Геотермия

Геотермия, г е о т е р м и к а, учение о t° земной коры. Непосредственному наблюдению доступны незначительные глубины

(самая глубокая буровая скважина достигла глубины 2 331 м). Тепловой режим земной коры слагается из тепла, приносимого солнечными лучами (инсоляция), и тепла, излучаемого землей (радиация), причем по-еледпее играет в поверхностных частях земной коры (выше «пояса постоянной температуры ) крайне незначительную роль (V^o от инсоляции). Колебания температуры воздуха весьма неглубоко проникают в почву. По наблюдениям Клоссовского, амплитуды колебаний температуры с увеличением глубины следующие (Ю.-З. Украины):

Глубина в м	Амплитуда колебаний
0,5	21, 9°
1,5	14,28°
3.0	8,12°
19,2	0,01°
Из этих данных	можно заключить, что

средних широтах суточные колебания t° становятся незаметными на глубине 1,5 λι, а годовые—на 19,2 .it (в среднем 20—25 .и). В экваториальных областях с незначительными годовыми колебаниями 1° глубина, на которой эти колебания исчезают, еще более незначительна (4—6 м). Эта глубина, на которой не отражаются годовые колебания, имеющая /° немного выше средней годовой 1° данного места, носит название «пояса, или слоя, постоянной темп-ры». В полярных областях со средней годовой t° 0° и ниже царит «вечная мерзлота». Колодезь в городе Якутске глубиной 116,5 .it не прошел еще всей замерзшей толщи, и породы на этой глубине имели 3°; по вычислениям, вечная мерзлота оканчивалась там только на глубине 183—200 метров Ниже пояса постоянной t° повсеместно наблюдается постоянное увеличение температуры по мере углубления (наблюдения в скважинах, в рудниках). Тщательн. измерение по многим скважинам показало, что в среднем, при углублении па каждые 30—33 -it, t° повышается на 1°. Число .н углубления, соответствующее повышению температуры па 1°, носит название геотермической ступени (или гео-термич. градуса); прирост темп-ры при углублении на 1 или 100 .к называется г е о т е р-мическнм градиентом. Линии, соединяющие пункты земной коры с одинаковой /°, называются г е о и з о т е р м а м и (изогеотермы или хтонизотермы). Установлено, что величина геотермической ступени в различных пунктах земной коры колеблется в ту или другую сторону от средней ее величины. Причинами этих колебаний являются следующие местные явления: 1) Химические реакции окисления сульфидов и каменноугольи. залежей значительно уменьшают геотермии, ступень; так, на руднике Комсток (Невада) геотермии, ступень равна 17 ж, и каменноугольных копях Оссга (Чехия)—5,2 .it. В копях антрацитовых н каменноугольных геотермии, ступень больше, чем в буро-угольных, где химии, реакции интенсивнее. Знание геотермии, ступени позволяет рассчитывать максимальную глубину, при которой возможны горные работы. В районах нефтяных месторождений величина геотермической ступени значительно понижена: Апшеропскнй полуостров (СССР; 28,4 м, Пехельброи (Эльзас) 13,9 21,0 м,

Ечиго (Япония) 20,0 Jit, Санта-Мария (Калифорния) 23,0 метров 2) Вулканические явления значительно уменьшают геотермическую ступень; это уменьшение зависит от близости к вулканическому очагу и от характера послевулканических явлений. Приводим величины геотермических ступеней в вулканических областях:

Характер послевулканических Гсотермпч. явлений ступень в м

Сухие фумаролы.. 0,005

Кислые » .. 0,01

Фумаролы, выделяющие сероводород. 0,01—0,1

» » углекислоту и борную кислоту.. 10—15

В районе извержения миоценового возраста геотермия. ступень равна только 20—25 м— настолько медленно происходит остывание горных пород. В прилагаемой таблице приведены наблюдения по двум скважинам в Германии: Шперенбергской на глубине от 220 до 1 269 Л1 и Шладебахской—от 1266 до 1 716 м, так что оба наблюдения дополняют друг друга.

Результаты геотермических наблюдений в скважинах.

Глубина в м	Темп-ра в °С	Геотермии, градиент в °С	Геотермия, ступень в .и
1	Шперенбергская скважина
220	21 ,58	—	—
283	23,47	0,030	33
315	2Й.43	0,018	21
408	26,88	0,007	140
471	29,08	0,035	29
534	30,92	0.029	34
597	33,12	0.035	29
660	35.83	0,043	27
1 064	46.55	0,011	88
1 269	48,10	0,012	80
о	. Щладебахская скважина
1 266	45,25	—	—
1 296	46,16	0.027	37
1 416	50,25	0,038	29
1 506	52,88	0,029	34
1 536	53.13	0,008	120
1 596	54,50	0.023	44
1 62 G	55,00	0,017	60
1 656	55,50	0,017	60
1 686	56,50	0,033	30
1 716	56,63	0,004	230

Изменение t° на дне скважины в Парухо-вице (Верхи. Силезия) глубиною 2 003 .я дало 69,3° и величину геотермической ступени в 34,1 метров Вычисляя по геотермическ. ступени 1° глубинных частей земной коры, получаем на глубине в 120 км t° 1 200°, в 300 тем— 2 000°, т. e. t°. при которой расплавляются все изверженные породы. 3)Циркуляция подземных вод различного происхождения и t° также имеют значение. Горячие источники повышают t° пород; воды, спускающиеся с поверхности земли (по водопроницаемым породам или сбросовым трещинам), потикают их t°. 4) Величина геотермической ступени находится в большой зависимости от теплопроводности пород. Ниже указана теплопроводность различных пород и для сравнения дана теплопроводность воздуха.

Воздух *.. 0,00005

Каменный уголь.. о,оосз—ο,οοοι

Кварцевый несон (мелкий, сухой) 0,0003—0,0013

Гранит.. 0,0004—0,0097

Пемза.. 0,0006

Глинистый сланец. 0,0019—0,0030

Обсидиап.

Мел.

Кремень.. Песчаник. Андезит.. Газальт.. Мрамор.. Порфир.. Кальцит.. Каменная соль Магнетит.

0,0019

0,0022

0,0021

0,0021—0,030?

0,0031

0,0032—0,0067

0,0012—0,0050

0,0083

0,0090—0,0050

0.0113—0,0137

0,0200—0,0300

Чем больше теплопроводность пород, тем больше гсотермпч. градиент и меньше гео-термич. ступень. Породы, пропитанные водой, обладают большей теплопроводностью, чем сухие. Равным образом теплопроводность по слоистости и сланцеватости боль

ше, чем в направлении, перпендикулярном им. Поэтому геотермическая ступень в круто падающих породах больше,чем в залегающих горизонтально. Эта особенность не была учтена при расчете t° в Симплонском тоннеле, и вместо ожидаемой t° в 42° она оказалась в 55°. При расчете Г-ных условий при проходке тоннелей необходимо учитывать все особенности рельефа, геологическ. строения и характера пород. При проектировании 23-верстного тоннеля через Архот-ский перевал профессор Левинсон-Лессинг определил максимальную t° в 36,6°. Вообще это одна из самых трудных задач, решаемых геологией. Измерение t° в горных выработках производят с точностью до х 0,2° в специально пробуренных скважинах (перпендикулярно к стене обнажения), в которые спускают максимальный термометр, заключенный в железную герметически закрывающуюся трубку.

Лит.: Ячевский Л. А., О термин, режиме поверхности земли в связи с геологии, процессами. СПИ, 1905; К л о с с о в с и и и А. В., Теми-ра почвы на Ю.-З. России, Одесса, 1888; Я ч е в с к и и Л. А. Материалы по геотермике, СПБ, 1912; Л е в и и с о н-Лессинг Ф. Ю. и др., Геологии, исследования в области перевальной ж. д. через Главн. ский хребет, СПБ, 1914; Cassini de Thury J. D., Sur la teinp6rature des souterrains de l’Observatoire royale, <M6m. de l’Acad. de Paris», P., 1786, p. 511; KOnigsberger J. und M fl h 1 b e r g M., Cber Messungen d. geotherm. Tiefenstufen, «Noucs Jahrbucli fiir Mineralogic, Geologic und PalSontologie“, Stg., 19H, B. 31, p.107; Dancker E., liber die Wiirme im Innern d. Erde u. ibre mOgliclist feblerfreie Ermitte-lung, Stg., 1896; S c li a r d t H., Geotherm. Verbait-nissc d. Simplonsgebirges in d. Zone d.Grosson Tunnels, ZiiriCh, 1914. П. Топольницний.

Г E 0 Ф И 3 И Н А. физика земного ш а-р а, часть прикладной физики, занимающаяся применением физических методов и законов к изучению формы земли и происходящих в ней процессов.

Первым отделом Г. является отдел, тесно связанный с геодезией (смотрите) и изучающий форму земного шара, к-рал в первом приближении является эллипсоидом вращения и м. б. исследована или путем градусных измерений, позволяющих определить сплющенность земного шара и абсолютные его размеры, или по наблюдениям над качанием маятника. И настоящее время сплющенность земного шара принимается равной ¹ _2#7. Изучение тяжести на поверхности земли приводит к заключению, что внутренние части земли должен быть более плотными, чем ее наружные части, а исследование землетрясений показывает, что земля имеет слоистое строение. Наиболее резко выражены границы слоев на глубинах около 1 200 км и 2 900 км, причем наружные слои имеют

Ύ. Э. m. V.

плотность от 2,7 до 4—5, средние слои от 5 до 9, н внутреннее ядро от 9 до 11. Ряд соображений приводит к заключению, что внутренние части должны состоять из металлов, глав, образом из железа. Исследование изменения темп-ры с глубиной заставляет признать, что внутренние части земли весьма сильно нагреты, однако, это нагревание не доводит до плавления внутренние части земного шара целиком, и расплавленными являются только небольшие очаги, отделенные нерасплавленными породами. Теплота земли, как молено теперь полагать, зависит от радиоактивных процессов в коре.

Поверхность земли не является абсолютно ровной, какой она была бы, если бы состояла из жидких частей, имеющих разную плотность и расположенных слоями. Земля покрыта возвышениями—горами, образование которых объясняется различными причинами (сжатие земли благодаря охлаждению, действие центробежной силы на массы континентов, радиоактивность внешних слоев земли, действие приливов и отливов и прочее). В настоящий момент вопрос о горообразовании весьма деятельно обсуждается в геологической и геофизической литературе.

Чрезвычайно важное значение для выяснения вопросов о горообразовании и о внутреннем строении земли имеет отдел геофизики, изучающий распределение силы тяжести на земной поверхности—гравиметрия (смотрите). Гравиметрия, наблюдения показывают, что земля находится в состоянии т. н. изостя-тнческого равновесия (смотрите Изостазия). Это значит, что земная кора не представляет собой твердого целого, напоминающего свод. Она состоит из отдельных кусков, которые как бы плавают на внутреннем более пла-стическ. слое. Боковым давлением эти куски поддерживают друг друга, но у них остается способность к движениям по вертикали. Если в каком-либо месте земная поверхность начинает испытывать дополнительную нагрузку, наприм., благодаря изменению климата будет возрастать ледниковый покров, то здесь земная кора будет прогибаться, а если данный ее кусок не особенно велик, то он будет опускаться целиком, пока не восстановится равновесие. И обратно: если нагрузка уменьшается, например, благодаря уничтожению горного массива от выветривания и размывания, то будет происходить поднимание. Т. к. причины, вызывающие нарушения изостатич. равновесия, действуют непрерывно, то непрерывно происходят и нарушения в равновесии прилегающих друг к другу кусков земной коры, и, следовательно, непрерывно должно происходить взаимное смещение пород. Такие смещения слоев земли могут происходить или медленно (вековые смещения) или внезапно и быстро, сопровождаясь нарушением целости земной коры. Эти последние смещения являются одним из самых частых видов землетрясений. В огромном большинстве случаев землетрясения зависят от смещения горных пород, и только изредка они сводятся к другим причинам, среди которых имеют значение и вулканические извержения. Из сказанного следует, что землетрясения должны проис ходить весьма часто, и точные наблюдения подтверждают это. Изучение землетрясений доказывает, что па земле существуют особые области коры с уменьшенной устойчивостью, и только малая часть землетрясений возникает вне этих областей.

Наряду с гравиметрией учение о землетрясениях—сейсмология (смотрите) является важнейшим источником наших сведений о внутреннем строении земного шара. Вместе с тем гравиметрии, и сейсмич. методы, наряду с магнитными и электрическими, находят большое применение в геологии, разведке, в частности для изысканий полезных иско-паемых. У нас в СССР эти методы с успехом были применены для ряда практич. работ и в настоящее время разрабатываются во многих научных учреждениях.

Следующим отделом Г., имеющим огромное значение в науке, является учение о земном магнетизме. Исследования, произведенные точными методами, показывают, что землю можно себе представить, в среднем, как однородно намагниченный шар. Направление намагничивания образует с осью вращения земли угол в 11°. Те же явления намагничивания можно представить себе, если предположить, что внутри земли находится малых размеров магнит, линия полюсов которого совпадает с направлением намагничивания земли. Как показывают наблюдения, направление оси намагничивания с течением времени изменяет свое положение, и степень намагничивания, по крайней мере в последние десятилетия, уменьшается. Кроме этих вариаций земного магнетизма, зависящих от вековых действующих причин, имеются еще изменения двоякого рода. Одни из них зависят от внешних причин, воздействующих на поверхность земли. Сюда относится действие солнца, причем доказана связь между количеством солнечных пятен и магнитя. возмущениями, которые сказываются в изменении направления и величины магнитной силы на поверхности земли. Спектроскопические исследования солнца показывают возможность образования огромных магнитных полей в окружности солнечных пятен; эти поля и создают магнитные возмущения, наблюдаемые на поверхности земли и носящие название магнитных бурь. Изменения второго рода представляют собою наблюдаемые в некоторых местах постоянные отклонения от нормы в направлении и величине магнитной силы. Это—так называемым местные магнитные аномалии, которые зависят от изменений в строении земной коры и от присутствия намагниченных полем земли магнитных минералов. Такое нарушение правильного распределения земного магнетизма встречается сравнительно часто на поверхности земли, причем как величина, так и направление силы магнетизма могут резко отклоняться. Самой большой из этих аномалий является магнитная аномалия в Курской губернии; с ней связана и значительная аномалия в силе тяжести. В некоторых местах наблюдается уменьшение магнитной силы. Эти места, являющиеся отрицательными аномалиями, также зависят от присутствия горных пород. Но в этом последнем случае породы немагнитны.

Следующим отделом геофизики является учение об атмосферном и земном электриче-ствах, причем установлено, что этот отдел в значительной степени связан с учением о земном магнетизме.

Нек-рые авторы ограничивают Г. только указанными отделами, однако, большинство ученых включает в область Г. и учение о жидкой и газообразной оболочках земного шара. Чрезвычайно сложные движения воздушных масс изучались многими крупными физиками и механиками (Гельмгольц, Экс-нер, Вегенер, Бьеркнес и др.), и в настоящее время возникла новая наука—динамическая метеорология (смотрите Метеорология). Изучение движений водной оболочки, представляющей собой моря и океаны, находится в значительной зависимости от изучения движения газовой оболочки, которая благодаря трению создает движение прилегающих частей океана, и таким обр. получаются, как можно показать на опыте, океанские течения, изменяющие распределение климата на поверхности земли. Изменения климата, вызываемые течениями, можно проследить, пользуясь картами разных геологических эпох вплоть до глубокой древности земного шара.

К отделам Г. дблжно отнести атмосферные акустику и оптику, представляющие чрезвычайно интересные в теоретич. и экспериментальном отношении отделы. К атмосферной оптике относятся теории цвета неба, изучение явлений радуги, солнечных и лунных венцов, которые представляют собою наиболее трудные и интересные вопросы этого отдела. Многие задачи атмосферной оптики являются до сего времени не вполне разрешенными. К Г. относятся, наконец, исследования катодных лучей, проникающих в земную атмосферу главным образом от солнца и создающих явления полярных сияний и связанных с ними магнитных бурь, как это показали исследования Шгермера и Биркеланда. Сюда же относится и изучение открытых Милликеном космических лучей, попадающих на нашу землю из беспредельного звездного пространства.

Лит.: Дли начального ознакомления: Μ а ч-

г a i η С h. Physique du globe, Paris. 1923; Gutenberg B., Der Aufbau d. Erde, B., 1925; для геологов и инженеров; Sieberg A., Geologische Einfiih-rung in die Geophysik, Jena, 1927; подробный курс: Gutenberg В., Lehrbuch d. Geophysik, B., 1926—· 1928; руководства математического характера: Jeffreys H., The Earth, Cambridge, 1 924: Prey C., M a i n k a C. u. T a m s L·., Einfiirhung in die Geophysik. Berlin, 1022; по сейсмологии: Голицын 1>., Лекции по сейсмометрии, СПБ, 1912 (превосходный курс инструментальной сейсмологии); Sieberg A. Geologische, physikalische und angewandte F.rd-bebenkunde, Jena, 1923; Bouasse II., Sdismes et sdismographes. Paris, 1927; M a i n k a C., Physik der Erdbebenwellen, B., 1923; M Ontessus d e В a Ι-Ιο r e F., La science sdismologique, P., 1907; Μ 0 n-tessusde В a I 1 о г e F., La geologic sdismolo-gique, P., 1924; M ontessus deBalloreF., La geographic siMsmologique, P., 1905; гравиметрия: В о г n A., Isostasie it. Schweromcssung, B., 1923, В o-w i e W., Isostasy, N. Y., 1927; происхождение форм земной поверхности: В е г e п e p А., Возникновение материков и океанов, перевод с немецкого, М.—Л., 1925 (гипотеза смещения материков); July J., The Surface-History of the Earth, Oxford, 1925 (радиоактивная гипотеза); земной магнетизм: К р ы лов А. Н., О земном магнетизме, П., 1922; MascartE., Traitd de magnetisme terrestre, P. 1900 (устаревшее, но еще полезное руководство); Handb. d. Physik, hrsg. v. II. Geiger u. K. Schell, B. 15, B., 1927; Handbuch d. Klektrizitat u. d. Magnetlsmus, hrsg. v. L. Graetz, II. 4, Leipzig., 1920; атмосферное электричество:

Mathias E., Trait!) d’dlectricitd atmosphferique et tellurique, Paris, 1924; Chauveau B., Electricity atmospherique, P., 1924; атмосфера: Exner F., Dyna-misebe Meteorologic, Wien. 1925; практические методы: Труды особой комиссии по исслед. курок, магнита, аномалии, М.—Л., 1922—27; «Изв. Института прикладной геофизики», Л., 1925—27; Ά m b г о η η Η., Methoden d. angewandten Geophysik, Dresden, 1926; Ii a a 1 c k H., Die magnet. Vcrfahren der. angew. Geophysik, Berlin, 1927; Slump! K., Analyse period Vorg&nge, B., 1927. П. Лазаива.