на той или другой тлубине. Это особенно важно при проектировании тампонажа в скважинах, выборе сорта цемента для проведения тоннелей и т. д. В случаях, когда в районе заложения скважины не известна геотермическая ступень, ее принимают равной 33 м.
Разберем следующий пример. В скважине на глубине 2050 .it {забой) надо закрыть воду, т. е. произвести тампонаж. Чтобы выбрать для тампонажа соответствующий сорт цемента, необходимо знать температуру на этой глубине. Геотермическую ступень принимаем равной 33 м. Узнаем среднюю годовую температуру места заложения скважины tl и глубину залегания там пояса постоянных температур а. Температуру t на забое определим по формуле:
Если считать, что геотермическая ступень сохраняется в пределах ¦сиалической оболочки равной примерно 33 м, то температура 100° С, т. е. температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, будет на глубине около 3300 м, 374,6° С, т. е. критическая температура воды, — на глубине около 12 км (ниже 12 км вода существовать уже не может), 1000° С — на глубине 33 км, 1200° С — на глубине около 40 км, 1500° С — на глубине 50 км, 2000° С — на глубине 66 км.
Укажем температуру плавления некоторых минералов и горных аюрод: кварц плавится при t = 1700° С; полевые шпаты плавятся или размягчаются при t = 1500° С; оливиновый диабаз начинает плавиться при t = 1150° С и легко течет при t = 1225° С; базальт легко течет при і = 1160 -і- 1170° С.
Из приведенных данных видно, что в нижней части сиалической оболочки на глубинах около 40—50 км температура равна приблизительно 1200—1500° С. При этой температуре в условиях нормального атмосферного давления горные породы должны плавиться. «Однако на глубине 40—50 км давление равно 10 800—13 500 am. іПри таком давлении горные породы остаются в твердо-пластичном «состоянии. О существовании температур 1200—1500° С в пределах «сиалической оболочки свидетельствует жидкая раскаленная лава действующих вулканов. Лава Везувия, например, расплавляла

медные сосуды, попадавшиеся на пути ее течения. Значит, температура лавы выше температуры плавления меди, т. е. выше 1083° С.
Как изменяется температура ниже сиалической оболочки, какова там геотермическая ступень, мы не знаем. Если бы величина геотермической ступени сохранялась такой же, как принято считать ее для сиалической оболочки, т. е. 33 м, то в низах симатической оболочки, на глубине 900 км, она составляла бы около 27 200° С, на глубине 2900 км — 88 000: С, в центре Земли — около 193 000° С.
При температуре такого порядка в недрах Земли ниже сиаличе- ской оболочки вещество этих недр находилось бы в жидком, расплавленном состоянии. Сравнительно тонкая сиалическая оболочка не могла бы сохраниться и тоже расплавилась бы. Следовательно, температура недр значительно ниже.
В настоящее время многие геофизики считают температуру в центре Земли равной примерно 2000—4000° С. Если это так, то геотермическая ступень ниже сиалической оболочки резко увеличивается и температура к центру Земли, начиная с кровли симатической оболочки, почти не повышается.
Источником сравнительно сильного нагрева сиалической оболочки является теплота, получающаяся в результате распада радиоактивных элементов, сосредоточенных главным образом в этой оболочке.
В природе известно множество радиоактивных элементов. Многие из них возникли в результате распада урана (U) или тория (Th). Конечным продуктом их распада является урановый свинец РЬ^ с атомным весом 206 или ториевый свинец РЬц с атомным весом 208. Скорость распада не зависит от изменений температуры t и давления р, по крайней мере до ? = 1500° Си р = 2000 am.
По содержанию радиоактивных элементов (в основном урана и тория) первое место занимают магматические горные породы, второе — метаморфические и третье — осадочные.
Из магматических пород наиболее богаты радиоактивными элементами кислые породы, особенно граниты. Значительно меньше этих элементов в основных породах, например в базальтах, габбро и др.
Теплотой, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, т. е. внутренней теплотой, в значительной степени обусловливаются геологические процессы, происходящие в сиалической оболочке ниже пояса постоянных температур и отчасти в верхней части симатической оболочки.
На тех участках земной коры, где средняя годовая температура на поверхности равна нулю или ниже нуля, температура в поясе постоянных температур тоже соответственно равна нулю или ниже нуля. Как известно, при нулевой и отрицательных температурах вода находится в твердом состоянии. Горную породу, в порах которой в течение столетий содержится твердая вода, называют
вечной мерзлотой. Наименование, конечно, неточное. Лед, содержащийся в пустотах породы, при потеплении климата частично или полностью тает. Такую породу лучше называть многолетней мерзлотой. Она занимает 45% территории нашей страны (9658 тыс. км2). На рис. 42 показана южная граница распространения многолетней мерзлоты в СССР.
Известны значительные площади многолетней мерзлоты в Северной Америке. В общей сложности ею на земном шаре занято до V10 части всей суши.
Температура мерзлых пород достигает —11° С; мощность их доходит до 600 .н и более.
В результате циркуляции подземных вод внутри мерзлых пород появляются участки без льда, с водой (талики). Для таких мест подземная вода с температурой +(2—4)° С может считаться относительно «горячей».
Многолетняя мерзлота наблюдается в виде линз, гнезд, островков, а иногда слоев (слоистая). В ней встречаются остатки древних животных (мамонтов, носорогов, пещерных медведей и др.).
Многолетняя мерзлота водонепроницаема. Вода, находящаяся в порах, трещинах, кавернах горных пород выше многолетней мерзлоты, зимой замерзает до поверхности Земли, летом оттаивает, и области мерзлоты в это время года обычно представляют собой болота. К зиме вода опять замерзает, при этом объем ее увеличивается, в результате чего почва вспучивается (бугристая тундра), нередко прорывается льдом, возникают наледи и так называемые «г и д р о - лакколит ы».
В областях такой мерзлоты растительность очень бедная, чахлая, низкорослая. Корни растений не уходят далеко вглубь, а разрастаются в горизонтальном направлении. Поэтому часто целые лесные массивы низкорослых деревьев на участках многолетней мерзлоты бывают повалены ветром (ветровалы).
Чрезвычайно широко в пределах мерзлоты развиты оползни.
Мерзлые породы нефтенепроницаемы. Вследствие этого выходы нефти на поверхности Земли в пределах распространения многолетней мерзлоты редки. До Великой Октябрьской социалистической революции и в первые годы Советской власти считали, что нефть надо искать только в тех районах, где имеются естественные выходы ее на поверхность. В связи с этим считали бесполезным искать ее в Сибири. Такое неправильное заключение делали потому, что не учитывали характерного свойства многолетней мерзлоты — ее нефте- непроницаемости. В настоящее время в пределах многолетней мерзлоты Сибири обнаружен ряд нефтяных и газовых месторождений, особенно распространенных в Западной Сибири (Тюменская, Томская и другие области).
Чрезвычайно большой научный интерес представляют пласты ископаемого льда, встречающиеся в пределах многолет-

Рис. 42. Карта распространения многолетней мерзлоты
Рис. 42. Карта распространения многолетней мерзлоты.
Многолетняя мерплоіаі j —. сплошная; 2 — с, талинами; «3 — с. преобладанием тяликов; 4 — островного характера.

ней мерзлоты. Они известны по берегам нижнего течения Лены, Индигирки, Колымы. Мощность пластов ископаемого льда достигает 7 м. Он залегает здесь между пластами глин и песчаников и играет роль настоящей горной породы.
Многие предполагают, что это нерастаявшие остатки ледников, некогда покрывавших места их нахождения. Если представить себе сравнительно быстрое эпейрогеническое опускание участка земной коры, покрытого ледником, пребывание его затем в условиях многолетней мерзлоты и отложения на поверхности льда естественных обломочных осадков, то станет понятным возможность сохранения пластов сплошного льда на глубине.
Многократные эпейрогенические колебания разного знака могут создавать перемежаемость пластов ископаемого льда с обычными осадочными породами: глинами, песками, песчаниками и т. д.
Современная эпоха характеризуется деградацией или отступлением на север южной границы многолетней мерзлоты.
 
<< | >>
Источник: М. м. ЧАРЫГИН, Ю. М. ВАСИЛЬЕВ. ОБЩАЯ И ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ. 1968 {original}

Еще по теме § 4. ТЕПЛОТА ЗЕМЛИ:

  1. Нормативная цена земли
  2. § 3. МАГНЕТИЗМ ЗЕМЛИ
  3. § 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕМЛИ
  4. 52. НОРМА ТИВНАЯ ЦЕНА ЗЕМЛИ
  5. 3.13. Государственные земли
  6. 2. Земли и княжества
  7. ДОКЕМБРИЙСКИЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ
  8. 50 ПЛАТА ЗА ЗЕМЛИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
  9. § 9. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА ЗЕМЛИ
  10. ДОАРХЕЙСКИЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ
  11. ПОРЧА ЗЕМЛИ (ст. 254 УК РФ).
  12. ПОЛЯРНАЯ ЗВЕЗДА И ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ
  13. § 1. ПОЛОЖЕНИЕ ЗЕМЛИ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ И ЕЕ ДВИЖЕНИЯ