Тепловой режим Земли и конвекционные течения в её недрах

Тепловые процессы, протекающие внутри Земли, пока ещё очень слабо изучены. По существу, эта проблема изучается сейчас лишь в части теплового потока, идущего из недр сквозь земную кору. Все другие стороны проблемы остаются в области предположений.

Тепловой поток определяется как произведение геотермического градиента на коэффициент теплопроводности горных пород (Ботт, 1974; Любимова, 1978 и др.). Геотермический градиент в среднем составляет 30 °С на 1 км разреза, его экстремальные значения достигают 6–10 и 150 °С/км. Первые характерны для равнинных областей древнейших докембрийских блоков континентов, вторые — для районов энергичного современного вулканизма, безразлично, наземного или океанического.

Теплопроводность пород ориентировочно пропорциональна их плотности. Минимальная теплопроводность, равная 2×10³ мккал/ (смхсхгх°С), свойственна неуплотнённым глинам. Теплопроводность песчаников равна (3—5)х10³, известняков — (3—7)х10³, базальтов — (4—5)х10³, гранитов — (5—7)х10³, гнейсов — (5—7)х10³, габбро — (4—7)х10³, кварцитов — (7—13)х10³, дунитов (8—13)х10³ мккал/(смхсх°С).

Среднее значение теплового потока Земли оценивается равным 1.5 мккал/(см²хс). Наименьшие значения потока наблюдаются на докембрийских щитах (в среднем 0.92) и в глубоководных желобах (0.99); наибольшие — в областях новейшего горообразования (1.92), кайнозойского континентального вулканизма (2.16) и на срединноокеанических хребтах (среднее 1.82, максимальное около 8.4). Тепловой поток в пределах континентальных и океанических равнин варьирует в пределах 1.2–1.5 мккал/(см²хс).

Основным источником тепла внутри Земли является радиоактивный распад долгоживущих элементов, главным образом урана, тория и калия. В оболочках планеты эти элементы рассредоточены неравномерно. Их содержание в кислых породах (граниты) примерно в 10 раз больше, чем в основных (габбро-базальты) и в несколько сот раз больше, чем в ультраосновных породах (дуниты, перидотиты). Поэтому казалось бы, что в континентальных секторах, где развита толстая сиалическая кора, тепловой поток должен быть значительно больше, чем в океанических секторах. Однако в действительности этого нет — тепловой поток в океанах и на континентах примерно одинаков. Правдоподобное объяснение этому равенству даёт гипотеза, согласно которой перенос тепла из недр планеты к поверхности в континентальных секторах осуществляется в основном через посредство электронно-атомарно-молекулярной (кондуктивной) теплопроводности, а в океанических областях кроме того ещё при широком участии очень медленных конвекционных течений, т. е. через посредство перемещающихся снизу вверх масс теплоносителя. Роль теплоносителя может выполнять и собственное вещество мантии, и рождающиеся за счёт физико-химической дифференциации этого вещества магматические расплавы, ювенильные воды и газы. Благодаря конвективному теплопереносу верхние горизонты мантии под океанами прогреты сильнее, чем под континентами. Изотерма +1 500 °С здесь располагается на глубинах около 100 км, под континентами — на глубинах 200 км, что и компенсирует разное содержание радиоактивных элементов в коре океанов и континентов, выравнивая их тепловые потоки.