Геотермическая ступень и градиент. Особенности изменения на территории России. Тепловой поток

У поверхности Земли температурный режим определяется двумя
источниками: теплом, получаемым от Солнца и собственным теплом
планеты из ее недр. Соотношение этих источников таково: соответственно
99,5% и 0,5%.
Приток внутреннего тепла очень неравномерно распределяется на
Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма. Однако
прогревание солнечными лучами распространяется за год вглубь Земли
самое большее на 8-30 см.
Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры,
соответствующий среднегодовой температуре данной местности. В шахтах и
буровых скважинах, углублённых ниже пояса постоянной температуры,
наблюдается постепенное увеличение температуры с глубиной.
Мерой повышения температуры являются две величины:
геотермическая ступень и геотермический градиент.
Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень
изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий,
эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной
теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга,
пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются
два резко различных градиента:
1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США),
2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим
геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в
первом случае до 167 м – во втором.
Геотермическая ступень – то количество метров, на которое нужно
погрузиться в данной местности ниже пояса постоянной температуры, чтобы
получить прирост температуры на 1 о . Определяется в метрах.

Колеблется в значит, пределах в зависимости от глубины и места (от 5
до 150 м). Для Москвы средняя величина геотермической ступени равна 38,4
м. Измерение прироста температуры горных пород с увеличением глубин их
залегания устанавливается геотермическим градиентом.
Геотермический градиент – величина возрастания температуры при
погружении на каждые 100 м. Измеряется в градусах.
В различных участках и на разных глубинах геотермический градиент
непостоянен и определяется составом горных пород, их физическим
состоянием и теплопроводностью, плотностью теплового потока, близостью
к интрузиям и другими факторами. Обычно геотермический градиент
колеблется от 0,5-1 до 20 °С и в среднем составляет около 3 °С на 100
метров.
Помимо общетеоретического значения описание геотермического
градиента имеет значительный практический смысл, особенно в свете
ожидаемого глобального топливно-сырьевого кризиса. Значение
геотермического градиента окажет решающую роль на распространение
геотермальной энергетики.
Пояс постоянной температуры в Москве располагается на глубине 20 м
(4,2 °С), в Париже в течение 100 лет на глубине 28 м отмечается температура
11,83 °С.
Глубже этого пояса, в направлении от поверхности Земли к центру,
температура постепенно повышается: в среднем на каждые 33 м на 1 °С. Это
так называемая геотермическая ступень.
Величина геотермической ступени в разных местах и на разных
глубинах неодинакова и колеблется от 5 до 150 м. В вулканических районах с
глубиной температура повышается очень быстро.
Прирост температуры на каждые 100 м углубления от зоны постоянной
температуры называется геотермическим градиентом.

Он также в разных местах и на разных глубинах имеет неодинаковую
величину. С глубиной в среднем на каждые 100 м температура увеличивается
на 3 °С.
Наибольший геотермический градиент — 150 ° С/км наблюдался в
Бонанце, США, штат Орагон, наименьший градиент — 6 0 С/км — в
Витватерсранде, Южная Африка. Различия в величине геотермической
ступени и геотермического градиента обусловлены разной радиоактивностью
и теплопроводностью горных пород, различными условиями залегания
горных пород (температура выше в слоях, собранных в складки недавно),
гидрохимическими процессами (в зависимости от того, какие реакции
преобладают: с выделением тепла или с поглощением), температурой
подземных вод, циркулирующих в толще пород.
Величина геотермической ступени изменяется в зависимости от
различных причин, в первую очередь от конкретного геологического
строения местности и теплопроводности горных пород, слагающих данный
район.
Среднее значение геотермической ступени для земного шара = 33 м. Но
существуют и отклонения в обе стороны.
Так, на юге Африки геотермическая ступень = 111 м; в районе теплых
источников Пятигорска она = 1,5 м.
Это значение геотермической ступени верно лишь для верхней части
земной коры, иначе породы мантии были бы полностью расплавлены (100 км
– 3000 о , а не 1300-1500, как на самом деле) и не пропускали бы поперечные
сейсмические волны.
Самые высокие показатели геотермических градиентов зафиксированы
в современных областях вулканической деятельности, к которым непременно
относится Камчатская область.
Из невулканических территорий самым прогретым считается
Северокавказский регион.

Геотермический градиент здесь приравнивается к 3-5 °С на 100 м, для
Москвы данное значение в среднем составляет 2 °С, Санкт-Петербурга – 2,5,
для Урала – 1,2 °С, а для Нижнего Поволжья – 2,1 °С на 100 м.
Для России средний геотермический градиент равен 2-3 °С на 100 м
(кроме областей аномальных показателей). Это дает возможность
рассчитывать на температуру земных пород до 260°С на глубинах до 10 км.
Петротермальные теплоэлектростанции (петроТЭС) выгодно строить, если
температура получаемого тепла не менее 100°С. При указанных выше
средних градиентах данная температура соответствует глубинам от 3,5 до 5
км.
Анализ имеющихся данных показывает, что разные значения
геотермического градиента почти во всех случаях полевых измерений
существенно превосходят установленные ранее (на 80-100%).
Геотермические условия России очень разнообразны.
Аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. В
некоторых районах Камчатки температура доходит до 150-200°С на глубине
400-600м, но это не значит, что на глубине 1000м температура будет 500°С.
В то же время получены данные о довольно глубоком промерзании
верхней зоны земной коры в Якутии.
Мощность мерзлых горных пород здесь равна 1500м, а на глубине
1800м температура равна 3,6°С.
Максимальная температура 253°С зафиксирована на глубине 1200м на
Камчатке. А в Калифорнии в скважине «Ривер-Рэнг» на глубине 2469м
отмечена рекордная температура 371°С.
При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна
составлять в среднем примерно 250–300°C.
Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в
сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного
повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в
Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется
со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5
раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10
км — 180°C, а на 12 км — 220°C.
Большую роль в исследовании геотермического градиента
сыграла Кольская сверхглубокая скважина. При её заложении расчёты велись
в соответствии с 10 °C на километр. Проектная глубина Кольской скважины
была 15 км. Соответственно, это означало, что ожидаемая температура была
порядка +150 °C. Однако, градиент 10 °C/км был только до трёх километров,
а дальше градиент стал увеличиваться таким образом, что на глубине 7 км
температура составляла 120 °C, 10 км — 180 °C, 12 км — 220 °C.
Предполагается, что на проектной глубине температура должна быть равна
+280 °C.
Другой пример — скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на
глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км — 70°C, на 2 км
— 80°C, на 3 км — 108°C.
Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с
глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры
около 1300–1500°C, на глубине 400 км — 1600°C, в ядре Земли (глубины
более 6000 км) — 4000–5000°C.
На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые
скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так
же, как и на больших глубинах.
Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения
сейсмических волн или температура изливающейся лавы.
Тепловой поток — вектор, абсолютная величина которого равна
количеству теплоты, проходящему через изотермическую поверхность в
единицу времени; направлен противоположно градиенту температуры. Q =
[Дж/с] = [Вт] = [ккал/ч].

Тепловой поток через изотермическую поверхность единичной
площади называют плотностью теплового потока или удельным тепловым
потоком, а в технике — тепловой нагрузкой.
Плотность теплового потока (удельный тепловой поток) – это
количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу
поверхности: q = [Дж/(с·м 2 )] = [Вт/м 2 ].
При стационарном температурном режиме тепловой поток Q,
проходящий через все слои, одинаков. Значения удельных тепловых потоков
изнутри q вн и снаружи q н будут различны, т. к. внутренняя и внешняя
поверхности трубы будут различны.
Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы
поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной
плотностью потока интегрального излучения, или излучательной
способностью Е, Вт/м 2 .
Тепловой поток направлен против градиента температуры, а
количество теплоты, проходящее через единицу площади изотермической
поверхности за единицу времени, пропорционально модулю температурного
градиента.
В одномерном случае тепловой поток пропорционален разности
температур и обратно пропорционален расстоянию. Тепловой поток всегда
направлен от горячей температуры к холодной.

Основной силой теплоотдачи является разность температур стенки и
среды.

Тепловой поток от среды к стенке за единицу времени через единицу
площади пропорционален разности температур между средой и
поверхностью стенки.
Тепловой поток Q, Вт, переданный горячим теплоносителем стенке
путем конвективного теплообмена, определяется по уравнению Ньютона –
Рихмана:

где α 1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя с
постоянной температурой t 1 к поверхности стенки, учитывающий все виды
теплообмена, Вт/(м 2 ·К); F – расчетная площадь поверхности плоской стенки,
м 2 .
Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку
толщиной δ, м, определяется по уравнению:

Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к
холодному теплоносителю, определяется по той же формуле конвективного
теплообмена Ньютона – Рихмана:

где α 2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к
холодному теплоносителю с постоянной температурой t 2 , Вт/(м 2 К).