GEOTERMIKA (přehled základů geotermiky) J. Havíř Josef.Havir@ipe.muni.cz podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Termika se zaměřuje na studium vlastností látek a jejich změn souvisejících s teplotou. Na poznání tepelného stavu Země se zaměřuje geotermika. 500 - 1000 m 500 - 1000 m 0* podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika TEPLO A ŠÍŘENÍ TEPLA teplo ... část vnitřní energie, kterou systém vymění při styku s jiným systémem formou tepelné výměny (nedochází ke konání práce) Clausiusova formulace druhého termodynamického zákona: Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Množství tepla Q přijatého fyzikálně a chemicky homogenním systémem při vzrůstu teploty o AT: Q = m.c. AT m... hmotnost systému c... měrná tepelná kapacita podzim 2011, Brno ŠÍŘENÍ TEPLA - vedením (kondukcí) - tepelným zářením (radiací) - prouděním (konvekcí) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vedení (kondukce) Přenos tepla Q vedením popisujeme pomoci tepelného toku q [W/m - množství tepla, které prochází danou plochou: q = Q_ t.s t... čas S... velikost plochy V ~ podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Tepelné záření (radiace) Tepelná energie Q je přenášena ve formě elektromagnetických vln podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Přenos tepla prouděním (konvekce) Dochází k proudění materiálu o různé teplotě. Tím dochází k přenosu a k promíchání částí materiálu s odlišnou teplotou a tedy k přenosu tepla z jedné části tělesa do druhé. Tento přenos může být rychlejší, než přenos vedením (kondukcí). Teplejší materiál - nárůst objemu a pokles hustoty ... má tendenci stoupat Chladnější materiál - vyšší hustota ... má tendenci klesat podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika ZDROJE TEPLA - z vnějšku ... sluneční záření - z vnitra ... geotermální gradient - pozorujeme nárůst teploty s hloubkou (na nárůst tepla v dolech upozorňoval Agricola v roce 1530). podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vnější zdroje tepla zásadní význam má sluneční záření - asi 2.1017 W (o cca 4 řády více, než teplo z nitra Země), cca 60% dosahuje povrchu Země - minimální průnik do nitra Země - zásadní význam pro povrchové procesy (atmosféra, hydrosféra, biosféra) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vnitřní zdroje tepla asi4.1013W (tj.4.1013 J/s) - zásadní význam pro procesy uvnitř zemského tělesa (tektonické procesy, vulkanismus, metamorfóza) podzim 2011, Brno průměrný tepelný tok z nitra Země je cca 87 mW/m2 celková ztráta tepla z nitra Země je cca 44 TW tepelný tok je nerovnoměrný: - nejvyšší tepelný tok je koncentrovaný v geotermálních oblastech -průměrný tepelný tok je u oceánské kůry vyšší, než u kontinentální kůry (vliv tepla unikajícího v souvislosti s tvorbou oceánské kůry - cca 21 TW) plocha [106 km2] průměrný tepelný tok [10"3W/m2] celková tepelná ztráta [1012W] kontinenty 201 65 ± 1.6 13.1 ±0.3 oceány 309 101± 2.2 31.2 ±0.7 podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Známe více vnitřních zdrojů tepla: -rozpad radioaktivních prvků -teplo produkované impakty a akrecí při počátečním stadiu vývoje Země -teplo pocházející z komprese litosféry (např. generované slapovými silami) - teplo vytvořené elektromagnetickými účinky magnetického pole Země - teplo tvořené třením při klesání těžkých kovů do hlubších partií tělesa Země podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Nejvýznamnějším zdrojem vnitřního tepla Země je rozpad radioaktivních prvků (45-90%). isotop tepelná vydatnost isotopu [W/kg isotopu] poločas rozpadu [roky] průměrná hmotnostní koncentrace v plášti [%] celková tepelná vydatnost v plášti [W/kg pláště] 238JJ 9.46 x 10"5 4.47 x 109 30.8 x ÍO9 2.91 x 1012 235U 5.69 x ÍO"4 7.04 x 108 0.22x ÍO9 1.25 x 1013 232Xh 2.64 x 10"5 1.40 x 1010 124 x ÍO9 3.27 x 1012 40K 2.92 x 10"5 1.25 x 109 36.9 x ÍO9 1.08 x 1012 podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika MECHANISMUS PŘENOSU TEPLA V LITOSFÉŘE Na přenosu tepla v zemské kůře se nejvíce podílí procesy deskové tektoniky (středooceánské rifty), v kontinentálním prostoru převládá přenos tepla kondukcí. procentuální zastoupení tvorba zemské kůry -70% lito sférická kondukce -25% vulkanismus horkých skvrn -5% podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vedení tepla v litosféře V zemské kuře se projevuje významně kondukce. Teplota roste s hloubkou: q = -k dT k ... tepelná vodivost materiálu [W/m.°C] dT/dz ... termální gradient (změna teploty s hloubkou) [°C/m] podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Plášťová konvekce Náchylnost materiálu ke konvekci popisuje tzv. Rayleighovo číslo Ra Vrstva materiálu je náchylná ke konvekci při Ra>1000. Ra = ct.g.d4(q + A.d) k.K.v podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Rayleighovo číslo Ra: Ra a.g.d4(q + A.d) k.K.v q ... tepelný tok na bázi vrstvy A ... radiogenní tepelná produkce vrstvy d... tloušťka vrstvy a... tepelná roztažnost g... tíhové zrychlení k... tepelná vodivost k ... tepelná difuzivita v... kinematická viskozita podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Rayleighovo číslo pro zemský plášť: Ra = _ a.g.d4(q + A.d) Exosfera Termosféra Mezosfera vntihtku Stratosféra k.K.V vrstva mocnost [km] Ra svrchní plášť 700 106 spodní plášť 2000 3xl07 celý plášť 2700 108 V měřítku Je velmi vysoká pravděpodobnost, že v plášti probíhá silná konvekce. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Horký materiál stoupá, chladný materiál klesá - dochází ke tvorbě konvenčních buněk a k cirkulaci materiálu. Fluid cools by losing heat through the surface t t t t t t 00000 t t t t t t Heat input podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Dvouvrstevná nebo jednovrstevná konvekce? Upper Mantle Convection Mid Ocean Whole Mantle Convection Mid Ocean podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Seismická tomografie ukazuje teplotní (hustotní) 3D variabilitu zemského pláště, nevylučuje model dvouvrstevné konvekce. ,5% §0 podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika PROCESY SOUVISEJÍCÍ S PLÁŠŤOVOU KONVEKCÍ Subdukce chladné oceánské kůry na deskovém rozhraní Chladná kůra se zanořuje do pláště vlivem gravitačních sil Frp- Ridge push RH FNB - Negative buoyancy RB Fsp- Slab pull Rs Fsu- Trench suction #?0 Hdo Rdc Ridge resistance Bending resistance Slab resistance Overriding plate resistance Mantle drag under ocean Mantle drag under continent podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Dochází k deformaci izoterm, ponořující se deska je chladnější, než okolní plášť. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Výstup horkého materiálu v riftech podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Výstup horkého materiálu v oblasti riftu vede k silám, které odtlačují desku od riftové struktury. Continent Ocean aie ■RP R dc gigl; v m FRP- Ridge push RH - Ridge resistance FNB-Negative buoyancy #?B - Bending resistance Fsp-Slab pull Rs -Slab resistance Fsu - Trench suction f?0 - Overriding plate resistance Boo - Mantle drag under ocean Hdc- Mantle drag under continent podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Hybné mechanismy deskové tektoniky: Gravitační síly působící na riftech a subdukčních zónách? Síly způsobené pohybem materiálu v plášti? Kombinace obojího? Ocean Mantle drag ridge Ridge push Slab pull Suction Ridge push m i Compression Compression m (b) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Plášťové chocholy (plumy) Thermal convection, constant viscosity 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 x (km) 0 700 1100 1300 1350 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2400 Potential Temperature (°C) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Struktury postihující celý plášť, zdroj se předpokládá na rozhraní pláště a jádra. LOUISVILLE Rotation axis REUNION podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Projevy na povrchu - horké skvrny podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vlivem relativního pohybu zemské desky vůči plášti vytváří horká skvrna na povrchu lineární struktury. Stopy horkých skvrn (Kearey et al. 2009) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Absolutní rychlosti desek vůči horkým skvrnám 2009) (Keare podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika SROVNÁNÍ S DALŠÍMI OBJEKTY SLUNEČNÍ SOUSTAVY Země se liší od většiny ostatních objektů jak velikostí tepelného toku, tak významem procesů deskové tektoniky. mechanismus přenosu tepla v litosféře □ Venuše ?? podzim 2011, Brno litosferická kondukce Měsíc, Merkur "lars tvorba nové kůry v riftech vulkanismus horkých skvrn Základy Geofyziky Geotermika Relativní rychlost chladnutí závisí na velikosti tělesa. TEPELNÝ TOK V LITOSFÉŘE Sledujeme: - prostorový tepelný tok - závislost na hloubce (geoterma) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Povrchový tepelný tok Významná prostorová variabilita. Globálni tepelný tok 0 40 60 85 120 180 240 350 mW m podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Oceánská kura - zřetelný vztah mezi tepelným tokem, stářím a topografií. E Globální tepelný tok Harmonicky interpolované hodnoty lokálních tepelných toků 0 40 60 85 mW m 120 -2 180 240 350 50 100 Age (Myr) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky S rostoucí vzdáleností od riftu roste hloubka dna. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Rifty - mladá kůra, elevace, vysoké teploty Subdukční zóny - zanikající kůra, deprese, nízké teploty THEEMAL EVOL1TTTON" OF OGEANIG IZTHOSPHEBE 100 Myr 0 Myr 0 2000 4000 DISTANCE (KM) Kontinentální kůra - lze pozorovat pokles tepelného toku se stářím a s mocností kůry. Time spán {billiana oľ^Ľnrs n^cj ■ 0.2Siod I 1.5 re 1.7 I I a.7 ta Wí I h-Scg 15 I I 1.7 ta B.7 I I 3.5 to D.7 ■ 3.3 [□ 1.7 0** podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika GĽOTHERMAL MAP OK NORTH AMERICA 2004- laiiiiiiiiiiiiiiiiiii Aktivní regiony - tepelný tok srovnatelný v kontinentální a v oceánské oblasti. Nejstarší části kontinentální kůry mají nižší tepelný tok, než nejstarší části oceánské kůry. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Teplotní pole v prostom Českého masivu Prostorová variabilita tepelného toku je zřetelná také v menším měřítku. Obr. 202. Schematická mapa hustot tepelného toku q na území Československa (podle V. Čermáka) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Teploty horninového prostředí v Českém masivu v hloubce 500 m pod povrchem (Burda, Myslil). 26. Mapa s kanrummi znázorňujícími ttptoly tutmino\éhoprostředí v hltwbce SCO m /««/povrchem. Ukiizka geotermickýcltpodmínek horninovéhoprostředí České republiky s iétšimi anomáliemi v oherské li/lově zoné a české křídové pánvi. Malé tečky - vrty v české křídové pánvi, plné tmjúhelníčky - vrty v Karpatské předhlubni. prúulné kosočlverečky - olterskti ri/tová tána a sffméfenf Geofyzikálního ústavu AY ČR, křfScy - lázné. Sestavili J. Burdu a V. Myslil pro Geotermálni atlus tvropy. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Izohypsy 130 °C v Českém masivu (Čermák 1989). podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Izohypsy 180 °C v Českém masivu (Čermák 1989). podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Vyšší tepelný tok v prostom krušnohorské oblasti, české křídové pánve a karpatské předhlubně. tepelný tok ve vybraných regionech Českého masivu [103 W/m2] minimální maximální průměr moldanubikum 25 72 54 Barrandien 44 92 60 Krušné hory a Podkrušnohoří 59 121 85 česká křídová pánev 59 96 73 Jeseníky 23 55 39 karpatská předhlubeň 45 124 83 podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Variabilita teplotního pole v čase Při povrchu je teplotní pole hornin silně ovlivněno klimatem, charakterem porostu a periodickými teplotními změnami (denní a roční cykly). Obr. 203. Změny průměrných měsíčních teplot vzduchu a zemského povrchu při různém charakteru pokryvu (podle G. A. Čeremenského, 1972) / - louka; 2 - povrch bez pokryvu; 3 - les; 4 — vzduch podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Charakter připovrchového pole lze popsat vztahem: -h T = T0.e co 2a .COS cot-h V co 2a J T... teplota h ... hloubka pod povrchem co... 2%h (x je perioda cyklické změny) a ... součinitel teplotní vodivosti podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika T = -h T0.e (ö 2a .COS cot-h V -h. člen T0.e co 2a popisuje rychlé zmenšení amplitudy s rostoucí hloubkou Obr. 21)4. Teplotní křivky S m fíh) v oblasti stále promrzlé půdy pro různé mésíce (podle G. A. Ceremenskélw. 1972). Křivky potvrzují oprávněnost vztahu (J.4| podzim 2011, Brno Základy Geofyziky -h T = T0.e (Ď 2a .COS cot-h v CO 2a J člen -h. co 2a v argumentu funkce cosinus popisuje zpoždění účinku připovrchových teplotních změn na horninu v hloubce podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Závislost teploty na hloubce (geoterma) Je popisována tzv. geotermálním gradientem - vzrůst teploty litosféry na jeden kilometr. Průměrný geotermální gradient ve svrchní kůře (geofyzikální měření) je cca 30°C/km. Do hloubky se tento gradient mění. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Zjišťování geotermálního gradientu: přímé měření (do hloubky 12 km) petrologická data (do hloubky cca 250 km) geofyzikální data (seismické vlastnosti hlubších partií tělesa Země) extrapolace laboratorních experimentů a fyzikálních modelů Temperature Gradient Data 'C 50" 100' 150' 200' 250" Depth in Ft I Typical gradient Example of core hole gradient in geothermal area podzim 2011, Brno Bottom hole temperature 265 C (509 F) Základy Geofyziky Geotermika Svrchní část Země - různé geotermy konduktivní chladnutí konvektivní chladnutí Oceánská geoterma v průměru teplejší (prům. Q «100 mW/m2) Kontinentální geoterma v průměru chladnější (prům. Q «65 m W/m2) Tcmpcraiure, "C 500 IOOO 1500 M id-ocean ridge KM) 200 ft m 400 500 podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Svrchní část Země - různé geotermy Povrchový tepelný tok + termobarometrie xenolitů - role stáří/tektonického režimu litosféry Typical continental geotherms constrained by heat flow data 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 50 E M f Q 100 ♦ S 150 - Cz IPt & Pz Ar-IH & mPt Ar-ll & ePt Ar-I Reference geotherms Xenolith data Baltic Shield Arkhangelsk Siberia (Daldyn) Siberia (Udachnaya) Slave craton Kaapvaal Namibia SE Australia China TransBaikal region >ya) 400 800 Temperature, °C 1200 Artemieva, 2006 0* podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Vztah geotermy a vulkanismu (rifty): Zvýšený tepelný tok: Posun geotermy do menších hloubek - geoterma protíná oblast tavení. (a) 500 Temperature (°C) 1000 1500 Depth (km) 50 100 150 \{l> Crystals W liquid X \A Solid Solid mantle material rises and consequently melts podzim 2011, Brno Základy Geofyziky 2000 i Liquid öl Ocean ^ Crust " Plate Lithosphere movement t Asthenosphere Vztah geotermy a vulkanismu (subdukční zóny): Přítomnost vody: Posun kritické meze mezi pevnou fází a taveninou - geoterma protíná oblast tavení. (b) 500 Temperature (°C) 1000 1500 2000 50 Depth (km) 100 ■ 150 ■ Mantle melts Water released from subducted plate A Liquid Crystals and liquid S s ■%. tr- et \a. \c \% ig, c w Solid \» \'. \ '• \ "• • \- podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika Globální geoterma -kapalné vnější jádro - částečné tavení v nejvyšších partiích pláště Region of partial melting Surface 1000 2000 5000 4000 5000 6000 410 km 660 km Mantle Inner core Center of Earth 0 1000 2000 3000 4000 5000 Temperature ( C) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika VYUŽITÍ - geotermální energie - lékařství (balneológie) podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika geotermální energie elektrárny - využívá se geotermálního gradientu k ohřevu vody, takto získaná energie se mění na elektrický proud. podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika geotermální energie vytápění In summer, the fluid removes neat from the building and transfers it to the relatively cooler ground in order to coal the building (select image to enlarge). podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika lékařství balneológie - lázně s horkými prameny podzim 2011, Brno Základy Geofyziky Geotermika