Из предыдущего мы узнали, что между ядром и земной корой существуют глубокие различия в плотности. Но этим дело не ограничивается: ядро и кора различаются также своими физическими свойствами. На первом плане стоит вопрос об их температуре: все наблюдения показывают, что последняя по мере приближения к центру возрастает.
Вулканы, выносящие из недр Земли расплавленные горные породы, и горячие ключи, бьющие во многих местах, указывают на существование большого жара в глубоких частях Земли. Оба явления, несомненно, устанавливают факт, но еще не позволяют сделать самого главного-определить степень возрастания температуры по направлению к центру. Измерения возможны в буровых скважинах, рудниках и туннелях; все такие технические сооружения, если они достаточно глубоки, имеют чрезвычайно важное значение для точных исследований по вопросу о распределении теплоты внутри Земли.
Это может быть дешевле, чем другие альтернативные источники, включая солнечную энергию. Прогнозы очень хорошие, - говорит Карл Гоуэлл, исполнительный директор Вашингтонской геотермальной энергетической ассоциации. Другие же, однако, ждут доказательств того, что их затраты стоят. «Факты звучат многообещающе, - объясняет Ник Натэл, представитель Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде, - но давайте подождем и посмотрим, что произойдет».
Мы можем определить строительство Земли прямым наблюдением на шахтах или путем бурения всего в нескольких километрах. Знание более глубоких частей тела Земли было получено при изучении вулканической активности и, особенно, по данным сейсмологии. В зависимости от скорости сейсмических волн в корпусе Земли были обнаружены различные интерфейсы, например, интерфейс земной коры, а мантия упоминается сейсмологом Мохоровичем. Этот интерфейс происходит вокруг Земли в среднем на глубинах от 15 до 60 км. Здесь распространяется скорость распространения волн.
Температура верхних слоев земной коры определяется температурой атмосферы: непосредственно на поверхности до той иж другой глубины, смотря по местности, почва летом нагревается, зимой охлаждается; но уже на небольших глубинах лежит слой, на который времена года не оказывают влияния; средняя годовая температура его не претерпевает никаких колебаний. Известнейший пример этого рода представляет погреб парижской обсерватории: термометр, поставленный здесь Ловуазье в 1783 г. на глубине 27,6 м, в течение 100 лет неизменно показывает 11,6 °С. В теплых экваториальных странах, где годовые температурные колебания совершаются в более узких границах, этот слой неизменной температуры лежит уже /на глубине 6 м, у полюсов же Земля промерзает на значительную глубину. В Европе северный ледяной покров не имеет большого распространения и только охватывает северные берега материка, но в Азии, по мере приближения к восточной ее окраине, он все более придвигается к югу и спускается около Байкальского озера до 53°, а в бассейне Амура до 50°, т.е. до той географической широты, на которой лежит Франкфурт-на-Майне. Точно так же и в восточной части Сев. Америки у Гудзонова залива ледяной покров простирается до той же широты. Что касается глубины, до которой промерзает почва, то в этом отношении да,ет указание колодец купца Шергина, вырытый в Восточной Сибири у Якутска, на берегу Лены; в нем на глубине 116V2 м определена температура-3°С[†††††].
Этот разрыв разделяет оболочку и ядро и упоминается как Олдхэм-Гутенберг-Вихерт. Есть еще несколько разрывов в теле Земли. Кора имеет различные свойства на континентах и океанах. В континентальной коре геофизические исследования выделяли три слоя. Верхний слой назывался гранитным слоем. Его нижний предел - поверхность Конрада разрыва. Нижняя граница базальтового слоя и, следовательно, всей континентальной коры образует поверхность разлома Мохоровича. Мощность континентальной коры колеблется от 25 до 80 км.
Морская кора имеет более простую структуру и существенно меньшую мощность. За сравнительно короткий период в полмиллиарда лет эрозия и тектонические процессы разрушили и уничтожили следы большинства ранних геологических событий, поэтому ранняя история Земли была стерта.
Если от того слоя, который обладает средней годовой температурой данной местности, спускаться по буровой скважине или шахте, то заметно повышение темпе-
ратуры. Первые сообщения об этом факте мы находим в «Mundus subterraneus» («Подземный мир») Кирхера из Фульды. Это замечательное сочинение появилось в 1662 г.; в нем, как было уже указано выше, мы находим поразительную смесь глубоких знаний и правильных взглядов с отсталыми возражениями против новейших научных открытий. В десятой главе Кирхер, говоря о добывании и обработке металлов, указывает на те трудности, с которыми он столкнулся при исследовании этого предмета; при содействии некоторых иезуитов, в Тироле, он обратился к инженерам венгерских копей, «первым по известности в мире», и предложил им несколько вопросов. Одиннадцатый вопрос касается «тепла и холода в рудниках»,-Кирхер спрашивает, увеличивается ли тепло с глубиной и заметен ли подземный огонь. Из Шемница пришел ответ, что при хорошей вентиляции незаметно ни нагревания, ни охлаждения, но в копях, где обмен воздуха недостаточен, всегда жарко. Особенно интересен ответ Шапельмана в Герренгрунде: он указывает, что в сухих рудниках температура всегда повышается с глубиной, наоборот,
Плащ делится на нижний, средний и верхний. Предполагается, что существование нормальных кристаллических пород существует в верхних оболочках, под сильно сжатыми смесями силикатов при высоких давлениях и температурах. Предполагается, что корпус находится в движении. Согласно этой идее, его масса движется в виде конвекционных токов с очень малой скоростью. Конвективные токи считаются одной из основных причин тектонической деформации земной коры. Корпус является жестким, поэтому здесь могут распространяться не только продольные, но и сдвиговые упругие волны.
МЕТЕОРИТ ИЗ КАКОВЫ
ТЕМПЕРАТУРА В РУДНИКАХ. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ ГРАДУС
там, где собирается вода, температура всегда ниже (ее понижает происходящее на поверхности испарение); наиболее высокую температуру он наблюдал в тех местах, где залегает марказит*. Сюда же относятся некоторые наблюдения Буркова (Boerhave) и Майрана, сделанные в конце прошлого столетия, но только в последние годы прошлого века и в начале нынешнего стали производить точные исследования в широких размерах. Они были начаты Фрейслебеном и А. Гумбольтом в Саксонии, Соссюром в Швейцарии и д" Обиссоном во Франции, и с тех пор число наблюдений в рудниках значительно увеличилось; особенно важны исследования, произведенные в Пруссии и обнародованные Дехеном, а также наблюдения Рейха в Саксонии.
Ядро - это самый большой объем земного тела. Масса внешнего сердечника, вероятно, будет протекать со скоростью км в год. Его движение является результатом эффекта Кориолиса, вызванного вращением Земли. Внутренний сердечник считается твердым, в почти плавком состоянии, состоящим в основном из железа. Предполагается, что взаимное движение внутреннего и внешнего ядер заставляет электрические токи вызывать геомагнитное поле.
Известно, что при спуске на глубокие шахты температура поднимается примерно на 30 ° С на километр. Только при такой температуре сердечник может быть жидким даже при таком высоком давлении. Источником энергии ядра является радиоактивное превращение веществ на Земле, особенно уран, торий и калий. При этих превращениях частицы α и β, которые сталкиваются с окружающими частицами, вылетают из ядер, размывают их и нагревают вещество. Высокая температура ядра вызывает его неоднородность. Как и в огромной доменной печи, тяжелые металлы, особенно железо, плавились из расплава внутри Земли и падали в центр.
Приблизительные результаты получаются путем измерения температуры воздуха в частях рудника, наиболее удаленных от входа, или температуры воды, которая местами там собирается; но более или менее точные цифры может дать измерение температуры горных пород, да и то при целом ряде предосторожностей: исследования должны вестись на той части породы, которая только что обнажена и не подвергалась еще действию воздуха. Насколько различны могут быть результаты, получаемые в разное время, показывают каменноугольные рудники Бёкналя в Англии: температура угля в момент его обнажения была 22°, а десять месяцев спустя 15 °С. Термометр необходимо вкладывать как можно глубже в буровую скважину, которая должна быть просверлена перпендикулярно к поверхности горной породы; так тсак при бурении развивается теплота, то надо переждать, пока проделанное отверстие не охладится вновь, и затем тщательно оберегать термометр от влияния воздуха. Таким образом можно наблюдать если и не совсем точные температуры, то, во всяком случае, близкие к истинным.
Это объясняет, почему ядро имеет иной химический состав, чем плащ, и почему его плотность намного выше плотности земной коры. Тепловые насосы - это полезное устройство, которое удаляет тепло там, где оно нам не нужно, и отправляет туда, где оно отсутствует, или там, где это возможно. И поскольку такие выдержки были действительно освещены, возникла обширная промышленная сфера, пронизывающая океаны в девяностые годы. Сумма тепловых событий в атмосфере и в горной породе - это геотермальные отношения грунта.
Прямо над поверхностью, основным источником тепла является солнечный свет. Он мгновенно нагревает всего несколько дециметров земли, из которой нагревается нижний слой атмосферы. Потому что Земля дает свою жару воздуху даже в часы ночи, результатом ее воздействия является падение температуры земной поверхности, а следовательно, и в соседних слоях воздуха. Этот эффект вызывает опасные радиационные замерзания, при которых температура воздуха в земле падает ниже нуля в ясные ночи, в вегетационный период, хотя только на 2 м над землей находится выше нуля.
Числа, полученные указанным способом, обнаруживают много колебаний, но если пренебречь теми неправильностями, которые происходят вследствие притока воздуха и воды, то факт возрастания температуры с глубиной становится несомненным; для получения величин, удобных для сравнения, в каждом отдельном случае вычисляют, насколько нужно спуститься, чтобы температура повысилась на 1°С; это расстояние называют геометрическим градусом (yfj-земля Оврца^-тепло). В прусских рудниках наибольшее из таких расстояний 115,3 м, наименьшее 15,5 м, в среднем-54,3 м; в Саксонии геотермический градус в среднем = 41,8 м; цифры, полученные в Шемнице, в 1877 г., колеблются в разных шахтах между 30,3 и 51,1 и дают в среднем 41,4 м. Поразительно мал геотермический градус в каменноугольных рудниках у Монте-Масси в Тоскане; там температура повышается на Г на каждые 13,7 м.; в буровой скважине у Нейффена (Neuffen) в Вюртемберге, простирающейся на 339,5 м, граф Манделъсло нашел геотермический градус =11 м. В золотых рудниках, заложенных в Компстокской жиле в Неваде, на глубине 610 м, температура воздуха = 40°, в шахте Адальберта у Прибрама в Чехии на глубине 899 м температура горных пород = 21,8° и температура воздуха =17°. В одном и том же руднике иногда повышение температуры оказывается весьма неправильным. Так, например, копи в Роз-
бридже в Англии в своих верхних частях обладают геотермическим градусом 47,2 м, далее он падает на 18,1 м и снова возрастает до 29,6 м. Другие также каменноугольные копи Дёкфильд, лежащие вблизи названных выше, обнаруживают постепенное возрастание температуры на Г через каждые 45,8 м. В последнее время Либерт нашел, что в руднике св. Генриеты, в округе Монса, геотермический градус на глубинах менее 675 м колеблется между 36 и 38 м, а на глубинах 675-1150 м он = 22,6 м, в среднем получается 29,67 м; с этим числом вполне совпадает величина геотермического градуса, определенная Корнетом в каменноугольных копях Монса в Бельгии (29,65 м), а также числа, найденные Прествичем для английских и бельгийских копей (в среднем 27,18 м). Вообще замечено, что в каменноугольных копях температура повышается с глубиной быстрее, чем в рудниках; это объясняется, по- видимому, химическими процессами, происходящими в угле. Из рудных жил наиболее высокой температурой обладают те, которые состоят из легко окисляющихся сернистых металлов.
Эта небольшая консистенция, вероятно, связана с различными гидрогеологическими и высотными отношениями, изученными изученными территориями. Подземная вода застаивается, поэтому теплота тепла теряется. Причиной этого повышения температуры с глубиной является тепловой поток. Основными тепловыми свойствами горных пород являются теплопроводность - способность обмениваться тепловой энергией между соседними частицами породы и теплоемкостью - способность поглощать и испускать тепловую энергию. Их причиной является температуропроводность, которая характеризует скорость изменения температуры в породе при ее нагревании или охлаждении.
Совершенно особенным представляется распределение теплоты в знаменитых медных рудниках на Верхнем озере в Северной Америке. Громадные скопления воды, обладающие в своих глубоких частях температурой в 4°С, действуют охлаждающим образом; подобно холодному компрессу, они поглощают теплоту и понижают температуру рудников: чем ближе к озеру расположены последние, тем медленнее происходит в них повышение температуры. Обычно геотермический градус для Г Ф в среднем = 16?5 м, в руднике же Осцеола, расположенном в 8 км от озера, он поднимается до 23,3 м, а в рудниках, лежащих еще ближе,-до 30,5 м и даже до 37,2 м. По мнению Уилера (Wheeler), охлаждающее действие воды уже незаметно на расстоянии 12-13 километров.
Тепловые свойства породы зависят от объема, в котором она оценивается. Каждая порода содержит, помимо компактного вещества, полости, поэтому его общий объем представляет собой объем массы горных пород и объема пор. Часть их объема заполнена водой, а остальные занимают воздух. Теплоемкость расчетного объема породы равна сумме теплоемкости содержимого горной породы, воды и воздуха, содержащихся в ней. С другой стороны, тепловая и теплопроводность породы также связаны с их привлекательной пространственной компоновкой и поэтому различны во всех направлениях.
Богатый материал для наблюдений представляют артезианские колодцы: они дают возможность определить температуру, которой обладает вода на известной глубине. Сравнительно с рудниками колодцы характеризуются более правильным и более быстрым повышением температуры с глубиной. Наиболее важные результаты наблюдений этого рода приведены в следующей таблице:
Естественные тепловые свойства горных пород связаны с тектоническими разрушениями и гидрогеологическими условиями участка, поскольку они сильно модифицированы водой и степенью насыщения водой. Откуда берется энергия? Естественные значения теплового потока земли, найденные в отдаленных отдельных глубоких скважинах, скомпилированы с контурными картами, из которых мы можем оценить вероятную величину для некоторого местоположения. У нас средний тепловой поток составляет около 650 Вт на гектар площади.
Это связано с тем, что статическая тепловая нагрузка сохраняется во время теплоемкости породы и в грунтовых водах. Вода имеет низкую теплопроводность, но очень высокую объемную теплоемкость, намного больше, чем другие компоненты горных пород. В сухих условиях тепло переносится только в точки соприкосновения отдельных зерен, и поэтому его теплопроводность низкая. Увеличение влажности начинает формировать водные пленки на зернах, а теплопроводность листа резко возрастает, пока зерна не будут полностью свободны от воды.
| МЕСТО БУРЕНИЯ | Достигнутая глубина в метрах | Температура воды | Геотермический градус |
| Гренелль близ Парижа | |||
| С. Андре близ Парижа | |||
| Рюдерсдорф у Берлина | |||
| Нейзальцверк (Вестфалия) | |||
| Питцпуль у Магдебурга. , Для дальнейшего повышения влажности теплопроводность только медленно возрастает, изменяя содержание воздуха в поре. Это вызывает обеспокоенность в отношении срока службы этих отопительных систем и их воздействия на окружающую среду. Согласно графикам, температура горной породы упала примерно на 5 ° С в течение первого отопительного сезона, и этого было недостаточно, чтобы подняться на прежний уровень до зимы. Камень вокруг ствола скважины охлаждался очень быстро, но пересечение температуры менялось год за годом. Пятилетние данные были использованы для математической модели следующих лет бурения и восстановления температуры земли после отключения. Но мы должны зарезервировать его, потому что он не мог выйти из вида больше наблюдений и был экстраполирован далеко вперед. Поэтому он не учитывал термические сопротивления на стволе скважины, ни геологические всплески, ни непроницаемые границы. | |||
| Ла-Рошелль | |||
| Артерн в Тюрингии | |||
| Бутль у Ливерпуля | |||
| Скарль, Линкольн | |||
| Кентиш Тоун | |||
| Зуденбург у Магдебурга | |||
| Зенневиц у Галле | |||
| Лит у Альтоны После 15 лет сезонной работы можно снизить температуру горной породы над естественным состоянием до начала другого сезона. Рекомендуемое минимальное расстояние между скважинами является недостаточным, поскольку их влияние на температуру породы является обычным явлением. Из-за хорошей теплопередачи между коллектором и породой необходимо ослабить бентонит. Понижающая труба не распространяется на стороны ствола скважины, что приводит к потерям в теплопередаче из породы, а поскольку стояк не подвергается тепловой изоляции, нагретая жидкость охлаждает его среду, а неопределенные температурные отношения создаются в стволе скважины. При такой мощности и влиянии на окружающую местность активная часть бурения будет уменьшаться наполовину, если нагревающая среда будет медленно опускаться на дно скважины, нагревая ее стенки, а затем быстро увеличивая теплоизолированную трубку. Это область, которая предварительно разработана для развития и успешного маркетинга.
| |||
| Зульц, на берегу Некара |
ГЛУБИНА БУРОВЫХ СКВАЖИН И ИХ ТЕМПЕРАТУРА
Для исследования температуры в глубоких частях земной коры особенно важны те крупные технические сооружения последнего времени, где распределение теплоты изучалось с большой точностью. Наблюдения, особенно обогатившие науку, были произведены в глубоких буровых скважинах и длинных туннелях. У Шперенберга, в 42 км к югу от Берлина, на берегу небольшого Крумменского озера стоит среди равнины высокий гипсовый холм в 26,7 м. В равнинах Северной Германии гипс часто сопровождается каменной солью. Ввиду этого решено было произвести у Шперенберга бурение, и в 1867 г. начались работы на месте забытых гипсовых ломок; буровая скважина прошла сначала через слой щебня мощностью 0,63 м, а потом гипса и ангидрита мощностью 88,18 м; далее залегала чистая каменная соль; прорезав этот пласт на протяжении 1182,64 м в глубину, буровая скважина не прошла всей его толщи и не достигла породы, подстилающей соль. Существование огромных соляных богатств могло быть доказано и при менее глубоком бурении, но ввиду научного значения предприятия представлялось особенно желательным достичь значительной глубины. В сентябре 1871 г. работы были прерваны на глубине 1272 м. Скоро новые бурения оставиш далеко позади себя Шперенбергскую буровую скважину: в Лите у Альтоны удалось достичь глубины 1338 м с температурой в 35,07°, а в Шладебахе у Дюрренберга-1748,40 м[‡‡‡‡‡]. Последняя прошла через пестрый песчаник, цехштейн, мертвый красный лежень, каменноугольные образования и достигла верхних ярусов девонской системы.
Кутлек, М.: Педология управления водными ресурсами. Европейская геотермальная конференция Базель. Геотермальная энергия - это внутреннее тепло Земли, накопленное в скалах и в водах, заполняющих поры и промежутки. Геотермальная энергия использовалась в течение тысяч лет, задолго до ископаемого топлива, о чем свидетельствуют старые легенды, подтвержденные более поздними археологическими открытиями.
Чем дальше в землю, тем жарче. Из земной коры с каждым километром температура поднимается примерно на 30 градусов Цельсия. В глубинах Земли находится магма, горячая расплавленная масса силикатов и алюмосиликатов. И так как тепло всегда перемещается из более теплых областей в более прохладную, жидкую магму, легче и горячее, чем окружающие ее камни, иногда выходят на поверхность земли в виде вулканической лавы. Гораздо чаще, чем лава, но из глубин земли нагревается магматическая вода, встречающаяся в виде горячих источников и гейзеров.
На различных глубинах Шперенбергской и Шладебахской буровых скважин Дункер производил измерения, характеризующиеся большой тщательностью. Ошибки были по возможности предусмотрены и исключены: при помощи каучука, а в Шладебахе посредством глины, изолировался сверху и снизу определенный столб воды, температура которого и измерялась: таким образом, термометр был защищен от влияния токов, идущих из верхних и нижних частей буровой скважины. Описанные предосторожности, огромная глубина буровых скважин и отсутствие ключей делают наблюдения Дункера чрезвычайно ценными; наряду с ними можно поставить только те измерения, которые были произведены в С.-Готардском туннеле.
Гейзеры встречаются только в нескольких регионах мира. Обнаружен в Исландии, и это исландское название их происхождения. Их почти 400, половина всех гейзеров в мире. Это Центральная Азия, Восточная и Западная Африка, части Аравийского полуострова, острова Центральной и Западной части Тихого океана и Европа - Альпы.
Однако, возможно, самым известным из его геотермальных месторождений, местом мира является Кольцо Огня, охватывающее прибрежные зоны и западные острова Тихого океана. Как уже упоминалось, человек использовал энергию внутренней части земли с начала времени. Для приготовления пищи, стирки и даже для отопления она служила водонагревателям маори - коренному населению Новой Зеландии. Древние греки использовали горячие источники в Памуккале, в то время как древние римляне, Абано-Терме, Баден близ Вены и Помпеи.
На различных глубинах получены следующие цифры:
Шперенберг: глубина в метрах 26,7 223,0 286,7 350,4 414,1 477,8 605,2 669 1080 1268
температура 9° 21,6° 23,5° 26,4° 26,9° 30,9° 33,1° 35,9° 46,5° 48,1° геотермический градус для 1 °С = 33,7 м
Шладебах: глубина в метрах 36 216 336 456 606 816 966 1206 1476 1716
температура 11° 16,2° 19° 22,1° 26,3° 31,5° 36,6° 43° 51,9 56,6 геометрический градус для 1 °С = 35,7 м.
В Шладебахе были получены очень точные результаты для глубины 1266- 1716 м: измерения производились тотчас после бурения и перед обсадкой буровой скважины; отдельно взятые, они дали геотермический градус 39,55 для 1 °С.
Еще глубже в недра Земли проникают огромнейшие туннели, построенные и проектируемые в Альпах: окончены в настоящее время Монсенисский, С.-Готард- ский и Арльбергский, в проекте-Симплонский. Постройкой Монсенисского туннеля ученые не вполне воспользовались; только с итальянской стороны Джордано де-
лал наблюдения над температурой; французы не предприняли никаких исследований, и чрезвычайно важный материал погиб для науки безвозвратно. Гораздо счастливее велись работы в С.-Готарде: решено было произвести все геологические наблюдения, какие только было возможно; задача эта была возложена на инженера Штапфа, который оказался вполне на высоте своего призвания и с честью выполнил свое трудное поручение. Он не только сделал геологические профили туннеля и собрал коллекции горных пород, но также произвел точные измерения температуры.
С северной стороны С.-Готардский туннель оканчивается в долине Рейсса, при Гёшенене, на высоте 1109 м, а с южной-у Айроло, в долине р. Тиччино (Тес- сина), на высоте 1145 м над уровнем моря; длина туннеля достигает 14920 м. Само собой разумеется, что для температуры горных пород имеет значение не расстояние их от отверстия туннеля, а мощность лежащих над ними горных масс. Таким образом, температура отдельных частей туннеля зависит от рельефа прорезаемой им местности, и при определении геотермического градуса данной точки необходимо иметь в виду ее расстояние от поверхности.
Результаты наблюдений Штапфа представлены на чертеже (рис. 138); посредством различных линий отмечены: 1) температуры горных пород внутри туннеля на всем его протяжении, 2) средняя годовая температура воздуха, господствующая на поверхности в районе туннеля и 3) температура почвы на том же протяжении. Чтобы показать влияние горных масс на распределение тепла в туннеле, на той же сетке, где откладывается температура, представлен профиль местности; он зачерчен косыми линиями. Наибольшие из наблюдавшихся температур лежат немного выше 30° и не превышают 30,8°. Рисунок показывает, что в общем прирост температуры соответствует высоте располагающихся над туннелем горных масс. Однако полного соответствия не наблюдается: как и нужно было ожидать, колебания температуры менее значительны, чем неровности поверхности, т. е. возрастание температуры под горными вершинами и падение под долинами относительно мало и не пропорционально изменениям рельефа. Существенное отклонение представляла сравнительно высокая температура под Андерматтом; это явление объясняется, вероятно, присутствием гипса, в котором может развиваться теплота вследствие химических процессов. Геотермический градус достигает здесь 50,3 м.
В Арльбергском туннеле измерения были далеко не так полны, как в С.-Готардском. Наивысшая температура достигала 18,5° на расстоянии 5100 м от восточного конца и 715 м от поверхности земли, между тем в С.-Готардском туннеле высшая температура 30,8° на глубине 1752 м.
Из всех наблюдений, до сих пор произведенных, нужно по возможности определить среднюю величину повышения температуры с глубиной. Задача эта представляет много трудностей, так как цифры, полученные в разных местах, сильно уклоняются друг от друга. С другой стороны, два различных метода исследования,- определение температуры воды в глубоких буровых скважинах и температуры горных пород в рудниках и туннелях,-приводят к разным результатам. Причины, обусловливающие различия чисел, весьма разнообразны: каменноугольные копи вследствие происходящих в них химических процессов окисления обладают относительно высокой температурой; то же самое можно сказать
и о тех рудниках, которые содержат легко разрушающиеся сернистые металлы (колчеданы). Кроме того, металлы, как хорошие проводники теплоты, могут переносить ее из более глубоких частей земной коры. Ключи, бьющие со значительной глубины, приносят с собой тепло, вода же, проникающая с поверхности, способствует охлаждению. По мнению Гюйссена, на температуру влияет теплопроводность не только тех пород, которые расположены снизу, но также и тех, которые лежат наверху.
Степень повышения температуры с глубиной зависит также от свойств поверхности. В высоких горах, обладающих относительно небольшой массой, охлаждение происходит быстро, а потому геотермический градус здесь велик. Иное наблюдается на дне разных водовместилищ: в общем температура на дне глубоких озер достигает только 4°, а в море она спускается еще ниже, поэтому возрастание температуры под такими водоемами должно быть очень быстрым.
Ввиду указанных условий решение вопроса представляет ряд непреодолимых затруднений. Так как наблюдения в буровых скважинах дают более постоянные цифры, чем наблюдения в рудниках и копях, то ими главным образом и пользуются для дальнейших выводов; вычисленная отсюда средняя величина геотермического градуса = 33 м; принимают, что это число и соответствует вообще повышению температуры Земли с глубиной. Однако цифры, получаемые путем не- 5 а
посредственного измерения температуры горных пород, говорят в пользу более медленного возрастания земной теплоты и заставляют относиться с осторожностью к последнему выводу; несомненно, что средний геотермический градус в 33 м надо рассматривать как приблизительное число, которое в будущем может существенно измениться. Мы должны сознаться, что в настоящую минуту наука еще далека от какого бы то ни было положительного решения вопроса.
Недостаток знаний о температуре земной коры и невозможность попожить их в бжжайшем будущем являются далеко не утешительным фактом: рассматриваемый вопрос по своей важности один из первостепенных не только в теоретическом, но и в практическом отношении. С целью добывания угля и металлов шахты с каждым годом углубляются, и все большие и большие участки горных стран прорезываются туннелями,-появляется вопрос: где лежит та граница, за которой человеческий труд не возможен вследствие высокой температуры? Богатейшие в мире запасы золота и серебра представляет Компстокская жила в штате Невада, на границе Кажфорнии. В период времени с 1860 до 1876 г. там добыто серебра на 237 миллионов долларов. Но, несмотря на баснословное богатство рудника, опасаются, что дальнейшая разработка его скоро окажется невозможной: страшный жар в некоторых местах делает труд рудокопов чрезвычайно тяжелым. Рабочие находятся в температуре от 42,2 до 46,7°; есж ее и выносит здесь человек, то только потому, что воздух рудника очень сух, и местами попадаются более холодные участки; в самых жарких частях рудника рабочий не может продолжать свой труд более 10 минут. Делались попытки добывать руду и там, где температура достигает 50°, но слишком скоро это оказалось неисполнимым: умственные расстройства и быстрая смерть быж последствием такого смелого шага. Впрочем, и теперь смертность среди рудокопов необычайно велика: сребролюбие обрекает много жертв на погибель в этих душных ямах[§§§§§].
Впрочем, в рудниках Компстокской жилы причиной высокой температуры является не столько глубина, сколько местные неблагоприятные условия, как, напр., существование горячих источников: в таких же глубоких прибрамских шахтах господствует сравнительно умеренная температура. С повышением температуры с глубиной приходится считаться также при других горных работах. В 1863 году Сэр Вилльям Армстронг в собрании английских естествоиспытателей заметил, что при том колоссальном развитии каменноугольной промышленности, которого она достигла в Ангжи, в недалеком будущем предвидится истощение копей. Опасения, высказанные Армстронгом, заставили учредить особый королевский комитет для расследования вопроса. Оказалось, что опасность еще не так велика, но все пришли к убеждению, что будущность английской каменноугольной промышленности существенно зависит от температуры копей: разработка может продолжаться только до той глубины, где труд человеческий вследствие жара становится прямо невозможным. В самом деле во
многих английских каменноугольных копях царит очень высокая температура; так, напр., в Розбриджской шахте, которая в 1875 году была глубже всех других английских шахт и достигала 745 метров, температура достигает 34,5 °С.
Чрезвычайно важен вопрос о возможной температуре проектируемого Симплон- ского туннеля, при посредстве которого железная дорога соединит кантон Валлис с озером Лаго-Маджьоре. Альпийские железные дороги, не считая линии через Зем- меринг, прорезывающей относительно низкие части гор, поднимаются на значительные высоты; таковы, напр., дороги через Бреннер, Сен-Готард и Монсенис; только этим путем можно было избежать постройки длинных туннелей и обойти большие водоразделы (Бреннерская железная дорога). Высшая точка Бреннерской железной дороги подымается на 1367 м, южный конец Сен-Готардского туннеля-на 1145 м и южный конец Монсенисского туннеля-на 1291 м над уровнем моря. Такой выбор направления дороги упрощает ее сооружение, но имеет много неприятных последствий для ее эксплуатации: поезда должны подниматься на значительную высоту, а это повышает стоимость перевозки. Кроме того, сильные ветры, господствующие на больших высотах, и обилие выпадающего там снега затрудняют движение поездов, а иногда даже требуют временной остановки его. Отсюда все пришли к убеждению, что та польза, которая могла бы явиться при устранении неудобств альпийских железнодорожных линий, с избытком покроет расходы по прорытию более глубоких туннелей. Поэтому при постройке Симплонской дороги хотели проложить длинный туннель на гораздо меньшей высоте: думали, что новая линия будет представлять такие благоприятные условия для эксплуатации, что убьет скоро всех своих конкурентов и что все торговые сношения Англии, Франции, Бельгии и Западной Швейцарии с Италией станут совершаться только при ее посредстве. Было предложено несколько проектов; в важнейших из них мы находим следующие цифры:
Длина туннеля а) 19,075 м б) 18,504 м с) 16,150 м
Высота южного конца над уровнем моря 687,5 » 687,5 » 790 »
Высота северного конца 680 » 711 » 771 »
Эти туннели должны пройти через большие, высокие горы. По проекту а) туннель проходит под Вазенгорном, высота которого 3270 м, и под Монте Леоне, высота которого 3565 м; таким образом, над этим туннелем расположатся горные массы в среднем в 2220 м толщиной. По проекту б) высота гор, лежащих над туннелем, доходит до 2247 м.[******] На основании этих данных инженер Штапф, производивший свои замечательные геологические наблюдения при постройке С.-Готард- ского туннеля, вычислил возможные температуры Симплонского туннеля и даже теплоту горных пород для средней его части; им найдены цифры для проекта а) 46,9 °С., для б) 47,5 °С.; воздух во время бурения будет обладать температурой в 45,8°, во время убирания щебня 48,4°; что касается температуры воды, то она достигает 53,3°, не говоря уже о возможности горячих ключей.
Является вопрос, возможны ли при таких условиях работы. Температура крови человека не превышает 37°; 40° уже признак сильной лихорадки, а когда температура достигает 42°, напр. при тифе, то наступает смерть; чтобы труд человека был возможен, температура его крови не должна доходить до этого предела.
Вообще, можно допустить, что в сухом воздухе работа возможна в температуре до 50°, так как вследствие испарения пота происходит еще некоторое охлаждение поверхности кожи; во влажном же воздухе предел наступает уже при 40°. Все это заставляет считать проекты а) и б) невыполнимыми. Что же касается проекта с), к которому не приложено точных цифр, то вероятность его осуществления, кажется, еще меньше. Сторонники глубоких Симплонских туннелей энергично оспаривали сделанные им возражения, но сомневаться можно было только в одном: вычисления Штапфа были произведены на основании исследований в Сен-Готардском туннеле; если предположить, что условия тут и там одинаковы, то полученные цифры будут более чем вероятны; но возможно ли такое предположение? Имеем ж мы право переносить на Симплонский туннель результаты, полученные в С.-Готардском? Мы знаем, что очень часто местности, расположенные бжзко друг к другу и во многих отношениях сходные между собой, обнаруживают различное возрастание температуры с глубиною. Поэтому допущение одинакового геотермического градуса в обоих случаях не может быть точным. Но будет ж Симплонский туннель отличаться в этом отношении от С.-Готардского, будет ли в первом температура возрастать скорее иж медленнее, чем во втором, мы не знаем, и потому прорытие глубокого туннеля принадлежит во всяком случае к числу сомнительных предприятий. Вопрос о том, насколько возможно искусственными мерами устранить трудности работ, не касается геологии, и мы не можем говорить о нем подробнее[††††††]. С научной точки зрения прорытие глубокого туннеля представляет большой интерес, и в скором времени вопрос может получить практическое разрешение, есж только ожидаемые трудности не заставят отказаться от предприятия[‡‡‡‡‡‡].
Точное знакомство с внутренней теплотой Земж имеет огромную практическую важность, но теоретическое значение вопроса еще больше; в тесной связи с ним стоит целый ряд других интереснейших вопросов, к рассмотрению которых мы теперь и перейдем. Прежде всего, необходимо выяснить, в силу каких причин температура повышается с глубиной. По этому предмету высказывалось много разных соображений: для объяснения указывали на химические процессы и на превращение механической работы в теплоту, предполагали, что вся солнечная система проходила через более теплые части мирового пространства, и, наконец, видели причину явления в первоначальном жаре, которым, по теории Канта-Лапласа, Земля обладала при своем отделении от Солнца.
Земля расположена достаточно близко к Солнцу, чтобы получаемой энергии хватало на поддержание тепла и существования воды в жидком виде. В основном благодаря этому наша планета пригодна для жизни.
Как мы помним из уроков географии, Земля состоит из различных слоев. Чем дальше к центру планеты, тем обстановка все больше накаляется. К счастью для нас, на коре, самом верхнем геологическом слое, температура относительно стабильная и комфортная. Однако ее значения могут сильно меняться в зависимости от места и времени.
Johan Swanepoel | shutterstock.com
Структура Земли
Как и другие планеты земной группы, наша планета состоит из силикатных пород и металлов, которые дифференцируются между твердым металлическим ядром, расплавленным внешним ядром, силикатной мантией и корой. Внутреннее ядро имеет примерный радиус 1220 км, а внешнее около 3400 км.
Затем следуют мантия и земная кора. Толщина мантии составляет 2890 км. Это самый толстый слой Земли. Она состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием. Высокие температуры внутри мантии делают твердый силикатный материал достаточно пластичным.
Верхний слой мантии разделен на литосферу и астеносферу. Первая состоит из коры и холодной жесткой верхней части мантии, в то время как астеносфера обладает некоторой пластичностью, из-за чего покрывающая ее литосфера неустойчива и подвижна.
Земная кора
Кора является внешней оболочкой Земли и составляет лишь 1 % от ее общей массы. Толщина коры меняется в зависимости от места. На континентах она может достигать 30 км, а под океанами всего 5 км.
Оболочка состоит из множества магматических, метаморфических и осадочных пород и представлена системой тектонических плит. Эти плиты плавают над мантией Земли, и, предположительно, конвекция в мантии приводит к тому, что они находятся в постоянном движении.
Иногда тектонические плиты сталкиваются, расходятся или скользят друг о друга. Все три типа тектонической активности лежат в основе формирования земной коры и приводят к периодическому обновлению ее поверхности в течение миллионов лет.
Диапазон температуры
На внешнем слое коры, где она соприкасается с атмосферой, ее температура совпадает с температурой воздуха. Таким образом, она может нагреваться до 35 °C в пустыне и быть ниже нуля в Антарктиде. В среднем температура поверхности коры составляет около 14 °C.
Как видно, диапазон значений довольно широк. Но стоит учесть тот факт, что большая часть земной коры лежит под океанами. Вдали от солнца, где она встречается с водой, температура может составлять лишь 0...+3 °C.
Если же начать копать яму в континентальной коре, то температура будет заметно возрастать. Например, внизу самой глубокой в мире шахты «Тау-Тона» (3,9 км) в Южной Африке она достигает 55 °C. Шахтерам, работающим там весь день, не обойтись без кондиционера.
Таким образом, средняя температура поверхности может варьироваться от изнуряющей знойной до люто морозной в зависимости от местоположения (на суше или под водой), времен года и времени суток.
И все же земная кора остается единственным местом в Солнечной системе, где температура достаточно стабильна, чтобы жизнь на ней продолжала процветать. Добавьте к этому нашу жизнеспособную атмосферу и защитную магнитосферу, и вы поймете, что нам действительно крупно повезло!
