Геотермия

ГЕОТЕРМИЯ (геотермика), раздел физики Земли, изучающий тепловое состояние и тепловую историю Земли, распределение температуры и глубинных источников тепла в недрах Земли. К основным задачам геотермии относятся: исследование физической природы источников тепла, изучение механизмов переноса теплоты в условиях высоких температур и давлений, определение теплового потока из недр, способы измерения геотермического градиента и теплопроводности горных пород, расчёт глубинных температур и термической эволюции Земли, оценка температур плавления пород, построение геотермических моделей земной коры и литосферы, изучение связи теплового режима с тектоническими процессами, магматизмом и метаморфизмом.

Тепловое поле Земли в форме проявлений геотермальной активности первым из геофизических полей привлекло внимание человека и стало предметом научных исследований: ещё Плиний Младший описал извержение вулкана Везувий в 79 году нашей эры. Количественные методы геотермии появились в начале 17 века после изобретения Г. Галилеем термометра. Первые измерения температуры в шахтах и рудниках показали, что температура Земли растёт с глубиной. Этот факт послужил основой космогонической теории остывания Земли из первоначально расплавленного состояния (У. Томсон, 1864). Полученная из решения уравнения теплопроводности оценка возраста Земли (несколько десятков миллионов лет) не соответствовала геологическим данным о возрасте пород. Противоречия гипотезы остывания Земли были устранены после открытия явления выделения теплоты при распаде радиоактивных изотопов урана, тория и калия (французские физики П. Кюри и А. Лаборд, 1903) и экспериментального подтверждения присутствия радионуклидов в горных породах. Количественные оценки влияния различного распределения радиоактивных элементов на тепловую эволюцию Земли и величину теплового потока в поверхностном слое получены А. Н. Тихоновым в 1937 году. С этого времени началось развитие в СССР теоретической и экспериментальной геотермии. Огромный вклад в развитие геотермии внесла Е. А. Любимова, выполнив ряд работ по тепловой истории Земли, исследованию физической природы источников тепла и механизмов теплопереноса в недрах Земли. К концу 20 века установлено, что на тепловой режим Земли влияют также гравитационная дифференциация вещества, приводящая к выделению железного ядра, фазовые переходы и метаморфизм. На ранних стадиях эволюции Земли большую роль в тепловом балансе играла энергия, выделившаяся при ударах крупных тел о поверхность планеты.

Становление геотермических методов в качестве самостоятельного научного направления относится к середине 1960-х годов, чему способствовали систематические определения плотности теплового потока в районах со сложным геологическим строением. Первые данные по измерению теплового потока на суше опубликованы в 1939 году, на море - в 1952. Задержка с измерениями на море связана с техническими сложностями, которые были преодолены в 1950-е годы английским исследователем Э. Буллардом и его сотрудниками, разработавшими термометрический зонд, погружавшийся в породы океанического дна. Одним из важных открытий явилось то, что тепловой поток имеет повышенные значения у гребней срединно-океанических хребтов и уменьшается с удалением от оси хребта. Важнейшие результаты в этой области принадлежат, в частности, японскому геофизику С. Уэда.

Плотность теплового потока тесно связана с тектоникой региона. Например, для докембрийских кристаллических щитов характерны низкие значения плотности теплового потока (20-49 мВт/м²), для платформ - средние (40-60 мВт/м²), для тектонически активных областей (срединно-океанических хребты, рифты, области современного орогенеза) - высокие (100-300 мВт/м² и более). Среднее значение плотности теплового потока на континентах составляет 58-63 мВт/м² и 75-78 мВт/м² на океаническом дне, что на несколько порядков меньше потока лучистой энергии от Солнца. Внешний источник теплового поля Земли (солнечная радиация) проникает на глубину всего до 20 м, поддерживая среднюю температуру поверхности около 0°С. Общие теплопотери Земли составляют (3-4)·10¹³ Вт.

Непосредственное измерение температуры в недрах Земли возможно только до глубин, достигаемых бурением (максимальная глубина Кольской сверхглубокой скважины 12,26 км). Для измерений в морях и океанах используются зонды-термоградиентографы. Распределение температуры с изменением глубины определяют на основе различных оценок и расчётов с применением аналитических методов и математического моделирования, учитывая, что подавляющая часть радионуклидов в процессе эволюции была вынесена в верхние слои земной коры. Считая средний геотермический градиент у поверхности равным 30 К/км и учитывая его убывание с глубиной, получают оценку температуры на глубине 100 км в интервале 1400-1700 К. С учётом неравномерного распределения радионуклидов и конвективного тепломассопереноса в мантии оценка температуры нижней мантии на границе с ядром составляет (3-4)·10³ К. Оценка температуры на границе внешнего и внутреннего ядра находится в интервале (4-5)·10³ К, в центре Земли - (5-6)·10³ К. Таким образом, разброс оценок на глубинах мантии и ядра превышает 1000 К, то есть ±30%, в то время как температура литосферы может быть оценена с точностью ±10%.

Геотермические исследования имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Геотермические методы поиска и разведки полезных ископаемых (смотри Терморазведка) основаны на изучении параметров теплового поля участков земной коры с последующим установлением взаимосвязи этих параметров с особенностями геологического строения и эволюции литосферы. Геотермические исследования наиболее эффективны при поисках нефти, газа, термальных вод, колчеданных месторождений, для выявления разрывных нарушений, тектонически ослабленных зон, в мерзлотоведении и применяются в комплексе с другими геофизическими методами разведки.

Лит.: Любимова Е. А. Термика Земли и Луны. М., 1968; Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: геологические приложения физики сплошных сред: В 2 часть М., 1985; Хуторской М. Д. Введение в геотермию. М., 1996.