Термическая история Земли

Термическая история Земли включает в себя изучение истории охлаждения недр Земли . Это подраздел геофизики . (Термические истории также вычисляются ^{[ кем? ]} для внутреннего охлаждения других планетных и звездных тел.) Изучение термической эволюции недр Земли является неопределенным и противоречивым во всех аспектах, от интерпретации петрологических наблюдений, используемых для определения температуры недр, до динамики жидкости, ответственной за потерю тепла, и свойств материалов, которые определяют эффективность переноса тепла.

Обзор

Наблюдения, которые можно использовать для определения температуры недр Земли, варьируются от самых старых пород на Земле до современных сейсмических изображений внутреннего размера ядра . Древние вулканические породы можно связать с глубиной и температурой плавления через их геохимический состав. Используя эту технику и некоторые геологические выводы об условиях, при которых сохраняется порода, можно вывести температуру мантии. Сама мантия полностью конвективна, так что температура в мантии в основном постоянна с глубиной за пределами верхнего и нижнего термических пограничных слоев. Это не совсем так, потому что температура в любом конвективном теле под давлением должна увеличиваться вдоль адиабаты, но адиабатический температурный градиент обычно намного меньше скачков температуры на границах. Поэтому мантию обычно связывают с единой или потенциальной температурой , которая относится к средней мантийной температуре, экстраполированной вдоль адиабаты на поверхность. Потенциальная температура мантии оценивается примерно в 1350 C на сегодняшний день. Существует аналогичная потенциальная температура ядра, но поскольку образцы из ядра отсутствуют, его современная температура основана на экстраполяции температуры вдоль адиабаты от внутренней границы ядра, где солидус железа несколько ограничен.

Термодинамика

Простейшая математическая формулировка термической истории недр Земли включает временную эволюцию температур средней мантии и среднего ядра. Чтобы вывести эти уравнения, сначала нужно записать энергетический баланс для мантии и ядра по отдельности. Они таковы:

${\displaystyle Q_{\text{surf}}=Q_{\text{sec,man}}+Q_{\text{rad}}+Q_{\text{cmb}}}$

для мантии, и

${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=Q_{\text{sec,core}}+Q_{\text{L}}+Q_{\text{G}}}$

для ядра. — поверхностный тепловой поток [Вт] на поверхности Земли (и мантии), — вековое тепло остывания из мантии, а , , и — масса, удельная теплота и температура мантии. — радиогенное тепловыделение в мантии, а — тепловой поток от границы ядра и мантии. — вековое тепло остывания из ядра, а и — скрытый и гравитационный поток тепла от внутренней границы ядра из-за затвердевания железа. ${\displaystyle Q_{\text{surf}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{sec,man}}=M_{\text{man}}c_{\text{man}}dT_{\text{man}}/dt}$ ${\displaystyle M_{\text{man}}}$ ${\displaystyle c_{\text{man}}}$ ${\displaystyle T_{\text{man}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{rad}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{cmb}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{sec,core}}=M_{\text{core}}c_{\text{core}}dT_{\text{core}}/dt}$ ${\displaystyle Q_{\text{L}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{G}}}$

Решая и получаем, ${\displaystyle dT_{\text{man}}/dt}$ ${\displaystyle dT_{\text{core}}/dt}$

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{man}}}{dt}}={\frac {3(-Q_{\text{surf}}-Q_{\text{cmb}})}{4\pi \rho _{\text{m}}c_{\text{m}}(R^{3}-R_{\text{c}}^{3})}}+{\frac {Q_{\text{rad}}}{V_{\text{m}}\rho _{\text{m}}c_{\text{m}}}}}$

и,

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{core}}}{dt}}=Q_{\text{cmb}}\left[A_{\text{c}}(L+E_{G})\left({\frac {R_{i}}{R_{\text{c}}}}\right)^{2}\rho _{i}{\frac {dR_{i}}{dT_{\text{cmb}}\eta _{\text{c}}}}-{\frac {R_{\text{c}}^{3}-R_{i}^{3}}{3R_{\text{c}}^{3}}}\rho _{\text{c}}c_{\text{c}}\right]^{-1}}$

Тепловая катастрофа

В 1862 году лорд Кельвин вычислил возраст Земли в диапазоне от 20 до 400 миллионов лет, предположив, что Земля образовалась как полностью расплавленный объект, и определил количество времени, которое потребуется для охлаждения приповерхностного слоя до его нынешней температуры. Поскольку униформизм требовал гораздо более старой Земли, возникло противоречие. В конце концов, были обнаружены дополнительные источники тепла внутри Земли, что позволило предположить гораздо более старый возраст . Этот раздел посвящен похожему парадоксу в современной геологии, называемому тепловой катастрофой .

Тепловая катастрофа Земли может быть продемонстрирована путем решения приведенных выше уравнений для эволюции мантии с . Катастрофа определяется как ситуация, когда средняя температура мантии превышает мантийный солидус, так что вся мантия плавится. Используя геохимически предпочтительное отношение Юри и геодинамически предпочтительный показатель охлаждения температуры мантии достигает мантийного солидуса (т.е. катастрофы) за 1-2 млрд лет. Этот результат явно неприемлем, поскольку геологические свидетельства твердой мантии существуют уже 4 млрд лет назад (и, возможно, раньше). Следовательно, проблема тепловой катастрофы является главным парадоксом в термической истории Земли. ${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=0}$ ${\displaystyle T_{\text{man}}}$ ${\displaystyle Ur=1/3}$ ${\displaystyle {\text{beta}}=1/3}$

Новый Основной Парадокс

«Новый парадокс ядра» ^[1] утверждает, что новые пересмотры эмпирически измеренной теплопроводности железа ^{[2] [3] [4]} при давлении и температуре ядра Земли подразумевают, что динамо в настоящее время термически стратифицировано, приводимое в движение исключительно композиционной конвекцией, связанной с затвердеванием внутреннего ядра. Однако широко распространенные палеомагнитные свидетельства геодинамо ^[5] старше вероятного возраста внутреннего ядра (~1 млрд лет) создают парадокс относительно того, что приводило в действие геодинамо до зарождения внутреннего ядра. Недавно было высказано предположение, что более высокая скорость охлаждения ядра и более низкая скорость охлаждения мантии могут частично разрешить парадокс. ^{[6] [7] [8]} Однако парадокс остается нерешенным.

Кроме того, недавние геохимические эксперименты ^[9] привели к предположению, что радиогенное тепло в ядре больше, чем считалось ранее. Этот пересмотр, если он верен, также смягчил бы проблемы с тепловым бюджетом ядра, предоставив дополнительный источник энергии назад во времени.

Смотрите также

• Внутреннее ядро ​​Земли
• Магнитное поле Земли
• Строение Земли
• Геологический температурный рекорд
• Список периодов и событий в истории климата
• Палеотермометр
• Радиационное воздействие
• Хронология оледенения

Ссылки

1. Olson, P. (24 октября 2013 г.). «Парадокс нового ядра». Science . 342 (6157): 431–432. Bibcode :2013Sci...342..431O. doi :10.1126/science.1243477. PMID  24159035. S2CID  21839488.
2. de Koker, N.; Steinle-Neumann, G.; Vlcek, V. (28 февраля 2012 г.). «Электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T, а также тепловой поток в ядре Земли». Труды Национальной академии наук . 109 (11): 4070–4073. Bibcode : 2012PNAS..109.4070D. doi : 10.1073/pnas.1111841109 . PMC 3306690. PMID  22375035 . 
3. Pozzo, Monica; Davies, Chris; Gubbins, David; Alfè, Dario (11 апреля 2012 г.). «Тепло- и электропроводность железа в условиях ядра Земли». Nature . 485 (7398): 355–358. arXiv : 1203.4970 . Bibcode :2012Natur.485..355P. doi :10.1038/nature11031. PMID  22495307. S2CID  4389191.
4. Гоми, Хитоси; Охта, Кендзи; Хиросе, Кей; Лабросс, Стефан; Каракас, Разван; Верстраете, Матье Ж.; Хернлунд, Джон В. (ноябрь 2013 г.). «Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли». Физика Земли и недр планет . 224 : 88–103. Bibcode : 2013PEPI..224...88G. doi : 10.1016/j.pepi.2013.07.010. S2CID  55915820.
5. Tarduno, JA; Cottrell, RD; Watkeys, MK; Hofmann, A.; Doubrovine, PV; Mamajek, EE; Liu, D.; Sibeck, DG; Neukirch, LP; Usui, Y. (4 марта 2010 г.). «Геодинамо, солнечный ветер и магнитопауза 3,4–3,45 миллиарда лет назад». Science . 327 (5970): 1238–1240. Bibcode :2010Sci...327.1238T. doi :10.1126/science.1183445. PMID  20203044. S2CID  23162882.
6. Дрисколл, П.; Берковичи, Д. (ноябрь 2014 г.). «О тепловой и магнитной истории Земли и Венеры: влияние плавления, радиоактивности и проводимости». Физика Земли и недр планет . 236 : 36–51. Bibcode : 2014PEPI..236...36D. doi : 10.1016/j.pepi.2014.08.004.
7. Labrosse, Stéphane (февраль 2015 г.). «Тепловая эволюция ядра с высокой теплопроводностью». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 247 : 36–55. Bibcode :2015PEPI..247...36L. doi :10.1016/j.pepi.2015.02.002. S2CID  122507563.
8. Дэвис, Кристофер Дж. (апрель 2015 г.). «История охлаждения ядра Земли с высокой теплопроводностью» (PDF) . Физика Земли и недр планет . 247 : 65–79. Bibcode :2015PEPI..247...65D. doi :10.1016/j.pepi.2015.03.007.
9. Wohlers, Anke; Wood, Bernard J. (15 апреля 2015 г.). «Похожий на ртуть компонент ранней Земли дает уран в ядре и верхней мантии 142Nd». Nature . 520 (7547): 337–340. Bibcode :2015Natur.520..337W. doi :10.1038/nature14350. PMC 4413371 . PMID  25877203. 

Дальнейшее чтение

• Бёлер, Рейнхард (1996). «ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ МАНТИИ И ЯДРА ЗЕМЛИ: Тепловая структура Земли». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 24 (1): 15–40. Bibcode : 1996AREPS..24...15B. doi : 10.1146/annurev.earth.24.1.15.
• Дэвис, Джеффри Ф. (2001). Динамическая земля: плиты, плюмы и мантийная конвекция (Повторное издание). Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 9780521599337.
• Фаулер, CMR (2006). "7. Тепло". Твердая земля: введение в глобальную геофизику (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 269–325. ISBN 9780521893077.
• Якобс, JA (1992). "4. Термическая история Земли". Глубокие недра Земли (1-е изд.). Лондон: Chapman & Hall. ISBN 9780412365706.
• Маккензи, Дэн; Вайс, Найджел (1975). «Размышления о термической и тектонической истории Земли». Геофизический журнал Королевского астрономического общества . 42 (1): 131–174. doi : 10.1111/j.1365-246X.1975.tb05855.x .
• Поллак, Генри Н.; Хертер, Сюзанна Дж.; Джонсон, Джеффри Р. (1993). «Тепловой поток из недр Земли: анализ глобального набора данных». Обзоры геофизики . 31 (3): 267. Bibcode : 1993RvGeo..31..267P. doi : 10.1029/93RG01249.
• Sharpe, HN; Peltier, WR (1978). «Параметризованная мантийная конвекция и тепловая история Земли». Geophysical Research Letters . 5 (9): 737–740. Bibcode : 1978GeoRL...5..737S. doi : 10.1029/GL005i009p00737.
• Уильямс, Квентин (6 октября 1997 г.). «Почему ядро ​​Земли такое горячее? И как ученые измеряют его температуру?». Спросите экспертов . Scientific American . Получено 6 апреля 2013 г.