Геотермия

Геотермия

ГЕОТЕРМИЯ, геотермика, учение о температуре земной коры. Непосредственному наблюдению доступны незначительные глубины (самая глубокая буровая скважина достигла глубины 2331 м). Тепловой режим земной коры слагается из тепла, приносимого солнечными лучами (инсоляция), и тепла, излучаемого землей (радиация), причем последнее играет в поверхностных частях земной коры (выше пояса постоянной температуры) крайне незначительную роль (1/200 от инсоляции). Колебания температуры воздуха весьма неглубоко проникают в почву. По наблюдениям Клоссовского, амплитуды колебаний температуры с увеличением глубины следующие (юго-запад Украины):

Амплитуды колебаний температуры с увеличением глубины

Из этих данных можно заключить, что в средних широтах суточные колебания температуры становятся незаметными на глубине 1,5 м, а годовые - на 19,2 м (в среднем 20—25 м). В экваториальных областях с незначительными годовыми колебаниями температуры глубина, на которой эти колебания исчезают, еще более незначительна (4—6 м). Эта глубина, на которой не отражаются годовые колебания, имеющая температуру немного выше средней годовой температуры данного места, носит название «пояса, или слоя, постоянной температуры». В полярных областях со средней годовой температурой 0° и ниже царит «вечная мерзлота». Колодезь в городе Якутске глубиной 116,5 м не прошел еще всей замерзшей толщи, и породы на этой глубине имели температуру ­3°; по вычислениям, вечная мерзлота оканчивалась там только на глубине 183—200 м. Ниже пояса постоянной температуры повсеместно наблюдается постоянное увеличение температуры по мере углубления (наблюдения в скважинах, в рудниках).

Тщательное измерение по многим скважинам показало, что в среднем, при углублении на каждые 30—33 м, температура повышается на 1°. Число метров углубления, соответствующее повышению температуры на 1°, носит название геотермической ступени (или геотермического градуса); прирост температуры при углублении на 1 или 100 м называется геотермическим градиентом. Линии, соединяющие пункты земной коры с одинаковой температурой, называются геоизотермами (изогеотермы или хтонизотермы). Установлено, что величина геотермической ступени в различных пунктах земной коры колеблется в ту или другую сторону от средней ее величины. Причинами этих колебаний являются следующие местные явления: 1) Химические реакции окисления сульфидов и каменноугольных залежей значительно уменьшают геотермическую ступень; так, на руднике Комсток (Невада) геотермическая ступень равна 17 м, в каменноугольных копях Осега (Чехия) - 5,2 м. В копях антрацитовых и каменноугольных геотермическая ступень больше, чем в буро-угольных, где химические реакции интенсивнее. Знание геотермической ступени позволяет рассчитывать максимальную глубину, при которой возможны горные работы. В районах нефтяных месторождений величина геотермической ступени значительно понижена: Апшеронский полуостров (СССР) 28,4 м, Пехельброн (Эльзас) 13,9—21,0 м, Ечиго (Япония) 20,0 м, Санта-Мария (Калифорния) 23,0 м. 2) Вулканические явления значительно уменьшают геотермическую ступень; это уменьшение зависит от близости к вулканическому очагу и от характера послевулканических явлений. Приводим величины геотермических ступеней в вулканических областях:

Величины геотермических ступеней в вулканических областях

В районе извержения миоценового возраста геотермическая ступень равна только 20—25 м -  настолько медленно происходит остывание горных пород. В прилагаемой таблице приведены наблюдения по двум скважинам в Германии: Шперенбергской на глубине от 220 до 1269 м и Шладебахской - от 1266 до 1716 м, так что оба наблюдения дополняют друг друга.

Наблюдения по двум скважинам в Германии: Шперенбергской на глубине от 220 до 1269 м и Шладебахской - от 1266 до 1716 м

Изменение температуры на дне скважины в Паруховице (Верхняя Силезия) глубиной 2003 м дало 69,3° и величину геотермической ступени в 34,1 м. Вычисляя по геотермической ступени температуру глубинных частей земной коры, получаем на глубине в 120 км температуру 1200°, в 300 км - 2000°, т. е. температуру, при которой расплавляются все изверженные породы. 3) Циркуляция подземных вод различного происхождения и температура также имеют значение. Горячие источники повышают температуру пород; воды, спускающиеся с поверхности земли (по водопроницаемым породам или сбросовым трещинам), понижают их температуру. 4) Величина геотермической ступени находится в большой зависимости от теплопроводности пород. Ниже указана теплопроводность различных пород и для сравнения дана теплопроводность воздуха.

Воздух … 0,00005
Каменный уголь … 0,0003—0,0004
Кварцевый песок (мелкий, сухой) … 0,0003—0,0013
Гранит …  0,0004—0,0097
Пемза … 0,0006
Глинистый сланец … 0,0019—0,030
Обсидиан … 0,0019
Мел … 0,0022
Кремень … 0,0024
Песчаник … 0,0021—0,0307
Андезит … 0,0031
Базальт … 0,0032—0,0067
Мрамор … 0,0012—0,0050
Порфир … 0,0083
Кальцит … 0,0090—0,0050
Каменная соль … 0,0113—0,0137
Магнетит … 0,0200—0,0300

 

Чем больше теплопроводность пород, тем больше геотермический градиент и меньше геотермическая ступень. Породы, пропитанные водой, обладают большей теплопроводностью, чем сухие. Равным образом теплопроводность по слоистости и сланцеватости больше, чем в направлении, перпендикулярном им. Поэтому геотермическая ступень в круто падающих породах больше, чем в залегающих горизонтально. Эта особенность не была учтена при расчете температуры в Симплонском тоннеле, и вместо ожидаемой температуры в 42° она оказалась в 55°. При расчете температурных условий при проходке тоннелей необходимо учитывать все особенности рельефа, геологического строения и характера пород. При проектировании 23-верстного тоннеля через Архотский перевал профессор Левинсон-Лессинг определил максимальную температуру в 36,6°. Вообще это одна из самых трудных задач, решаемых геологией. Измерение температуры в горных выработках производят с точностью до ±0,2° в специально пробуренных скважинах (перпендикулярно к стене обнажения), в которые спускают максимальный термометр, заключенный в железную герметически закрывающуюся трубку.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.