Термальная история Земли

Термальная история Земли включает изучение истории охлаждения недр Земли . Это раздел геофизики . (Тепловые истории также рассчитываются для внутреннего охлаждения других планетных и звездных тел.) Изучение тепловой эволюции недр Земли является неопределенным и противоречивым во всех аспектах, от интерпретации петрологических наблюдений, используемых для определения температуры недр, до гидродинамики, ответственной за теплопотери, к свойствам материала, определяющим эффективность теплопередачи.

Обзор

Наблюдения, которые можно использовать для определения температуры недр Земли, варьируются от самых старых пород на Земле до современных сейсмических изображений внутреннего размера ядра . Древние вулканические породы можно связать с глубиной и температурой плавления по их геохимическому составу. Используя этот метод и некоторые геологические выводы об условиях, в которых сохранилась порода, можно сделать вывод о температуре мантии. Сама мантия . полностью конвективна, так что температура в мантии практически постоянна с глубиной за пределами верхнего и нижнего тепловых пограничных слоев Это не совсем так, поскольку температура в любом конвективном теле под давлением должна возрастать по адиабате, но адиабатический градиент температуры обычно гораздо меньше скачков температуры на границах. Поэтому мантия обычно ассоциируется с единственной или потенциальной температурой , которая относится к температуре средней мантии, экстраполированной по адиабате на поверхность. Потенциальная температура мантии сегодня оценивается примерно в 1350°С. Существует аналогичная потенциальная температура ядра, но поскольку образцов из ядра нет, ее современная температура зависит от экстраполяции температуры по адиабате от внутренней границы ядра, где железный солидус несколько ограничен.

Термодинамика

Простейшая математическая формулировка термической истории недр Земли включает временную эволюцию температур средней мантии и среднего ядра. Для вывода этих уравнений необходимо сначала написать энергетический баланс мантии и ядра отдельно. Они есть,

$Q_{\text{surf}}=Q_{\text{sec,man}}+Q_{\text{rad}}+Q_{\text{cmb}}$

для мантии и

$Q_{\text{cmb}}=Q_{\text{sec,core}}+Q_{\text{L}}+Q_{\text{G}}$

для ядра. $Q_{\text{surf}}$ — поверхностный тепловой поток [Вт] на поверхности Земли (и мантии), $Q_{\text{sec,man}}=M_{\text{man}}c_{\text{man}}dT_{\text{man}}/dt$ – вековое охлаждающее тепло от мантии, а $M_{\text{man}}$, $c_{\text{man}}$, и $T_{\text{man}}$ – масса, удельная теплоемкость и температура мантии. $Q_{\text{rad}}$ – радиогенное теплопродуцирование в мантии и $Q_{\text{cmb}}$ – тепловой поток от границы ядра и мантии. $Q_{\text{sec,core}}=M_{\text{core}}c_{\text{core}}dT_{\text{core}}/dt$ - это вековое охлаждающее тепло от активной зоны, а $Q_{\text{L}}$ и $Q_{\text{G}}$ – скрытый и гравитационный тепловой поток от внутренней границы ядра вследствие затвердевания железа.

Решение для $dT_{\text{man}}/dt$ и $dT_{\text{core}}/dt$ дает,

${\frac {dT_{\text{man}}}{dt}}={\frac {3(-Q_{\text{surf}}-Q_{\text{cmb}})}{4\pi \rho _{\text{m}}c_{\text{m}}(R^{3}-R_{\text{c}}^{3})}}+{\frac {Q_{\text{rad}}}{V_{\text{m}}\rho _{\text{m}}c_{\text{m}}}}$

и,

${\frac {dT_{\text{core}}}{dt}}=Q_{\text{cmb}}\left[A_{\text{c}}(L+E_{G})\left({\frac {R_{i}}{R_{\text{c}}}}\right)^{2}\rho _{i}{\frac {dR_{i}}{dT_{\text{cmb}}\eta _{\text{c}}}}-{\frac {R_{\text{c}}^{3}-R_{i}^{3}}{3R_{\text{c}}^{3}}}\rho _{\text{c}}c_{\text{c}}\right]^{-1}$

Тепловая катастрофа

В 1862 году лорд Кельвин вычислил возраст Земли от 20 до 400 миллионов лет, предположив, что Земля сформировалась как полностью расплавленный объект, и определил количество времени, которое потребуется приповерхностным слоям, чтобы остыть до нынешнего состояния. температура. Поскольку униформизм требовал гораздо более древней Земли, возникло противоречие. В конце концов, были обнаружены дополнительные источники тепла внутри Земли, что позволило предположить гораздо более древний возраст . Этот раздел посвящен аналогичному парадоксу в современной геологии, называемому термальной катастрофой .

Тепловую катастрофу Земли можно продемонстрировать, решив приведенные выше уравнения эволюции мантии с $Q_{\text{cmb}}=0$. Катастрофа определяется как когда средняя температура мантии $T_{\text{man}}$ превышает мантийный солидус, так что вся мантия плавится. Используя геохимически предпочтительное соотношение Юри $Ur=1/3$ и геодинамически предпочтительный показатель охлаждения ${\text{beta}}=1/3$ температура мантии достигает мантийного солидуса (т.е. катастрофы) через 1-2 млрд лет. Этот результат явно неприемлем, поскольку геологические свидетельства существования твердой мантии существуют еще 4 млрд лет назад (и, возможно, позже). Таким образом, проблема тепловых катастроф представляет собой величайший парадокс в термической истории Земли.

Новый основной парадокс

«Новый основной парадокс» утверждает, что новые поправки к эмпирически измеренной теплопроводности железа Условия давления и температуры ядра Земли подразумевают, что динамо в настоящее время термически расслаивается, что обусловлено исключительно композиционной конвекцией, связанной с затвердеванием внутреннего ядра. Однако широко распространенные палеомагнитные свидетельства существования геодинамо старше вероятного возраста внутреннего ядра (~ 1 млрд лет), что создает парадокс относительно того, что приводило в действие геодинамо до зарождения внутреннего ядра. Недавно было высказано предположение, что более высокая скорость охлаждения ядра и более низкая скорость охлаждения мантии могут частично разрешить этот парадокс. Однако парадокс остается неразрешенным.

Кроме того, недавние геохимические эксперименты привели к предположению, что радиогенное тепло в ядре больше, чем считалось ранее. Этот пересмотр, если он верен, также облегчит проблемы с основным тепловым бюджетом, предоставив дополнительный источник энергии в прошлом.

См. также

• Внутреннее ядро ​​Земли
• Магнитное поле Земли
• Строение Земли
• Геологический температурный рекорд
• Список периодов и событий в истории климата
• Палетермометр
• Радиационное воздействие
• Хронология оледенения

Дальнейшее чтение

• Бёлер, Рейнхард (1996). «ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ МАНТИИ И ЯДРА ЗЕМЛИ: Термическая структура Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 24 (1): 15–40. Бибкод : 1996AREPS..24...15B . дои : 10.1146/annurev.earth.24.1.15 .
• Дэвис, Джеффри Ф. (2001). Динамическая Земля: плиты, плюмы и мантийная конвекция (Отв. ред.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521599337 .
• Фаулер, CMR (2006). «7. Жара». Твердая земля: введение в глобальную геофизику (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 269–325. ISBN  9780521893077 .
• Джейкобс, Дж. А. (1992). «4. Термическая история Земли». Глубокие недра земли (1-е изд.). Лондон: Чепмен и Холл. ISBN  9780412365706 .
• Маккензи, Дэн; Вайс, Найджел (1975). «Рассуждения о термической и тектонической истории Земли» . Геофизический журнал Королевского астрономического общества . 42 (1): 131–174. дои : 10.1111/j.1365-246X.1975.tb05855.x .
• Поллак, Генри Н.; Хертер, Сюзанна Дж.; Джонсон, Джеффри Р. (1993). «Тепловой поток из недр Земли: анализ глобального набора данных». Обзоры геофизики . 31 (3): 267. Бибкод : 1993RvGeo..31..267P . дои : 10.1029/93RG01249 .
• Шарп, Х.Н.; Пельтье, WR (1978). «Параметризованная мантийная конвекция и термическая история Земли». Письма о геофизических исследованиях . 5 (9): 737–740. Бибкод : 1978GeoRL...5..737S . дои : 10.1029/GL005i009p00737 .
• Уильямс, Квентин (6 октября 1997 г.). «Почему ядро ​​Земли такое горячее? И как ученые измеряют его температуру?» . Спросите экспертов . Научный американец . Проверено 6 апреля 2013 г.