Температура в глубинах Земли (модель "горячей" и "холодной" мантии)

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

Тема "Температура в глубинах Земли (модель "горячей" и "холодной" мантии)" создана по предложению участника форума "Альтернативная нефть" Н.Б.Шевченко. Название темы нейтральное и позволяет в ее рамках аргументированно отстаивать свою точку зрения оппонентам - приверженцам различных концепций.

Как утверждает Н.Б.Шевченко: "По некоторым оценкам, к которым склоняюсь и я, температура в мантии может быть около 250 С".

Аж дух захватывает, с хорошими кондиционерами можно в мантии расселять населении при чрезмерном перенаселении поверхности Земли.
Что скажут наши физики в ответ нашим лирикам (геологам)?

[Шевченко Николай Борисович]

Для начала общепринятые представления.

http://web.ru/db/msg.html?mid=1163814&uri=part01-03-3.htm

Основы геологии
Н.В.Короновский, А.Ф.Якушова

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20^o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000^o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250^o. Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500^oС. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10^o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150^oС. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120^o С, на 10 км -180^oС, на 12 км -220^o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280^o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2o С, на 1500 м-69,9oС, на 2000 м - 80,4^oС, на 3000 м - 108,3^oС.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg₂SiO₄ - Fe₂Si0₄ позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50^o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000^o С.

[Шевченко Николай Борисович]

http://www.nature.com/nature/journal/v481/n7381/full/nature10740.html

Kimberlite ascent by assimilation-fuelled buoyancy

    James K. Russell, Lucy A. Porritt,Yan Lavallée& Donald B. Dingwell   

   Nature   481,   352–356
    (19 January 2012)
    doi:10.1038/nature10740

Kimberlite magmas have the deepest origin of all terrestrial magmas and are exclusively associated with cratons1, 2, 3. During ascent, they travel through about 150 kilometres of cratonic mantle lithosphere and entrain seemingly prohibitive loads (more than 25 per cent by volume) of mantle-derived xenoliths and xenocrysts (including diamond)4, 5. Kimberlite magmas also reputedly have higher ascent rates6, 7, 8, 9 than other xenolith-bearing magmas 10, 11. Exsolution of dissolved volatiles (carbon dioxide and water) is thought to be essential to provide sufficient buoyancy for the rapid ascent of these dense, crystal-rich magmas. The cause and nature of such exsolution, however, remains elusive and is rarely specified6, 9. Here we use a series of high-temperature experiments to demonstrate a mechanism for the spontaneous, efficient and continuous production of this volatile phase. This mechanism requires parental melts of kimberlite to originate as carbonatite-like melts. In transit through the mantle lithosphere, these silica-undersaturated melts assimilate mantle minerals, especially orthopyroxene, driving the melt to more silicic compositions, and causing a marked drop in carbon dioxide solubility. The solubility drop manifests itself immediately in a continuous and vigorous exsolution of a fluid phase, thereby reducing magma density, increasing buoyancy, and driving the rapid and accelerating ascent of the increasingly kimberlitic magma. Our model provides an explanation for continuous ascent of magmas laden with high volumes of dense mantle cargo, an explanation for the chemical diversity of kimberlite, and a connection between kimberlites and cratons.

 
 

[Шевченко Николай Борисович]

http://vernadsky.tstu.ru/pdf/2008/01t/24t.pdf

ОБ ИСТОЧНИКЕ ГАЗОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КИМБЕРЛИТОВЫХ ДИАТРЕМ

В.А.Смирнов
ГОУ ВПО «Пермский государственный университет»,г.Пермь
Рецензент С.И.Дворецкий

Ключевые слова и фразы:
диатрема; кимберлит; подводящий канал; термическая диссоциация карбоната; флюидизация.

Аннотация:
Обсуждается новый взгляд на механизм образования кимберлитовых тел. Высказано предположение, что основная масса газов, участвующих в формировании диатрем,
представлена углекислым газом, выделяющимся из ультраосновной магмы при
термической диссоциации содержащегося в ней карбоната кальция.

 

[Клоков Александр Александрович]

Диатремы, кимберлитовые трубки взрыва образуются в результате прорыва газов из поднявшегося из недр Земли плюма.
Следствием поднявшегося плюма, является и трапповый вулканизм.

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

Александр Александрович, а как, на Ваш взгляд, соотносятся эти известные истины () с температурным режимом недр, обсуждению которого Н.Шевченко инициировал открытие этого раздела?

[Шевченко Николай Борисович]

http://www.giab-online.ru/files/Data/2011/3/Drozdov_3_2011.pdf

A.B. Дроздов

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ ТРУБКИ УДАЧНОЙ

Рассмотрены новые данные по особенностям горно-геологических условий глубоких горизонтов крупнейшего алмазного месторождения России. Выявлено, что межтрубное пространство представлено разрушенными и опушенными блоками пород с амплитудой смешений до 140 м, переменной обводненностью и повышенной газообильностью подземной гидросферы.

Ключевые слова: месторождение, кимберлитовая руда, алмаз, добыча, горизонт, нефтегазонасышеность.

Куда подевался "мантийный" СО₂?

 

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

Николай, а разве есть сомнения в наличии СО2 в мантии? Все вулканы дышат им.

[Шевченко Николай Борисович]

Николай, а разве есть сомнения в наличии СО2 в мантии? Все вулканы дышат им.

Ахмет Иссакович, если бы СO₂ поступал в земную кору из мантии в течении 4,5 млрд.лет, то газовая составляющая подземной гидросферы была бы им в основном и представлена.
Однако в ней преобладают метановые, метаново-углеводородные, метаново-азотные водорастворённые газы. Углекислотные - распространены спорадически в р-нах активного вулканизма.
Поэтому предполагаю, что СO₂ имеет преимущественно коровое происхождение и образовался при высокотемпературной конверсии метана и его гомологов водяным паром.

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

Николай, Вы правы, что СО2 свойственен зонам вулканической активности, это как раз связано с существованием двух ветвей дегазации Земли: горячей и холодной. А вот как объясняют эти отличия в связи с проявлением магматической специализации А.А. и С.А. Маракушевы.
В Заключение к своей последней статьи (№10 журнала Глубинная нефть - на выходе) они пишут:

"Залегание нефтяных залежей в кристаллическом фундаменте осадочных депрессий относится к главным доказательствам их эндогенной природы. Причем взбросы фундамента являются структурами усиления нефтеобразования, как в перекрывающих осадочных толщах, так и в самом фундаменте. Наш вклад в геологическое обоснование эндогенного происхождения нефтяных и газовых месторождений состоит в установлении их генетической связи с глубинным щелочным магматизмом. Этот вывод подтверждается термодинамическим анализом парагенезисов углеводородов на больших глубинах (высокие РТ параметры), а также петрографически неизменным нахождением углеводородных включений в минералы ранней генерации щелочных магматических пород. Они принципиально отличаются от пород нормальной щелочности, для которых характерны углекислые водные включения в минералы. Их образование определяется возрастанием флюидного давления водорода, разлагающего кислотные компоненты флюидов, что придает магматизму щелочной уклон и создает его углеводородную специфику (7Н2 + 2Н2СО3 = 6Н2О + С2Н6 и др.). Базальт-андезитовый вулканизм нормальной щелочности сопровождает формирование сиалической земной коры в орогенных поясах, а вулканизм щелочно-базальтовой формации сопряжен с процессами ее разрушения, ведущими к образованию окраинных морей. Свойственный его развитию режим высокого давления водорода достигается в глубинных очагах, которые фиксируются глубокофокусными землетрясениями (300-700 км), которые проектируются на акватории окраинных морей. С ними связывается и нефтеносность вулканогенно-осадочных депрессий, которые подразделяются на континентально-шельфовые (наиболее продуктивные) и островодужные. Океанизация (базификация) островодужных систем приводит к образованию пассивных континентальных окраин, которыми наследуются континентально-шельфовые депрессии окраинных морей, в том числе нефтеносные".

С этим, думаю, спорить не приходится.
Однако, СО2 присутствует в водах всех нефтегазоносных бассейнов, в пластовых водах нефтегазовых месторождений. Концентрация СО2 ничтожна, хотя порой встречаются ураганные концентрации. Дело в том, что мы наблюдаем остаточные, непрореагировавшие концентрации СО2, ответственные за процессы вторичного поро- и кавернообразования (выщелачивание и метасоматоз). Учитывая объем вторичной пористости (кавернозности) - сопоставимый с объемами насыщающих их (и консервирующих) нефти и газа, начальные концентрации СО2, были приличными, во всяком случае это цифры от 5-10 до 20% в объеме газовой фазы.

[Клоков Александр Александрович]

Александр Александрович, а как, на Ваш взгляд, соотносятся эти известные истины () с температурным режимом недр, обсуждению которого Н.Шевченко инициировал открытие этого раздела?

Я хотел сказать, что тепловая энергия от земного ядра к поверхности планеты передаётся достаточно быстро (в геологическом понимании). Отсюда, геотермический градиент от поверхности в глубь Земли, первые десятки километров, должен быть высоким.
И ещё, под срединно-океаническими хребтами нарастание температуры происходит много быстрее, чем под континентами. Следовательно, земная кора прогрета весьма неравномерно.

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

По мне тепловой режим недр является следствием активности глубинных флюидопотоков, осуществляющих разогрев недр за счет конвективного массопереноса и привноса в чехол ОБ Земли мантийных, в том числе нефтяных диапиров и перегретых водонефтяных растворов.

По Э.Б.Чекалюку [1965]: «скорость конвективного переноса тепла в пористой среде зависит прямо пропорционально от скорости фильтрации, умноженной на отношение теплоемкостей жидкости и пористой среды».

Геологическое объяснение сводится к следующему. Учитывая, что скорость фильтрации является функцией проницаемости, а для трещинной формы, развитой на глубине, - кубической функцией раскрытости трещин, скорость конвективного переноса тепла   в  трещинной среде  является  (при постоянстве  отношения теплоемкостей жидкости и горной породы на пути вертикальной миграции флюида-теплоносителя) функцией раскрытости трещин, что в геологических терминах описывается понятием активности новейших тектонических деформаций, выраженных в значениях градиента амплитуд неотектонических движений.

Геологические закономерности вариации теплового режима недр геотектонических структур различного возраста консолидации, подтверждаются приведенным физическим объяснением. С омоложением возраста складчатости и с увеличением активности новейших тектонических деформаций и раскрытости недр, увеличивается скорость конвективного переноса тепла в геосреде, выраженная в плотности теплового потока и общей прогретости недр. В этой связи температурный режим недр напрямую связан с вертикальной миграцией глубинных флюидов (от газов до магм), как основных теплоносителей, и проницаемостью недр, определяемой активностью новейших тектонических деформаций, формирующих как площадную зональность, так и вертикальный температурный градиент аномального теплового поля.

Это я цитировал себя: Тимурзиев А.И. Резолюция 1-х Кудрявцевских Чтений - Всероссийской конференции по глубинному генезису нефти и газа. Электронный журнал "Глубинная нефть". Том 1. №1. 2013. c.4-12. URL: http://journal.deepoil.ru/images/stories/docs/DO-1-1-2013/2_Resolution_1-KR.pdf

[Клоков Александр Александрович]

Геологическое объяснение сводится к следующему. Учитывая, что скорость фильтрации является функцией проницаемости, а для трещинной формы, развитой на глубине, - кубической функцией раскрытости трещин, скорость конвективного переноса тепла   в  трещинной среде  является  (при постоянстве  отношения теплоемкостей жидкости и горной породы на пути вертикальной миграции флюида-теплоносителя) функцией раскрытости трещин, что в геологических терминах описывается понятием активности новейших тектонических деформаций, выраженных в значениях градиента амплитуд неотектонических движений.

(Выделил А.Клоков)
Ахмет Иссакович, уточните пожалуйста, на каких глубинах, в земной коре или в мантии, развиты трещинные формы, о которых Вы говорите.

Конвекция предполагает жидкое или газообразное агрегатное состояние вещества. Мантия находится в твёрдом агрегатном состоянии. Не совсем понятно, как в твёрдом веществе протекает процесс конвекции?

Спасибо.

С уважением А.Клоков

[Тимурзиев Ахмет Иссакович]

Александр Александрович, мы с Вами цитируем Э.Б.Чекалюка [1965], но он обсуждает не мантийную конвекцию, хотя, понятно, что физические законы работают везде одинаково.
Я, неофиксист и как геолог верен традициям отечественной геотектонической школы, разработанной в трудах В.В.Белоусова, который один из немногих ученых не поддался западному новомодному учению глобальной тектоники литосферных плит и ушел из жизни, не запятнав свое доброе имя. Современное шаткое положение учения глобальной тектоники литосферных плит поддерживается лишь благодаря инерции послушного большинства (как правило не мыслящих, а лишь подхватывающих чужие идеи) и активного лоббистского воздействия на мировое общественное мнение англо-сакского научного истеблишмента. В среде уважающих себя ученых к классическому мобилизму относятся как недоразумению, навязанному нам со стороны и господствующему в официальной науке по директивной установке. Полная аналогия с учением об органической нефти.

Но, не об этом речь. В мантийную конвекцию я мало верю, обмен вещества и энергии между оболочками Земли происходит через мантийный плюм-диапиризм, функционирующий на восходящих водородных струях, исходящих от ядра Земли. Понятно, что в мантии Земли с ее квазивязким (пластичным) агрегатным состоянием, открытых трещинных систем скорее нет (хотя многие геологи допускают).

Приведу выдержку на эту тему из своего доклада на 2-х КЧ, который выйдет в ближайшем (10-м) номере журнала Глубинная нефть:

"За основу механизма внутриочаговой мобилизации («первичной миграции» в терминах органического учения) УВ-флюидов согласно теории глубинного генезиса нефти может быть принята модель И.Л.Гуфельда (2013), которая рассматривает «формирование структуры границ в литосфере на основе процессов взаимодействия восходящих потоков водорода и гелия с твердой фазой, приводящих к образованию газовой пористости и цепочек пор, связанных трещинами. За счет действия P-T параметров и барьерного эффекта в среде характерны деструкция и развитая трещиноватость. В литосфере и верхней мантии происходят эффекты аморфизации структуры, приводящей к увеличению пористости и диффузии комплексов типа C-H и O-H, допускается возможность горизонтальной миграции водорода и водородных комплексов на большие расстояния по зонам барьерного эффекта. Причем одной из таких зон может быть граница Мохо».

Последняя (граница Мохо) в нашем понимании выступает не только как глобальная в масштабах планеты реологическая граница раздела квазихрупких (земная кора) и квазипластичных (верхняя мантия) сред, но и как граница распространения фронта барьерного эффекта аморфизации структуры среды, обеспечивающей реализацию механизма внутриочаговой мобилизации, т.е. «первичной миграции» (в терминах органического учения) мантийных С-Н-N-О-S систем и других элементов (включая металлы) - компонентов глубинных УВ-систем в верхней мантии и формирование скоплений первичной протонефти.

Как заключает И.Л.Гуфельда (2013) в своей статье, «необходимо понять реальную роль зон барьерного эффекта от границы (слоя) Мохо до более высоких горизонтов в формировании гигантских месторождений. Для нас является реальным горизонтальная диффузия (потоки) водорода и водородных комплексов на большие расстояния по зонам барьерного эффекта, включая слой Мохо (т.е. на сотни километров), подпитка которых осуществляется локализованными сверхглубинными потоками (струями) водорода из мантии».

Есть другие, уже мои соображения на механизм вертикальной миграции и перемещения флюидопотоков в мантии Земли, если интересно, можно продолжить.

[Клоков Александр Александрович]

Современное шаткое положение учения глобальной тектоники литосферных плит поддерживается лишь благодаря инерции послушного большинства ...

Ахмет Иссакович,
 здесь я с Вами полностью согласен. Тектоника плит не выдерживает никакой критики. А работающие навстречу друг другу "конвейеры", при отсутствии между ними зон субдукции, это вообще из разряда бредовых утверждений (Антарктида окружена по периметру срединно-океаническими хребтами, а зон субдукции между ними через Антарктиду нет). И таких ляпов в гипотезе "тектоника литосферных плит", более, чем достаточно.

Как заключает И.Л.Гуфельда (2013) в своей статье, «необходимо понять реальную роль зон барьерного эффекта от границы (слоя) Мохо до более высоких горизонтов в формировании гигантских месторождений.

В принципе согласен. Единственно, что настораживает, так это не повторит ли граница Мохо судьбу границы Конрада. Ведь определять породы по геофизическим данным, без керна опорной скважины, это всё равно, извините, что гадать на кофейной гуще.

Есть другие, уже мои соображения на механизм вертикальной миграции и перемещения флюидопотоков в мантии Земли, если интересно, можно продолжить.

Очень даже интересно. Особенно о высокой диффузионной способности водорода. Ведь именно из-за неё в земной коре нет чисто водородных месторождений, хотя, если верить исследованиям В.Н.Ларина и его сотрудников, водорода из недр Земли к поверхности диффундирует достаточно много.

С уважением А.Клоков.