Тепловой поток Земли и геотермия

Земля постоянно теряет тепло через свою поверхность, и картирование этого теплового потока, наряду с подразумеваемым им температурным градиентом, позволяет выявить термическую структуру планеты и энергию, приводящую в движение ее внутренний механизм.

Definition

Тепловой поток Земли — это скорость, с которой тепло проводится из Земли на единицу площади поверхности, определяемая по геотермическому градиенту и теплопроводности; геотермия — это более широкое исследование температурного поля Земли и теплопереноса.

Scope

Эта тема охватывает измерение и интерпретацию поверхностного теплового потока Земли: как тепловой поток определяется по температурным градиентам и теплопроводности в скважинах и на морском дне, глобальное распределение теплового потока и его связь с возрастом коры и тектонической обстановкой, а также геотерму, описывающую температуру с глубиной. В ней рассматриваются кондуктивный и конвективный перенос тепла, охлаждение океанической литосферы, отраженное в тепловом потоке, и вклад радиогенного тепла коры. Акцент делается на наблюдаемом тепловом балансе на поверхности и термическом режиме, который он ограничивает.

Core questions

• Как измеряется поверхностный тепловой поток по температурным градиентам и проводимости?
• Как тепловой поток изменяется с возрастом коры и тектонической обстановкой?
• Что геотерма раскрывает о температуре с глубиной?
• Как кондукция и конвекция делят перенос тепла Земли?

Key concepts

• Геотермический градиент и теплопроводность
• Поверхностный тепловой поток и его глобальное распределение
• Континентальный против океанического теплового потока
• Геотерма и профиль температуры с глубиной
• Радиогенное теплообразование в коре

Key theories

Кондуктивный тепловой поток и закон Фурье

Тепловой поток через кору регулируется законом Фурье, произведением геотермического градиента и теплопроводности, поэтому измерение температуры с глубиной и проводимости пород дает локальный поверхностный тепловой поток.

Тепловой поток и охлаждение литосферы

Океанический тепловой поток уменьшается с возрастом морского дна по мере охлаждения литосферы путем кондукции от срединно-океанических хребтов, что согласуется с моделями охлаждающей плиты, в то время как континентальный тепловой поток отражает радиогенное тепло коры и мантийные вклады.

Mechanisms

Тепло проводится вверх по геотермическому градиенту к более холодной поверхности со скоростью, определяемой законом Фурье; в молодой океанической коре гидротермальная циркуляция также переносит тепло конвективно, в то время как на континентах верхняя кора генерирует дополнительное тепло за счет радиоактивного распада, поэтому измеренный поверхностный тепловой поток сочетает глубокое мантийное тепло, охлаждение литосферы и неглубокое радиогенное производство.

Clinical relevance

Измерения теплового потока ограничивают термическую структуру и энергетический бюджет Земли, выявляют регионы, благоприятные для геотермальной энергии, и информируют модели созревания бассейнов, используемые при разведке нефти и оценке термических режимов коры.

History

Буллард был пионером как континентальных, так и морских измерений теплового потока в середине двадцатого века, систематическое уменьшение океанического теплового потока с возрастом подтвердило модели охлаждения литосферы, а глобальные компиляции уточнили оценку общих потерь тепла Земли до примерно 47 тераватт.

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

Как измеряется тепловой поток из Земли?

Ученые измеряют, как температура увеличивается с глубиной в скважине или морском зонде, и умножают этот геотермический градиент на теплопроводность породы; произведение дает тепло, выходящее на единицу площади в этом месте.

Почему тепловой поток выше вблизи срединно-океанических хребтов?

В хребтах поднимается горячая мантия и образуется свежая, молодая литосфера, поэтому кора там самая горячая; по мере старения и удаления литосферы она охлаждается, и поверхностный тепловой поток соответственно уменьшается с возрастом морского дна.