Terrestrischer Wärmestrom und Geothermik

Die Erde verliert stetig Wärme durch ihre Oberfläche. Die Kartierung dieses Wärmestroms, zusammen mit dem damit verbundenen Temperaturgradienten, offenbart die thermische Struktur des Planeten und die Energie, die seinen internen Motor antreibt.

Definition

Der terrestrische Wärmestrom ist die Rate, mit der Wärme pro Flächeneinheit aus der Erde abgeleitet wird, bestimmt aus dem geothermischen Gradienten und der Wärmeleitfähigkeit; Geothermik ist die umfassendere Untersuchung des Temperaturfeldes der Erde und des Wärmetransports.

Scope

Dieses Thema behandelt die Messung und Interpretation des oberflächennahen Wärmestroms der Erde: wie der Wärmestrom aus Temperaturgradienten und Wärmeleitfähigkeit in Bohrlöchern und am Meeresboden bestimmt wird, die globale Wärmestromverteilung und ihre Beziehung zu Krustenalter und tektonischem Setting sowie die Geotherme, die die Temperatur mit der Tiefe beschreibt. Es behandelt den konduktiven und konvektiven Wärmetransport, die Abkühlung der ozeanischen Lithosphäre, wie sie im Wärmestrom aufgezeichnet ist, und den Beitrag der radiogenen Wärme der Kruste. Der Schwerpunkt liegt auf dem beobachteten Wärmehaushalt an der Oberfläche und dem thermischen Regime, das er einschränkt.

Core questions

• Wie wird der Oberflächenwärmestrom aus Temperaturgradienten und Leitfähigkeit gemessen?
• Wie variiert der Wärmestrom mit dem Krustenalter und dem tektonischen Setting?
• Was verrät die Geotherme über die Temperatur in der Tiefe?
• Wie teilen sich Konduktion und Konvektion den Transport der Erdwärme?

Key concepts

• Geothermischer Gradient und Wärmeleitfähigkeit
• Oberflächenwärmestrom und seine globale Verteilung
• Kontinentaler versus ozeanischer Wärmestrom
• Die Geotherme und das Tiefen-Temperatur-Profil
• Krustale radiogene Wärmeproduktion

Key theories

Konduktiver Wärmestrom und Fouriersches Gesetz

Der Wärmestrom durch die Kruste wird durch das Fouriersche Gesetz bestimmt, das Produkt aus geothermischem Gradienten und Wärmeleitfähigkeit. Die Messung der Temperatur mit der Tiefe und der Gesteinsleitfähigkeit ergibt somit den lokalen Oberflächenwärmestrom.

Wärmestrom und lithosphärische Abkühlung

Der ozeanische Wärmestrom nimmt mit dem Alter des Meeresbodens ab, da die Lithosphäre durch Konduktion von den Spreizungsrücken weg abkühlt, im Einklang mit Kühlplattenmodellen, während der kontinentale Wärmestrom die radiogene Wärme der Kruste und Mantelbeiträge widerspiegelt.

Mechanisms

Wärme wird entlang des geothermischen Gradienten zur kühleren Oberfläche geleitet, mit einer Rate, die durch das Fouriersche Gesetz bestimmt wird; in junger ozeanischer Kruste transportiert die hydrothermale Zirkulation Wärme auch konvektiv, während in Kontinenten die obere Kruste zusätzliche Wärme durch radioaktiven Zerfall erzeugt, sodass der gemessene Oberflächenwärmestrom tiefe Mantelwärme, lithosphärische Abkühlung und oberflächennahe radiogene Produktion kombiniert.

Clinical relevance

Wärmestrommessungen begrenzen die thermische Struktur und den Energiehaushalt der Erde, identifizieren Regionen, die für geothermische Energie günstig sind, und liefern Informationen für Beckenreifungsmodelle, die bei der Erdölexploration und der Bewertung krustaler thermischer Regime verwendet werden.

History

Bullard leistete Mitte des 20. Jahrhunderts Pionierarbeit bei kontinentalen und Meeresboden-Wärmestrommessungen. Die systematische Abnahme des ozeanischen Wärmestroms mit dem Alter bestätigte die Modelle der lithosphärischen Abkühlung, und globale Zusammenstellungen haben die Schätzung des gesamten Wärmeverlusts der Erde auf etwa 47 Terawatt verfeinert.

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

Wie wird der Wärmestrom aus der Erde gemessen?

Wissenschaftler messen, wie die Temperatur mit der Tiefe in einem Bohrloch oder einer Meeresbodensonde zunimmt, und multiplizieren diesen geothermischen Gradienten mit der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins; das Produkt ergibt den pro Flächeneinheit an dieser Stelle austretenden Wärmestrom.

Warum ist der Wärmestrom in der Nähe von mittelozeanischen Rücken höher?

An den Rücken steigt heißes Mantelmaterial auf und es bildet sich frische, junge Lithosphäre, sodass die Kruste dort am heißesten ist; wenn die Lithosphäre altert und sich wegbewegt, kühlt sie ab, und der Oberflächenwärmestrom nimmt entsprechend mit dem Alter des Meeresbodens ab.