Глава 2. Физическое состояние вещества недр

2.1. Тепловой режим Земли

Общепризнанным источником тепловой энергии недр принимается энергия распада радиоактивных элементов. Длительные процессы фракционирования привели к тому, что они сосредоточились в основном в составе пород континентальной земной коры.
В настоящее время тепловыделение за счёт радиоактивного распада элементов составляет около 4 ·10-8 кал/г · год, что соответствует тепловыделению 1 г хондритов в год. На протяжении жизни Земли энергия распада ослабилась в 4-5 раз. Земля находится как бы в стационарном энергетическом состоянии (теряет столько же, сколько в ней образуется из-за радиоактивного распада).
Вторым источником тепла является тепло, выделяющееся при кристаллизации вещества внутреннего ядра. На границе ядро-мантия удельное теплоизлучение за счёт теплоты кристаллизации оценивается величиной 0,68·10-6 кал/см2·с (рис. 10).
На границе нижней и верхней мантии удельное теплоизлучение, равное 1,34·10-6 кал/см2с, включает тепло распада радиоактивных элементов в нижней мантии и теплоту кристаллизации из ядра.
Удельный тепловой поток, излучаемый поверхностью планеты, составляет 1,48·10-6 кал/см2·с. При этом в океанической части он составляет
1,51.10-6 кал/см2·с и полностью связан с конвективным переносом тепла из нижней мантии. В континентальной части удельный тепловой поток равен
1,41.10-6 кал/см2·с, но в отличие от океанов конвективное поступление тепла из нижней мантии составляет здесь 60% и 40% за счёт тепла радиогенного распада элементов континентальной земной коры [4].
Оценки показывают, что за период от начала аккреции планетезималей и до выплавления ядра (~ 0,5 млрд лет) нагрев за счёт радиоактивного распада элементов мог повысить температуру планеты от абсолютного нуля не более чем на 3000С, тогда, как для диспропорционирования FeO в Fe3O4+Fe требуются температуры более 20000С [6].
На этапе агрегации вещества протопланеты (4,55 млрд лет назад) основным источником «начальной теплоты» была гравитационная энергия исходного пылевого облака, преобразовавшаяся (после достаточно кратковременной ударной аккреции около 106 лет) в тепловую энергию планеты.
Процесс выплавления ядра из-за экзотермического и катастрофического характера должен был закончиться до образования наиболее древних пород (3,8 млрд лет). Выплеснувшаяся к поверхности тепловая энергия оказалась достаточной для плавления вещества, но только наружной части планеты на глубину порядка 400 км, где и возник первичный кратковременный магматический океан. Более глубокие горизонты мантии до ядра находились в твёрдом состоянии и мантия сохранила достаточно однородный законсервированный пиролитовый состав.
Оценивая параметры нагрева вещества, геофизики различают адиабатические температуры и температуры плавления.
Адиабатический процесс – процесс при котором система не получает тепло извне и не отдаёт его (adiabatos, греч.– непереходимый).

Кривая адиабатических температур (рис. 11) разграничивает области действия молекулярного и конвективного переноса тепла. Если температура ниже адиабатической, теплоперенос в среде возможен лишь за счёт молекулярного (очень слабого) механизма теплопроводности. Если температура больше адиабатической, то возникает конвекция с гидродинамическим перемешиванием среды (массоперенос). Адиабата испытывает на первом (420 км) и втором (670 км) фазовых переходах в мантии скачки на ~ 1000С  и ~3000 С соответственно (рис. 11).

1 – адиабатические температуры,

2 – пробное распределение температуры без тепловых погранслоёв,

3 – распределение температуры с тепловыми погранслоями на границах нижней мантии 
(на глубине 670 км оно совпадает с кривой 1),

4 – кривая плавления.

В принятой геотермической модели распределения температур выделяются три тепловых запирающих тепловых погранслоя, которые по существу являются зонами аккумуляции тепла и перегрева: верхний (астеносфера), средний (верхняя часть нижней мантии на глубинах 700 – 900 км), нижний (слой нижней мантии на глубинах 2700 – 2900 км). Они рассматриваются очагами зарождения мантийных потоков и восходящих струй конвекционных ячей.