Внутренняя энергия Земли: новая гипотеза

В докладе представлены основные положения недавно опубликованной гипотезы, уточняющей природу геотермальной энергии и концепцию абиогенного происхождения углеводородов.

Результаты проведенных в мире новых исследований тепловых потоков в недрах Земли, в том числе и экспериментальных, позволили по иному взглянуть на природу внутренней энергии планеты и явились мотивом появления гипотезы по уточнению природы геотермальной энергии [1]. Ниже представлен краткий обзор работ, послуживших обоснованию новой гипотезы, и основные положения гипотезы.

В настоящее время природа геотермальной энергии установлена и является общепризнанной – это следствие радиоактивного распада элементов, содержащихся в земной коре (радиоактивных изотопов, таких как 238 U, 235 U, 232 Тh, 40 K). Рассматриваются гипотезы о наличии и других источников, генерирующих внутреннюю энергию Земли: приливное воздействие Луны, уплотнение мантии и др. [2].

Теоретическая (оценочная) величина теплового потока через земную поверхность определяется зависимостью [1]:

где dT/dr=0,025–0,030 град/м (температурный коэффициент для глубины нескольких километров земной коры); λ=2 Вт/м∙град (коэффициент теплопроводности базальта верхнего слоя земной коры); R–радиус Земли (6371 км). Из приведенного выражения получаем F=28…31) ТВт.

Для уточнения расчетной величины теплового потока с 1939 года начали проводить и экспериментальные исследования. Впечатляют масштабы практических экспериментов по определению локальных тепловых потоков через земную поверхность: 20 тысяч пунктов (неглубокие скважины с измерением температурных коэффициентов и теплопроводности) по всему земному шару, в том числе и под дном океанов.

Мотивом появления гипотезы послужили результаты недавно проведенных при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии фундаментальных экспериментальных изысканий по определению величин тепловых потоков в недрах Земли, вызванных радиоактивным распадом вышеупомянутых изотопов. Обнаружилось значительное расхождение между количеством энергии, генерируемой вследствие распада радиоактивных изотопов, а также энергии других (нерадиоактивных) источников, и суммой количества энергии, необходимой для поддержания магнитного поля Земли, а также энергии излучения через земную поверхность. В таблице представлены расчётные и экспериментальные данные энергетического баланса Земли ( в итоговые показатели не включены расчётные значения тепловых потоков).

Энергетический баланс Земли (тепловые потоки, ТВт)

Расход энергии

Источник энергии

1. Через поверхность Земли

2. Поддержание магнитного поля Земли оценивается:

1. Радиоактивный распад изотопов

20 ( 238 U, 232 Тh) [5], 4 ( 40 K) [5].

2. Нерадиоактивные источники:

уплотнение мантии и др.

Итого 130

Итого 34

Методические сложности измерений [1] заставляют усреднять полученные результаты разными коллективами исследователей и тепловой поток через поверхность Земли принимается равным 45 ± 1 ТВт (1,5× 10 21 Дж/год.). Эта энергия более чем на три порядка меньше энергии, получаемой Землёй от Солнца, хотя раньше, в ХVIII веке, физики и климатологи считали, что климат зависит в основном от внутреннего тепла Земли. Недостающие по балансу

100 ТВт теплового потока (см. табл.) призван обеспечивать иной мощный источник стабильный энергии. Этим источником не может быть изначальный запас земной энергии ядра планеты, ибо вследствие теплопроводности земной коры и мантии он не мог бы сохраниться даже на протяжении 100 млн. лет. Температура ядра должна была бы существенно снизиться, но согласно последним исследованиям, температура внутреннего ядра Земли примерно на 1000 К выше, чем предполагалось ранее, и составляет 6250±500 К [1].

Выдвинута гипотеза о существовании ранее не рассматриваемого источника внутренней энергии Земли [1]. Предположено, что таким источником внутренней энергии Земли могут быть термоядерные реакции особого класса (пикноядерные реакции) в ядре планеты. Показана принципиальная возможность их протекания при низких и сверхнизких температурах, но при очень высоких плотностях вещества, указаны необходимые показатели для таких реакций и оценены имеющиеся условия (топливо, температура и давление) в недрах планеты для их осуществления. Заметим, что температуры, охарактеризованы как “низкие и сверхнизкие”, относительно температур, присущих термоядерным реакциям в разрабатываемых сейчас термоядерных энергоустановках или реакциях, вероятно, происходящим в недрах планет-гигантов.

В качестве топлива рассматривается водород в химическом соединении с различными металлами (гидриды) [7;8]. Растворённый в металлах водород имеется как во внешнем, так и во внутреннем ядре Земли. Необходимая температура для реакций составляет диапазон 10 3 <Т<10 5 К. Температура в ядре Земли, как отмечалось выше, по уточнённым данным оценивается в 6250 ± 500К. Необходимое давление для реакций – 10 7 – 10 8 бар. Давление в ядре Земли составляет 3×10 6 бар, но при крупных землетрясениях (а их ежегодно бывает около 100) продольные сейсмические волны в локальных точках могут создавать давления в 10 7 – 10 8 бар и более [1].

Таким образом, необходимые условия для протекания термоядерных (пикноядерных) реакций имеются. В отдельных местах ядра Земли, как центрах термоядерных реакций, происходит разложение гидридов металлов c выделением водорода и вынос избытка тепла с газо-водородными потоками во внешние сферы и слои, ближе к поверхности Земли. Эти водородно-флюидные потоки, возникающие в ядре, являются источником тепловой энергии, многократно превосходящей суммарную энергию радиоактивного распада вышеупомянутых изотопов и создающей тот недостающий тепловой поток в 100 ТВт в энергетическом балансе Земли (табл.)

Строение “твёрдой” Земли

Земная кораСлои:осадочныйгранитныйбазальтовый

Мантия:верхняянижняя

Ядро:внешнеесубъядро

Новые представления о термоядерной природе геотермальной энергии согласно выдвинутой гипотезе позволяют не только уточнить природу и величину внутренней энергии Земли, но и уточнить концепцию происхождение углеводородов (нефти, природного газа).

Как известно, в разные периоды (начиная со средних веков) учёные при выяснении генезиса углеводородов полагались на разнообразные гипотезы как органического (биогенного) так и неорганического (абиогенного) происхождения углеводородов, в частности, нефти [9].

Постепенно к 70-м годам ХХ века ведущие позиции заняло направление, отстаивающее биогенную природу нефти (международные конгрессы нефти 1963, 1967 и 1971 годов). Поиски углеводородов в мире проводились, исходя из представлений их органического происхождения. И хотя абиогенное происхождение нефти не получило общепринятого признания, всё же и в дальнейшем взгляд на абиогенную природу происхождения нефти отстаивался и продолжает отстаиваться рядом учёных [1].

Описанная гипотеза о термоядерной природе внутренней энергии Земли представляет следующим механизм абиогенного происхождение углеводородов. «Восходящие водородно-флюидные потоки вымывают углерод из глубин геосфер, перемещая его в самые верхние оболочки литосферы. Проявление такой тенденции приводило к тому, что в осадочном чехле планеты и покрывающих её водных бассейнах возрастала общая концентрация углерода, в результате формировались разнообразные соединения – от карбоновых толщин до скопления угля и углеводородов” [1]. При дегазации водорода из ядра планеты и при его попадании в обогащённые углеродом толщи будут протекать реакции гидрогенизации, формирующие нефтеносные слои и месторождения природного газа.

Новые представления о термоядерной природе внутренней энергии Земли позволяют уточнить существующие концепции о происхождении углеводородов и дают основания говорить об образовании нефти и газа в настоящее время и “до тех пор пока не иссякнут запасы водорода в земном ядре и не прекратятся термоядерные реакции”[1]. Не подтверждается ли это положение прогнозами постоянных сдвигов сроков обеспеченности запасов нефти и газа? Так, например, по прогнозу 1989 года срок обеспеченности запасов нефти составлял 41 год, природного газа – 58 лет [10]; прогноз 2012 года определяет такой срок соответственно в 40-45лет и 60-70 лет [11].

Не исключается также, что из ядра планеты может выходить и чистый водород через трещины и разрывы в земляной коре. Случаи выхода огромных количеств газов, содержащих водород и сам водород в чистом виде, геологам известны в прошлом [1]. Предложенная гипотеза даёт основание также рассматривать вопрос о возможности добычи чистого водорода из недр Земли. В этом случае для геологической науки может предстать проблема поиска и добычи водорода как топлива для промышленных целей.

Как отмечалось выше, в настоящее время превалирует концепция биогенного происхождения углеводородов. Рассмотренная гипотеза уточняет представления сторонников их неорганического происхождения, давая основание утверждать, что “в принципе могут существовать два равноправных источника углеводородов” [1]. При этом подчёркивается, что источники абиогенного происхождения углеводородов повсеместно распространены в земле, в то время как биогенные источники ограничены по запасам и сосредоточены географически в местах распространения древней флоры и фауны.

В институте геологических наук НАН Украины проведены исследования, результаты которых меняют представления о ресурсном потенциале земных недр и, возможно, подтверждают абиогенную природу происхождения углеводородов. “Были получены реальные доказательства формирования зон интенсивного эндогенного рудообразования и нефтегазонакопления суперглубинных флюидов, связанных не только с верхней мантией, а и с нижней мантией и границей мантии и ядра. Это удалось сделать благодаря системному комплексному подходу к проблеме на основании результатов сейсмографических и разных минералогогеохимических исследований. Подъём флюидов из глубин геосферы Земли было независимо подтверждено открытием нового явления – наличия микро- и наночастиц самородных металлов и природных сплавов в коллекторах нефти и газа, в геотермальных рудах и т. п. Это коренным образом меняет наши представления о ресурсном потенциале земных недр и о закономерности нефтедогенеза и рудообразования. Три нефтегазоносных региона на территории Украины относятся к сверхглубоким осадочным бассейнам с аномально высокими мощностями осадочного типа. Глубокие горизонты этих бассейнов являются неисчерпаемыми источниками углеводородов, водорода, гелия, в т. ч. 3Не. Их освоение – это без преувеличения будущее нашей цивилизации” [12].

Как заключение отметим, что гипотеза о термоядерной природе внутренней энергии Земли носит дискуссионный характер. Представляется интересным проследить дальнейший ход обсуждения этой проблемы.

1. Терез Э.И., Терез И.Э. Реакция синтеза – основной источник внутренней энергии Земли // Вестник Российской академии наук. – 2015. – Т. 85, №3.- 240 – 246.2. Anderson D.L. New Theory of the Earht. N.Y.: Cambridge U. Press, 2007.3. Pollak H.N., Hurter S.J., Johnson J.R. Heat Flow from the Earth’s Interior: Analysis of the Global Data Set // Reviews of Geophysics. 1993. № 3.4. Lay T., Hernlund J., Buffet B.A. Core –mantle boundary heat flow// Nature Geoscience. 2008. V. 1. P 25-35.5. Condo A., Condo Y., Ichimura K., et al. Partial Radiogenic Heat Model for Earth Revealed by Geoneutrino Measurements// Geoscience. 2011. V. 4. P. 647-651.6. Баранов М.И. Приближённый расчёт магнитного поля Земли // Электротехника и электроника. 2010.Т.6. С. 46-48.7. Ларин В. Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М.: Недра, 1980.8. Терез Э. И., Терез . И. Э. Термоядерные процессы в ядре - главный источник энергии геодинамической эволюции и дегазации Земли // Известия Крымской астрофизической обсерватории . 2011. № 1.9. Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Т.1. Від вогню та води до електрики.- К., 2006. – 304с. Розділ 8. Нафта і газ. С.199 – 207.10. Вольфберг Д. Б., Троицкий А. А. Основные итоги ХІV конгресса Мировой энергетической конференции // Теплоэнергетика. 1990. № 2. –C. 2-8.11. Кондратов Д. И. Проблемы мирового рынка // Вестник РАН. 2015. Т. 85. № 7. – С. 616 - 626.12. Із зали засідань Президії НАН України 2 грудня 2015 року//Вісник НАНУ. 2016. № 2. – С. 13-17.

Басок Б.И., Базеев Е.Т., Институт технической теплофизики НАН Украины