Вопрос №19. Плотность и давление внутри Земли.

Скоростной разрез Земли - график зависимости скорости прохождения сейсмических волн от глубины, является объективной информацией, получаемой в результате сейсмологических исследований. Плотностной же разрез - это интерпретация скоростного разреза, проведенная с учетом наших представлений о валовом химическом составе Земли и поведении силикатного и металлического материала при высоких давлениях и температурах. В силу того, что все факторы, влияющие на скорость прохождения сейсмических волн на очень больших глубинах, пока учесть невозможно, то на основании одного объективно устанавливаемого скоростного разреза могут быть построены несколько интерпретационных плотностных разрезов, правда, все они довольно близки друг к другу.

Скоростной разрез Земли

Плотностной разрез Земли

В принципе, плотностной разрез как бы повторяет скоростной, но одно отличие резко бросается в глаза: при переходе от мантии к ядру плотность резко возрастает (с 5,5 до 9,9 г/см³), тогда как скорость продольных волн резко падает (с 13,6 до 8,1 км/с). Это связано с резкой сменой состава среды: силикатная мантия сложена сравнительно легкими элементами (преимущественно, кислородом, кремнием и магнием), тогда как металлическое ядро представлено, в основном, значительно более тяжелым железом. Скорость прохождения сейсмических волн, тем больше, чем плотнее упаковка атомов, но тем меньше, чем выше средний атомный вес среды.

Зная плотностной разрез земного шара, можно рассчитать, как с глубиной меняется давление. На земной поверхности давление почти нулевое (точнее, оно составляет 1 атм), но по мере увеличения глубины давление быстро растет. В центре земного шара давление составляет около 3,6 млн. атм.

Вопрос №20. Тепловой режим Земли.

Соотношение солнечного и внутреннего тепла. Главным источником тепла на поверхности Земли является излучение Солнца. Общее количество тепла, поступающего на Землю от Солнца, составляет 5,5·10²⁴ Дж в год. Около трети этого излучения сразу же отражается в космос от земной поверхности и от облаков, тогда как около двух третей поглощаются земной поверхностью и атмосферой. Поглощённое солнечное тепло, в основном, переизлучается в космос в виде инфракрасного излучения. Таким образом, практически вся энергия, поступающая на Землю от Солнца, в конечном счёте, уходит в космос. Лишь очень небольшая доля солнечной энергии аккумулируется в процессе фотосинтеза в виде органического вещества и в ряде геохимических процессов в виде некоторых минеральных превращений.

Общее количество тепла, поступающего к поверхности Земли из её недр, почти на четыре порядка меньше – лишь около 8·10²⁰ Дж в год. Тем не менее, тепловой режим недр планеты полностью определяется внутренними источниками тепла. Солнечное же тепло непосредственно не проникает в глубокие недра Земли, и уже на глубине несколько десятков метров (горизонт постоянной температуры) температура не испытывает ни суточных, ни сезонных колебаний.

Источники тепла в недрах Земли. В настоящее время тепло в недрах Земли генерируется за счёт трёх источников:

- гравитационная дифференциация (погружение тяжелого материала и подъём относительно лёгкого сопровождаются выделением тепла);

- распад радиоактивных элементов (главным образом, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th и ⁴⁰K);

- приливное трение (в настоящую эпоху вклад незначителен).

Точное соотношение вкладов этих трёх источников оценить затруднительно. Но можно утверждать, что все эти три источника, а также суммарный поток тепла из земных недр с течением геологического времени ослабевают: гравитационная дифференциация в недрах Земли, в целом, становится менее интенсивной, содержание радиоактивных элементов в земных недрах уменьшается, а приливные взаимодействия с Луной становятся слабее из-за постепенного увеличения расстояния от Луны до Земли.

На стадии образования Земли очень большой вклад в разогрев Земли вносили удары планетезималей. Возможно, в этот период был очень значительным и вклад за счёт распада ряда короткоживущих радиоактивных изотопов, к настоящему времени уже полностью распавшихся (²⁶Al, ⁶⁰Fe и другие). Ударный разогрев должен был играть существенную роль и на стадии интенсивной метеоритной бомбардировки, завершившейся 3,9 млрд. лет назад.

Увеличение температуры с глубиной. Ниже горизонта постоянной температуры, находящегося на глубине несколько десятков метров, температура начинает довольно быстро расти (это установлено по измерениям температуры в шахтах и скважинах). Рост температуры с глубиной характеризуется либо геотермическим градиентом (увеличением температуры на единицу длины), либо геотермической ступенью (глубиной, при погружении на которую температура увеличивается на 1 °С). Среднее значение геотермического градиента составляет около 30°С на 1 км, но в разных регионах оно может резко различаться – от 5-6 °С на 1 км на некоторых древних щитах до 150 °С на 1 км в некоторых районах современного вулканизма.

Быстрое увеличение температуры с глубиной характерно только для земной коры (особенно для верхней коры), так как именно в ней наиболее высоки содержания радиоактивных элементов. Температура на границе Мохоровичича оценивается от 600 °С до 1000 °С в разных регионах. В мантии, в которой содержание радиоактивных элементов должно быть невелико, температура с глубиной растёт медленно, примерно 1 °С на 1 км. Температура на границе мантии и ядра оценивается по-разному, но в современных моделях её принимают близкой к 3700 °С (на границе мантии и ядра температура заведомо должна быть выше температуры плавления железа, но ниже температуры плавления силикатного материала, разумеется, при соответствующем давлении, ведь, как известно, мантия находится в твердом состоянии, а внешнее ядро - в жидком). Температура в центре Земли оценивается от 4000 °С до 4500 °С.

Распределение теплового потока на Земле. Тепловой поток – это количество тепла, которое поступает снизу на площадь в 1 квадратный метр за 1 секунду. Измерение теплового потока, включает в себя определение градиента температуры и лабораторное определение теплопроводности горных пород.

Величина теплового потока q рассчитывается по формуле

q = -  grad T,

где  – теплопроводность горных пород, определяемая в лаборатории,

grad T – градиент температуры, определяемый путем измерения температуры на разных глубинах в скважинах.

Среднее значение теплового потока для земного шара составляет около 50 милливатт на квадратный метр, причём, что интересно средние значения теплового потока примерно одинаковы и для континентов, и для океанов. Вместе с тем, и на континентах и в океанах они испытывают очень резкие колебания. В целом, чем моложе та или иная геологическая структура, тем выше тепловой поток. Наиболее высокие значения теплового потока зафиксированы в районах современного вулканизма, особенно в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (иногда до 1500 милливатт на квадратный метр).