Cтраница 1

Мощность земной коры здесь не превышает 5 — 7 км, в ее составе отсутствует гранитный слой, а мощность осадочного слоя незначительна, что резко снижает перспективы нефтегазоносное этих территорий.  

Мощность земной коры в целом уменьшается, если геотерма смещается ближе к оси температур, что обеспечивается высокой теплопроводностью, связанной с циркуляцией масс воды от свободной поверхности вплоть до нижней коры, как, например, в случае Паннонского бассейна.

Мощность земной коры в разных частях земного шара не остается постоянной. Наибольшей мощности кора достигает на континентах, и особенно под горными сооружениями (здесь толщина гранитной оболочки достигает 30 — 40 км); предполагается, чтб под океанами мощность земной коры, лишенной гранитной оболочки, не превышает 6 — 8 км.  

Мощность земной коры здесь не превышает 5 — 7 км, в ее составе отсутствует гранитный слой, а мощность осадочного слоя незначительна, что резко снижает перспективы нефтегазоносное этих территорий.

Мощность земной коры в целом уменьшается, если геотерма смещается ближе к оси температур, что обеспечивается высокой теплопроводностью, связанной с циркуляцией масс воды от свободной поверхности вплоть до нижней коры, как, например, в случае Паннонского бассейна.  

В настоящее время мощность земной коры в среднем принимается равной / о диаметра Земли.

Особенностью континентальной коры является наличие корней гор — резкого увеличения мощности земной коры под крупными горными системами.

Под Гималаями, на-мощность коры, по-ви-достигает 70 — 80 км.  

Примерно такими же были условия и в последующий, катархейский, период развития Земли, продолжавшийся, вероятно, 0 5 млрд.

лет (4 0 — 3 5 млрд. лет назад), когда постепенно увеличивалась мощность земной коры и, вероятно, происходила ее дифференциация на более мощные и стабильные и менее мощные и подвижные участки.  

Страна горы и низменности Дальнего Востока имеет условную границу: на западе и севере она совпадает с долинами рек Олек-ма, Алдан, Юдома и Охота, на востоке включает шельф Охотского и Японского морей, на юге проходит по государственной границе.

Мощность земной коры достигает 30 — 45 км и зеркально отражает основные крупные орографические единицы.  

Южное крыло Большого Кавказа (на севере и северо-востоке региона) представляет собой веерообразную складчатую асимметричную структуру, сложенную преимущественно юрскими и меловыми отложениями, и характеризуется значительной сейсмичностью. Мощность земной коры составляет 45 — 80 км.

Здесь расположены оба выделенных нами аномальных района. По данным магнитотеллурического зондирования [ Шолпо, 1978 ], слой повышенной проводимости расположен под Большим Кавказом в узкой полосе вдоль главного хребта и южного склона, но на востоке она расширяется и захватывает районы Дагестана, где развиты известняковые отложения. Этот слой имеет толщину порядка 5 — 10 км и расположен на глубине 20 — 25 км под осевой зоной мегантиклинория.

По простиранию происходит постепенное погружение этого слоя до 60 — 75 км на периклиналях. Малый Кавказ (на юго-западе региона) с морфологически отчетливо выраженными вулканическими аппаратами делится на три крупных мегаблока.

Западное крыло Малого Кавказа характеризуется развитием мезозойских вулканогенно-оса-дочных формаций и интрузий. Оно отличается пологой складчатостью.  

Для выделяемых массивов характерен континентальный тип разрезов земной коры, в системах рифтов ее мощность значительно уменьшена.

Другие расчеты [ Коган, 1975 ] оценивают мощность земной коры до 25 — 20 км в центральных частях Тунгусской и Вилюйской впадин, до 25 — 30 км в Саяно-Енисейской впадине и до 30 — 35 км — в меридиональной системе рифтов, разделяющих Анабарский и Оленек-ский массивы.  

Южно-Каспийская депрессия имеет разрез земной коры океанического типа. Гранитный слой отсутствует в пределах глубоководных частей Южного Каспия, а мощность земной коры не превышает 50 км.

В пределах СГД выявлены следующие крупные геоструктурные элементы: на море — это Апшероно-Прибалханская зона поднятий. Бакинский архипелаг, Туркменская структурная терраса и глубоководная зона Южного Каспия, а на суше — Куринская впадина, которая зоной Талыш-Вандам — ского максимума делится на Нижнекуринскую и Среднекуринскую депрессии. Апшероно-Прибалханская зона поднятий пересекает Южный Каспий в субширотном направлении.

Возникновение в результате проявления эндогенных факторов крупных горных сооружений стимулирует деятельность поверхностных, экзогенных, агентов, направленную на разрушение гор. Вместе с тем, сглаживание, выравнивание рельефа действием экзогенных факторов приводит к сокращению мощности земной коры, уменьшению ее нагрузки на более глубокие оболочки Земли и часто сопровождается всплытием, возды-манием коры.

Так, таяние мощного ледника и разрушение гор на севере Европы, по мнению ученых, является причиной ного воздымания Скандинавии.  

Мощность земной коры в разных частях земного шара не остается постоянной. Наибольшей мощности кора достигает на континентах, и особенно под горными сооружениями (здесь толщина гранитной оболочки достигает 30 — 40 км); предполагается, чтб под океанами мощность земной коры, лишенной гранитной оболочки, не превышает 6 — 8 км.

Страницы:      1    2

Строение и состав земной коры. На материках на глубине более 35-70км скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6,5-7 до 8км/с

На материках на глубине более 35-70км скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6,5-7 до 8км/с. Причины роста скорости волн полностью не выяснены. Полагают, что на этой глубине происходит изменение как элементарного, так и минерального состава вещества.

Глубина, на которой происходит скачкообразное изменение скорости сейсмических волн, получила название границы Мохоровичича (по имени открывшего её сербского учёного). Иногда сокращенно её именуют «границей Мохо» или М. Принято считать, что граница Мохо является нижней границей земной коры (и верхней границей мантии). Наибольшую мощность земная кора имеет под горными хребтами (до 70км), наименьшую – на дне океанов (5-15км).

В пределах земной коры скорость распространения сейсмических волн также неодинакова.

Выделена граница Конрада , отделяющая верхнюю часть земной коры, по составу близкую гранитоидам (гранитный слой), от нижнего более тяжелого базальтового слоя.

Гранитный и базальтовый слои геофизиков нетождественны по составу гранитам и базальтам. Они только похожи на эти породы по скорости распространения сейсмических волн. Некоторые учёные считают, что земная кора имеет более сложное строение. Так, в земной коре Казахстана выделяют четыре основных слоя:

1. Седиментный, или вулканогенно-осадочный, мощностью от 0 до 12км (в Прикаспии).

Гранитный слой мощностью 8-18км.

3. Диоритовый слой мощностью 5-20км (выделяется не повсеместно).

4. Базальтовый слой мощностью 10-15км и более.

Граница Мохо залегает в Казахстане на глубине 36-60км.

В Южном Забайкалье также выделяются гранито-осадочный, диорито-метаморфический и базальтовый слои.

Распространенность химических элементов в земной коре. В 80-е годы 19-го века проблемой определения среднего состава земной коры стал систематически заниматься Ф.У.Кларк (1847-1931) – руководитель химической лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне.

Он в 1889г определил среднее содержание 10 химических элементов.

Он считал, что образцы горных пород дают представление о верхней оболочке Земли толщиной в 10 миль (16км). В земную кору Кларк включал также всю гидросферу (Мировой океан) и атмосферу. Однако масса гидросферы составляет лишь несколько процентов, а атмосферы – сотые доли процента от массы твёрдой земной коры, поэтому цифры Кларка в основном отражали состав последней.

Были получены следующие числа:

Кислород – 46,28

Кремний – 28,02

Алюминий – 8,14

Железо – 5,58

Кальций – 3,27

Магний – 2,77

Калий – 2,47

Натрий – 2,43

Титан – 0,33

Фосфор – 0,10…

Продолжая исследования, Кларк неуклонно увеличивал точность определений, число анализов, количество элементов. Если его первая сводка 1889г содержала лишь 10 элементов, то в последней, опубликованной в 1924г (совместно с Г.Вашингтоном), были уже данные о 50 элементах. Отдавая должное трудам Кларка, свыше 40 лет посвятившего определению среднего состава земной коры, А.Е.Ферсман в 1923г предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо её части, Земле в целом, а также в планетах и других космических объектах.

Современные методы – радиометрия, нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный и другие анализы позволяют с большой точностью и чувствительностью определять содержание химических элементов в горных породах и минералах.

По сравнению с началом XXв количество данных возросло во много раз.

Кларки самых распространенных изверженных кислых пород, слагающих гранитный слой земной коры, установлены достаточно точно, много данных и о кларках основных пород (базальтов и др.), осадочных пород (глин, сланцев, известняков и т.д.).

Сложнее вопрос о среднем составе земной коры, так как до сих пор точно неизвестно, каково соотношение между различными группами горных пород, особенно под океанами. А.П.Виноградов, предположив, что земная кора на ⅔ состоит из кислых пород и на ⅓ из основных, вычислил её средний состав. А.А.Беус, исходя из соотношения мощности гранитного и базальтового слоев (1:2), установил иные, кларки.

Представления о составе базальтового слоя весьма гипотетичны.

По А.А.Беусу, его средний состав (в %) близок к диоритам:

O – 46,0 Ca – 5,1

Si – 26,2 Na – 2,4

Al – 8,1 K – 1,5

Fe – 6,7 Ti – 0,7

Mg – 3,0 H – 0,1

Mn – 0,1 P – 0,1

Данные свидетельствуют о том, что почти, половина твёрдой земной коры состоит из одного элемента – кислорода.

Таким образом, земная кора – это «кислородная сфера», кислородное вещество. На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем алюминий (8,05). В сумме эти элементы составляют 84,55%. Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т.е.

практически почти вся земная кора. Остальные 80 элементов занимают менее 1%. Содержание большинства элементов в земной коре не превышает 0,01-0,0001%. Такие элементы в геохимии принято называть редкими . Если редкие элементы обладают слабой способностью к концентрации, то они именуются редкими рассеянными .

К ним относятся Br, In, Ra, I, Hf, Re, Sc и другие элементы. В геохимии употребляется также термин "микроэлементы ", под которыми понимаются элементы, содержащиеся в малых количествах (порядка 0,01% и менее) в данной системе. Так, алюминий – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число нуклонов – протонов и нейтронов.

Действительно, после железа (№26) нет ни одного распространённого элемента. Эта закономерность была отмечена ещё Менделеевым, отмечавшим, что распространённейшие в природе простые тела имеют малую атомную массу.

Другая особенность в распространении элементов была установлена итальянцем Г.Оддо в 1914г и более детально охарактеризована американцем В.Гаркинсом в 1915-1928гг.

Они отметили, что в земной коре преобладают элементы с чётными порядковыми номерами и с чётными атомными массами. Среди соседних элементов у чётных кларки почти всегда выше, чем у нечётных. Для первых по распространённости 9 элементов массовые кларки чётных составляют в сумме 86,43%, а кларки нечётных – лишь 13,03%.

Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это кислород, магний, кремний, кальций и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовым числом, кратным 4.

Такое строение атомного ядра Ферсман обозначил символом 4q , где q – целое число.

По Ферсману, ядра типа 4q слагают 86,3% земной коры. Итак, распространённость элементов в земной коре (кларки) в основном связана со строением атомного ядра – в земной коре преобладают ядра с небольшим и чётным числом протонов и нейтронов.

Основные особенности распространения элементов в земной коре заложились ещё в звездную стадию существования земной материи и в первые этапы развития Земли как планеты, когда сформировалась земная кора, состоящая из легких элементов.

Однако из этого не следует, что кларки элементов геологически постоянны. Конечно, главные особенности состава земной коры и 3,5млрд. лет назад были те же, что и в наши дни, – в ней преобладали кислород и кремний, а золота и ртути было мало (п ·10-6 – п ·10-7%). Но кларки некоторых элементов все же изменились. Так, в результате радиоактивного распада стало меньше урана и тория и больше свинца – конечного продукта распада («радиогенный свинец» составляет часть атомов свинца земной коры).

За счёт радиоактивного распада ежегодно образуются миллионы тонн новых элементов. Хотя эти величины сами по себе очень велики, по сравнению с массой земной коры они ничтожны.

Итак, основные особенности элементарного состава земной коры не менялись за время геологической истории: самые древние архейские породы, как и самые молодые, состоят из кислорода, кремния, алюминия, железа и других распространённых элементов.

Однако процессы радиоактивного распада, космические лучи, метеориты, диссипация легких газов в мировое пространство изменили кларки ряда элементов.

Предыдущая45678910111213141516171819Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Земная кора под морями и океанами неодинакова по своему строению и мощности. Нижней границей земной коры считают поверхность Мохоровичича. Она выделяется по резкому возрастанию скорости продольных сейсмических волн до 8 км/с и более. В пределах земной коры скорости продольных волн ниже этой величины. Ниже поверхности Мохоровичича располагается верхняя мантия Земли.

Выделяют несколько типов земной коры.

Наиболее резкие различия отмечаются в строении земной коры материкового и океанического типов.

Земная кора материкового типа имеет среднюю мощность 35 км и состоит из 3-х слоев:

• Осадочный слой.

  Мощность этого слоя может составлять от нескольких метров до 1-2 км. Скорость распространения упругих волн 5 км/с;

• Гранитный слой является главным слоем этого типа земной коры. Плотность составляющего этот слой вещества равна 2,7 г/см?.

  Мощность – 15-17 км. Скорость распространения упругих волн около 6 км/с. Он состоит из гранитов, гнейсов, кварцитов и других плотных магматических и метаморфических пород кристаллического строения.

  Эти порода относятся по содержанию кремнекислоты (60%) к кислым породам;

• Базальтовый слой. Этот слой имеет плотность 3 г/см?. Мощность – 17-20 км. Скорость распространения упругих волн 6,5-7,2 км/с. Слой состоит из базальтов, габбро. По содержанию кремнекислоты эти породы относятся к основным породам. В них содержится большое количество окислов различных металлов.

Земная кора океанического типа имеет следующее строение:

• 1 слой – слой океанической воды.

  Средняя толщина этого слоя равна 4 км. Скорость распространения упругих волн 1,5 км/с. Плотность – 1,03 г/см?;

• 2 слой – слой неуплотненных осадков, мощностью 0,7 км, со скоростью распространения упругих волн 2,5 км/с, средней плотностью 2,3 г/см?;
• 3 слой – так называемый «второй слой».

  Средняя мощность данного слоя равна 1,7 км. Скорость распространения упругих волн 5,1 км/с. Плотность – 2,55 г/см?;

• 4 слой – базальтовый слой. Этот слой не отличается от базальтового слоя, образующего нижнюю часть континентальной коры. Его средняя мощность составляет 4,2 км.

Таким образом, общая средняя мощность океанической земной коры, без слоя воды, составляет всего 6,6 км. Это примерно в 5 раз меньше мощности земной коры материкового типа.

Материковый тип земной коры в морях и океанах имеет довольно широкое распространение.

Материковая кора слагает шельф, материковый склон и в значительной части материковое подножие. Ее нижняя граница проходит на глубинах порядка 2-3,5 км.

Дно на глубине более 3640 м уже сложено океанической земной корой. Ложу океана свойственен океанический тип земной коры. Большой сложностью отличается земная кора под переходными зонами.

В глубоководной части котловины окраинного моря кора по своему составу близка к океанической.

Отличается от нее значительно большей мощностью базальтового и осадочного слоев. Особенно резко возрастает толщина осадочного слоя. «Второй слой» здесь обычно резко не выделяется, а происходит как бы постепенное уплотнение осадочного слоя с глубиной. Этот вариант строения земной коры называется субокеаническим.

Под островными дугами в одних случаях обнаруживается материковая земная кора, в других – субокеаническая, в третьих – субматериковая.

Субматериковая земная кора отличается отсутствием резкой границы между гранитным и базальтовым слоями, а также общей сокращенной мощностью. Типичная материковая кора слагает Японские острова. Южная часть Курильской островной дуги сложена субматериковой земной корой. Малые Антильские и Мариинские острова сложены субокеанической земной корой.

Сложное строение имеет земная кора под глубоководными желобами.

Глубоководный желоб представлен бортами и дном. Тот борт желоба, который одновременно является склоном островной дуги, характеризуется типом земной коры, которым сложен склон островной дуги. Противоположный борт сложен океанической корой. Дно желоба – субокеанической земной корой.

Определенный интерес представляет так же рельеф поверхности Мохоровичича в переходной зоне океана. Глубоководной котловине окраинного моря в переходной зоне соответствует выступ поверхности Мохоровичича.

Затем в сторону океана следует депрессия поверхности, которая располагается и под островной дугой и под глубоководным желобом. Максимальный прогиб поверхности Мохоровичича приходится на океанический склон островной дуги. На островных дугах нередко встречается выход ультраосновных магматических пород. Это свидетельствует о том, что магматические процессы в переходных зонах генетически связаны с процессами, протекающими в мантии – с восходящими движениями глубинного вещества верхней мантии.

Таким образом, в пределах переходной зоны отмечается большая неоднородность, мозаичность земной коры.

Эта мозаичность хорошо согласуется с резкой дифференциацией рельефа переходной зоны (глубоководная котловина окраинного моря, островная дуга, глубоководный желоб). В общей сложности тип коры под переходными зонами носит название геосинклинальный.

Переходные зона – это современные геосинклинальные области.

Под срединно-океаническми хребтами земная кора очень специфична по своему строению.

В земной коре этого типа выделяют:

• довольно тонкий и непостоянный по простиранию слой рыхлых осадков, с мощностью от 0 и до нескольких километров;
• «второй слой» с мощностью от нескольких сотен метров и до 2-3 км;
• под «вторым» слоем залегают породы повышенной плотности. Скорость распространения упругих волн (7,2-7,8 км/с) в этих породах значительно больше, чем в базальтовом слое, но меньше, чем на границе Мохоровичича.

  Высказывается предположение, что под срединно-океаническими хребтами базальтовый слой частично замещают видоизмененные разуплотненные породы верхней мантии. Повышенная плотность данного слоя объясняется смешением материала базальтового слоя и верхней мантии. Мощное давление восходящих потоков вещества верхней мантии приводит к нарушению сплошной земной коры (разрывы).

  Вещество верхней мантии внедряется в вышележащие породы. Таким образом, происходит смешение материала верхней мантии и базальтового слоя.

Под срединно-океаническими хребтами земная кора не имеет четко выраженной границы. Такой тип коры носит название рифтогенального.

Таким образом, подводным окраинам материков свойственен материковый тип земной коры, переходным зонам – геосинклинальный, ложу океана – океанический, срединно-океаническим хребтам – рифтогенальный.

ЗЕМНАЯ КОРА (а. earth crust; н. Erdkruste; ф. croute terrestre; и.

соrteza terrestre) - верхняя твёрдая оболочка Земли, ограниченная снизу Мохоровичича поверхностью. Термин «земная кора» появился в 18 в. в работах М. В. Ломоносова и в 19 в. в трудах английский учёного Ч. Лайеля; с развитием контракционной гипотезы в 19 в.

получил определенный смысл, вытекающий из идеи охлаждения Земли до тех пор, пока не образовалась кора (американский геолог Дж. Дана). В основе современных представлений о структуре, составе и других характеристиках Земной коры лежат геофизические данные о скорости распространения упругих волн (в основном продольных, Vp), которые на границе Мохоровичича скачкообразно возрастают с 7,5-7,8 до 8,1-8,2 км/с. Природа нижней границы Земной коры, по-видимому, обусловлена изменением химического состава пород (габбро - перидотит) либо фазовыми переходами (в системе габбро - эклогит).

В целом для Земной коры характерна вертикальная и горизонтальная неоднородность (анизотропия), которая отражает различный характер её эволюции в разных частях планеты, а также её существенную переработку в процессе последнего этапа развития (40-30 млн. лет), когда были сформированы основные черты современного лика Земли. Значительная часть Земной коры находится в состоянии изостатического равновесия (см.

Изостазия), которое в случае нарушения достаточно быстро (104 лет) восстанавливается благодаря наличию Астеносферы. Выделяют два главных типа Земной коры: континентальную и океаническую, различающихся по составу, строению, мощности и другим характеристикам (рис.). Мощность континентальной коры в зависимости от тектонических условий меняется в среднем от 25-45 км (на платформах) до 45-75 км (в областях горообразования), однако и в пределах каждой геоструктурной области она не остаётся строго постоянной.

В континентальной коре различают осадочный (Vp до 4,5 км/с), «гранитный» (Vp 5,1-6,4 км/с) и «базальтовый» (Vp 6,1-7,4 км/с) слои.

Мощность осадочного слоя достигает 20 км, распространён он не повсеместно. Названия «гранитного» и «базальтового» слоев условны и исторически связаны с выделением разделяющей их границы Конрада (Vp 6,2 км/с), хотя последующие исследования (в том числе сверхглубокое бурение) показали некоторую сомнительность этой границы (а по некоторым данным её отсутствие). Оба эти слоя поэтому иногда объединяют в понятие консолидированной коры.

Изучение выходов «гранитного» слоя в пределах щитов показало, что в него входят породы не только собственно гранитного состава, но и разнообразные гнейсы и другие метаморфические образования. Поэтому данный слой часто называют также гранитно-метаморфическим или гранитно-гнейсовым; его средняя плотность 2,6-2,7 т/м3. Прямое изучение «базальтового» слоя на континентах невозможно, и значениям скоростей сейсмических волн, по которым он выделен, могут удовлетворять как магматические породы основного состава (базиты), так и породы, испытавшие высокую степень метаморфизма (гранулиты, отсюда название гранулит-базитовый слой).

Средняя плотность базальтового слоя колеблется от 2,7 до 3,0 т/м3.

Основные отличия океанической коры от континентальной - отсутствие «гранитного» слоя, существенно меньшая мощность (2-10 км), более молодой возраст (юра, мел, кайнозой), большая латеральная однородность.

Океаническая кора состоит из трёх слоев. Первый слой, или осадочный, характеризуется широким диапазоном скоростей (V от 1,6 до 5,4 км/с) и мощностью до 2 км. Второй слой, или акустический фундамент, имеет в среднем мощность 1,2-1,8 км и Vp 5,1-5,5 км/с.

Детальные исследования позволили разделить его на три горизонта (2А, 2В и 2С), причём наибольшей изменчивостью обладает горизонт 2А (Vp 3,33-4,12 км/с). Глубоководным бурением установлено, что горизонт 2А сложен сильнотрещиноватыми и брекчированными базальтами, которые с увеличением возраста океанической коры становятся более консолидированными.

Мощность горизонта 2В (Vp 4,9-5,2 км/с) и 2С (Vp 5,9-6,3 км/с) не постоянна в разных океанах. Третий слой океанической коры имеет достаточно близкие значения Vp и мощности, что указывает на его однородность. Однако в его строении также отмечаются вариации как по значениям скорости (6,5-7,7 км/с), так и мощности (от 2 до 5 км).

Большинство исследователей считают, что третий слой океанической коры сложен породами в основном габброидного состава, а вариации скоростей в нём обусловлены степенью метаморфизма.

Кроме двух главных типов Земной коры, выделяют подтипы на основе соотношения толщины отдельных слоев и суммарной мощности (например, кора переходного типа - субконтинентальная в островных дугах и субокеанская на континентальных окраинах и т.д.).

Земную кору нельзя отождествлять с литосферой, устанавливаемой на основе реологии, свойств вещества.

Возраст древнейших пород Земной коры достигает 4,0-4,1 млрд. лет. Вопрос о том, каков был состав первичной Земной коры и как она формировалась в течение первых сотен млн.

лет, не ясен. В течение первых 2 млрд. лет, по-видимому, сформировалось около 50% (по некоторым оценкам, 70-80%) всей современной континентальной коры, следующие 2 млрд. лет - 40%, и лишь около 10% приходится на последние 500 млн. лет, т.е. на фанерозой. По вопросам формирования Земной коры в архее и раннем протерозое и характере её движений среди исследователей нет единого мнения.

Одни учёные считают, что формирование Земной коры происходило при отсутствии крупномасштабных горизонтальных перемещений, когда развитие рифтогенных зеленокаменных поясов сочеталось с образованием гранитно-гнейсовых куполов, послуживших ядрами роста древнейшей континентальной коры. Другие учёные считают, что начиная с архея действовала эмбриональная форма тектоники плит, а гранитоиды формировались над зонами Субдукции, хотя ещё не было крупных горизонтальных перемещений континентальной коры.

Переломный момент в развитии Земной коры наступает в позднем докембрии, когда в условиях существования крупных плит уже зрелой континентальной коры стали возможны крупномасштабные горизонтальные перемещения, сопровождаемые субдукцией и обдукцией новообразованной литосферы. С этого времени образование и развитие Земной коры происходит в геодинамической обстановке, обусловленной механизмом тектоники плит.

ЛЕКЦИЯ 5. СОСТАВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Формирование собственного земного вещества началось с вулканогенных образований, представленных лавами, выбросами горячих пеплов и газовых облаков, а также сопутствующими проявлениями дегазации недр. Вулканогенный материал поступал на перидотитовую поверхность Земли и в остаточную атмосферу - реликт исходного облака или туманности. Водных бассейнов в то время не существовало, и Земля не была планетой океанов, каковой она является сегодня. Образование географической оболочки началось, видимо, с ее литогенного основания, на которое стали «опираться» воздушные и водные массы. Разделение по времени формирования отдельных сфер планеты носит условный характер, так как практически все происходило почти одновременно, но с разной скоростью закрепления нового материала.

Внутреннее строение Земли включает три оболочки: земную кору, мантию и ядро. Оболочечное строение Земли установлено дистанционными методами, основанными на измерении скорости распространения сейсмических волн, имеющих две составляющие - продольные и поперечные волны.Продольные (Р) волны связаны с напряжениями растяжения (или сжатия), ориентированными по направлению их распространения.Поперечные (S ) волны вызывают колебания среды, ориентированные под прямым углом к направлению их распространения. Эти волны в жидкой среде не распространяются.

Земная кора - каменистая оболочка, сложенная твердым веществом с избытком кремнезема, щелочи, воды и недостаточным количеством магния и железа. Она отделяется от верхней мантии границей Мохоровичича (слоем Мохо), на которой происходит скачок скоростей продольных сейсмических волн примерно до 8 км/с.Этот рубеж, установленный в 1909 г. югославским ученым А. Мохоровичичем, как считают, совпадает с внешней перидотитовой оболочкой верхней мантии. Мощность земной коры (1% от общей массы Земли) составляет в среднем 35 км: под молодыми складчатыми горами на континентах она увеличивается до 80 км, а под срединно-океаническими хребтами уменьшается до 6 - 7 км (считая от поверхности океанского дна).

Мантия представляет собой наибольшую по объему и весу оболочку Земли, простирающуюся от подошвы земной коры до границы Гутенберга, соответствующей глубине приблизительно 2900 км и принимаемой за нижнюю границу мантии. Мантию подразделяют на нижнюю (50% массы Земли) и верхнюю (18%).По современным представлениям, состав мантии достаточно однороден вследствие интенсивного конвективного перемешивания внутримантийными течениями. Прямых данных о вещественном составе мантии почти нет. Предполагается, что она сложена расплавленной силикатной массой, насыщенной газами. Скорости распространения продольных и поперечных волн в нижней мантии возрастают, соответственно, до 13 и 7 км/с. Верхняя мантия с глубины 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под континентами) до 660-670 км называетсяастеносферой. Это слой повышенной пластичности вещества, близкого к температуре плавления.

Ядро представляет собой сфероид со средним радиусом около 3500 км. Прямые сведения о составе ядра также отсутствуют. Известно, что оно является наиболее плотной оболочкой Земли. Ядро также подразделяется на две сферы: внешнее, до глубины 5150 км, находящееся в жидком состоянии, и внутреннее - твердое.Во внешнем ядре скорость распространения продольных волн падает до 8 км/с, а поперечные волны не распространяются вовсе, что принимается за доказательство его жидкого состояния. Глубже 5150 км скорость распространения продольных волн возрастает и вновь проходят поперечные волны. На внутреннее ядро приходится 2% массы Земли, на внешнее - 29%.

Внешняя «твердая» оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии, образует литосферу . Ее мощность составляет 50-200 км.

Литосферу и подстилающие подвижные слои астеносферы, где обычно зарождаются и реализуются внутриземные движения тектонического характера, а также часто находятся очаги землетрясений и расплавленной магмы, называют тектоносферой.

Состав земной коры. Химические элементы в земной коре образуют природные соединения -минералы, обычно твердые вещества, обладающие определенными физическими свойствами. В земной коре содержится более 3000 минералов, среди которых около 50 породообразующих.

Закономерные природные сочетания минералов образуют горные породы. Земная кора сложена горными породами разного состава и происхождения. По происхождению горные породы подразделяют на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образуются за счет застывания магмы. Если это происходит в толще земной коры, то формируются интрузивные раскристаллизованные породы, а при излиянии магмы на поверхность создаются эффузивные образования. По содержанию кремнезема (SiO 2) различают следующие группы магматических горных пород: кислые (> 65% - граниты, липариты и др.), средние (65-53% - сиениты, андезиты и др.), основные (52-45% - габбро, базальты и др.) и ультраосновные (<45% - перидотиты, дуниты и др.).

Осадочные горные породы возникают на земной поверхности за счет отложения материала разными способами. Часть из них образуется в результате разрушения горных пород. Это обломочные, или пластические, породы. Величина обломков варьирует от валунов и галек до пылеватых частиц, что позволяет различать среди них породы разного гранулометрического состава - валунники, галечники, конгломераты, пески, песчаники и др. Органогенные породы создаются при участии организмов (известняки, угли, мел и др.). Значительное место занимают хемогенные породы, связанные с выпадением вещества из раствора при определенных условиях.

Метаморфические породы образуются в результате изменения магматических и осадочных пород под воздействием высоких температур и давлений в недрах Земли. К ним относятся гнейсы, кристаллические сланцы, мрамор и др.

Около 90% объема земной коры составляют кристаллические породы магматического и метаморфического генезиса. Для географической оболочки большую роль играет относительно маломощный и прерывистый слой осадочных горных пород (стратисфера), которые непосредственно контактируют с разными компонентами географической оболочки. Средняя мощность осадочных пород около 2,2 км, реальная мощность колеблется от 10- 14 км в прогибах до 0,5-1 км на океаническом ложе. По исследованиям А.Б.Ронова, наиболее распространенными среди осадочных пород являются глины и глинистые сланцы (50 %), пески и песчаники (23,6%), карбонатные образования (23,5%). В составе земной поверхности важную роль играют лёссы и лёссовидные суглинки внеледниковых регионов, несортированные толщи морен ледниковых регионов и интразональные скопления галечно-песчаных образований водного происхождения.

Строение земной коры. По строению и мощности (рис. 5.1) различают два основных типа земной коры - материковый (континентальной) и океанический.Различия их химического состава видны из табл. 5.1.

Материковая кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Последний выделен условно потому, что скорости прохождения сейсмических волн равны скоростям в базальтах. Гранитный слой состоит из пород, обогащенных кремнием и алюминием (SIAL), породы базальтового слоя обогащены кремнием и магнием (SIAM). Контакт между гранитным слоем со средней плотностью пород около 2,7 г/см 3 и базальтовым слоем со средней плотностью порядка 3 г/см 3 известен как граница Конрада (названа по имени немецкого исследователя В.Конрада, обнаружившего ее в 1923 г.).Океаническая кора двухслойная. Ее основная масса сложена базальтами, на которых лежит маломощный осадочный слой. Мощность базальтов превышает 10 км, в верхних частях достоверно установлены прослои осадочных позднемезозойских пород. Мощность осадочного покрова, как правило, не превышает 1-1,5 км.

Рис. 5.1. Строение земной коры: 1 - базальтовый слой; 2 - гранитный слой; 3 - стратисфера и кора выветривания;4 - базальты океанического дна;5 - районы с низкой биомассой;6 - районы с высокой биомассой; 7 - океанские воды;8 - морские льды; 9 - глубинные разломы континентальных склонов

Базальтовый слой на материках и океанском дне принципиально различается. На материках это контактные формирования между мантией и древнейшими земными породами, как бы первичная корочка планеты, возникшая до или в начале ее самостоятельного развития (возможно, свидетельство «лунной» стадии эволюции Земли). В океанах это реальные базальтовые образования в основном мезозойского возраста, возникшие за счет подводных излияний при раздвижении литосферных плит. Возраст первых должен составлять несколько миллиардов лет, вторых - не более 200 млн лет.

Таблица 5.1. Химический состав континентальной и океанической коры

	Континентальная кора	Океаническая кора

Местами наблюдается переходный тип земной коры, для которого характерны значительная пространственная неоднородность. Он известен в окраинных морях Восточной Азии (от Берингова до Южно-Китайского), Зондском архипелаге и некоторых других районах земного шара.

Наличие разных типов земной коры обусловлено различиями в развитии отдельных частей планеты и их возрасте. Эта проблема чрезвычайно интересна и важна с точки зрения реконструкции географической оболочки. Ранее предполагалось, что океаническая кора первична, а материковая - вторична, хотя она на многие миллиарды лет ее древнее. Согласно современным представлениям, океаническая кора возникла за счет внедрения магмы по разломам между континентами.

Структурные элементы земной коры. Земная кора формировалась не менее 4 млрд лет, в течение которых она усложнялась под. воздействием эндогенных (главным образом под воздействием тектонических движений) и экзогенных (выветривание и др.) процессов. Проявляясь с разной интенсивностью и в разное время, тектонические движения формировали структуры земной коры, которые образуютрельеф планеты.

Крупные формы рельефа называются морфоструктурами (например, горные хребты, плато). Сравнительно мелкие формы рельефа образуют морфоскульптуры (например, карст).

Основные планетарные структуры Земли - материки и океаны. В пределах материков выделяют крупные структуры второго порядка - складчатые пояса и платформы, которые отчетливо выражены в современном рельефе.

Платформы - это устойчивые в тектоническом отношении участки земной коры обычно двухъярусного строения: нижний, образованный древнейшими породами, называют фундаментом, верхний, сложенный преимущественно осадочными породами более позднего возраста - осадочным чехлом. Возраст платформ оценивают по времени формирования фундамента. Участки платформ, где фундамент погружен под осадочный чехол, называют плитами (например, Русская плита). Места выхода на дневную поверхность пород фундамента платформы называют щитами (например, Балтийский щит).

На дне океанов выделяются тектонически устойчивые участки - талассократоны и подвижные тектонически активные полосы -георифтогенали. Последние пространственно соответствуют срединно-океаническим хребтам с чередованием поднятий (в виде подводных гор) и опусканий (в виде глубоководных впадин и желобов). Совместно с вулканическими проявлениями и локальными поднятиями океанического дна океанические геосинклинали создают специфические структуры островных дуг и архипелагов, выраженных на северных и западных окраинах Тихого океана.

Контактные зоны между континентами и океанами подразделяют на два типа: активные ипассивные. Первые представляют собой очаги сильнейших землетрясений, активного вулканизма и значительного размаха тектонических движений. Вторые являют пример постепенной смены континентов через шельфы и материковые склоны к океаническому дну.

Динамика литосферы. Представления о механизме формирования земных структур разрабатываются учеными различных направлений, которые можно объединить в две группы. Представителиф иксизма исходят из утверждения о фиксированном положении Континентов на поверхности Земли и преобладании вертикальных движений в тектонических деформациях пластов земной коры. Сторонники мобилизма первостепенную роль отводят горизонтальным движениям. Основные идеи мобилизма были сформулированы А. Вегенером (1880-1930) какгипотеза дрейфа материков. Новые данные, полученные во второй половинеXXв., позволили развить это направление до современной теориинеомобилизма, объясняющей динамику процессов в земной коре дрейфом крупных литосферных плит.

Согласно современному строению земной коры, в центральных частях океанов границами литосферных плит являются срединно-океанические хребты с рифтовыми (разломными) зонами вдоль их осей. По периферии океанов, в переходных зонах между континентами и ложем океанического бассейна, сформировалисьгеосинклинальные подвижные пояса со складчато-вулканическими островными дугами и глубоководными желобами вдоль их внешних окраин. Существует три варианта взаимодействия литосферных плит:расхождение, или спрединг;столкновение, сопровождающееся в зависимости от типа контактирующих плит субдукцией, эдукцией или коллизией; горизонтальноескольжение одной плиты относительно другой. Касаясь проблемы возникновения океанов и материков, надо отметить, что в настоящее время она чаще всего решается путем признания раздробленности земной коры на ряд плит, раздвижение которых и вызвало образование огромных понижений, занятых океанскими водами.

Формирование современного облика Земли. В течение всей истории Земли расположение и конфигурация континентов и океанов постоянно изменялись. Согласно геологическим данным, континенты Земли объединялись четыре раза. Реконструкция этапов их становления за последние 570 млн лет (в фанерозое) свидетельствует о существовании последнего суперконтинента -Пангеи с достаточно мощной, до 30-35 км континентальной корой, сформировавшегося 250 млн лет назад, который распался наГондвану, занявшую южную часть земного шара, иЛавразию, объединившей северные континенты. Распад Пангеи привел к раскрытию водного пространства, первоначально - в видепалео-Тихого океана и океанаТетис, а в дальнейшем (65 млн лет назад) - современных океанов. Сейчас мы наблюдаем, как континенты расходятся. Трудно предположить, какова будет дислокация современных континентов и океанов в будущем. По данным С. В. Аплонова, возможно их объединение в пятый суперконтинент, центром которого станет Евразия. В. П. Трубицын считает, что через миллиард лет материки вновь могут собраться у Южного полюса.

Атмосфера - это внешняя газовая оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность. Верхняя граница проходит на высоте 3000 км, где плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе.

Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Общий вес атмосферы равен 5,13610 15 т (по другим источникам - 5,910 15 т), что соответствует весу равномерно распределенного по Земле слоя воды в 10 м или слоя ртути толщиной в 76 см. Вес вышележащего столба воздуха определяет величину атмосферного давления, которое у земной поверхности в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм (1013 гПа, или 1013 мбар).

Плотность воздуха на уровне моря при температуре 15°С в среднем составляет 1,2255 кг/м 3 , или 0,0012 г/см 3 , на высоте 5 км - 0,735 кг/см 3 , 10 км - 0,411 кг/см 3 , 20 км - 0,087 кг/см 3 . На высоте 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд раз меньше, чем у поверхности Земли.

Состав атмосферы. Атмосфера состоит из постоянных и переменных компонентов (табл. 5.2). К постоянным относятся азот (78% по объему), кислород (21%) и инертные газы (0,93%).Постоянство количества активных компонентов азота и кислорода определяется равновесием между процессами выделения свободного кислорода и азота (преимущественно живыми организмами) и их поглощением в ходе химических реакций. Инертные газы не участвуют в реакциях, происходящих в атмосфере.Переменными составляющими являются диоксид углерода, водяной пар, озон, аэрозоли.

Таблица 5.2. Состав атмосферы

Постоянные компоненты
Кислород
Переменные компоненты
Водяной пар
Диоксид углерода
Оксид азота
Озон (тропосферный)
Озон (стратосферный)
Аэрозоли (частицы)

Водяной пар задерживает до 60% теплового излучения планеты. Водяной пар выполняет и другую важную функцию, за что его называют «основным топливом» атмосферных процессов. При испарении влаги (а именно таким путем атмосфера пополняется водяным паром) значительная часть энергии (примерно 2500 Дж) переходит в открытую форму, а затем выделяется при конденсации. Обычно это происходит на высоте облачного покрова. В результате таких фазовых переходов большое количество энергии перемещается в пределах географической оболочки, «питая» различные атмосферные процессы, в частности - тропические циклоны.

Водяной пар и диоксид углерода служат природными атмосферными фильтрами, задерживающими длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Благодаря этому возникает парниковый эффект, который определяет общее повышение температуры земной поверхности на 38°С (ее среднее значение +15°С вместо -23°С).

Аэрозольные частицы - это находящиеся во взвешенном состоянии минеральная и вулканическая пыль, продукты горения (дым), кристаллики морских солей, споры и пыльца растений, микроорганизмы. Содержание аэрозолей определяет уровень прозрачности атмосферы. В связи с активной антропогенной деятельностью запыленность атмосферы увеличилась. Как показывают эксперименты, при большой запыленности величина приходящей к Земле солнечной радиации может понижаться, что ведет к изменениям погоды и климата планеты. Наиболее крупные аэрозоли -ядра конденсации - способствуют превращению водяного пара в водяные капли (облака).

Вертикальное строение атмосферы . Атмосферу подразделяют на пять оболочек.

Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Она простирается над полюсами до высоты 8 км, в умеренных широтах - до 10-11 км, над экватором - до 16-17 км. Здесь сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Наблюдаемое понижение температуры в этом слое (в среднем 0,6°С на 100 м) связано с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой внешнего давления, а также с переносом теплоты от земной поверхности. При средней для всей Земли годовой температуре воздуха +15°С на уровне моря, на верхней границе тропосферы она понижается до -56°С. Понижение температуры воздуха, так же как и других метеорологических величин, не всегда выдерживается, а в ряде случаев отклоняется от нормального, образуяинверсии. Последние определяются местными географическими причинами.

Физические свойства воздуха тропосферы во многом обусловлены характером взаимодействия с подстилающей поверхностью. Вследствие непрерывного перемешивания воздуха его состав во всей толще тропосферы постоянный. Тропосфера содержит основное количество всей атмосферной влаги.

Вблизи верхней границы тропосферы располагается переходный слой - тропопауза мощностью около 1 км. Выше тропопаузы не поднимаются вертикальные токи воздуха, обусловленные различиями его нагревания и увлажнения от земной поверхности (атмосферная конвекция).

Выше тропосферы, примерно до 50 км, располагается стратосфера. Ранее ее принимали за изотермический слой со средней температурой -56°С. Однако новые данные показали, что изотермия наблюдается только в ее нижней части, приблизительно до 20 км, а у верхней границы температура повышается до 0°С.Стратосфера охвачена мощной горизонтальной циркуляцией с элементами вертикальных движений, что способствует активному перемешиванию воздуха. Антропогенное загрязнение фактически исключено, но сюда проникают продукты интенсивных вулканических выбросов, сохраняющиеся довольно длительное время и влияющие на космическое излучение, включая солнечное.

Особенностью стратосферы является озоновый слой, в формировании которого принимает участие следующий физико-химический механизм. Поскольку атмосфера избирательно пропускает через себя электромагнитное излучение Солнца, солнечная радиация распределяется на земной поверхности неравномерно. Входящий в состав воздуха кислород взаимодействует с коротковолновой ультрафиолетовой (УФ) радиацией, и когда молекула кислорода О 2 поглощает УФ свет достаточной энергии, она распадается:

О 2 + УФ свет → О + О

Атомарный кислород очень активен и присоединяет молекулу кислорода, образуя молекулу озона:

атомарный кислород (О) + молекулярный кислород (О 2) → озон (О 3)

Обычно это происходит на высоте примерно 25-28 км от земной поверхности, где и образуется слой озона. Озон сильно адсорбирует ультрафиолетовые лучи, которые губительны для живых организмов.

Над стратосферой до высоты 80-90 км располагается мезосфера. Температура в этом слое вновь понижается и достигает -107°С. На высоте 75-90 км наблюдаются «серебристые облака», состоящие из кристалликов льда.

До высоты примерно 800-1000 км располагается термосфера. Здесь температура воздуха снова повышается до 220°С на высоте 150 км и 1500°С - на высоте 600 км.Воздух термосферы состоит преимущественно из азота и кислорода, однако выше 90-100 км короткие волны солнечной радиации вызывают распад молекул О 2 на атомы и здесь преобладает атомарный кислород. Выше 325 км азот также диссоциирует. Соотношение между азотом и кислородом, характерное для нижних слоев атмосферы (78 и 21%), на высоте 200 км меняется и составляет соответственно 45 и 55%. Под действием ультрафиолетовых и космических лучей частицы воздуха в термосфере электрически заряжены, с чем связано возникновение полярных сияний. Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны и способствует распространению радиоволн.

Выше 1000 км располагается экзосфера. Скорость движения атомов и молекул газов достигает здесь третьей космической скорости (11,2 км/с), что позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве.

Основные черты воздушной циркуляции в тропосфере. Воздушная циркуляция обусловлена неравномерным распределением атмосферного давления у земной поверхности, следствием чего являются системы ветров - направленных перемещений воздуха из области высокого давления в область низкого. Барическое поле слагаемое различными воздушными массами, состоит из отдельных барических систем, среди которых различают циклоны (область низкого давления в центре и движение воздуха против часовой стрелки) и антициклоны (область высокого давления в центре и движение воздуха по часовой стрелке), барические депрессии и гребни ложбины и седловины. Различают постоянные центры действия атмосферы - области высокого или низкого давления, существующие круглый год или в определенный сезон (Исландский и Алеутский минимумы, Азорский, Гавайский, Сибирский максимумы). Преобладающие переносы воздушных масс и их динамика проявляются в пассатных, муссонных, бризовых циркуляциях, в формировании и миграции квазистационарных воздушных фронтов на поверхности Земли (типа внутритропической зоны конвергенции) Особый интерес представляют тропические циклоны, называемые в Атлантическом океане ураганами, в Тихом - тайфунами которые весьма значительно вмешиваются в повседневную жизнь жителей многих прибрежных стран Центральной Америки, Юго-Восточной Азии и других регионов. Основными параметрами барических систем являются траектория, скорость перемещения, радиус действия, атмосферное давление в центре образования. Перемещающиеся циклоны оказывают влияние на подстилающую поверхность, нарушая нормальное распределение гидрометеорологических величин, обусловливая штормы на суше и море .

При изучении земной коры было обнаружено ее неодинаковое строение в разных районах. Обобщение большого фактического материала позволило выделить два типа строения земной коры - континентальный и океанический.

Континентальный тип

Для континентального типа характерна весьма значительная мощность коры и присутствие гранитного слоя. Граница верхней мантии здесь расположена на глубине 40-50 км и больше. Мощность толщи осадочных горных пород в одних местах достигает 10-15 км, в других - толща может полностью отсутствовать. Средняя мощность осадочных пород континентальной земной коры составляет 5,0 км, гранитного слоя - около 17 км (от 10-40 км), базальтового - около 22 км (до 30 км).

Как упоминалось выше, петрографический состав базальтового слоя континентальной коры пестрый и скорее всего в нем преобладают не базальты, а метаморфические породы основного состава (гранулиты, эклогиты и т.п.). По этой причине некоторые исследователи предлагали этот слой называть гранулитовым.

Мощность континентальной земной коры увеличивается на площади горно-складчатых сооружений. Например, на Восточно-Европейской равнине мощность коры около 40 км (15 км - гранитный слой и более 20 км - базальтовый), а на Памире - в полтора раза больше (около 30 км в сумме составляют толща осадочных пород и гранитный слой и столько же базальтовый слой). Особенно большой мощности достигает континентальная кора в горных областях, расположенных по краям материков. Например, в Скалистых горах (Северная Америка) мощность коры значительно превышает 50 км. Совершенно иным строением обладает земная кора, слагающая дно океанов. Здесь мощность коры резко сокращается и вещество мантии подходит близко к поверхности.

Гранитный слой отсутствует, мощность осадочной толщи сравнительно небольшая. Выделяются верхний слой неуплотненных осадков с плотностью 1,5-2 г/см 3 и мощностью около 0,5 км, вулканогенно-осадочный слой (переслаивание рыхлых осадков с базальтами) мощностью 1-2 км и базальтовый слой, среднюю мощность которого оценивают в 5-6 км. На дне Тихого океана земная кора имеет суммарную мощность 5-6 км; на дне Атлантического океана под осадочной толщей в 0,5-1,0 км располагается базальтовый слой мощностью 3-4 км. Отметим, что с увеличением глубины океана мощность коры не уменьшается.

В настоящее время выделяют также переходные субконтинентальный и субокеанический тип коры, отвечающие подводной окраине материков. В пределах коры субконтинентального типа сильно сокращается гранитный слой, который замещается толщей осадков, а затем по направлению к ложу Океана начинается уменьшение мощности базальтового слоя. Мощность этой переходной зоны земной коры обычно 15-20 км. Граница между океанической и субконтинентальной корой проходит в пределах материкового склона в интервале глубин 1 -3,5 км.

Океанический тип

Хотя кора океанического типа занимает большую площадь, чем континентальная и субконтинентальная, в силу ее небольшой мощности в ней сосредоточен лишь 21% объема земной коры. Сведения об объеме и массе разных типов земной коры приведены на рис.1.

Рис.1. Объем, мощность и масса горизонтов разных типов земной коры

Земная кора залегает на подкорковом мантийном субстрате и составляет всего 0,7% от массы мантии. В случае малой мощности коры (например, на океаническом ложе) самая верхняя часть мантии будет находиться также в твердом состоянии, обычном для горных пород земной коры. Поэтому, как отмечено выше, наряду с понятием о земной коре как об оболочке с определенными показателями плотности и упругих свойств, имеется понятие о литосфере - каменной оболочке, толще твердого вещества, покрывающего поверхность Земли.

Структуры типов земной коры

Типы земной коры различаются также своими структурами. Для земной коры океанического типа характерны разнообразные структуры. По центральной части дна океанов протягиваются мощные горные системы - срединно-океанические хребты. В осевой части эти хребты рассечены глубокими и узкими рифтовыми долинами с крутыми бортами. Эти образования представляют собой зоны активной тектонической деятельности. Вдоль островных дуг и горных сооружений по окраинам материков располагаются глубоководные желоба. Наряду с этими образованиями имеются глубоководные равнины, занимающие огромные площади.

Столь же неоднородна континентальная земная кора. В ее пределах можно выделить молодые горноскладчатые сооружения, где мощность коры в целом и каждого из ее горизонтов сильно возрастает. Выделяются также площади, где кристаллические горные породы гранитного слоя представляют древние складчатые области, выровненные на протяжении длительного геологического времени. Здесь мощность коры значительно меньше. Эти обширные участки континентальной коры называются платформами. Внутри платформ различают щиты - районы, где кристаллический фундамент выходит непосредственно на поверхность, и плиты, кристаллическое основание которых покрыто толщей горизонтально залегающих отложений. Примером щита является территория Финляндии и Карелии (Балтийский щит), в то время как на Восточно-Европейской равнине складчатый фундамент глубоко опущен и перекрыт осадочными отложениями. Средняя мощность осадков на платформах около 1,5 км. Для горноскладчатых сооружений характерна значительно большая мощность толщи осадочных пород, средняя величина которой оценивается в 10 км. Накопление таких мощных отложений достигается длительным постепенным опусканием, прогибанием отдельных участков континентальной коры с последующим их подъемом и складкообразованием. Такие участки называются геосинклиналями. Это наиболее активные зоны континентальной коры. К ним приурочено около 72% всей массы осадочных пород, в то время как на платформах сосредоточено около 28%.

Проявления магматизма на платформах и геосинклиналях резко различается. В периоды прогибания геосинклиналей по глубинным разломам поступает магма основного и ультраосновного состава. В процессе превращения геосинклинали в складчатую область происходит образование и внедрение огромных масс гранитной магмы. Для поздних этапов характерны вулканические излияния лав среднего и кислого состава. На платформах магматические процессы выражены значительно слабее и представлены преимущественно излияниями базальтов или лав щелочно-основного состава. Среди осадочных пород континентов преобладают глины и глинистые сланцы. На дне океанов увеличивается содержание известковых осадков. Итак, земная кора состоит из трех слоев. Ее верхний слой сложен осадочными породами и продуктами выветривания. Объем этого слоя составляет около 10% общего объема земной коры. Большая часть вещества находится на континентах и переходной зоне, в пределах океанической коры его не более 22% объема слоя.

В так называемом гранитном слое наиболее распространенными породами являются гранитоиды, гнейсы и кристаллические сланцы. На породы более основного состава приходится около 10% этого горизонта. Это обстоятельство хорошо отражается на среднем химическом составе гранитного слоя. При сопоставлении величин среднего состава обращает на себя внимание ясное различие этого слоя и осадочной толщи (рис. 2).

Рис.2. Химический состав земной коры (в весовых процентах)

Состав базальтового слоя в двух основных типах земной коры неодинаков. На континентах эта толща характеризуется разнообразием горных пород. Здесь присутствуют глубоко метаморфизованные и магматические породы основного и даже кислого состава. Основные породы составляют около 70% всего объема этого слоя. Базальтовый слой океанической коры значительно более однороден. Преобладающим типом пород являются так называемые толеитовые базальты, отличающиеся от континентальных базальтов низким содержанием калия, рубидия, стронция, бария, урана, тория, циркония и высоким отношением Na/K. Это связано с меньшей интенсивностью процессов дифференциации при их вплавлении из мантии. В глубоких рифовых разломах выходят ультраосновные породы верхней мантии. Распространенность горных пород в земной коре, сгруппированных для определения соотношения их объема и масс, приведена на рис.3.

Рис.3. Распространенность горных пород в земной коре

Формирование земной коры

Земная кора континентов состоит из кристаллических пород базальтового и гранитного геофизических слоев (59,2% и 29,8% соответственно от общего объема земной коры), перекрытых оса- дочной оболочкой (стратисферой). Площадь материков и островов составляет 149 млн. км 2 . Осадочная оболочка покрывает 119 млн. км 2 , т.е. 80% общей площади суши, выклиниваясь в направлении к древним щитам платформ. Сложена она преимущественно позднепротерозойскими и фанерозойскими осадочными и вулканогенными породами, хотя в ее составе присутствуют в незначительном количестве и более древние средне и раннепротерозойские слабо метаморфизованные отложения протоплатформ. Площади выходов осадочных пород с увеличением возраста убывают, а кристаллических пород – растут.

Осадочная оболочка земной коры океанов, занимающих 58% общей площади Земли, залегает на базальтовом слое. Возраст ее отложений по данным глубоководного бурения охватывает интервал времени от верхней юры до четвертичного периода включительно. Средняя мощность осадочной оболочки Земли оценивается в 2,2 км, что соответствует 1/3000 радиуса планеты. Общий объем слагающих ее образований примерно 1100 млн. км 3 , что составляет 10,9% от общего объема земной коры и 0,1% от общего объема Земли. Общий объем океанских осадков оценивается в 280 млн. км3. Средняя мощность земной коры оценивается в 37,9 км, что составляет 0,94% от общего объема Земли. Вулканические породы составляют 4,4% на платформах и 19,4% в складчатых областях от общего объема осадочной оболочки. В платформенных областях и, особенно, в океанах широко распространены базальтовые покровы, занимающие более чем две трети поверхности Земли.

Земная кора, атмосфера и гидросфера Земли сформированы вследствие геохимической дифференциации нашей планеты, сопровождавшейся плавлением и дегазацией глубинного вещества. Формирование земной коры обусловлено взаимодействием эндогенных (магматических, флюидно-энергетических) и экзогенных (физическое и химическое выветривание, разрушение, разложение пород, интенсивное терригенное осадконакопление) факторов. Большое значение при этом имеет изотопная систематика магматических пород, поскольку именно магматизм несет в себе информацию о геологическом времени и вещественной специфике поверхностных тектонических и глубинных мантийных процессов, ответственных за формирование океанов и континентов и отражает важнейшие особенности процессов превращения глубинного вещества Земли в земную кору. Наиболее обоснованным считается последовательное образование за счет деплетированной мантии океанской коры, которая в зонах конвергентного взаимодействия плит формирует кору переходного типа островных дуг, а последняя после ряда структурно-вещественных преобразований превращается в континентальную земную кору.



В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.

На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м 2 , или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке - 6°C на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? 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.

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 бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull ) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров - Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.

Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века - и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.

Примеру Италии в конце XIX-начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м - в Японии, в 1928-м - в Исландии.

В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии - в 1958 году, в Мексике - в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) - в 1965-м.

Старый принцип на новом источнике

Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, - более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция - разновидность ТЭС.

На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.

Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь - тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.

Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.

Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.

Самая простая и потому первая из освоенных схем - прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.

ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.

Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, - в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.

На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.

Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.

Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.

Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины - нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия - для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.

Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.

В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) - Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.

Подарок лорда Кельвина

Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же - лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие - в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае - первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.

Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов - обогрев помещений. По сути - это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае - отапливаемое помещение, во втором - охлаждаемая камера холодильника), внешней средой - источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же - теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.

В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.

В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение - эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.

Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду - систему отопления помещения.

В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.

В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.

Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.

Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.

В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.

Экокорректная энергетика

Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м 2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м 2 . К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление - 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.

Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое - воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.

Главный источник химического загрязнения среды - собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.

Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.

На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды - вода и пар - обычно содержат углекислый газ (CO 2), сульфид серы (H 2 S), аммиак (NH 3), метан (CH 4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.

В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г - на угольных ТЭС, 906 г - на мазутных и 453 г - на газовых ТЭС.

Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь - закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.

Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).

Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.

Почём энергия Земли?

Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне - от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.

Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.

Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС - бесплатный энергоноситель. Для сравнения - в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.

Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов - это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.

В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях - около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).

Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.

Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.

Форварды геотермальной энергетики

Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.

Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.

В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли - острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива - развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.

В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.

От Камчатки до Кавказа

В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.

Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона - Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором - об использовании тепловой энергии термальной воды.

На Северном Кавказе - в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане - тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.

На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.

Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.

Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей - нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики - Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).

Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС - уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.

В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.

Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов - Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.

Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы - российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.

Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.

Cтраница 1

Мощность земной коры здесь не превышает 5 - 7 км, в ее составе отсутствует гранитный слой, а мощность осадочного слоя незначительна, что резко снижает перспективы нефтегазоносное этих территорий.  

Мощность земной коры в целом уменьшается, если геотерма смещается ближе к оси температур, что обеспечивается высокой теплопроводностью, связанной с циркуляцией масс воды от свободной поверхности вплоть до нижней коры, как, например, в случае Паннонского бассейна.  

В настоящее время мощность земной коры в среднем принимается равной / о диаметра Земли.  

Особенностью континентальной коры является наличие корней гор - резкого увеличения мощности земной коры под крупными горными системами. Под Гималаями, на-мощность коры, по-ви-достигает 70 - 80 км.  

Примерно такими же были условия и в последующий, катархейский, период развития Земли, продолжавшийся, вероятно, 0 5 млрд. лет (4 0 - 3 5 млрд. лет назад), когда постепенно увеличивалась мощность земной коры и, вероятно, происходила ее дифференциация на более мощные и стабильные и менее мощные и подвижные участки.  

Страна горы и низменности Дальнего Востока имеет условную границу: на западе и севере она совпадает с долинами рек Олек-ма, Алдан, Юдома и Охота, на востоке включает шельф Охотского и Японского морей, на юге проходит по государственной границе. Мощность земной коры достигает 30 - 45 км и зеркально отражает основные крупные орографические единицы.  

Южное крыло Большого Кавказа (на севере и северо-востоке региона) представляет собой веерообразную складчатую асимметричную структуру, сложенную преимущественно юрскими и меловыми отложениями, и характеризуется значительной сейсмичностью. Мощность земной коры составляет 45 - 80 км. Здесь расположены оба выделенных нами аномальных района. По данным магнитотеллурического зондирования [ Шолпо, 1978 ], слой повышенной проводимости расположен под Большим Кавказом в узкой полосе вдоль главного хребта и южного склона, но на востоке она расширяется и захватывает районы Дагестана, где развиты известняковые отложения. Этот слой имеет толщину порядка 5 - 10 км и расположен на глубине 20 - 25 км под осевой зоной мегантиклинория. По простиранию происходит постепенное погружение этого слоя до 60 - 75 км на периклиналях. Малый Кавказ (на юго-западе региона) с морфологически отчетливо выраженными вулканическими аппаратами делится на три крупных мегаблока. Западное крыло Малого Кавказа характеризуется развитием мезозойских вулканогенно-оса-дочных формаций и интрузий. Оно отличается пологой складчатостью.  

Структурно-тектоническая схема сверхглубокой части Тунгусской системы рифтов (составили Ю.Т. Афанасьев, Ю.С. Кувыкин с использованием Карты нефте-газоносности СССР.

Для выделяемых массивов характерен континентальный тип разрезов земной коры, в системах рифтов ее мощность значительно уменьшена. Другие расчеты [ Коган, 1975 ] оценивают мощность земной коры до 25 - 20 км в центральных частях Тунгусской и Вилюйской впадин, до 25 - 30 км в Саяно-Енисейской впадине и до 30 - 35 км - в меридиональной системе рифтов, разделяющих Анабарский и Оленек-ский массивы.  

Южно-Каспийская депрессия имеет разрез земной коры океанического типа. Гранитный слой отсутствует в пределах глубоководных частей Южного Каспия, а мощность земной коры не превышает 50 км. В пределах СГД выявлены следующие крупные геоструктурные элементы: на море - это Апшероно-Прибалханская зона поднятий. Бакинский архипелаг, Туркменская структурная терраса и глубоководная зона Южного Каспия, а на суше - Куринская впадина, которая зоной Талыш-Вандам - ского максимума делится на Нижнекуринскую и Среднекуринскую депрессии. Апшероно-Прибалханская зона поднятий пересекает Южный Каспий в субширотном направлении.  

Возникновение в результате проявления эндогенных факторов крупных горных сооружений стимулирует деятельность поверхностных, экзогенных, агентов, направленную на разрушение гор. Вместе с тем, сглаживание, выравнивание рельефа действием экзогенных факторов приводит к сокращению мощности земной коры, уменьшению ее нагрузки на более глубокие оболочки Земли и часто сопровождается всплытием, возды-манием коры. Так, таяние мощного ледника и разрушение гор на севере Европы, по мнению ученых, является причиной ного воздымания Скандинавии.  

Мощность земной коры в разных частях земного шара не остается постоянной. Наибольшей мощности кора достигает на континентах, и особенно под горными сооружениями (здесь толщина гранитной оболочки достигает 30 - 40 км); предполагается, чтб под океанами мощность земной коры, лишенной гранитной оболочки, не превышает 6 - 8 км.